Лазеры, искусственный интеллект, суперкомпьютеры, фундаментальная физика — темы, которые кажутся из научно-фантастических фильмов, но именно ими занимаются молодые учёные. Naked Science поговорил с ними о том, что побудило их выбрать такую карьеру, чем они конкретно занимаются и когда сможет появиться световой меч из «Звездных войн».
Саров – небольшой город Нижегородской области, расположенный в 400 километрах от Москвы. В его закрытой части уже более семидесяти лет работает Российский федеральный ядерный центр – Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики. Год назад открылся новый филиал МГУ, а началось строительство Национального центра математики и физики. Современные корпуса с лабораториями, миди- и мегасайенс-установки (в процессе сборки) и, самое главное – много молодых перспективных ученых! Так постепенно закрытый ядерный центр Саров превращается в открытый научный «город будущего».
Передовые отрасли науки всегда обладают высокой технологичностью: от физики частиц и релятивистской плазмы до проектирования мощных лазеров и суперкомпьютеров. Требуется мощная теоретическая база, дополненная опытом проведения экспериментов и практикой. В филиале МГУ Саров молодым ученым преподают академики РАН, профессора МГУ и эксперты международного уровня.
В МГУ Саров реализуется обучение по шести магистерским программам, разделенным на три направления подготовки.
В области физики – теоретическая физика, лазерная нелинейная оптика и фотоника, а также экстремальные электромагнитные поля, релятивистская плазма и аттосекундная физика.
Вычислительные методы и методики моделирования в области прикладной математики и информатики.
Технологии суперкомпьютеров и основы информатики в области «фундаментальной информатики и информационных технологий» (02.04.02).
Naked ScienceОбщался с магистрантами разных программ, узнавая о предметах их обучения, балансе теории и практики, а также будущих планах.
От частиц до Вселенной
«Хороший теоретик должен учиться, пока может дышать», — утверждает Максим Вялков, студент второго курса, выпускник физфака МГУ. На «теоретической физике» в первую очередь предоставляют исчерпывающие знания о фундаментальных взаимодействиях элементарных частиц и связанных с ними областях: астрофизике, теоретической ядерной физике, гидродинамике, физической кинетике и экстремальных процессах.
Молодые ученые самостоятельно определяют направление специализации. «Программы обучения построены таким образом, что часть предметов обязательна, а есть широкий список предметов на выбор, — рассказывает первокурсник магистратуры Михаил Косарев, окончивший Обнинский институт атомной энергетики. — Например, в этом семестре можно было слушать курсы физики нейтрино, гидродинамики и нейтронной физики. Мы знакомимся с основными подразделами и текущим состоянием исследований по этим темам».
Михаил утверждает, что во всех курсах большое внимание уделяется практическому применению знаний. Выбор конкретного направления исследований зависит от предпочтений студента. «Моя область интересов — ядерная физика, — говорит Михаил. — Чтобы в будущем принять участие в эксперименте, я сейчас изучаю оптическую модель ядерных реакций. Она хорошо описывает упругое столкновение средних и тяжелых ядер, но не легких. Мы внесем в модель поправки (например, резонансы) и применим ее к результатам эксперимента. Покажем, что с ее помощью можно рассчитать более точные значения».
Максим Вялков проводит исследования нейтрино в научной группе российского физика-теоретика Александра Ивановича Студеникина и участвует в проекте НЦФМ по изучению магнитного момента этих незаметных частиц, а также занимается физикой жидкого гелия.
Максим сказал в ответ на вопрос о составе темной материи: «Из того, что не просвечивается фонариком. На самом деле, существует множество теорий, мои коллеги активно ими занимаются. У меня есть предчувствие, что мы должны по-другому взглянуть на наш мир».
Михаилу задали более практичный вопрос о возможности создания черной дыры в лабораторных условиях: любопытно, что Незнамов Василий Петрович недавно приезжал и проводил семинар по теме квантовых черных дыр. Он говорил, что черные дыры могут появляться вследствие ядерных реакций при высоких энергиях. Это лишь гипотеза, но она заинтересовала: хотелось бы в будущем заняться этим вопросом. Черная дыра в лаборатории — красота! Но, к сожалению (или счастью), пока в экспериментах такие мельчайшие объекты не рождаются.
Два молодых учёных намерены развивать исследования в аспирантуре МГУ Саров, после чего продолжить работу в НЦФМ или ВНИИЭФ.
Знания — в свете
Программа лазерной нелинейной оптики и фотоники с применением когерентного излучения исследует фундаментальные свойства вещества. Теория здесь тесно связана с практикой: студенты учатся управлять светом, создавая системы для генерации, усиления и регистрации оптических сигналов. Отдельно ведется работа по разработке материалов и технологий для хранения и передачи информации фотонами.
Исследования кажутся далекими от обыденной жизни, хотя мы сталкиваемся с оптикой ежедневно и даже не задумываемся об этом. Примеры — коррекция зрения очками и линзы в фотоаппаратах.
Наибольший эффект исследований выразился в развитии оптоволоконной связи, обеспечившей нам скоростной интернет. Более чем треть мирового производства реализуется с применением фотонных технологий.
Много студентов, как и я, приехали из других специальностей. В первом семестре больше внимания уделяется теории, потому что без неё невозможно проводить эксперименты, — рассказывает Диана, получившая бакалавра по электронике и наноэлектронике. Программа включает как теоретические занятия, так и практические. На лабораторных работах используется лазерное излучение, управляемое с помощью адаптивных оптических систем. Проще говоря – рассеивающими линзами и датчиками.
Диана изучает системы космической связи, пока лишь теоретически. Лазеры, которые раньше казались ей чем-то фантастическим из фильмов, теперь стали реальностью.
