Юрий Оганесян о физике, новых элементах и развитии науки
В начале апреля 2010 года физики из Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований (ЛЯР ОИЯИ) заявили, что им удалось синтезировать 117-й элемент таблицы Менделеева. Для получения нового элемента ученые бомбардировали мишень из берклия-249 ионами кальция-48. В общей сложности было зафиксировано шесть случаев рождения нового элемента. Руководитель ЛЯР Юрий Цолакович Оганесян рассказал корреспонденту "Ленты.Ру", почему эксперимент происходил именно так, зачем вообще ученые получают новые элементы и отчего Дубна по-прежнему остается уникальным явлением.
Об эксперименте
Когда ученые впервые задумались о синтезе новых элементов? Кому первому пришла в голову эта мысль? Идея возникла после того, как люди освоили ядерные реакции и научились с их помощью превращать одни элементы в другие. Одним из первых получить новый элемент пытался известный итальянский физик Энрико Ферми, лауреат Нобелевской премии. Ему даже казалось, что он его нашел, но потом выяснилось, что нет. Потом в его честь назвали 100-й элемент таблицы Менделеева - фермий.
Почему ученые считают, что созданные ими новые элементы когда-либо вообще существовали в природе? Может быть, их люди впервые за всю историю Вселенной создали? Когда мы получаем новые элементы искусственным способом, мы изучаем их свойства, прежде всего время их жизни. Если оказывается, что оно существенно короче, чем возраст Земли, но не исчезающее мало, то, скорее всего, они просто не дожили до наших дней.
Можно ли провести какие-то эксперименты, при помощи которых можно доказать, что элементы, в которых протонов больше, чем в уране, когда-то существовали? Да. Например, ученым удалось обнаружить на Земле отдельные атомы долгоживущего изотопа плутония (атомный номер плутония – 94). Все элементы, которые в таблице Менделеева идут за плутонием, найти уже невозможно, потому что у них очень маленькое время жизни.
То есть образование всех трансурановых элементов, кроме одного, мы можем представить теоретически и даже искусственным образом синтезировать, но не сможем найти следов их присутствия в природе? Если Вы говорите "следов", то это неверно. Динозавры ведь были?
Конечно. Мы же находим их останки. Вот именно – останки. Можно сказать, что останки динозавров – это, в каком-то смысле, продукты их распада. Динозавры жили, потом распались, и по продуктам распада можно понять, что они когда-то бродили по Земле. Но чтобы это понять, нужно знать, как они были устроены, как распадались. Чтобы это выяснить, необходимо динозавров – то есть трансурановые элементы – получить искусственно, исследовать их свойства и лишь затем приступить к поискам, уже зная, какие останки нужно искать.
В настоящее время планируются какие-то эксперименты по поиску? Есть идеи, и они частично осуществляются. Речь идет о создании чувствительной аппаратуры, которая могла бы обнаружить элемент даже в том случае, если бы он сохранился до наших дней в считаном количестве атомов. Такая установка должна иметь очень высокую чувствительность, и ее надо защитить от всякого рода фонов. Для этого лучше всего оборудовать ее глубоко в Земле, куда бы не доходила наиболее активная часть космического излучения. Как вариант, можно разместить установку под горой, чтобы не рыть глубокую шахту. У нас в Объединенном институте ядерных исследований создали сверхчувствительный детектор для регистрации редких событий распада сверхтяжелых элементов и установили его в лаборатории под Альпийскими вершинами, расположенной в середине тоннеля, который соединяет Италию с Францией. Работать установка начала недавно, так что пока идет набор данных и отладка электроники.
