Компьютерра PDA 17.07.2010-23.07.2010

- Моя работа вот уже тринадцать лет связана с CERN. Функционально и административно весь проект разделен на две части, за создание и обеспечение работы которых отвечают абсолютно разные департаменты CERN. Первая часть – это сам Большой адронный коллайдер, кольцо в 27 километров, вторая - детекторы, расположенные в точках столкновений пучков. Physics Department занимается анализом результатов столкновений, то есть это – чистая физика. Если брать историю, до сегодняшнего дня была эра строителей LHC, а с сегодняшнего дня и дальше идет эра сотрудников детекторов (ATLAS, CMS, ALICE и LHCb). LHC и детекторы строили независимо друг от друга. На LHC работают "ускорительщики", их задача - обеспечить инструмент для физиков, которые работают на детекторах. То есть LHC - это всего лишь инструмент, который обеспечивает столкновения пучков протонов в экспериментальных точках, открывая путь для физиков. И я отношусь как раз к тем, кто строил, запускал и испытывал коллайдер. Я научный сотрудник, у меня физическое образование, но моя работа сопряжена с инженерными задачами, в частности - системы защиты сверхпроводящих магнитов.

Все 27 километров кольца состоят из сверхпроводящих магнитов, есть только один небольшой прямолинейный участок без магнитов, где частицы ускоряются. Одни магниты нужны для того, чтобы задавать траекторию движения пучка по окружности, другие - чтобы фокусировать пучок, делать его "тонким". Наш институт поставлял в CERN обычные, так называемые "теплые" магниты, не сверхпроводящие, но и много деталей для сверхпроводящих. Иначе говоря, было очень много железа, сделанного в нашем институте для CERN.

В начале двухтысячных мы начали поставлять оборудование в Женеву и возить туда наших монтажников. А в 2006 году, поскольку испытания сводились к испытаниям магнитной системы, где одной из самых важных задач была именно защита магнитов, они позвали меня туда на несколько лет на процедуру запуска (commissioning). Commissioning - это устоявшийся термин для больших установок - процедура запуска, которая длится несколько лет. Запуск - это не просто нажать кнопку, а полный процесс отладки всей работы установки step by step, чтобы запустить ускоритель. Я пробыл там на позиции "team leader" по системам защиты магнитов до осени 2008 года, уехав за неделю до аварии.

Так получилось, что из нескольких человек из России, которых CERN приглашал участвовать в commissioning, смог приехать только я. В итоге в команде из примерно ста человек оказался всего один русский. Хотя, надо сказать, что в строительстве коллайдера и детекторов участвовали сотни россиян. Да и сейчас в CERN находятся несколько сотен физиков из России (детекторщиков, программистов и т.д.)

Сontrol center - пультовая коллайдера. Стол в центре – рабочее место team leaders (3 человека, ответственные за свои бригады: по магнитам, по системам питания и по системам защиты магнитов) во время commissioning. По большому кругу за мониторами – операторы.

- Почему так много российских сотрудников занимается подобной работой? Каков вклад ИЯФ СО РАН в работах в CERN?

- Во-первых, большинство западных институтов ничего не производят, они имеют штат либо физиков, либо эксплуатационщиков, но у них нет штата разработчиков и производственных мощностей. А ИЯФ в свое время, обзаведясь экспериментальным производством, заводом, где станочников в лучшие времена было порядка тысячи человек, производил для себя все сам. На заре физики высоких энергий, являясь одним из пионеров в этой науке, именно ИЯФ предложил сталкивать между собой пучки в циклических машинах. Это была идея Г.И. Будкера, и впервые её реализовали в 1963 году. Через несколько месяцев подобная маленькая машина, периметр которой составлял несколько метров, независимо была создана в Стэнфорде, в Штатах. Все основные принципы были заложены Г. И. Будкером, А. Н. Скринским, В. В. Пархомчуком, нашими физиками. Сейчас ими пользуется весь мир, в том числе и системами фокусировки и охлаждения протонных и ионных пучков. На сегодняшний день к институту прислушиваются в ускорительном сообществе. Он поставляет свои разработки во многие научные центры. К примеру, для LHC Россия поставила в CERN оборудования примерно на 150 миллионов швейцарских франков, из них на 130 миллионов поставил ИЯФ, то есть примерно 80% от всего российского вклада в LHC. А что касается детекторов, здесь уже поставлял оборудование и ИЯФ, и Дубна, и Курчатовский институт (у них нет своих детекторов, но они туда отправляли физиков), и Протвино, и Гатчина. Сюда же и Белоруссия что-то вложила, и Украина понемножку. Нельзя сказать о большем вкладе ИЯФ в части детекторов, но с точки зрения вклада в LHC - почти 5% его построено Россией, из которых бóльшая часть - ИЯФ'ом. Это довольно заметный вклад.

