В новом сюжете проекта Сиб.фм «Будущее российской науки» мы решили поговорить с молодым ученым об исследованиях, которые многим кажутся непонятными, чересчур сложными – своеобразной забавой для ума, имя которым – фундаментальная наука. Какая от них польза, ведь основные законы мироздания, на первый взгляд, давно известны и прописаны в школьных учебниках? Зачем сегодня воссоздавать то, что происходит где-то на глубине 300 километров под землей? И что там, кстати, происходит? Во всем этом разбираемся с сотрудником Института геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН Иваном Новоселовым.
В предыдущих историях мы пытались так или иначе «привязать» фундаментальные исследования, которыми занимаются наши герои, к тому или иному практическому «выхлопу». Чтобы человеку, далекому от науки, было более-менее понятно, зачем в лабораториях тратят кучу времени и денег на изучение каких-нибудь «спектральных характеристик чувствительности» чего-нибудь. В этот раз решили в центр внимания поставить саму фундаментальную науку: пора, наконец, все же более подробно объяснить, что это такое, и почему без нее не обойтись в науке прикладной.
«Благодаря фундаментальной науке мы знаем, почему наша Земля и мы устроены именно так, а не иначе»
Как ни парадоксально, но для разговора о фундаментальной науке мы выбрали отрасль, в которой с практической отдачей все более чем понятно: геологию и минералогию. Но, как оказалось, именно здесь еще огромное непаханное поле для фундаментальных исследований, и далеко еще не все открыто. Над новыми открытиями как раз и работает сегодня младший научный сотрудник лаборатории экспериментальной минералогии и кристаллогенезиса Иван Новоселов.
Кстати, он – один из немногих героев нашего проекта, кто о научной карьере мечтал буквально с детства.
«У меня в детстве такая идея фикс – стать ученым – была довольно долго. Я не хотел быть космонавтом или еще кем-то, я хотел быть именно ученым, ходить в белом халате и делать открытия», - вспоминает с улыбкой Иван Дмитриевич.
Он точно помнит и то, в какой момент решил, что хочет стать именно геологом: «Были такие журналы: «Минералы – сокровища Земли», там к каждому журналу в комплекте шел камешек. Я купил первый выпуск, и меня эти камешки совершенно загипнотизировали».
Загипнотизировали настолько, что будущий ученый пришел в НГУ на геологический факультет, а после окончания магистратуры сумел практически самостоятельно сформулировать и тему, над которой ныне работает в аспирантуре. По его словам, в магистратуре у него была довольно схожая тема исследования. И, когда он поступил в аспирантуру, научный руководитель сказал ему: «Ты можешь сформулировать тему исследования, и, если она нам покажется солидной, то этим ты и будешь заниматься». В итоге научный руководитель одобрил его тему, и молодой исследователь, продолжил заниматься тем, чем занимался в магистратуре, но уже на другом уровне.
«Я занимаюсь фундаментальной наукой, - рассказывает о своей работе Иван Новоселов. - Что такое мантия Земли, из чего она состоит, что в ней происходит. Фундаментальная наука за практикой не гонится. Она хочет ответить, в первую очередь, на вопрос: почему так? Это, можно сказать, погоня за знанием ради знания. Но это полезно. Во-первых, благодаря фундаментальной науке мы знаем, почему наша Земля устроена именно так, а не иначе, почему мы устроены так, а не иначе.
А, во-вторых, хотя с фундаментальной наукой никогда нельзя заранее сказать, будет ли у нее какое-либо практическое приложение или не будет, может оказаться, что мы в процессе исследований наткнемся на что-то такое, что можно потом применять. И примеров этому множество. Например, изучали люди, как минерал серпентин разлагается, и выяснили, что при этом образуется очень чистый оксид кремния. А чистый кремний – это уже хорошие, качественные полупроводники.
Или у нас вот ставили какие-то эксперименты с кремнием, и выяснили, что образуются хорошие кремниевые центры в алмазах, которые можно использовать для квантовой электроники».
Как рассказал ученый, мы никогда не видели то, что у нас происходит под ногами – в земной мантии, в земной коре. Потому что самая глубокая скважина, которая есть в мире – Кольская сверхглубокая – составляет всего 12 километров, при средней толщине земной коры километров 20. То есть, до мантии мы даже не добурились. «У нас, конечно, есть алмазы, которые нам «прилетают» из мантии, есть какие-то куски пород, которые нам кимберлитовые трубки выносят. Но все же это лишь фрагменты знаний», - добавляет он.
