Зачем нужны физики-теоретики? Или куда иожет привести совместная работа на картошке
В начале октября пришло известие, которого долго ждали. Александр Лихтенштейн, профессор, руководитель группы теоретической физики Гамбургского Университета (UNI Hamburg), совместно с учеными из Голландии и Швеции, получил 8-миллионный (евро) европейский грант -ERC – Synergy Grant по разработке теории ультрабыстрых процессов в коррелированных, т. е. сложных материалах. Всего таких грантов в Европе по всем наукам было выдано около 35, среди них – 5 по физике и лишь один – по теоретической физике. В Университете Гамбурга это – единственный грант такого рода в этом году.
ERC – Synergy грант выдается с 2012 года. Это научная поддержка для выдающихся интердисциплинарных и интернациональных научных групп, для объединения и дополнения знаний и ресурсов ученых из разных стран или «синергия научных исследований».
Что это за теория ультрабыстрых процессов и для чего она нужна?
В Гамбурге, как известно, год назад вступил в действие совершенно уникальный проект XFEL , Рентгеновский лазер на свободных электронах, который стоит около 1,5 миллиардов евро. Половину этой стоимости выделила Германия, 30 процентов – Россия, остальное – другие европейские страны. XFEL представляет собой огромный туннель длиной около 4 километров, начинающийся в Гамбурге (DESY) и заканчивающийся в Шенефельде (Шлезвиг – Гольштейн).
Этот лазерный прибор можно сравнить с ультраскоростной и сверхмощной фотонной камерой (фотоаппаратом) для исследования микромира. Электроны разгоняются в сверхпроводящей трубе и попадая в сильное магнитное поле (уже в Шенефельде!), начинают когерентно (то есть, совместно) «танцевать», испуская мощный лазерный импульс, при этом можно «фотографировать» сложные биомолекулы и наноматериалы.
Это уникальный прибор, по скоростным характеристикам не имеюший аналогов в мире. С помощью этого гигантского инструмента планируется исследование важных биологических молекулярных процессов и совершенно новых состояний вещества.
Адекватных теоретических обьяснений таких состояний сложных материалов при ультрабыстрых процессах и высоких энергиях не существует. Этими вопросами и планируют заниматься трое ученых с большой объединенной научной группой аспирантов и постдоков – Александр Лихтенштейн из Гамбургского Университета, Михаил Кацнельсон из Университета Наймеген (Нидерланды) и Улле Эриксон (Университет Уппсала, Швеция). Главная проблема – как теоретически описать такие новые ультрабыстрые состояния сложных и интересных материалов, включающих атомы переходных элементов, например, медные и железные высокотемпературные сверхпроводники и топологические (а значит «необычные») изоляторы на основе графена. За создание таких веществ были получены две Нобелевские премии по физике – в 1987 и 2010 годах.
Александр Лихтенштейн приехал в Германию в 1989 году по приглашению Оле Андерсена, директора Max-Plank-Institut (Stuttgart). К тому моменту он уже был успешным молодым ученым в области теоретической физики, награжденным премией Ленинского Комсомола и Государственной Премией РФ. После пяти лет работы в Макс-Планк – Институте последовали 5 лет работы в научном центре Forschungszentrum Jülich. Затем он был приглашен на работу профессором в Нидерландский Университет Наймегена – Radboud Universitejt Nijmegen. А затем – неожиданно – последовало приглашение физического факультета Гамбургского университета, где он возглавил теоретическую группу. Это было в 2004 году.
За эти 15 лет многие ученики и аспиранты Александра сами сделали успешную научную карьеру. Среди них уже есть несколько профессоров – во Франции, Германии, Америке, России. Они работают в лучших научных центрах и университетах, например, Ecole Polytechnique, Paris, где учатся все будущие французские президенты.
Двое из трех мушкетеров от теоретической физики Михаил Кацнельсон и Александр Лихтенштейн познакомились … трудно поверить – во время поездки в колхоз в 1977 году, когда оба поступили на первый курс физического факультета Уральского Университета. Люди помоложе, может, и не знают, что все студенты, особенно первокурсники, должны были выезжать на месяц в поля, чтобы помочь сельским жителям собрать урожай картофеля и других овощей. В колхозе, под холодным уральским дождем и снегом, началась дружба будущих лауреатов престижных физических премий. Со студенческих времен они остаются друзьями и коллегами, идут по жизни и в науке параллельно, вместе написали множество совместных научных статей. А первое признание молодые ученые получили еще в СССР, когда им в 1988 году присудили премию Ленинского Комсомола в области науки и техники.