Судя по таблице распространенности элементов, в земной коре урана в 30 раз больше, чем серебра, которое более стабильно. С чем это связано? Распространенность элементов в земной коре вовсе не следует закономерности - чем тяжелее, тем меньше. А радиоактивность урана слабая: его период полураспада практически равен возрасту Земли. С момента образования Земли изначальное количество урана уменьшилось всего в два раза. Чтобы объяснить концентрацию различных элементов в природе, необходимо выяснить механизм образования и превращения элементов, от самого легкого элемента – водорода, до самого тяжелого – урана. И предложенный механизм должен объяснять не только процесс образования всех элементов, но и распространенность элементов в природе, какую мы наблюдаем сегодня, спустя громадный период времени с момента их образования. Если вы эту модель создали и объяснили наблюдения многих исследователей, тогда ее можно использовать для предсказания того, какие элементы и в каком количестве могли образоваться (но не дожить до наших дней) после урана.
На сегодняшний день такая модель существует? Да, и она говорит, что уран – не последний элемент, что могли существовать элементы с большими атомными номерами. Объясняет эта модель и почему урана больше, чем серебра. Этот перекос не связан со стабильностью элементов, он связан с механизмом реакции их получения. Когда образовывались элементы, могло образоваться много серебра, но это был другой его изотоп – короткоживущий. Он быстро распался, и сейчас мы видим, что серебра в земной коре меньше, чем урана.
В нескольких изданиях мне встретилось оригинальное опасение по поводу Вашей работы и синтеза трансурановых элементов вообще: люди боятся, что ученые наработают критическую массу этих элементов и начнется неконтролируемая ядерная реакция, проще говоря, взрыв. Насколько оправданы такие страхи? Что такое критическая масса? Это минимальное количество делящегося вещества, которое необходимо, чтобы началась самоподдерживающаяся цепная реакция, связанная с выделением энергии. Для тяжелых элементов это энергия деления на две части, примерно равной массы. Возьмем уран: при его делении высвобождается два нейтрона, каждый из которых стимулирует новое деление. Если род человеческий будет иметь в каждой семье по два ребенка, то население не будет меняться; если детей будет больше двух, то оно будет расти; если меньше - как у нас, в России, - то начнется спад. Так вот, при самоподдерживающейся реакции в уране при каждом делении рождается чуть больше двух нейтронов. А при делении сверхтяжелых элементов будет испускаться шесть – восемь нейтронов, то есть, если вернуться к аналогии с семьей, рождаются шестеро или восемь детей. Поэтому для трансурановых элементов критическая масса достигается при существенно меньшем количестве вещества. Для урана-233 критическая масса равна 16 килограммам, а у плутония-239– 5,5 килограмма. Для сверхтяжелых элементов она уже исчисляется миллиграммами. Но мы в своих экспериментах по синтезу сверхтяжелых элементов бесконечно далеки от этих количеств, потому что работаем с отдельными атомами нового вещества, которые к тому же быстро распадаются.
Пока нереально искусственно получить такое количество вещества? Реально, если оставить сверхтяжелые элементы и отойти назад к более легким, следующим непосредственно за ураном. Можно ведь синтезировать, например, 98-й элемент – калифорний, который при распаде дает около 4 нейтронов. Его сейчас получают в реакторах в граммовых количествах. Просто это неэффективно - лучше брать 10 килограммов урана, чем 1 грамм калифорния, который дается с огромным трудом. Но в принципе сверхтяжелые элементы – это очень компактный источник энергии. Если бы в нашей Земле сохранился какой-либо сверхтяжелый элемент-долгожитель, и мы бы знали его свойства, то можно было бы создать обогатительные фабрики и добывать его так, как мы добываем золото. Только золото мы добываем тысячами тонн, а для сверхтяжелого элемента мы были бы ограничены значительно меньшим количеством.
