Про сучасну фізику
Наша цивілізація постійно ускладнюється технологічно, а потреба в генерації нових знань і кількості задіяних дослідників зростає. Тому навіть нібито досліджені вздовж і впоперек галузі фізики продовжують активно розвиватися. Перевагу в розвитку отримують напрямки, на які просто зараз є великий попит суспільства – такі як фізика матеріалів з особливими властивостями, біофізика, фізика плазми тощо.
Окрім того, з розвитком науки точність опису природи збільшується, обсяг отриманих знань стрімко зростає. Тому для генерації нових знань доводиться або досліджувати недосяжні раніше ефекти за допомогою технічно складніших приладів та збільшувати колективи дослідників, або створювати нові науки, використовуючи добре розроблені методи фізики, раніше з нею не пов’язаних (еконофізика – на перетині економіки та фізики, соціофізика – спроба опису соціуму законами фізики тощо).
Про прикладну складову
Більшість здобутків фізиків настільки тісно вжилися в побут людей, що ми часто не усвідомлюємо роль, яку ця наука відіграла в створенні нашого особистого комфорту, починаючи від приборкання вогню, створення важелів та коліс і закінчуючи електричними приладами, телевізорами, гаджетами, теплотехнікою, атомними електростанціями, спеціальними матеріалами тощо. І це не кажучи про «стимулювання» інших областей науки – математики, біології, хімії, інформатики – за рахунок приладів, вчасно розроблених за допомогою фізики.
В той же час, існує багато прикладів, коли зроблене в фізиці відкриття, особливо нещодавнє, повністю або практично не застосовується в народному господарстві. Наприклад, наразі не можна говорити про практичне застосування відкриттів, зроблених в XXI столітті і вже удостоєних Нобелівської премії з фізики – осциляцій нейтрино чи бозону Хіггса.
З іншого боку, чи могли ми очікувати наприкінці XIX століття, що пройде менше ста років, і відкрите явище радіоактивності дасть людству і ефективне джерело енергії, і високоефективну зброю масового знищення, яка нівелює попередні уявлення про глобальні конфлікти, і один із загальноприйнятих засобів терапії онкологічних захворювань? Тому не можна виключати того, що нейтрино з їх надзвичайно високою проникною здатністю будуть застосовуватися в індустрії майбутнього так само часто.
Різноманітність фізики і висока конкуренція в академічному середовищі стимулюють значну частину дослідників на рівні магістрів та кандидатів наук шукати інші напрями діяльності, як в інших галузях науки, так і взагалі поза її межами.
Під час навчання в аспірантурі в Нідерландах я помітив, що переважна більшість моїх голландських друзів розглядали отримання ступеня доктора філософії з фізики (аналог ступеня кандидата фізико-математичних наук) як необхідний крок для подальшої кар’єри в індустрії, ІТ чи фінансах (де вони претендуватимуть на зарплатню в рази вищу за отримувану в академічному секторі), часто абсолютно не пов’язаних з їх попередньою діяльністю. За їх словами, ступінь дозволяє їм претендувати на керівні посади в майбутньому.
Про найбільші відкриття XXI століття
Серед багатьох відкриттів фізики цього століття виділяються три, вже удостоєні Нобелівських премій. Це відкриття графену – моноатомного шару графіту, який активно використовується в промисловості завдяки низці унікальних властивостей (премія 2010 року). Звісно, це підтвердження існування бозону Хіггса, передбаченого Стандартною моделлю фізики частинок, на Великому адронному колайдері в ЦЕРНі (премія 2013 року). І це остаточне підтвердження переходів (осциляцій) між різними типами нейтрино – єдиного спостережного процесу фізики частинок за рамками Стандартної моделі (премія 2015 року). Хоча останні два відкриття поки що не застосовуються на практиці, вони вже відіграли велику роль в розумінні світобудови. Зокрема, відкриття бозону Хіггса показало внутрішню самоузгодженість Стандартної моделі фізики частинок, позбавивши її важливого внутрішнього протиріччя (без введення бозону Хіггса обчислена на високих енергіях вірогідність зіткнень між деякими частинками мала б перевищувати одиницю, що є очевидно абсурдною відповіддю), а відкриття осциляцій нейтрино – її неповноту (тобто потрібно шукати розширення Стандартної моделі, які мають пояснювати і осциляції нейтрино, і всі інші процеси фізики частинок).
Крім цього, фізиками в ХХІ столітті зроблено багато відкриттів дещо меншого рангу. Серед них виділю відкриття низки планет за межами Сонячної системи, дуже схожих за розмірами та температурою поверхні на Землю, наприклад планети Kepler-438b, яка дуже близька до умовами до Землі. Хоча навряд чи хтось із нас туди потрапить – все-таки потрібно подолати 470 світлових років.
Про українських фізиків
Рівень фізики в Україні, на мою думку, є достатньо високим, зважаючи на рівень фінансування. Є, як мінімум, декілька десятків наукових груп із фізики та астрономії, які базуються в Україні, де ведеться активна наукова робота на світовому рівні. Як правило, це відбувається з широким залученням іноземного фінансування та/або можливістю наукових відряджень в інші країни. Це вбиває відразу кількох зайців: дозволяє науковцям-працівникам отримувати конкурентну за українськими мірками зарплатню, представляти результати своїх досліджень широкій науковій спільноті та користуватися відсутнім в Україні науковим обладнанням.
