Нейтрино, плазма, фотоника и ИИ: молодые ученые рассказали об учебе в МГУ Саров

Саров — небольшой город в Нижегородской области в 400 километрах от Москвы. В закрытой его части вот уже больше 70 лет работает Российский федеральный ядерный центр — Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики (РФЯЦ-ВНИИЭФ), а год назад открылся новый филиал МГУ и началось строительство Национального центра математики и физики (НЦФМ). Современные корпуса, оборудованные лаборатории, миди- и мегасайенс-установки (в процессе сборки), а главное — много молодых перспективных ученых! Так постепенно из закрытого ядерного центра Саров превращается в открытый научный «город будущего».

Передовые отрасли науки всегда очень технологичные: от физики частиц и релятивистской плазмы до проектирования мощных лазеров и суперкомпьютеров. Они требуют мощной теоретической базы, дополненной опытом проведения экспериментов и практикой. В филиале МГУ Саров молодым ученым преподают академики РАН, профессора МГУ и эксперты международного уровня.

Обучение в МГУ Саров ведется по шести магистерским образовательным программам в рамках трех направлений подготовки:

– по физике (03.04.02): теоретическая физика, лазерная нелинейная оптика и фотоника, а также экстремальные электромагнитные поля, релятивистская плазма и аттосекундная физика;
– вычислительные методы и методика моделирования на направлении «прикладная математика и информатика» (01.04.02);
– суперкомпьютерные технологии и фундаментальная информатика на направлении «фундаментальная информатики и информационные технологии» (02.04.02).

Naked Science поговорил с магистрантами со всех программ о том, какие темы они изучают, отдают ли предпочтение теории или практике и какие у них планы на будущее.

От частиц до Вселенной

«Хороший теоретик должен учиться, пока может дышать», — сразу заявляет Максим Вялков, студент второго курса, выпускник физфака МГУ. На «теоретической физике» в первую очередь дают исчерпывающие знания о фундаментальных взаимодействиях элементарных частиц и связанных с ними областях — астрофизике, теоретической ядерной физике, гидродинамике, физической кинетике и экстремальных процессах.

Более глубокую специализацию молодые ученые выбирают сами. «Учебные планы построены так, что есть часть обязательных предметов, а есть достаточно широкий список предметов по выбору, — рассказывает первокурсник магистратуры Михаил Косарев, окончивший Обнинский институт атомной энергетики. — Например, в этом семестре была возможность прослушать курсы физики нейтрино, гидродинамики и нейтронной физики. Мы знакомимся с основными подразделами и современным состоянием исследований по этим темам».

По словам Михаила, во всех курсах уделяется внимание и практическому применению знаний. Выбор конкретно направления исследований зависит от предпочтений студента. «Моя область интересов — ядерная физика, — добавляет Михаил. — Чтобы в дальнейшем принять участие в эксперименте, я сейчас изучаю оптическую модель ядерных реакций. Она очень хорошо описывает упругое столкновение средних и тяжелых ядер, но не легких. Мы внесем в модель поправки (например, резонансы) и применим ее на результаты эксперимента. Покажем, что с ее помощью можно рассчитать более точные значения».

А Максим Вялков занимается исследованиями нейтрино в группе российского физика-теоретика Александра Ивановича Студеникина и работает над проектом НЦФМ по изучению магнитного момента этих неуловимых частиц, а также изучает физику жидкого гелия.

На вопрос, из чего состоит темная материя, Максим ответил: «Из того, что фонариком не просвечивается. На самом деле, теорий очень много, мои коллеги ими активно занимаются. У меня есть предчувствие, что мы должны совсем по-другому смотреть на наш мир».

Михаилу достался более практичный вопрос о возможности создания черной дыры в лаборатории: «Любопытно, что не так давно к нам приезжал Незнамов Василий Петрович и проводил семинар по теме квантовых черных дыр. Он упомянул, что черные дыры могут рождаться в результате ядерных реакций при высоких энергиях. Это лишь гипотеза, но она меня тронула — хотелось бы в будущем заняться этим вопросом. Черная дыра в лаборатории — красота же! Но, к сожалению (или к счастью), пока в экспериментах такие мельчайшие объекты не рождались».