«Световой меч из «Звездных войн»? Думаю, в будущем возможно его создание. Люди, занимающиеся этим направлением, могут создать всё!» — улыбается Диана.
Выпускник любого российского университета имеет возможность поступать в данный филиал. В МГУ Саров можно поступить двумя способами: традиционно, по результатам вступительных испытаний, или же путем победы на Универсиаде.
Наш выбор — экстремальные условия
Без электромагнитных волн жизнь на Земле невозможна. Свет — пример такой волны. Без света нет тепла, кислорода от растений, зрения. Плазма встречается часто: молнии, сварочные разряды, неоновые лампы и пламя — всё это примеры плазмы. Владимир Карпов, первокурсник кафедры «экстремальные электромагнитные поля, релятивистская плазма и аттосекундная физика», объясняет это так. Кстати, в Универсиаде он стал победителем.
«С аттосекундной физикой уже гораздо сложнее, — продолжает Владимир. — Это передовое направление исследований, завязанное на создание лазеров с длиной импульса порядка десяти, а то и меньше, аттосекунд. С их помощью планируют изучать и управлять процессами в атомах и молекулах. Самое близкое к этому — оптоволоконный интернет. Но в нем импульсы порядка десяти фемтосекунд, что в тысячи раз больше, чем аттосекунды».
Программа подготовки включает три специализации: лазерную плазму, физику мощных лазеров и аттосекундную физику. Также осваиваются смежные области, поскольку многие процессы взаимосвязаны. «Получается единый большой эксперимент на передовой научной отрасли», — характеризует программу Владимир. Студенты самостоятельно определяют специализацию, отдавая приоритет либо теории, либо экспериментам.
Владимир утверждает: «В качестве основного выбрал теоретическое направление, но полностью отказаться от экспериментальной составляющей не могу». Сейчас он проходит практику на строящейся лазерной установке мегаджоульного уровня, исследуя параметры лазерных импульсов. Сначала выстраивает теоретическую модель с численными расчётами, а затем проверяет её в эксперименте.
Теоретические и практические знания с первого курса МГУ Саров помогут создать прочную основу для будущей карьеры. «Получу хорошие практические навыки перед изучением тем, которые меня интересуют: лазерному термоядерному синтезу или лазеро-плазменному ускорению частиц. За время магистратуры постараюсь понять, что мне ближе», — делится молодой ученый.
Дальше — лазерный луч Звезды смерти? «Такой мощный лазер сделать невозможно. Бесконечно повышать интенсивность излучения нельзя, при определенных значениях возникнет пробой вакуума — кстати, одно из активно изучаемых физических явлений в области аттосекундной физики, — объясняет Владимир. — При этом пробое вакуума лазерный пучок быстро теряет энергию и его сила снижается. Оптика, генераторы лазерного излучения и прочие элементы оптической схемы просто не выдержат. Единственный вариант — использовать много лазеров, синхронизировать их импульсы и сфокусировать излучение. Тем самым мы получаем количественную задачу: сколько лазеров необходимо для нанесения таких повреждений, какие мы видели в этом фильме. Правда, это уже будет не Звезда смерти, а Рой».
Рассчитать будущее
Перед такой работой – прямо к ребятам из направления «прикладная математика и информатика» программы «вычислительные методы и методика моделирования».
Полина Лашова, студентка второго курса, выпускница филиала Московского гуманитарно-экономического университета в Нижнем Новгороде, говорит: «Такие методы важны для упрощения сложных физических и математических задач». В жизни их применяют при прогнозировании погоды и создании анимации воды в мультфильмах.
Программа готовит специалистов по вычислительным экспериментам и математическому моделированию физических, технологических и природных процессов.
Сферы применения широки: от взаимодействия воздушного потока с крылом самолета до изучения свойств разных веществ. Одна из ключевых областей — инженерные вычисления. Сейчас не требуется создавать дорогие образцы, достаточно моделировать их на компьютере.
В областях физики теория тесно связана с разработкой алгоритмов, программой реализацией моделей и проведением вычислений.
Полина готовит магистерскую диссертацию о подсеточной локализации сильных разрывов в схеме Кабаре. Шема Кабаре подходит для решения задач в разнообразных средах; Полина изучает движение газа в ударной трубе.
Эта программа предназначена для любителей математики и физики. Следующая — для заинтересованных программированием.
ПО для суперкомпьютера
Расчёты и моделирование требуют огромных вычислительных ресурсов, доступных лишь на суперкомпьютерах. Установка Windows на такой компьютер нецелесообразна; для работы необходимы специализированные программы и квалифицированные специалисты.
«Сейчас обучаемся алгоритмам написания программ для суперкомпьютеров, — делится Диляра Уразова, студентка второго курса. — В следующем семестре будем изучать администрирование». Практику студенты проходят, в том числе, в РФЯЦ-ВНИИЭФ. Диляра занимается уравнением переноса в Институте теоретической математики и физики.
Сфера деятельности суперкомпьютеров постоянно расширяется. Помимо вычислительного моделирования, появились задачи анализа больших данных и разработки систем искусственного интеллекта. Кстати о последнем: «Текущий уровень развития искусственного интеллекта не имеет ничего общего с разумом», — пояснила Диляра. А значит, в ближайшее время стоит ожидать появления искусственного интеллекта, полностью соответствующего человеческому.
Студенты проживают на кампусном объекте в удобных домах. В филиале обучается более ста человек, включая аспирантов.
В текущем учебном году поступило 50 студентов, количество абитуриентов в следующем увеличится. МГУ Саров — современный вуз с широкими перспективами, обучение в котором предоставляет возможность участия в крупных проектах ГК «Росатом» и НЦФМ.
Более подробную информацию о университете и его программах можно найти на веб-сайте. https://sarov.msu.ru/
Реклама. ЧУ «Центр коммуникаций».