Детектор, регистрирующий события, которые происходят после столкновения снаряда и мишени. Здесь можно найти полную фотогалерею дубненского ускорителя
После получения 117-го элемента Вы собираетесь идти дальше, к 119-му и 120-му. Какие трудности существуют на этом пути? Есть техническая трудность - пока тяжело получать мишени, которые мы используем в реакциях с пучком ускоренных ядер кальция-48. Мишенное вещество нарабатывают в ядерных реакторах, которые, как любое техническое устройство, имеют свои технические пределы. Сегодня люди научились производить многие сотни тонн плутония из урана, но дальше, по мере того как вы идете по таблице Менделеева в сторону более тяжелых элементов, мощи реактора уже не хватает. Например, 96-й элемент – кюрий – получают уже не тоннами, а килограммами, а 98-й, калифорний, и вовсе в граммах. Получить в обычных реакторах элементы с атомными номерами после сотого уже нереально. С реакторами (то есть с мишенным веществом) мы достигли предела. Но можно пойти другим путем и начать увеличивать массу снаряда, которым мы бомбардируем мишень. Этот шаг сразу уменьшает вероятность слияния мишени и снаряда, потому что с ростом массы растет и заряд ядра, а значит, возрастает отталкивание положительно заряженных ядер мишени и снаряда. Но другого пути пока нет, так что приходится строить все более мощные ускорители, где производятся все более тяжелые снаряды.
Какие снаряды и мишени будут использоваться для получения 119-го и 120-го элементов? Мишень останется та же – берклий (97-й элемент) или калифорний (98-й элемент). В качестве снаряда мы попытаемся использовать титан – элемент, в котором на два протона больше, чем в кальции. Однако здесь есть одно "но": титан тяжелее кальция, и для получения интенсивного пучка титана нам потребуется усовершенствовать нашу ускорительную базу. Мы планируем модифицировать наш ускоритель У-400. Думаем остановить его в сентябре и закончить реконструкцию через полтора года.
Я правильно понимаю, что прорыв в синтезе сверхтяжелых элементов был связан с тем, что Вы решили использовать в качестве снарядов кальций-48? Мы долго и упорно искали новый подход. Так называемый метод холодного слияния, который мы предложили еще в 1974 году, не подходил для синтеза сверхтяжелых элементов, и мы начали поиски нового метода. В конце концов, мы его нашли. Сначала доказали, что он эффективно работает при синтезе известных ядер, а потом уже приступили к экспериментам со сверхтяжелыми элементами. Тогда мало кто верил, что новый путь даст результаты, но мы продолжали эксперименты и показали, что метод работает. Это неверие - или недоверие - дало нам, в конечном итоге, некую фору, позволило обогнать конкурентов и стать лидерами. В Германии, например, только недавно начали использовать в качестве снаряда кальций-48 и повторили наш опыт по получению 112-го и 114-го элементов с его помощью. Я считал, что отрыв наш составляет не более 2-3 лет, но повторение наших результатов (далеко не всех) последовало лишь через 6-8 лет, несмотря на лучшее финансирование у наших конкурентов. Известно, что хорошая идея стоит дорого. Мне не очень нравится, когда говорят, что, поскольку нам на науку дают очень мало денег, никакой науки в России не будет. Конечно, какой-то минимум необходимо иметь. Если у человека нет приборов, то что этот несчастный может сделать? Но дальнейший прогресс вовсе не зависит напрямую от количества вкладываемых денег. Он зависит от того, каково положение науки в обществе и как ведется научная работа. Необходимо, чтобы в творческом процессе присутствовал соревновательный дух. В советское время этот дух был во всех направлениях науки и техники. Авиационные "фирмы" буквально вырывали друг у друга пальму первенства. Хотя, казалось бы, все были под советской властью, и шансов личного обогащения не было ни у кого. И дело было вовсе не в обогащении; они просто хотели быть первыми, чтобы использовалась именно их конструкция, а не соперников. Это чисто человеческое соревновательное стремление, которое сродни спорту.
