Доклад президиума российской академии наук

ФИЗИЧЕСКИЕ НАУКИ

В ядерной физике в 2008 г. ожидался прорыв в понимании свойств материи на фундаментальном уровне после ввода в строй в Европейском центре ядерных исследований ускорителя со встречными пучками протонов – Большом адронном коллайдере (LHC-БАК). Реализация проекта идет на основе широкой международной кооперации; в создании LHC-БАК и подготовке экспериментов участвуют большие коллективы российских физиков.

Крупнейшими событиями последнего времени в физике микро- и макромира стало об­наружение взаимопревращений нейтрино различных типов и открытие астрономическими методами существования «темной материи» неизвестной пока природы. На повестке дня стоят задачи всестороннего определения свойств нейтрино и прямой регистрации частиц «темной материи». Российские ученые активно участвуют в их решении. Для этого в интересах нейтринной астрофизики развиваются расположенные в стране подземные и глубоководные лаборатории и соответствующие комплексы.

Важным результатом последних лет, полученным при участии российских физиков, стало обнаружение и исследование нового класса эффектов, связанных с различием между материей и антиматерией. Лидирующие позиции в области физики атомного ядра – синтезе и исследовании сверхтяжелых элементов, а также более легких экзотических ядер – занимает Объединенный институт ядерных исследований, расположенный в г. Дубна.

Исследование свойств ядерного вещества при экстремальных плотностях энергии, создание и изучение нового состояния ядерной среды – кварк-глюонной плазмы - связано с экспериментами на пучках тяжелых ядер на ядерном коллайдере RHIC (США), в которых заметную роль играют российские физики. Значительные успехи достигнуты и российскими специалистами в области методов получения ускоренных пучков заряженных частиц и детекторных технологий, нашедших свое применение в других областях науки, медицине и наукоемких технологиях.

Особенностями фундаментальной ядерной физики являются межведомственный характер исследований, индустриальный масштаб экспериментальных установок, а также привлечение к их созданию наиболее высокотехнологичных отраслей промышленности. Ключевые проекты в данной области имеют уровень мегапроектов и требуют целенаправленной поддержки со стороны государства.

В сфере астрономии и исследований космического пространства актуальными проблемами являются вопросы происхождения, строения и эволюции Вселенной, выяснение природы «темной материи» и «темной энергии»; исследования Луны и планет, Солнца и солнечно-земных связей; изучения экзопланет. Прогресс в этой сфере обусловлен глобализацией астрономической инструментальной базы: созданием в международной кооперации крупных наземных и космических телескопов и многоэлементных интерферометров. Для отечественной астрономии крайне важно участие в международных проектах – как в действующих, так и в проектах по созданию астрономических инструментов нового поколения.

Следует заметить, что российскими астрофизиками в международной кооперации уже получен ряд фундаментальных результатов мирового класса. А в настоящее время наметились положительные тенденции в развитии национальной программы фундаментальных космических исследований. Кроме этого ведется активная работа по подготовке новых проектов и экспериментов на космических аппаратах.

Актуальные проблемы физики конденсированных сред решаются в рамках физики наноструктур, мезоскопики, спинтроники и изучения сверхпроводимости. Развитие этих работ привело к открытию новых свойств материалов и структур, обусловленных их малыми размерами, которые сравнимы с размерами атомов или молекул. Изучение физических свойств таких объектов позволяет создавать новую электронную и электронно-оптическую элементную базу, разрабатывать высокоэффективные полупроводниковые светодиоды и лазеры, преобразователи световой энергии в электрический ток, высокочувствительные фотоприемники и приборы ночного ИК видения. Качественный скачок в создании больших интегральных схем ожидается с освоением литографических методов с использованием излучения экстремального ультрафиолетового диапазона.
В перечисленных областях, включая развитие нанотехнологий, фундаментальные исследования российских физиков находятся на передовом уровне. Однако степень востребованности отечественной промышленностью получаемых результатов, ориентированных на высокотехнологические индустриальные применения, нельзя признать адекватной требованиям времени.

Важнейшими задачами современной оптики и лазерной физики являются: достижение теоретически возможных концентраций энергии во времени, пространстве и спектральном диапазоне, а также освоение новых диапазонов спектра. Так, создание источников сверхсильных оптических полей петаваттного (10¹⁵ Вт) уровня мощности и с интенсивностями на уровне 10²² Вт/см² открывает новые возможности как для фундаментальных, так и прикладных исследований экстремального состояния вещества. В частности, это необходимо для инициирования лабораторного моделирования процессов в ядерных и термоядерных реакциях, создания компактных источников высокоэнергичных заряженных частиц и жесткого электромагнитного излучения, в том числе, для адронной терапии раковых заболеваний и т.п. Лидирующие позиции в этой области занимают США, Франция и Япония. Исторически высокий уровень российской науки в этой сфере составляет основу для участия в международных проектах по созданию уникальных исследовательских комплексов. В сфере спектроскопии сверхвысокого разрешения, успешно решаются задачи разработки стандартов частоты и времени, в том числе, для системы «ГЛОНАСС». Фундаментальные результаты в области лазерной физики являются основой для разработки новейших лазерных и оптических технологий в промышленности, медицине и других областях.

Низкочастотная гидроакустика является, по существу, безальтернативным средством дистанционной диагностики и мониторинга процессов в толще океана на акваториях размерами в сотни километров. С фундаментальной точки зрения – это важнейший раздел физической океанологии и способ изучения глобальных изменений климата. Основная прикладная направленность исследований в этой области – разработка физических основ и научное сопровождение построения систем дальнего противолодочного наблюдения и защиты подводных лодок от обнаружения. В США и в других странах НАТО работы в названных выше областях ведутся интенсивно и в большом объеме. Наша страна до конца 80-х годов прошлого столетия сохраняла паритет в этих исследованиях и разработках, причем по некоторым направлениям имела опережение. Теперь же имеется значительное интегральное отставание.

Развитию радиофизических методов исследования окружающей среды в передовых странах мира уделяется большое внимание, особенно – в США. В России имеются отдельные научные коллективы, работающие на мировом уровне. Однако в целом мы существенно уступаем странам с развитой экономикой, прежде всего – из-за отсутствия системы научно-исследовательского мониторинга. Расширение международного сотрудничества способствовало бы преодолению этого отставания.

Следует заметить, что в США и странах ЕС в последние 10-15 лет происходит бурный рост исследований по разработке физических основ принципиально нового поколения виброакустических методов диагностики, использующих нелинейные акустические эффекты. К ним относятся: создание новых методов неразрушающего контроля, сейсмоакустического мониторинга, нелинейных методов ультразвуковой медицинской диагностики и целенаправленной микрокапсульной доставки лекарственных средств и их акустической активации. Россия, несмотря на имевшееся в предшествующий период опережение в теоретических и даже в экспериментальных исследованиях в области нелинейной акустики, теряет свои передовые позиции. В первую очередь это касается разработки аппаратуры и технических средств.

Основные направления исследований по физике плазмы сейчас связаны с участием России в программе Международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР. Среди них: реализация режимов улучшенного удержания плазмы; исследования по проблеме стабилизации МГД неустойчивостей; разработка плазменных источников нейтральных атомных пучков с большими энергиями и токами.