- До какой энергии сейчас разгоняют пучки? Собираются ли её повышать?

- Проектная энергия LHC 7 ТэВ - это энергия, до которой возможно разогнать частицы в коллайдере, но на неё в ближайшее время выходить не будут. Сейчас работают на 3,5 ТэВ на пучок. В будущем, примерно к 2015 году, будет 7 ТэВ на пучок, и, соответственно, 14 ТэВ в месте встречи.

Я сразу поясню, почему остановились на вдвое меньшей энергии. Два года назад была авария. Что произошло? Все кольцо поделено на восемь секторов; один сектор это 154 дипольных магнита, соединенных последовательно между собой и работающих на токе в 12000 А. Это колоссальный ток, при этом энергия, которая запасается в магнитном поле, - 1,33 ГДж, что эквивалентно 200 кг тротила. Между всеми магнитами есть соединения сверхпроводящего кабеля – это расположенные внахлест сверхпроводящие шины, спаянные олово-серебряным припоем, которые находятся там же, в криостате при 2 К.

Причиной аварии стал человеческий фактор: одно из соединений оказалось плохо пропаяно. Чтобы никто не обижался, не буду говорить, из какой страны была бригада монтажников (это были не российские монтажники), но они пропаяли в некоторых местах очень плохо. И на момент до запуска LHC считалось, что пайка – это очень простая вещь по сравнению с самими магнитами, к тому же, это та область, в которой хорошо отработаны технологии.

Место аварии: видно, как расплавились и испарились токоведущие шины (сверхпроводящие в медной рубашке)

Место аварии: видно, как расплавились и испарились вакуумные камеры, по которым проводятся пучки

- Как же допустили такую оплошность?

- Это оплошность только с точки зрения человеческого фактора. Проблема-то в чем? Это то, с чем мы сейчас и в России сталкиваемся. Любая организация, чтобы провести дорогостоящие работы (услуги) или купить дорогое оборудование, устраивает конкурс либо на работы, либо на оборудование. По этим же законам живут бюджетные организации за рубежом. Наш ИЯФ, кстати, тоже предлагал свое участие в этих работах. ИЯФ доверяли очень сложные вещи, но соединения между магнитами - это настолько большой объём ручного труда, что эту работу решили отдать в страну, которая является членом CERN (Россия такой не является). Как только прокручивались разово большие деньги, извиняюсь за жаргон, за "тупую" работу, такие деньги предпочитали оставлять в Европе, это с одной стороны. С другой стороны, конкурс всегда выигрывает компания, попросившая меньше денег за выполнение. После этого зачастую компания-победитель начинает на всем экономить: нанимают совершенно неквалифицированный персонал, который плохо выполняет свою работу.

- Казалось бы, CERN всё-таки...

- Дело в том, что речь идет о действительно огромных объёмах работ, и примитивные вещи все же происходили. Например, было странно, когда роняли наше оборудование. На такелажные работы выиграла конкурс фирма, которая вообще нанимала марокканцев, они роняли наши магниты (и мое оборудование тоже). Потом мы получали на это страховку, восстанавливали. В данном случае дело в том, что физики и научные сотрудники CERN не могут с этим что-либо сделать. Есть мощный чиновничий аппарат, который отслеживает процесс проведения конкурсов, выбирает фирму-победителя конкурса, и какое-либо вмешательство неподвластно людям, которые стоят у истоков самой машины и систем безопасности в частности.

Сама машина продумана очень хорошо, всё оборудование, которое действительно должно было быть сделано качественно, делалось в надежных институтах и компаниях. А вот сервисные работы велись сторонними организациями, не всегда достаточно квалифицированными. В итоге 19 сентября 2008 года на последнем секторе, где шли испытания, одно из бракованных соединений стало греться, и участок сверхпроводящего кабеля вышел из состояния сверхпроводимости. Но, как оказалось, помимо брака при пайке сверхпроводника на сверхпроводник, был ещё и брак при пайке сверхпроводника на шунтирующую медную шину.

