№2, 2006 г.
№2, 2006 г.
© Романовский Е.А.
ПОЗНАВАЯ МИКРО- И МАКРОМИР
Интеграция науки и образованияРомановский Е.А.,
доктор физико-математических наук
НИИЯФ МГУ1 февраля 2006 г. одному из крупнейших научно-исследовательских подразделений Московского государственного университета им.М.В.Ломоносова - Научно-исследовательскому институту ядерной физики им.Д.В.Скобельцына - исполняется 60 лет. По Специальному постановлению Совнаркома институт был организован как научно-исследовательский центр подготовки специалистов для работ по советскому атомному проекту. Инициатором создания НИИЯФ МГУ и его первым директором стал Дмитрий Владимирович Скобельцын (1882-1990). Герою Социалистического Труда, лауреату Ленинской и Государственной премий академику Скобельцыну принадлежат выдающиеся результаты и идеи, на десятилетия предвосхитившие развитие ряда областей физики. Это и экспериментальное доказательство справедливости квантовой электродинамики, и выяснение природы космических лучей, и открытие космических ливней - ядерно-каскадного процесса в космических лучах. Скобельцын по праву считается основоположником нового направления в науке - физики высоких энергий. Его яркая роль неоднократно отмечалась такими знаменитыми современниками, как Э.Резерфорд, В.Гейзенберг, П.Дирак, Ф.Жолио-Кюри и др.
В МГУ подготовка специалистов по ядерной физике началась в 1940 г. на кафедре атомного ядра и радиоактивности, которую возглавил Скобельцын. Помимо него, лекции студентам читали будущие академики С.Н.Вернов и И.М.Франк, а с 1944 г. к профессорам кафедры присоединились академик И.В.Курчатов, будущий академик В.И.Векслер, Л.В.Грошев и др. В том же году при кафедре была открыта лаборатория атомного ядра, где ее заведующий Вернов развернул исследования космических лучей в стратосфере, а профессор Грошев и доцент В.С.Шпинель впервые в СССР начали изучать структуру атомного ядра методами b- и g-спектроскопии. Вернов и Грошев, как, впрочем, и Скобельцын, работали одновременно в ФИАН СССР, так что эти исследования велись как совместные двух коллективов. Инициатива Скобельцына по созданию в МГУ института на базе кафедры и лаборатории была поддержана Курчатовым, который считал необходимым, чтобы в университете под руководством АН СССР "велась работа по атомному ядру и воспитывались кадры молодых физиков, столь необходимые для успешного движения вперед всей работы". НИИЯФ МГУ с самого начала формировался как институт, в котором были заложены, а в дальнейшем развиты принципы интеграции высшего образования и академической науки. После создания НИИЯФ подготовка специалистов на его базе вначале шла на кафедре строения вещества, а с 1949 г. - на отделении ядерной физики (ОЯФ) физического факультета МГУ из пяти кафедр: атомного ядра, нейтронной физики и радиоактивных излучений, ядерной спектроскопии, ускорителей, космических лучей. Все подготовленные физики-ядерщики поступали в распоряжение Первого главного управления при СМ СССР (позднее Минсредмаша). Около половины студентов выполняли дипломные работы в НИИЯФ, а другая половина - в профильных и академических институтах. С расширением ядерно-физических исследований в нашей стране на ОЯФ открывались новые кафедры, а в институте - новые исследовательские подразделения.
В настоящее время на отделении, которым заведует директор института с 1991 г., профессор М.И.Панасюк, специалистов готовят девять кафедр: общей ядерной физики, физики атомного ядра и квантовой теории столкновений, нейтронографии, космических лучей и физики космоса, квантовой теории и физики высоких энергий, физики элементарных частиц, физики ядерных взаимодействий и ускорителей высоких энергий, атомной физики, физики плазмы и микроэлектроники, оптики и спектроскопии. За 60 лет на базе НИИЯФ МГУ отделение подготовило свыше 5000 специалистов. Выпускники ОЯФ внесли достойный вклад в создание ядерного щита страны, всестороннее развитие фундаментальных исследований в области ядерной физики, физики космоса, атомной физики, квантовой электроники. В числе выпускников - Герои Социалистического Труда, лауреаты Ленинских и Государственных премий, руководители крупнейших научных центров и учебных заведений, 19 академиков и 19 членов-корреспондентов РАН.
