Электрон — все-таки шарик, и это может глобально изменить понимание природы

Леонид Скрипников Фото: © Алена Енченко / Пресс-служба «Сириуса»

Леонид Скрипников работает в Петербургском институте ядерной физики Национального исследовательского центра «Курчатовский  институт» старшим научным сотрудником в лаборатории квантовой химии отделения перспективных разработок, а также на кафедре квантовой механики СПбГУ. Он — лауреат премии Президента России в области науки и инноваций для молодых ученых. О состоянии российской науки ученый рассказал на встрече со школьниками «Сириуса».

Леонид Скрипников на встрече со школьниками «Сириуса» Фото: © Алена Енченко / Пресс-служба «Сириуса»

Об исследованиях

В природе есть определенные симметрии. Например, мы привыкли, что если посмотрим в зеркало, увидим себя без особых искажений, только лево поменяется на право.

Если же в зеркало, будь у них глаза, посмотрят на себя электроны или другие элементарные частицы, увидят они себя такими же или нет? Есть эксперименты, которые говорят, что на уровне микромира некоторые симметрии могут не выполняться: отражения в зеркале, обращения времени, зарядовая симметрия. 

Хочется исследовать это нарушение на самом фундаментальном уровне, потому что от него зависит и наша жизнь в конечном счете. Интересно найти корень этого нарушения. 

Одна из таких возможностей — поиск особого свойства электрона, так называемого электрического дипольного момента. Что это значит? Если в природе нарушается определенная симметрия, тогда электрон, который мы привыкли представлять как шар, оказывается вытянутым вдоль определенного направления. Можно попытаться измерить данное отклонение от сферичности, но сделать это тяжело. В 1970-е годы ученые, в том числе наши, доказали, что эти эксперименты можно делать на молекулах, которые содержат множество таких электронов.

Схема магнитного поля Земли примерно совпадает с полем диполя, только у последнего обратное расположение полюсов (N — внизу, S — наверху) Фото: © brgfx / Shutterstock / FOTODOM

Задача в том, чтобы связать экспериментальные наблюдения на молекулах с фундаментальными свойствами электронов. Благодаря нашей работе экспериментально удалось доказать, что с точностью в 10^-29 электрон все-таки является шариком, и этого знания уже достаточно, чтобы проверить многие фундаментальные модели. 

Это может глобально изменить наше понимание природы

Есть еще много вещей, которых мы не понимаем. Например, мы знаем, что был Большой взрыв, родились какие-то частицы, потом образовались планеты. Но почему везде только материя и нет антиматерии? Поиски нарушения симметрий на микроуровне, возможно, в конечном счете смогут пролить свет на эту нерешенную проблему современной физики — одну из наиболее значимых. Мы должны понять и написать уравнения, которые ответят на вопрос: почему так?

#наука #вселенная #физика

С чего все началось? 5 теорий, кроме Большого взрыва

Читать

У нас глобальная междисциплинарная задача. Мы работаем над ней не одни. Здесь нужны и эксперименты, и теория (квантовая механика).

О применении

У этих исследований есть прикладное русло. Для экспериментов молекулы должны содержать тяжелые элементы, и мы можем предсказывать их свойства — это очень широкая область применения. Например, вам нужно оценить какую-то химическую реакцию. Вы можете ее не делать, а написать уравнение, запрограммировать компьютер, который посчитает и скажет, как эта реакция будет идти и что будет на выходе. 

Можно, например, моделировать свойства лекарства. Есть болезнь — и мы хотим создать для ее лечения препарат. Для этого можно подключить вычислительные элементы и попытаться смоделировать его необходимые свойства.

Создание препаратов в лабораторном комплексе «Сириус» Фото: © Алена Енченко / Пресс-служба «Сириуса»

Это пример задач, которые способна решать квантовая химия легких элементов. В молекулярной атомной физике, которой мы занимаемся, тоже много интересного можно сделать. Например, изучить свойства ядер, элементарных частиц. Более прикладные задачи, такие как атомные часы или исследования, связанные с квантовыми компьютерами, тоже не так уж далеко.

О сотрудничестве

Мы измеряем радиус ядра, оцениваем, как у него распределена намагниченность. Мы предложили изучать это распределение с использованием молекул, и сейчас такой эксперимент проводит группа из MIT (Массачусетский технологический институт. — Прим. ред.). Он уже на завершающей стадии. Много сотрудничаем с зарубежными исследователями: группами из CERN (Европейская организация по ядерным исследованиям, вторая по размерам в мире лаборатория физики высоких энергий. — Прим. ред.), а также с коллегами из Германии. 

Для теоретика интересно, когда он не теорию ради теории делает, а работает с ведущими экспериментаторами

То, что мы предложили, они могут опробовать экспериментально. И наоборот: они могут поставить эксперимент, им его надо интерпретировать — и за этим они обращаются к теоретикам. Получается взаимовыгодная работа. Направлений много.   

О настоящем

Сейчас особенно тяжело экспериментаторам, которые ездили раньше, например, в CERN работать с установками. Многие из таких взаимодействий, насколько мне известно, заморожены. Теоретикам проще: нам для работы нужны только компьютеры, которые есть и в России, и за рубежом. В своем деле мы лучшие в мире.

В CERN находится Большой адронный коллайдер — самая крупная экспериментальная установка в мире Фото: © D-VISIONS / Shutterstock / FOTODOM

По каким-то научным направлениям иностранная коллаборация — в том же CERN — продолжается. Работаем с американскими институтами — с ними у нас есть план дальнейшего сотрудничества, надеюсь, он будет реализован. 

Что касается статей, здесь тоже все разнородно и зависит от области исследований. Есть российские, европейские, американские журналы. В некоторых моим коллегам отказывали в публикации. У меня лично таких проблем не было. 

Об образовании

Когда учился в школе, я участвовал в олимпиадах по химии, ездил в профильные лагеря. В одном из них преподаватель начал нам рассказывать основы квантовой химии,  электронного строения атомов, молекул, что есть какие-то энергетические уровни, вероятности перехода, взаимодействия с веществом. Когда я слушал эти лекции, почувствовал, что есть резонанс, что мне это интересно. Теперь сам этим занимаюсь. 

Если вы поступаете на первый курс института, не надо думать, что следует сначала все ступени пройти, а потом заниматься научной деятельностью.  

Если вам интересна наука, сразу на первом курсе начинайте ею заниматься

Конечно, нужно определиться с направлением. Для этого полезно, например, походить на разные лекции и послушать, кто чем занимается. Важно найти себе хорошего научного руководителя. Посмотрите, как он публикуется.

#российские ученые #ДНК

Главные открытия 2023 года в российской науке

Читать

О «Сириусе» 

Я только знакомлюсь с «Сириусом». Второй раз здесь. Был еще в декабре на II Конгрессе молодых ученых, и впечатления превзошли мои ожидания. В этот раз я сделал доклад для школьников. Надеюсь, что кто-то из них станет ученым с мировым именем. Может быть, придет к нам в научную группу, и мы будем вместе заниматься исследованиями. На меня произвели прекрасное впечатление кампус и Лицей «Сириуса». Хочется, чтобы таких мест в России было больше.