Выглядит это следующим образом: сверхпроводящая шина вставлена в медную рубашку, чтобы в случае, если состояние сверхпроводимости пропадет, порядка нескольких сотен секунд ток мог бы течь по медной рубашке, которая не успевает за это время сильно нагреться. При этом срабатывает система защиты, энергия, запасенная в магнитах, выводится за эти несколько сотен секунд во внешний балластный резистор, и все спокойно работает дальше. Системы защиты это отслеживают. В тот раз она тоже сработала и начала вывод энергии в течение нескольких сотен секунд, но кроме плохого контакта сверхпроводника на сверхпроводник оказался ещё и плохой контакт на медь в месте соединения. В итоге участок стал сильно греться, часть его расплавилась, и цепь разорвалась. А индуктивные цепи рвать под током нельзя, потому что энергия, которая запасена в магнитном поле, не может просто так исчезнуть, она должна куда-то выделиться: либо наружу вывестись, либо преобразоваться в энергию электрического поля, приведя тем самым к пробою - электрической дуге. Килограммы в тротиловом эквиваленте могли вылиться в такую дугу, но к счастью сработала система защиты, и в итоге энергию можно оценить в сотню граммов в тротиловом эквиваленте, но никак не в 200 кг. Последствия же взрыва такие, что участок метровой длины токоведущей части не просто расплавился - он испарился. Испарились в месте аварии вакуумные камеры, сильфоны. Это нарушило целостность криогенной и вакуумной систем. Произошла утечка гелия, но когда она началась, сработала система защиты и по криогенике тоже. Если оценить запас энергии в 200 кг в тротиловом эквиваленте, которые могли взорваться, а взорвалось порядка ста граммов, то это очень небольшая авария, благодаря как раз системам защиты, которые сработали. Но если бы не было такой банальной ошибки из-за человеческого фактора, не было бы и такой аварии.

Это очень показательно, и наверно, в каком-то смысле эффект аварии можно назвать положительным, потому что после неё всё проанализировали заново. Теперь проверяют каждое соединение, измеряя мизерные сопротивления порядка 1 наноома. Более того, система защиты отслеживает их в реальном времени.

- Они не все были сделаны одинаково плохо?

- Они не все были сделаны одинаково плохо, но все они были сделаны одними людьми. Порядка десяти заменили в 2009 году, потому что они были совсем плохие - у них сопротивления отличались в десятки раз от нормы. Оказалось даже, что в одном месте вообще забыли спаять. Такие вещи устранили. Осталось небольшое количество участков, где сопротивление чуть выше нормы, из-за этого никто коллайдер останавливать не будет, так как не хочется останавливать, не начав работать. Поэтому выбрали 3.5 ТэВ. Если где-то есть не заведомо бракованные, а просто сомнительные контакты, то они выживут с запасом на этой энергии. Сначала хотели пониматься на 5 ТэВ, потом решили, что безопаснее на 3.5. На этой энергии проработают 1.5 года, то есть примерно до конца 2011 года.

- Потому, что нужно убедиться, что не будет поломок?

- Нужно поработать, узнать, какие ещё есть баги. Не бывает огромной машины без ошибок, в этом и заключается понятие выхода на проектные параметры. У Tevatron официальный commissioning закончился в 1983 году, а вышел на проектные параметры только в двухтысячных. В девяностые годы был бардак, пока не пришли, кстати, русские физики, которые учились в нашем ИЯФ. Владимир Шильцев, например, заканчивал Новосибирский государственный университет, работал в нашем институте, затем уехал сначала в Германию, потом в США, и в начале двухтысячных стал техническим директором Tevatron. К тому времени Department of energy поставил жесткий ультиматум: либо вы прекращаете получать финансирование, либо вы показываете проектные параметры. И за несколько лет провели очень мощную реорганизацию всего комплекса, и эту машину вывел на проектные параметры наш бывший ияфовец.

- А как складываются отношения с теми, кто уехал?

- Много бывших "наших", которые до сих пор духом с нами. Они нам часто дают работу, помнят, откуда они, помнят, где они всему научились. И если человек ушел из ИЯФ, но остался в науке, просто почему-либо ушел из нашего института, он остается нашим, "ияфовцем". Может, он увидел большие перспективы в том же "Фермилабе" или в CERN. Очень много хороших людей, благодаря им, в том числе, у нас достаточно много новых контрактов. Это несколько космополитично, но это правильно.

- Очертите, пожалуйста, следующие этапы работы LHC.

- В 2012 году будет shutdown на год-полтора, техническая остановка. Тогда будут меняться все сомнительные контакты, вскрываться криогенная система, и они будут переделываться. Будут устраняться все недостатки. Сейчас работают на инжекционном комплексе, оставшемся от предыдущей протонной машины SPS, которая сейчас является поставщиком пучков для LHC. Но строится новый инжекционный комплекс, в 2014-2015 году он будет введен в эксплуатацию, это позволит улучшить параметры пучка. Более того, в 2014-15 году, после технической остановки LHC будет запускаться на проектной энергии 7 ТэВ на пучок. Ничего другого, концептуально нового, нет. Какие-то мелочи будут меняться, но это рутина.

- В отчёте о работе LHC указано, что август планируется провести на режиме повышенной светимости. На что влияет повышение светимости?