Эксперименты по получению новых элементов - это дорогостоящие эксперименты? Не могли бы Вы привести какие-то цифры? Сколько стоит, скажем, час работы ускорителя? О, этим мы как раз любим иногда хвастаться – час работы ускорителя стоит примерно 500 долларов. Наш ускоритель работает 5 тысяч часов в год, то есть нарабатывает на 2,5 миллиона долларов. Сколько стоит берклий-249 - мне трудно сказать, потому что это уникальное вещество. Для того чтобы накопить 22 миллиграмма берклия, самый мощный реактор в Америке работал 250 дней. Можете посчитать, сколько это получается часов. Вряд ли они потратили меньше денег, чем мы, на работу ускорителя. Теперь дальше – кальций-48, исключительно дорогой изотоп (один грамм стоит 200 тысяч долларов), который использовался как снаряд. Он производится в России, в Ульяновской области. Мы в своих экспериментах потратили около 3 граммов кальция.
Откуда Вы получаете финансирование? Мы получаем деньги из бюджета института, который слагается из взносов всех стран-участниц. Если Ученый совет института считает какое-то направление нужным и важным, то ему дается приоритет, и тогда из бюджета нам выделяют средства на проведение конкретного эксперимента. Кроме того, у нас есть большой грант Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ). Собственно, сам эксперимент по синтезу 117-го элемента мы вели на этот грант. Из этих денег, например, мы доплачивали также нашим сотрудникам, которые работали круглосуточно в течение почти полугода. Изотоп - кальций-48 - и некоторые мишенные материалы были приобретены из гранта средств министра атомной энергии. И этот грант, кстати, нам дают уже много лет. Каждые три года его продляют, думаю, потому что есть результаты. Новую сложную установку – сепаратор продуктов ядерных реакций с поэтическим названием МАША (от английского MASHA - Маss Analyzer of Super Heavy Atoms – анализатор масс сверхтяжелых атомов) - мы создали в рекордные сроки благодаря гранту нашего губернатора - Бориса Всеволодовича Громова. Огромная ему благодарность от физиков.
О лаборатории
Откуда к вам приходят новые люди и много ли их? Приходят, сейчас больше, чем несколько лет тому назад. Причем, как ни странно, не из Москвы или Питера, а из Саратова, Твери, из малых городов России. Не в обиду столичным ребятам, эти молодые люди весьма образованны и трудолюбивы; неплохо владеют английским. И главное - у них стремление получать не деньги, а знания. Они стремятся попасть в Дубну. В год мы принимаем в лабораторию 3-5 человек. Это немало.
Юрий Оганесян. Фото Ирины Якутенко для "Ленты.Ру"
Какая у Вас система отбора людей? Мы проводим с ними собеседование. Иногда если этим занимаюсь я сам, то всегда вспоминаю, как беседовал со мной Георгий Николаевич Флеров в первую нашу встречу. Он меня спросил, чем я увлекаюсь, я рассказал, что спортом, архитектурой, в театры хожу. Флеров сказал: "Хорошо, Вы нам подходите", и взял меня. Потом я понял, что он отбирал мудро. Самое важное, чтобы человек был разносторонним и раскованным, и именно это надо выяснять на собеседовании, а не спрашивать, выучил он или не выучил тот или иной раздел физики. Раскованность – первое условия для творчества. У нас есть постоянный штат, а есть люди, которые работают по контракту. Это принцип, который давно используется на Западе, и должен сказать, на мой взгляд, очень эффективный. К постоянному штату относятся те, кто должен обеспечивать работу ускорителя, силового оборудования, коммуникаций, различного типа электроники – словом, базовую часть экспериментальной лаборатории. А исследователи – научные работники… Нет никакой необходимости в том, чтобы они были все в постоянном штате. Важна результативность работы, а не должность. Выглядит почти лозунгом, но это так.
Давно у вас такая система? Мы пытались ее ввести еще при советской власти, и у нас были большие трудности. Ведь тогда после окончания института государство было обязано устроить молодого специалиста на работу на три года, а он (молодой специалист) должен был эти три года отработать. Скажите на милость, зачем ему три года работать, если он не годится, и это ясно с самого начала? Зачем терпеть и мучиться той и другой стороне три года? Чем раньше произойдет расставание, тем лучше для работника и работодателя. Я лично считаю, что лучше принять всех на контракт и обговорить все условия и сроки. Оказалось, чтобы ввести эту систему, нужно многое ломать, она тогда была абсолютно новой и непонятной. Но здесь сыграло то, что наш институт является международной организацией.