С самого начала Скобельцын и его ученик Вернов (в 1960-1982 гг. директор НИИЯФ и заведующий ОЯФ, впоследствии Герой Социалистического Труда, лауреат Ленинской и Государственной премий) создавали институт как крупный научно-учебный центр, обладающий современной экспериментальной базой. Уже через три года был запущен первый в системе Минвуза СССР циклотрон, а после переезда МГУ в новое помещение на Ленинских горах - комплекс из нескольких ускорителей. Большая роль в этом принадлежит профессору С.С.Васильеву. Сегодня институт располагает ускорительным комплексом, включающим ускорители ионов и электронов до нескольких десятков МэВ. Эти ускорители используются для проведения фундаментальных исследований и прикладных работ по ядерной и атомной физике.
Для изучения физических явлений в межпланетной среде и околоземном космическом пространстве с начала космической эры в институте были разработаны, изготовлены и установлены на 260 космических аппаратах исследовательские приборы, анализ информации с которых позволил глубже познать процессы в космосе. В последние годы совместно с институтами РАН, Росатома и другими научными центрами России НИИЯФ участвует в создании нейтринного телескопа на оз.Байкал и детекторов частиц для ускорительного комплекса в Институте физики высоких энергий в Протвино. Институт предложил концепцию и изготовил комплект новой научной аппаратуры для российского спутника "Университетский". Здесь созданы и постоянно совершенствуются локальная компьютерная сеть и узел высокоскоростной телекоммуникационной связи с выходом на мировые компьютерные сети, развиваются информационные технологии. Собраны полные международные базы данных по всем известным (~3200) стабильным и радиоактивным ядрам и ядерным реакциям под действием фотонов, нейтронов, заряженных частиц и тяжелых ионов *.
* Более детально см.: Варламов В.В., Бобошин И.Н. Во многом знании — новое знание! Базы данных как метод исследования // Природа. 2005. №12. С.29-38).В институте выполняются фундаментальные исследования по ядерной физике и физике взаимодействия излучений с веществом, астрофизике космических лучей и физике высоких энергий. Они ориентированы в первую очередь на достижение приоритетных результатов, но при этом современные физические методики внедряются в студенческие практикумы, студентам прививается интерес к исследовательской работе, обеспечивается преемственность поколений в научных школах.Достижения института получили широкую известность и признание (у сотрудников - 12 зарегистрированных открытий, три Ленинские, 12 Государственных премий СССР и множество других наград). Пользуется он авторитетом и за рубежом, будучи в рамках долгосрочных соглашений партнером 34 зарубежных научных центров 14 стран и участвуя в подготовке и выполнении крупных экспериментальных проектов на ускорителях в ДЭЗИ (Германия), ЦЕРНе (Швейцария), Брукхейвенской и Фермиевской национальных лабораториях (США) и др.
Не имея места для обзора работ института, упомянем лишь о том, какое влияние на развитие науки оказали некоторые открытия, сделанные в институте.
До конца 40-х годов природа первичного космического излучения оставалась невыясненной. Решающую роль сыграли исследования космического излучения в стратосфере, проведенные Верновым с сотрудниками НИИЯФ и ФИАН. Было установлено, что основная компонента космических лучей в окрестности Земли - это протоны. Для определения энергии первичных частиц в НИИЯФ была реализована идея ионизационного калориметра, сформулированная ранее Скобельцыным. Сейчас ионизационные калориметры являются наиболее точными и надежными приборами для измерения энергии адронов, электронов и фотонов высоких и сверхвысоких энергий и широко используются во всех экспериментах на ускорителях высоких энергий. С.Н.Верновым и будущим академиком Г.Б.Христиансеном с сотрудниками были предложены и реализованы новые методы исследования космических лучей сверхвысоких энергий. Благодаря им были открыты особенности в их энергетическом спектре при энергии ~3·1015 эВ, а также во взаимодействии частиц с энергией 1017-1020 эВ с атомными ядрами *.
* Подробнее об этом можно узнать из статьи Б.А.Хренова и М.И.Панасюка в данном номере журнала.Вернов и его ученики были в СССР наиболее подготовлены к началу экспериментов в космическом пространстве.НИИЯФ стал участником таких экспериментов по предложению Скобельцына. Их первыми итогами были: открытие внешнего электронного пояса Земли, установление природы внутреннего радиационного пояса Земли, открытие аномалии в планетарном распределении радиации в околоземном пространстве. Ставшая классической теория образования радиационных поясов Земли была создана в НИИЯФ профессором Б.А.Тверским. Большинство обнаруженных за последнее десятилетие эффектов в радиационных поясах были либо предсказаны, либо объяснены в рамках данной теории.