- Светимость – это количество частиц в единицу времени на единицу площади. Размерность с-1·см-2. Проектная светимость 1034 с-1·см-2. Сегодня - 1030, и это соответствует восьми сгусткам. Это уже хорошо по сравнению с концом марта, когда коллайдер запустился - тогда было 1027. Осенью будет 1032, и это будет соответствовать 800 сгусткам. А проектная - 2808 сгустков. Помимо этого, в будущем планируют улучшить фокусировку пучка перед экспериментальными точками.

- Что значит "улучшить фокусировку"?

- Это значит, уменьшив поперечный размер пучка, фактически увеличить плотность частиц. Если плотнее пучок, и больше частиц, пролетающих в единицу времени через единицу площади, то при столкновении двух таких пучков количество событий будет больше. А, следовательно, и лучше статистика - физики хотят копить именно статистику. Даже если от столкновения двух частиц, на 7 ТэВ каждая, родится один бозон Хиггса (хотя и это сомнительно, ибо при сегодняшней светимости такого события можно ждать тысячи лет), этого будет недостаточно. Все определяется статистикой. Копить её необходимо для того, чтобы вероятность события стала близка к 100%. Никто никогда не поверит единичному событию, нужна повторяемость для построения статистического распределения. Для поиска того же бозона Хиггса на коллайдере существует не один участок: есть детектор ATLAS, на котором работают наши физики, есть CMS. В какой-то степени они дублируют друг друга. Физики - народ очень скептический и критический. Должна быть ясная картина. Иначе весь мир просто засмеет. Чтобы такого не произошло, должен быть накоплен большой интеграл событий.

- Насколько далеко ушёл LHC от Tevatron на сегодняшний момент?

- Пока не ушёл. На Tevatron светимость около 1033, и пока CERN не выйдет на светимость, сравнимую с Tevatron, у него не будет такой статистики. Если сегодня у нас светимость 1030, то проектная - 1034. Когда её достигнут, скорость набора статистики будет в 10000 раз выше. На данный момент LHC обогнал американцев только по энергии. А что касается светимости, то весной было два сгустка, сейчас - восемь. На светимость 1030 вышли в начале июля, в начале апреля она была 1027, и с такой статистикой, как на Tevatron, реально конкурировать возможно будет только с осени. Год LHC проработает на сравнимых светимостях с Tevatron и на в 3,5 раза больших энергиях. Но теоретически уже на этих энергиях возможно найти бозон Хиггса, потому что по некоторым предсказаниям его масса лежит в районе 1 ТэВ. Tevatron ведь не просто так строился на 1 ТэВ, но оказалось, что им немножко не хватает энергии. Вполне возможно, что интересная физика на LHC будет в следующем году, а в этом - вряд ли. Сейчас идёт калибровка, отработка программного обеспечения, среды. Видны результаты столкновений, видны частицы, которые разлетаются.

- Расскажите, пожалуйста, о проектируемом линейном коллайдере.

- Об этом лучше пока не говорить, потому что до конца не уверены в целесообразности его строительства. Пока не будет все ясно с LHC, никто не даст отмашку для проекта CLIC (Compact Linear Collider). Известно, чего от него хотят, но неизвестно, будет ли он строиться, и если будет, то когда и где? Как в свое время долго решали, где построить ITER, и только несколько лет назад сошлись на том, что это будет юг Франции. Хотя это могли быть и Штаты, и Япония. То же самое с будущим коллайдером.

- Чем физика элементарных частиц может быть полезна в области космологии?

- Во Вселенной происходят и термоядерные реакции, и Землю бомбардируют частицы всех рангов, начиная от фотонов и кончая нейтрино. Более того, частицы, которые нас каждую секунду пронизывают, имеют в миллиарды раз большие энергии, чем те протоны, которые получают в LHC. Но нельзя взять "карманный" детектор и искать по всему земному шару места, где сталкиваются между собой эти частицы. Для этого и нужны коллайдеры, чтобы события были в известном месте, где можно уже поставить необходимый детектор. Тем не менее, сами космические частицы детектируют, и когда LHC ещё не давал столкновений, а ATLAS и CMS уже были построены, первые несколько месяцев они калибровались на частицах, которые летят из космоса. По тому, какой след они оставляли, определялось, какие это частицы, с какими энергиями. Поэтому, это примерно одна и та же наука. Более того, изначальная цель того же LHC – найти бозон Хиггса, который в свое время возник именно во время образования Вселенной, и является частицей, ответственной за массу.