Какое у Вас соотношение постоянных сотрудников и контрактников? Лучше иметь пятьдесят на пятьдесят. Но это соотношение не постоянно и должно меняться в зависимости от того, каковы наши возможности - план, бюджет и задачи лаборатории. Если не на год, то хотя бы на 3-5 лет.
Сколько статей в год выходит в Вашей лаборатории? Просто количество не показатель, более важно качество статей. Если хорошая, добротная работа, то и одной статьи в год более чем достаточно. А если три – то это блестяще.
Вы публикуетесь в основном в российских или в зарубежных журналах? Во-первых, у нас есть некоторая необходимость публиковаться за рубежом в силу того, что наши партнеры – американцы. А во-вторых, журнал, например, Physical Review Letters считается более престижным, так как он имеет рейтинг несравнимо выше любого другого журнала. Для западных исследователей важно, чтобы статья была опубликована в журнале с высоким рейтингом. У меня лично таких комплексов нет: при чем тут рейтинг журналов?
Я, собственно, к чему веду: недавно президент РАН Юрий Осипов высказывался в том смысле, что нашим ученым не стоит все время публиковаться в западных журналах. Вы с ним согласны? Правильно говорит. Я целиком согласен, что понятие журнального рейтинга - это выдумка издателей. Понятие рейтинга научного журнала надо вообще убрать из науки. Что значит "публиковаться в журнале с высоким рейтингом"? Рейтинг журнала делают те статьи, которые там есть. Должно быть наоборот: рейтинг журнала должен быть вещью подвижной и зависеть от того, что в этом году в нем опубликовано. Если в этом году в нем появилось несколько хороших работ, то его рейтинг растет. А на будущий год может упасть. А так это получается не научный журнал, а журнал мод.
Если публиковаться в русскоязычных журналах, то как узнают о Ваших результатах, скажем, американские коллеги? Очень просто: наш журнал "Ядерная физика" переводится на английский язык. Но основная проблема в том, что сейчас мало публикуется чисто русских работ. Ослабла научная деятельность, многие работают за рубежом, кто-то вообще бросил науку. Заниматься наукой сейчас не престижно. Не престижно не только потому, что денег мало - хотя это тоже очень важно. В наше время был огромный конкурс на физические факультеты – одно место на 20-30 человек. А конкурс на экономические специальности был меньше единицы – была же плановая экономика, все было ясно. Я даже тогда думал, что такой перекос в обществе - это неправильно. Никто не хочет идти в гуманитарные науки, а именно они определяют культуру общества. Сейчас перекос в другую сторону, но эти перекосы должны рано или поздно закончиться. Общество должно развиваться гармонично.