Через хронічну нестачу коштів у бюджеті (наприклад, запланованого обсягу фінансування НАН України в 2016 році не вистачає навіть на виплату повної зарплатні співробітникам), перевагу в наукових дослідженнях в Україні отримують або групи, яким не потрібні коштовне обладнання та матеріали (наприклад, фізики-теоретики або астрономи, які використовують доступні дані сучасних телескопів), або групи, які мають доступ до унікального обладнання ще радянських часів чи обладнання, встановленого в незалежній Україні під час кращої кон’юнктури на сировинних ринках (наприклад, обчислювальних кластерів Українського національного гріду). В таких групах є багато талановитих студентів-старшокурсників та аспірантів, які отримують необхідний досвід роботи в наукових групах високого рівня та рекомендації для працевлаштування в престижних наукових установах за кордоном. Потім при бажанні чи необхідності вони можуть повернутися до України і продовжувати працювати тут.
Наприклад, я є учасником однієї з таких груп – української віртуальної рентгенівської та гамма-обсерваторії ВІРГО – з 2005 року. З того часу багато стажувався за кордоном, вивчаючи аналіз даних космічних обсерваторій та працюючи з міжнародними колегами. Найближчим часом маю їхати за кордон на тимчасову позицію («постдок»), цього разу в Інститут теоретичної фізики ім. Нільса Бора (Данія), а після повернення до Києва планую продовжувати працювати над цим та іншими цікавими проектами з астрофізики.
У «західній» науці (на відміну від «радянської» та «пострадянської») успішні тимчасові відрядження в декількох провідних наукових центрах є однією з необхідних умов отримання науковцем постійного контракту на рівні професора або старшого дослідника, який передбачає формулювання задач для власної наукової групи.
Тож, займатися фізикою на високому рівні в Україні цілком реально, існує чимало наукових груп світового рівня, які «тримаються» завдяки активній міжнародній співпраці і мінімальним потребам в інвестиціях зі сторони українських платників податків.
Про зародження Всесвіту і Стандартну космологічну модель
Закони руху Всесвіту як цілого визначає наука космологія. Найбільш віддалені від нас об’єкти – далекі галактики та квазари (надмасивні чорні діри в центрах галактик з активним ядром) – знаходяться на відстані біля 13 мільярдів світлових років. Це означає, що навіть світло йде від них до нас біля 13 мільярдів років! Відомо, що чим далі розташований космічний об’єкт, тим з більшою швидкістю він віддаляється від нас. Це свідчить про розширення Всесвіту як цілого. Застосувавши відомі закони гравітації до результатів цих спостережень в рамках так званої Стандартної космологічної моделі, вчені-космологи з’ясували, що розмір Всесвіту постійно збільшується, починаючи з моменту його виникнення – а це близько 13,7 млрд років тому.
Хоча Стандартна космологічна модель в цілому узгоджується з усіма результатами спостережень, вона містить низку невизначеностей, найбільш відомими з яких є проблеми темної матерії та темної енергії. Пошуком їх розв’язку займаються тисячі науковців у всьому світі. Якщо темну матерію можна уявити як надлишок речовини, яку ми не бачимо «напряму», а спостерігаємо лише ефекти її гравітаційного притяжіння на звичайну, «видиму» речовину, то природа темної енергії є набагато менш зрозумілою. Наразі відомо, що темна енергія спричинює розширення Всесвіту з прискоренням.
Про темну матерію
Темну матерію вводять для розв’язку проблеми прихованої маси. Масу космічних об’єктів вимірюють за допомогою спостереження руху навколо них, використовуючи закони гравітації. Масу об’єктів, які містять декілька складових, визначають двома незалежними методами: визначивши рух складових і застосувавши закони гравітації; або підсумувавши маси всіх складових. Для невеликих космічних систем, таких як Сонячна система або кулясті зоряні скупчення, обидва методи дають ідентичні результати. Для більших систем – галактик, груп та скупчень галактик чи спостережної частини Всесвіту – другий метод дає систематично більшу відповідь (в рази, а в окремих випадках в десятки і навіть сотні разів), ніж перший. Це і називається проблемою прихованої маси.
Низка спостережень свідчать про походження темної матерії від матерії іншого типу, ніж звична нам, яка створює зірки і галактики. Жодна з відомих наразі елементарних частинок не може пояснити спостережні властивості темної матерії, тому таке пояснення означає наявність нових, невідомих наразі частинок.
Пошуком темної матерії просто зараз займаються сотні дослідників у всьому світі. Особливістю моделі, над якою працює наша група, є слабка лінія її розпаду від космічних об’єктів, які містять темну матерію. Пошуки такої лінії розпаду, запропоновані на початку 2000-их років, проводилися нашою групою з 2005 року. В лютому 2014 ми вперше побачили нову лінію, властивості якої пояснювалися розпадом темної матерії.