Существует предположение, что все частицы в первые мгновения после Большого Взрыва не обладали массой. С охлаждением Вселенной температура упала ниже некоторой критической величины, так что сформировалось так называемое поле Хиггса, ассоциированное с бозонами Хиггса. С распространением поля Хиггса во Вселенной любая частица, взаимодействуя с бозоном Хиггса, приобретала массу. Чем больше частица взаимодействовала в поле Хиггса, тем большей массой она наделялась. Эта теория приводит к решению, не противоречащему основным принципам Стандартной Модели. Проблема заключается только в том, что бозон Хиггса до сих пор не был найден, и масса его до сих пор неизвестна, что в свою очередь усложняет его идентификацию. Остается только последовательно рассматривать диапазон масс, которому предположительно принадлежит масса бозона Хиггса. Ожидается, что на Большом адронном коллайдере бозон Хиггса будет либо найден, либо будет показано, что его масса находится вне диапазона 14ТэВ.

- Почему недостаточно нейтрино, чтобы изучать эти процессы?

- Нейтрино – это вообще очень странные частицы, которые до сих пор нормально не изучали. У любой частицы есть понятие длины свободного пробега - длины, на которой частица взаимодействует с веществом. Нейтрино относятся к тем частицам, длина свободного пробега которых настолько велика, что нейтрино с низкими энергиями (единицы МэВ) проходят сквозь Землю (длина свободного пробега для таких нейтрино составляет порядка 1014м). Однако нейтрино с много большими энергиями, при которых длина свободного пробега составляет сотни метров или километры, можно регистрировать. На озере Байкал уже давно существует эксперимент, где под водой по сфере диаметром в несколько сотен метров расположены фотоэлектронные умножители, регистрирующие результаты взаимодействия нейтрино с водой. А сейчас на Tevatron и на LHC готовятся два одинаковых эксперимента. Суть их заключается в следующем. Пучок отводится от основного кольца и разворачивается по отношению к горизонтальной плоскости (кольцо ускорителя расположено горизонтально). После этого пучок направляется на мишень, протоны бомбардируют её, "выбивая" нейтрино. Нейтрино летят по хорде Земли, пролетая 300-400 километров. В CERN отвод сделан так, чтобы они пролетели 300 километров и вылетели в итальянских Альпах. Примерно то же самое в Штатах. Отвод от Tevatron начинается на глубине 50 метров и заканчивается на глубине 100 метров - это конечная точка, где стоит мишень. Этот перепад глубин задает направление, в котором полетят нейтрино. В Чикаго выпускают, в другом штате регистрируют.

На том же LHC пытаются получить не только бозон Хиггса. Помимо четырех основных детекторов есть всевозможные отводы для технологических нужд, для рассевания на мишени, в том числе для получения нейтрино. Физики работают и на LHC, и на SPS (бустерный синхротрон). Например, с SPS берут протоны, рассевают их на мишени и получают антипротоны, потом антипротоны вместо того, чтобы ускорять, наоборот, тормозят, а торможение равносильно охлаждению. Недавно вышла статья о том, что они охладили антипротоны до нескольких градусов Кельвина. Потом из них получают, например, антиводород, и исследуют это антивещество.

- А так раньше делали?

- Делали, в том же "Фермилабе", но это настолько трудоемкая и денежноемкая работа, что сказка, рассказанная Дэном Брауном в "Ангелах и демонах" - это, конечно, неправда. Я буквально неделю назад разговаривал с русским физиком, который ответственен за такой эксперимент в CERN. Он говорит, что для того, чтобы получить один грамм этого вещества, нужно работать несколько миллионов лет. То антивещество, которое они сейчас получают, в случае аннигиляции способно разогреть воду объёмом полстакана, а никак не взорвать Ватикан.

- Ускорители России: каких результатов можно достичь на низких энергиях?

- Физика высоких энергий ушла в большой отрыв. Сейчас разгоняют тяжелые частицы и хорошо проходят по энергиям в диапазоне от сотен ГэВ до, теперь уже, единиц ТэВ. Если бозон Хиггса существует, и если у него масса порядка 1 ТэВ (а масса и энергия в данном контексте – это одно и то же), то он, скорее всего, будет найден. Уровень порядка несколько ГэВ мировая наука проскочила, не затронув должным образом. И ИЯФ сейчас со своим комплексом ВЭПП4 с энергией 5-6ГэВ и новой машиной ВЭПП-2000, где энергия порядка 1 ГэВ, будет работать именно на этих энергиях. ВЭПП-2000, в частности, предназначен для проверки и уточнения некоторых положений стандартной модели. Энергия сталкивающихся частиц составит 2 ГэВ в системе центра масс, что достаточно для рождения пары нуклон-антинуклон, и позволит, в частности, измерить электромагнитный формфактор (распределение заряда) нуклонов.

- Какие у Вас есть профессиональные ожидания от LHC?