Оба молодых ученых планируют продолжить исследования в аспирантуре МГУ Саров, а следом — в НЦФМ или ВНИИЭФ.

Знания — в свете

На программе лазерной нелинейной оптики и фотоники с помощью когерентного излучения изучают фундаментальные свойства и характеристики вещества. Здесь теория совмещается с практикой: студенты буквально учатся управлять светом, создавать системы, способные генерировать, усиливать и детектировать оптические сигналы. Отдельно они занимаются созданием материалов и технологий для хранения и передачи информации фотонами.

Эти исследования обманчиво кажутся отдаленными от повседневной жизни. «Мы сталкиваемся с оптикой ежедневно, но даже не задумываемся об этом. Самый простой пример — коррекция зрения с помощью очков, а также линзы в фотоаппаратах», — объясняет Диана Шулбаева, первокурсница МГУ Саров и выпускница Новосибирского государственного технического университета.

А самый заметный результат исследований — оптоволоконная связь, благодаря которой у нас есть быстрый интернет. И более трети всей продукции в мире производится с помощью фотонных технологий.

«Многие студенты, как и я, пришли из других направлений, и в первом семестре мы больше занимаемся теорией, потому что без нее не сможем выполнять эксперименты, — рассказывает Диана, получившая бакалавра по электронике и наноэлектронике. — В программе есть как теоретические занятия, так и экспериментальные. На лабораторных работах мы используем лазерное излучение, которым управляем с помощью адаптивных оптических систем. Если попроще — с помощью рассеивающих линз и различных датчиков».

Сама Диана изучает системы космической связи, пока только в теории. «Раньше для меня лазеры были чем-то фантастическим из фильмов, — добавляет она, — а сейчас уже стали реальностью».

Так что там насчет светового меча из «Звездных войн»? «Думаю, что в будущем можно будет его создать. С людьми, которые сейчас работают и учатся на данном направлении, по моему мнению, можно создать все!» — смеется Диана.

У выпускника бакалавриата любого вуза страны есть шанс поступить в этот филиал. Существуют два способа попасть в МГУ Саров: традиционный — по результатам вступительных экзаменов, менее известный — через победу в Универсиаде.

Наш выбор — экстремальные условия

«Не будет преувеличением сказать, что без электромагнитных волн не существовало бы жизни на Земле. Свет — самый простой пример такой волны. Без него нет ни тепла, ни кислорода от растений, ни зрения. С плазмой мы тоже встречаемся часто: молнии, разряды сварки, неоновые лампы, то же пламя», — объясняет Владимир Карпов, первокурсник кафедры с самым сложным названием (по его мнению): «экстремальные электромагнитные поля, релятивистская плазма и аттосекундная физика». Кстати, он поступил как победитель в Универсиаде.

«С аттосекундной физикой уже намного сложнее, — продолжает Владимир. — Это передовое направление исследований, завязанное на создание лазеров с длиной импульса порядка десяти, а то и меньше, аттосекунд. С их помощью планируют изучать и управлять процессами в атомах и молекулах. Самое близкое к этому — оптоволоконный интернет. Но в нем импульсы порядка десяти фемтосекунд, что в тысячи раз больше, чем аттосекунды».

Подготовка на этой программе идет по трем специализациям: лазерная плазма, физика мощных лазеров, аттосекундная физика. А также смежным областям, потому что многие процессы взаимосвязаны. «В целом получается один большой эксперимент на переднем крае науки», — дает характеристику программе Владимир. Студенты сами выбирают дальнейшую специализацию, отдавая предпочтение либо теории, либо экспериментам.

«В качестве основного я выбрал теоретическое, но полностью отказаться от экспериментальной составляющей я не могу», — добавляет Владимир. Уже сейчас он проходит практику на строящейся лазерной установка мегаджоульного уровня, занимается исследованием параметров лазерных импульсов, выстраивая сперва теоретическую модель с численными расчетами, а затем проверяя ее в эксперименте.