Для остаточного підтвердження у лютому запустять спостереження новою космічною рентгенівською обсерваторією Astro-H, яка працюватиме декілька років на навколоземній орбіті. Якщо наші дані підтвердяться, це означатиме відкриття розпаду темної матерії і суттєво наблизить нас до розв’язку цієї проблеми, яка хвилює науковців вже понад 80 років.
Про міфи у фізиці
У процесі наукового пізнання часто робляться твердження, які не підтверджуються подальшими експериментами. Найбільш відомим з таких помилкових тверджень у фізиці є поняття ефіру. Протягом ХІХ століття дослідники довгий час шукали прояви ефіру – гіпотетичного середовища, в якому мають передаватися електромагнітні хвилі (по аналогії з звичайним середовищем, по якому передаються звукові хвилі). Зокрема, наприкінці ХІХ століття провели серію експериментів, які мали на меті визначити швидкість захоплення ефіру Землею в процесі її руху навколо Сонця. Результати експериментів суперечили один одному – якщо в експерименті Майкельсона-Морлі було показано з високою точністю, що ефір не захоплюється Землею, в експерименті Фізо було показано, що ефір частково захоплюється Землею. В подальшому була створена спеціальна теорія відносності Ейнштейна, яка дозволила пояснити обидва експерименти, остаточно відмовившись від концепції ефіру.
Інколи трапляються поняття, відкинуті у фізиці, які отримують нове життя. Найбільш відомим прикладом такого поняття є темна енергія у вигляді космологічної сталої, яка була введена Ейнштейном в 1917 році для забезпечення стаціонарності Всесвіту (на той час не було відомо, що Всесвіт розширюється). Незадовго після цього виявилось, що отриманий Ейнштейном розв’язок є нестабільним відносно малих збурень, і отже не має описувати реальний Всесвіт. Після відкриття в 1929 році розширення Всесвіту Ейнштейн зізнався, що введення космологічної сталої стало однією з найбільших його помилок. Проте, після відкриття в 1998 році прискореного розширення Всесвіту (за допомогою спостережень за надновими типу Іа), космологічна стала знову виявилась актуальною.
Про науку і державу
Якщо говорити про відношення низки високопосадовців до науки, воно, на жаль, є упередженим і виражається в нерозумінні ними функцій науки та її ролі для побудови та розвитку збалансованого постіндустріального суспільства. Що можна вважати позитивними ефектами, який наука дає або може дати суспільству? По-перше, це науково-технічна та суспільна експертиза (прогнозування розвитку суспільства в цілому або окремих частин, техногенних та антропогенних катастроф тощо). По-друге, підвищення якості освіти (участь науковців в викладацькому процесі, підготовка та експертиза освітніх програм, підручників тощо). По-третє, розвиток технологій, інновації (пропозиції з модернізації виробництва та створення принципово нових продуктів).
На мою думку, для стимуляції вказаних процесів зараз потрібна реорганізація науки, яка має включати такі кроки:
1. Створення міжнародних експертних рад з кожного наукового напрямку з залученням провідних західних експертів (наразі, в Україні є позитивний досвід створення ключової лабораторії з біології, голова наглядової ради якої – лауреат Нобелівської премії з фізіології та медицини Ервін Неєр).
2. Основне бюджетне фінансування фундаментальних досліджень, на рівні тарифних ставок, має бути залишено. Додаткові кошти, передані в реорганізований під наглядом міжнародних експертів фонд фундаментальних досліджень і розподілені в вигляді невеликої кількості грантів для наукових груп, з можливістю платити конкурентоздатну зарплатню учасникам груп, купувати обладнання та мати обов’язкову освітню програму для передачі експертизи молодим вченим.
3. Кількісні критерії оцінки наукових результатів (кількість публікацій в реферованих базах даних, індекс Хірша тощо) мають використовуватися лише в межах однієї дисципліни і як доповнення до якісних оцінок наукової діяльності міжнародними експертними радами, як передбачено Лейденським маніфестом стосовно питань оцінювання наукових результатів, сформульованому в 2015 році фахівцями ряду провідних країн.
Зазначу, що багато з кроків, описаних вище, вже заплановані в тій чи іншій формі новим Законом про наукову та науково-технічну діяльність. В той же час, спроби тиску зі сторони окремих високопосадовців продовжуються, що вилилося в нещодавню спробу формальної реорганізації науки, запропоновану міністерством фінансів в проекті бюджету 2016 року, і яка не відбулася завдяки нещодавнім протестам наукової спільноти. Подальша заява президента України та підписання ним прийнятого Закону про наукову та науково-технічну діяльність дозволили частково розрядити ситуацію, хоча недофінансування наукової діяльності в 2016 році лише посилюється.
Якщо українці не хочуть і далі будувати економіку, яка є заручником кон’юнктури на сировинних ринках, варто звернути увагу на науково-орієнтовану економіку, для розвитку якої в нас набагато кращі стартові умови, ніж для інших країн із близьким до нас рівнем ВВП. Для цього державі варто підтримати й заохотити провідні наукові групи світового рівня з різних наукових тематик.