- Такие же, как у всех - чтобы нашли бозон Хиггса. Что именно найдут, подтвердят ли существование бозона Хиггса? Верной ли они идут дорогой? Но технически интересно и другое - представляете, что приобрел человек за последние пятьдесят лет? Сотовые телефоны, компьютеры, интернет, языки программирования, новые технологии, материаловедение и многое другое! 80% из названного своим существованием обязано физике высоких энергий. Где интернет родился, вы знаете. Само желание связать компьютеры в сеть появилось примерно в начале семидесятых. Но, несмотря на то, что компьютеры связывали в сеть, нормального протокола, где все было бы прозрачно и удобно, до конца восьмидесятых не было. Уже к концу восьмидесятых, когда в CERN ещё работал LEP, Large Electron Positron Collider (он стоял в том же тоннеле, где сейчас LHC) были достаточно большие детекторы, огромное количество результатов, которые надо было обрабатывать. Соответственно, тысячи компьютеров нужно было связывать в сеть. В восьмидесятых годах, когда переваривали этот объём информации, церновские сотрудники, пытаясь создать протокол обмена данными через сеть, придумали прототип World Wide Web. В начале девяностых идея получила развитие, и теперь у нас есть интернет, где зарабатываются триллионы долларов, где люди не могут мыслить себя без писем и общения друг с другом. Этим всем мир обязан не только CERN, но и физике высоких энергий. Так что уже этого достаточно, чтобы окупить все проекты в будущем. К тому же CERN всегда был пионером с точки зрения компьютерной безопасности, построения сетевых архитектур. Стоит глобальная задача, к которой нужно идти. Чтобы построить LHC и поддерживать его работу, нужны прикладные науки, нужно искать, искать и искать. Поэтому мы не знаем, чем полезным нам это обернется в следующие 50 лет.

- Чем же ещё может обернуться?

А вы думаете, сто лет назад, когда по телеграфу передавали информацию, человек не думал - "Куда уже дальше"? Чем именно обернётся, невозможно сказать, потому что мы пытаемся мыслить теми категориями, которые знаем. Но наши понятия лежат в другой плоскости, поэтому мы не можем сказать ничего определенного. У нас не хватает базисных векторов. Мы всё пытаемся натянуть на свои, знакомые нам, векторы. А речь идет о том, что в следующие пятьдесят лет появятся новые, и наше технологическое пространство станет ещё богаче. Поэтому я в первую очередь жду результатов такого рода, а не бозон Хиггса.

- Фотографии предоставлены Александром Ерохиным.

Близка разгадка тайны сверхпроводимости

Автор: Олег Нечай

Опубликовано 22 июля 2010 года

Американские физики приблизились к разгадке тайны сверхпроводимости – одного из самого многообещающего свойства некоторых веществ. Это открытие может революционным образом изменить современную систему энергетики – если учёные смогут создать сверхпроводники, работающие при температуре, близкой к комнатной.

Напомним, что представляет собой сверхпроводимость. Это явление открыл в далёком 1911 году голландский учёный Хейке Камерлинг-Оннес при исследовании свойств веществ при низких температурах – за эти исследования в 1913 году ему была присуждена Нобелевская премия по физике. В ходе экспериментов обнаружилось, что некоторые вещества, в частности, ртуть, олово, свинец и таллий, при охлаждении до температуры ниже 20 K (при температуре жидкого гелия, на 20 градусов Кельвина выше абсолютного нуля) полностью теряют электрическое сопротивление и могут проводить электрический ток без каких-либо потерь. При повышении температуры это явление исчезало – как и при воздействии сильных токов и магнитных полей. В общем приближении эффект сверхпроводимости объясняется довольно просто: направленному движению электронов в проводнике в обычном состоянии мешают случайные колебания атомов, а при уменьшении температуры эти колебания становятся меньше, и электроны встречают всё меньше препятствий на своём пути.

На протяжении последних двадцати лет учёные пытались выяснить, почему явление сверхпроводимости возникает лишь при температурах чуть выше абсолютного нуля. Было зафиксировано состояние так называемой псевдощели – диапазон температур, при котором сверхпроводники теряют свои свойства. При этом в веществе на молекулярном уровне происходят какие-то изменения, но до последнего времени все попытки установить характер этих явлений были неудачными.

Физики, работающие на Министерство энергетики США, возможно, нашли решение загадки. Экспериментируя со сверхпроводниками из оксида меди, учёные заметили изменения в поведении электронов, которые происходят только при прохождении псевдощелевого состояния. В частности, было отмечено, с какой лёгкостью электроны могут перепрыгивать из атомов меди и кислорода на иглу туннельного сканирующего микроскопа. Описание этого эксперимента было опубликовано 15 июля 2010 года в журнале Nature.