Как вы думаете, строительство инновационного центра в Сколково будет способствовать выправлению этого перекоса? Мы все время говорим о том, что и как у нас будет в будущем. Но чтобы прогнозировать, как будет, надо посмотреть назад, как было. Вспомните, сразу после революции, в холодном и голодном Петрограде люди стояли в очереди за картошкой, чернила застывали в чернильнице, но существовали блестящие школы литературы, физики, был расцвет науки и искусства. Откуда взялись тогда эти таланты, когда в стране было очень тяжелое время? Мне кажется, что расцвет творчества просто совсем не связан с материальным комфортом, это какая-то чисто духовная субстанция. Когда мы хотим что-то создать или воссоздать, мы должны, прежде всего, создать творческий климат. А для этого недостаточно просто выделить деньги и сказать "сделайте мне, пожалуйста, такой климат". В некотором смысле неплохим примером является Дубна. Открыли закрытый город, приехали люди из социалистических стран - не самых развитых в то время стран - из Вьетнама, Монголии, Кубы, Северной Кореи, где вообще до этого не было никакой науки. И вот проходит несколько лет - и вьетнамец получает Ленинскую премию, потому что он более способный, чем, например, ученый-немец с вековыми научными традициями. В познании неизвестного все равны. Когда Георгия Николаевича Флерова спрашивали, какой самый интересный эксперимент был сделан в Дубне, он отвечал, что этот эксперимент – сама Дубна. Сюда постоянно приезжали не только ученые, но и художники, музыканты, актеры, литераторы. Они в физике ровным счетом ничего не понимали, это ведь были люди искусства. Просто здесь был творческий климат, а бацилла творчества должна иметь определенную среду, чтобы развиваться. И вот как создать эту среду – я просто не знаю. Сейчас говорят, что там откроют научный центр, здесь откроют другой. Конечно, построят здания, купят приборы и встанет вопрос: что дальше? Иногда мне кажется, что Дубна стала такой притягательной, скорее всего, потому, что в это время само общество захотело, чтобы это было так, для него это было важно. И если это будет достигнуто, то здания построят, никуда они не денутся.
О личном
Почему лично Вы стали заниматься физикой? Я - нетипичный пример, потому что в физику пришел, в какой-то степени, случайно. В детстве я учился в художественной школе, в более зрелом возрасте собирался стать архитектором. В 16 с половиной лет я приехал в Москву поступать в институт. У меня была серебряная медаль, и медалистов почти везде принимали без экзаменов. Но было несколько вузов, где, несмотря на медаль, экзамены по физике и математике, все же, нужно было сдавать. Одним из таких вузов был МИФИ. Я пошел туда заодно со своими друзьями-медалистами, сдал эти экзамены, потом отправился в архитектурный. Там тоже надо было сдать всего два экзамена – рисунок и живопись. Сдал, но мои документы из МИФИ мне не вернули – вуз-то был секретный. На этом, как ни странно, история не закончилась. Дядя моего приятеля – молодой архитектор – выпускник МАРХИ принял участие в конкурсе на сооружение в Москве Триумфальной арки в честь воссоединения Украины с Россией. В партнеры и помощники он пригласил меня. Представляете мою радость? Он был хоть и начинающим, но дипломированным архитектором, а я к архитектуре имел косвенное отношение, служил “рабом” – доводил до ума его эскизы. Иногда подрабатывал рисованием плакатов вождей к 1 мая и 7 ноября. Получив столь лестное предложение, я окончательно решил попрощаться с физикой, тем более что в МАРХИ меня как участника престижного конкурса согласились перевести из МИФИ без экзаменов. Но после смерти Сталина… Арку строить не стали, в архитектурном предложили сдавать экзамены, и пришлось мне идти обратно в МИФИ. На этом завершился мой тернистый путь в архитектуру. Но моя дочь, к большой моей радости, стала архитектором.
Не жалели потом? Жалел, конечно. Но со временем это ушло в прошлое.
После МИФИ вы сразу пришли к тому, чем занимаетесь сейчас? Я больше ничем не занимался. После того как я окончил МИФИ, мне не хотелось терять время в аспирантуре, и я пошел на работу в Курчатовский институт, но та лаборатория, куда меня взяли, как раз переезжала в Дубну. Я к этому времени женился, жена у меня скрипачка. И первое время мы так и жили – она в Москве, у нее аспирантура при Консерватории, концерты, а я в Дубне. Ездить часто в Москву, у меня просто не было времени. Год жили отдельно, пока ребенок не родился.
Наверное, люди приходят в науку по-другому. Они об этом мечтают с детства, проявляют в школе способности, стремятся попасть туда. Мне говорят, что мое мышление иногда не вписывается в рамки научной логики. Что я говорю, например, что поставил красивый эксперимент. Не понимают - как это эксперимент может быть красивый? А я объяснить не могу…