С тех пор они получили много престижных мировых наград в области теоретической физики. Александр Лихтенштейн – премию Макса Борна, в 2014 году, в Лондоне, а в 2015 году, в Праге, чешскую научную премию Эрнста Маха (кстати, это тот самый Мах, в честь которого названа единица сверхзвуковой скорости «один Ма» и которого критиковал Ленин в своей работе «Материализм и эмпириокритицизм»).
Михаил Кацнельсон был награжден голландской премией имени Спинозы и Гамбургской Премией по теоретической физике Joachim Herz Preis. Он также произведен в рыцари Нидерландского Королевства.
Joachim Herz Preis каждый год торжественно вручают в Гамбурге в ноябре. Йоахим Херц (Joachim Herz) – сын основателя концерна Tchibo, Макса Херца. Еще при жизни Йоахим Херц (он трагически погиб в 2008 году, плавая на яхте у берегов Сан-Франциско) основал научный фонд для поддержки различных научных проектов. Гамбургскую премию по теоретической физике Herz Preis вручают ученым за выдающиеся заслуги. Выбирает лауреатов комиссия из Университета Гамбурга и DESY. Скоро состоится церемония вручения премии этого года, в этот раз она юбилейная и будет проходить 13 ноября сначала в Планетарии в 19 часов, а затем – в Эльбфилармонии. Хотя этот фонд существует уже довольно давно, но премии по теоретической физике стали присуждать впервые 10 лет назад. Интересно, что величина премии в денежном выражении в тысячах евро – 1/α: где α – известная константа немецкого теоретика Зоммерфельда. Это примерно 137 тысяч евро.
Планируется, что в проекте, финансирование для которого получили А. Лихтенштейн и коллеги, будут участвовать три теоретические группы. В Гамбурге будут задействованы несколько докторантов, четверо научных сотрудников UNI Hamburg, и трое – в XFEL, где Александр Лихтенштейн также является руководителем небольшой теоретической группы. В проекте предусмотрены совместные научные конференции, воркшопы, проводимые в трех базовых городах: Гамбург, Уппсала и Наймеген. Но главная экспериментальная база с мировыми учеными – экспериментаторами, конечно, – XFEL. Общая продолжительность проекта – 6 лет.
К 2025 году можно ожидать «прорыв» – создание теоретического языка, для описания новых экспериментов, проводимых в «Гамбургском Лазерном Центре на свободных электронах» (XFEL).
Мы желаем Александру Лихтенштейну и его коллегам успешной работы, важных фундаментальных открытий в теоретической физике и, конечно, же новых премий и грантов!
– Макс Борн – большой друг Альберта Эйнштейна и выдающийся немецкий физик, который в 20-е годы прошлого столетия воспитал целую плеяду гениальных ученых, создавших квантовую механику. Даже этот термин «квантовая механика» принадлежит Максу Борну. Это такие известные ученые, как Вернер Гейзенберг и Вольфганг Паули, получившие Нобелевские премии. Позднее и сам Борн стал нобелевским лауреатом за статистическую интерпретацию квантовой механики.
– Насколько я понимаю, ваша работа – это часть большого международного проекта?
– Графен создали мои коллеги по университету Неймегена (Нидерланды), бывшие российские ученые Андрей Гейм и Константин Новоселов. Правда, к тому моменту они работали уже в университете Манчестера. Суть их открытия состоит в следующем: если сделать из обычного графита, из которого производятся стержни карандашей, слой толщиной в один атом, то у этого вещества, названного графеном, обнаруживаются выдающиеся свойства. Оно в сто раз прочнее стали, проводит электроны в двести раз быстрее, чем кремний, из которого сделаны транзисторы чипов в компьютерах. За это открытие Гейм и Новоселов получили в 2010 году Нобелевскую премию по физике.
– Все сложилось постепенно. Я был начинающим исследователем в Уральской академии наук в Свердловске (нынешнем Екатеринбурге), там же защитил диссертацию. Тогда, в конце 70-х годов, зарождалась эра компьютеров, и мы, молодые физики, увлеклись новым направлением в науке – расчетом электронных свойств материалов с помощью компьютерных программ. Компьютеры тогда занимали целую комнату, а чтобы дать задание компьютерщикам, надо было сначала набить перфокарты из плотного картона.
– Но преподавать-то Вам нужно было по-немецки?