Оксид меди относится к так называемым высокотемпературным сверхпроводникам, открытым в 1986 году – эти вещества получают свойства сверхпроводимости при температуре около 90 градусов Кельвина – на 90 градусов выше абсолютного нуля. Представьте кристаллическую структуру оксида меди: повторяющиеся один за другим модули из атома меди в центре решётки, одного атома водорода над ним и одного – слева от него. В каждом таком модуле, по словам руководителя проекта Симуса Дэвиса, способность туннелирования электронов из "верхнего" атома кислорода значительно сильнее способности туннелирования электронов из "левого" атома.

Обнаружение такого явного нарушения симметрии имеет большое значение – в истории науки масса прецедентов, когда подобная асимметрия в корне меняла привычные представления об окружающем мире. К примеру, открытие асимметрий в жидких кристаллах позволило разработать способ управлять ими, благодаря чему были созданы широко распространённые сегодня жидкокристаллические экраны.

Специалисты рассчитывают, что обнаружение асимметрии кристаллической решётки в фазе псевдощели будет иметь не менее важное значение. В настоящее время продолжается поиск подобных нарушений симметрии в других сверхпроводниках из оксида меди. Одновременно учёные пытаются установить, каким образом эта ассимметрия влияет на движение электронов и, как это движение, в свою очередь, отражается на свойстве сверхпроводимости. Знание этого механизма позволит понять, как изготовить материалы, обладающие высокотемпературной сверхпроводимостью, то есть проявляющие нулевое электрическое сопротивление при комнатной температуре.

Сегодня для получения свойств сверхпроводимости требуются сложные системы охлаждения, что делает невозможным широкое применение сверхпроводников. Создание веществ, способных сохранять свойство сверхпроводимости без охлаждения до очень низких температур, будет иметь поистине революционное значение для технологий будущего. Использование таких материалов кардинально повысит эффективность энергораспределительных сетей и сделает энергетику завтрашнего дня значительно экономичней. Более того, возбуждённый в замкнутом контуре сверхпроводников ток может циркулировать по нему без потерь в течение миллионов лет, что отчасти было подтверждено ещё экспериментами Камерглинга-Оннеса, который в 1924 году смоделировал появление незатухающего тока в кольце из двух контактирующих сверхпроводников.

Из сверхпроводников можно будет построить магниты высочайшей мощности, способные с лёгкостью поднимать любые грузы. Известно, что всем сверхпроводникам присущ так называемый эффект Мейснера, заключающийся в том, что если поместить магнит над сверхпроводником, то этот магнит будет висеть в воздухе. Дело в том, что сверхпроводник непроницаем для магнитного поля, и он как бы выталкивает его, искажая силовые линии магнита. К тому же магнит создаёт в сверхпроводнике своё "зеркальное отражение" и отталкивается от него. Благодаря эффекту Мейснера и высокотемпературным сверхпроводникам в будущем получат самое широкое распространение скоростные бесконтактные транспортные средства, которые быстро отправят на свалку истории железнодорожный и другой рельсовый транспорт, пришедший к нам из начала XIX века.

Сверхпроводимость при комнатной температуре – одно из важнейших направлений исследований в современной физике твёрдого тела. Понимание процессов, происходящих в веществе в состоянии псевдощели, приближает момент, когда секрет этого явления будет, наконец, раскрыт.

Голубятня: Drumuri

Автор: Сергей Голубицкий

Опубликовано 22 июля 2010 года

Дорога в Сахарну идет вдоль Днестра в стороне от сквозных трасс, прорезающих Молдавию с юга на север и с востока на запад. Общее состояние дорог в стране чудовищно. Но даже это слово недостаточно выразительно, чтобы передать весь ужас запустения, которое утвердилось в дорожном управлении Молдавии после ликвидации советской власти. Стойкое воспоминание детства: на выходные едем автобусом в Каролину-Бугаз на море. Зеркало безупречно гладкой, ухоженной, я бы даже сказал, холёной дороги неожиданно сменяется резкими ухабами. Так и есть: пересекли условную границу и выехали на Украину.

Сегодня ситуация развернулась ровно на 180 градусов: потрясающее, невообразимое даже для России, строительство дорог на Украине и полнейший развал в Молдавии. По ощущениям 90% всего дорожного актива в стране - это ещё советские трассы. Новое строительство не ведётся вообще, вместо него - выборочное, случайное, произвольное там-сям латание на уровне решений местных сельсоветов.