В тесной связи с этими исследованиями шло изучение воздействий космической среды на материалы и оборудование космических аппаратов. Работы были инициированы прямыми обращениями ведущих конструкторов космической техники академиков С.П.Королева, В.Н.Челомея, Г.Н.Бабакина, М.Ф.Решетнева. Коллектив, развивающий это направление, которое получило название "космическое материаловедение", разработал и внедрил в ракетно-космическую промышленность методы имитации воздействия космических излучений на материалы и оборудование ИСЗ, а также методы прогнозирования стойкости материалов и элементов оборудования и их защиты. Благодаря исследованиям, проведенным в НИИЯФ, были решены принципиальные вопросы продления срока службы солнечных батарей в космическом пространстве. В институте создана физико-математическая модель электризации космических аппаратов, обусловленной воздействием на них магнитосферной плазмы и заряженных частиц радиационных поясов. Предложены и внедрены методы защиты космических аппаратов от электризации.
На первом этапе развития в НИИЯФ исследований по физике высоких энергий в институте был организован крупнейший просмотрово-измерительный центр, где проводилась обработка экспериментальных данных, полученных с использованием ускорителей. С начала 80-х годов институт становится участником нескольких крупных международных проектов по физике высоких энергий. Большая заслуга в развитии международных связей института принадлежала И.Б.Теплову (1928-1991). Профессор, лауреат Государственной премии Теплов был с 1982 по 1991 г. директором НИИЯФ и заведующим ОЯФ. Здесь отметим только *, что сотрудники НИИЯФ внесли заметный вклад в крупнейший международный эксперимент Национальной ускорительной лаборатории (США), когда был обнаружен шестой (самый тяжелый) кварк, так называемый топ-кварк. Это открытие имело фундаментальное значение для окончательного подтверждения современной объединенной теории электрослабого и сильного взаимодействий (Стандартной модели).
* О работах института по физике высоких энергий в сотрудничестве с ЦЕРНом рассказывается в статье В.И.Саврина в этом номере журнала.Исследования по физике атомного ядра, атомной физике, квантовой электронике были начаты вскоре после создания института. Основную роль в их развитии и получении результатов, отмеченных открытиями и научными наградами, сыграли оставленные для работы в институте выпускники ОЯФ. Здесь выполнен большой цикл работ по мессбауэровской спектроскопии, определивший новую область исследований в ядерной физике, физики сверхнизких температур и химии. Изучение фотоядерных реакций существенным образом изменило представления о формировании гигантских резонансов в атомных ядрах; были выдвинуты теория ассоциирования нуклонов в атомных ядрах, теория неаксиальных ядер, обнаружен и исследован ряд новых ядерных эффектов, нашедших широкое использование в ядерно-физических исследованиях. В содружестве с другими организациями разработан и построен ряд ускорителей электронов, превосходящих по совокупности характеристик аналоги из других научных центров. Изготовлены первый в стране парамагнитный усилитель и мощный СО2-лазер, высокочувствительные квантовые магнитометры.Об одном из таких открытий - открытии "эффекта теней", сделанного бывшим фронтовиком, выпускником ОЯФ, профессором А.Ф.Тулиновым следует рассказать несколько подробнее. В поисках методов измерения времени протекания ядерных реакций сверхмалой (по ядерным меркам) длительности он предложил проводить исследования ядерных реакций на мишенях из монокристаллов. При изучении рассеяния частиц монокристаллами Тулинов в 1965 г. обнаружил новое физическое явление. Оказалось, что при облучении монокристаллов потоком ускоренных частиц в угловых распределениях рассеянных частиц и продуктов ядерных реакций появляются характерные минимумы интенсивности (тени), чрезвычайно рельефно воспроизводящие структуру кристалла. Для определения структуры кристаллов по своей эффективности метод сравним с классическим методом рентгенографии. О его потенциале красноречиво говорит тот факт, что с момента открытия эффекта вопросам его исследования и использования были посвящены 35 Международных конференций, организованных и прошедших в НИИЯФ. На основе эффекта теней предложен и разработан метод измерения времени протекания ядерных реакций в области 10-15-10-19 с; с его помощью обнаружено новое явление, существенное для понимания процессов, которые происходят при делении тяжелых атомных ядер. Более глубокое познание процесса деления тяжелых ядер важно на современном этапе развития ядерной энергетики.
Вступая в следующее десятилетие своего развития при современной экономике и реформе образования и науки, институт нацелен на создание таких условий для научной и учебной деятельности, которые позволяют сохранить и развивать научные школы, добиваться выдающихся новых научных результатов в познании атомного ядра и космоса. Ведущие специалисты института расскажут о современных направлениях работы в этом и следующих номерах журнала.