Теоретические и практические возможности с первого курса МГУ Саров — прочные ступеньки для дальнейшей карьеры. «Я смогу получить хорошие практические компетенции перед переходом к интересующим меня темам: лазерному термоядерному синтезу или лазеро-плазменному ускорению частиц. Постараюсь за время учебы в магистратуре понять, что мне интереснее», — размышляет молодой ученый.

А что дальше — лазерный луч Звезды смерти? «Настолько мощный лазер сделать не выйдет. Невозможно бесконечно повышать интенсивность излучения, при определенных значениях возникнет пробой вакуума — кстати, одно из активно изучаемых физических явлений в области аттосекундной физики, — объясняет Владимир. — При этом пробое вакуума лазерный пучок начинает быстро терять энергию и его сила снижается. Оптика, генераторы лазерного излучения и прочие элементы оптической схемы просто  не выдержат. Единственный вариант — использовать много лазеров, синхронизировать их импульсы и сфокусировать излучение. Тем самым мы получаем количественную задачу: сколько лазеров необходимо для нанесения таких повреждений, какие мы видели в этом фильме. Правда, это уже будет не Звезда смерти, а Рой».

Рассчитать будущее

С такими неординарными задачами — прямиком к ребятам направления «прикладная математика и информатика» программы «вычислительные методы и методика моделирования».

«Такие методы нужны для представления некоторых сложных физических и математических задач более простыми средствами. В жизни мы встречаем их при моделировании прогноза погоды и, например, анимации воды в мультиках», — рассказывает Полина Лашова, второкурсница, выпускница филиала Московского гуманитарно-экономического университета в Нижнем Новгороде.

На программе готовят специалистов в области вычислительного эксперимента и математического моделирования физических, технологических и природных процессов.

«Области применения огромны: как воздух обтекает крыло самолета, как взаимодействуют разные вещества. Одна из самых важных тем — инженерные расчеты. Теперь не нужно строить дорогостоящие прототипы, можно смоделировать их на компьютере», — добавляет она.

Как в физических специализациях теория совмещается с практикой разработки алгоритмов, программной реализации моделей и проведения расчетов.

Сейчас Полина пишет магистерскую диссертацию на тему «Подсеточная локализация сильных разрывов в схеме Кабаре». Универсальная схема Кабаре позволяет рассматривать задачи в разных средах; девушка рассматривает течение газа в ударной трубе.

Это программа для тех, кто глубоко увлекается математикой и физикой. А следующая — для интересующихся программированием.

ПО для суперкомпьютера

Для расчетов и моделирования необходимы большие мощности — мощности суперкомпьютеров. На такой компьютер неэффективно будет установить Windows, нужно особенное программное обеспечение и специалисты, умеющие применять такие системы.

«Сейчас мы изучаем алгоритмы написания программ для суперЭВМ, — рассказывает Диляра Уразова, второкурсница. — В следующем семестре будем изучать администрирование». Практику студенты проходят в том числе в РФЯЦ-ВНИИЭФ. Диляра занимается уравнением переноса в Институте теоретической математики и физики.

Спектр задач, решаемых суперкомпьютерами, постоянно расширяется. Помимо вычислительного моделирования, появились задачи анализа больших данных и разработка систем искусственного интеллекта. Кстати о последнем. «Современный уровень развития искусственного интеллекта не имеет ничего общего с разумом», — объяснила Диляра. А значит, в ближайшее время стоит ждать появления искусственного интеллекта, полностью сопоставимого с человеческим.

Все студенты живут на территории кампуса в комфортабельных домиках. Вместе с аспирантами в филиале сейчас учится больше сотни человек.

В этом году поступили 50 студентов, в следующем году набор будет еще больше. МГУ Саров — перспективный современный вуз, учеба в котором даст возможность участвовать в масштабных проектах ГК «Росатом» и НЦФМ.

Подробнее об университете и программах обучения читайте на сайте: https://sarov.msu.ru/

Реклама. ЧУ «Центр коммуникаций».