До недавних пор вся территория Молдавии представляла собой большое чёрное пятно на картах GPS. То есть с востока - подробнейшая до склада-дома-забора карта Украины, что для iGo, что для Navitel, с запада - ещё более подробная карта Румынии, а посередине - мёртвая зона Молдавии, на которой указаны две транзитных трассы (тех самых - с юга на север и с востока на запад) да столица Кишинёв. Вокруг тишина. Так что приходилось ездить по картам бумажным, которых, собственно, тоже приличных нет. Во всяком случае в прошлом году, когда я последний раз обновлялся, ничего лучше геофизической карты Молдавии в самом большом книжном магазине столицы обнаружить не удалось. Читать эту простынь на ходу немыслимо в принципе, приходится останавливаться. Но на месте разобраться почти невозможно - потому что выглядит карта вот таким образом:

Я понимаю, что это, наверное, замечательная карта для диверсанта НАТО или ещё кого, но для автомобилиста она непригодна ни разу: через пять секунд слежения за дорогой всё сливается в бессмысленное пятно ландшафтных обозначений.

Ну да ладно, в этом году случилось чудо, и группа местных разработчиков Moldova GPS Map Team создали наконец-то карту Молдавии для "Навитела". Причем абсолютно бесплатную, и это всячески подчёркивается на сайте проекта. Новая карта далека до совершенства и лажает постоянно - и в Кишинёве, и по всей территории республики (тьфу, все никак не привыкну - страны!), но она интенсивно развивается и, можно надеяться, через года два научится соответствовать. Стандартам.

В Сахарну я отправился из города Орхей, который находится в 40 километрах от Кишинёва к северу. Во всех путеводителях сказано, что монастырь в 110 километрах от столицы, значит, от Орхея должно было быть километров 70. Но это в теории. "Навител" упорно показывал 145 километров и чертил маршрут перректально: обратно из Орхея почти до Кишинёва (точнее - до Криково, крупнейшего в Европе винохранилища, о котором непременно расскажу в скором времени), затем на левый берег Днестра (!) - то есть в Приднестровье, оттуда - до Резина (это на 10 километров дальше Сахарны) и потом обратно к югу уже до монастыря.

Поразительным образом обратный путь новая экспериментальная GPS карта Молдавии под Navitel рисовала точно так же - через левый берег! Если кто не в курсе, то там везде стоят яростные таможенные заслоны, усиленные бронетранспортерами 20-й Армии (той, что Лебедя), и шмон идёт такой, что ещё шесть лет назад я поклялся никогда в здравом уме и трезвой памяти добровольно на машине через Приднестровье не ездить.

В общем, на свой страх и риск я поехал дорогой, которая на геофизической карте (бумажной) указана, а на GPS-карте отсутствует. Через 10 минут я сразу понял, почему она отсутствует: жаль, не сообразил запечатлеть на камере это незабываемое "нечто" - вы такого не видели никогда. Общее впечатление: дорогу долго и обстоятельно бомбили установками "Град". Причём - из-под земли! То есть сверху всё ровненько, асфальт надорван в двух-трех местах из десяти, но вот под асфальтом творится что-то невообразимое.

Я ехал и всё думал: неужели ЭТО единственный подъезд к самому святому месту Молдавии?! По приезде на стоянке даже подошёл к водителям роскошных двухэтажных туристических автобусов, которые доставляют за немалые деньги туристов из Кишинёва на экскурсии, и спросил, как они добирались. Сказали, что именно так, как и я: через Орхей вдоль деревень Степь-Сочь - Сирота - Отаки - Гординешть - Екимоуць. Но это же не дорога, а страстной путь какой-то!

А что? Очень даже соответствует цели путешествия!

Парковка расположена почти на берегу Днестра, так что в святую обитель нужно подниматься в гору. Первое, что отрывается взору, на подходе к монастырю - часовня и крест на вершине одного из близлежащих холмов:

(картинки гораздо большего размера, чем отображаются на экране: просто сохраните их на диске, либо откройте в отдельном окне)

По приданию монах Варфоломей Чунгу, возродивший Сахарну в 1777 году, уединился на вершине холма, где провел 40 дней в строгом посту и молитвах. Варфоломею явилась Дева Мария в сопровождении трех ангелов и указала место для строительства монастыря. Вот это:

В память о чудесном явлении была построена часовня (та, что видна на вершине холма) - прямо над стопой Богородицы, отпечатавшейся в камне. Места, где стояли ангелы (на трёх вершинах холмов по кругу) отмечены большими деревянными крестами. Крест рядом с часовней был инкрустирован зеркалами, которые на закате и восходе отражают солнечные лучи и создают невообразимо красивое зрелище.

До строительства православного монастыря в Сахарне уже было множество прецедентов духовного затворничества. Первое упоминание этого места относится к 1241 году, когда христианские монахи укрылись от татарских набегов в скальных пещерах на противоположном от Сахарны берегу Днестра. Первое возрождение Сахарны в 1756 году состоялось как раз именно в скальном монастыре, когда в нём снова поселились монахи из монастыря Добровец.

(продолжение следует)

Сергей Приданцев ("Комстар-ОТС") о разработке телеприставки

Автор: Андрей Письменный