Но раз технически пока невозможно пробурить скважины на сотни километров вглубь планеты, то благодатной почвой, для того, чтобы понять, что у нас происходит под ногами, говорит ученый – это эксперимент: «И наша лаборатория, как и многие лаборатории по всему миру, занимаются тем, что экспериментально моделируют то, что может или, наоборот, не может быть на глубине 200 – 300 километров в мантии Земли. Для того, чтобы в принципе понять, как наш «шарик» устроен, или, например, из более прикладного – как образуются алмазы. Потому что до сих пор какого-то единого стройного мнения нет, существует множество разногласий».
Таким образом, знания, которые потом мы видим на картинках в энциклопедиях по географии, рождаются именно здесь, в экспериментальных лабораториях.
Иван ведет нас в просторное помещение, напоминающее заводской цех, где находятся установки, с помощью которых как раз и создается рукотворная мантия. Внушительные сферы из прочной оружейной стали, которая выдерживает высокие нагрузки, разъединяются, и внутрь помещается совершенно неподъемного веса деталь. В отличие от нас, молодой исследователь справляется с этой манипуляцией довольно ловко. А ведь за день надо перетаскать не одну такой конструкцию.
Именно здесь, внутри этой установки, которая называется «БАРС – беспрессовый аппарат разрезная сфера», создается высокое давление в комплексе с высокими температурами – такими, какие свойственны мантии.
«Мы не можем добуриться до больших глубин, - продолжает рассказ о сути своего исследования Иван Новоселов. - Но мы можем более-менее прощупать, что там может происходить - с помощью геофизики, сейсмотомографии. Однако это отвечает только на вопрос, какие свойства мантия имеет, а не на вопрос, какой у нее состав. А мы можем, исходя из каких-то входных данных, разрозненных или не очень, предположить, какой она имеет состав, какие там процессы, и их смоделировать в наших аппаратах. И посмотреть, насколько то, что мы получаем, похоже на правду.
Когда то, что у нас получилось, совпадает с тем, что люди находят в природе, всегда – большая радость. Когда так не получается, конечно, немножко грустно. Но все равно это нам дает основания для того, чтобы сказать, что вот, например, так не может быть, попробовали – не получилось».
Установки, с которыми работает ученый, уникальны. По словам Ивана Новоселова, «БАРС» был разработан именно здесь, в Академгородке, еще в Советском Союзе, когда был объединенный институт минералогии и геологии. Поэтому и исследования, которые проводят здесь, тоже уникальны.
«У этого прибора много плюсов, - объясняет Иван. - Один из главных – то, что мы можем очень четко регулировать температуру и давление в эксперименте. Потому что не на всех аппаратах это возможно. Кое-где просто проводят калибровку, и потом, по результатам этих калибровок, условия в эксперименте воссоздаются. Но при этом со 100%-ной вероятностью утверждать, что в каждом эксперименте такое давление и температура, нельзя.
Конечно, калибровки всегда проводятся очень тщательно, но всегда есть опасение, что что-то где-то пойдет не так. У наших же аппаратов очень высокая точность».
Есть и еще одно достоинство у этих аппаратов. Оно связано с другим направлением работы Ивана Новоселова, которое, кстати, находится на стыке фундаментальной и прикладной наук – он проверяет: растет искусственный алмаз в тех или иных условиях или нет.
Сейчас уже удается выращивать синтетические алмазы размером в 5 -6 каратов. У них есть много преимуществ, в сравнении с природным алмазным сырьем. Поскольку это – крупные, чистые кристаллы, можно у них корректировать цвет, какие-то еще заданные свойства, которые важны, в первую очередь, для промышленности, для высоких технологий. Это алмазные элементы, которые применяются в электронике, в различных аналитических аппаратах и многом другом.
Ученые проверяют, как алмаз ведет себя в тех или иных системах. «Иногда мы можем найти какие-то очень интересные вещи. Например, скорости роста оказываются выше, чем мы предполагали, и это уже можно промышленно использовать. Тут уже как раз можно увидеть различие между наукой фундаментальной и наукой прикладной», - замечает Иван.
«БАРСы», кстати, делали, в первую очередь, под синтез алмазов. Поэтому эти установки таких внушительных размеров, и в них входит больше исходного вещества, сравнительно с аналогичными экспериментальными установками. «Чтобы вырастить большой алмаз, нужен большой объем ячейки высокого давления, в которой синтез алмаза происходит. Чтобы побольше туда можно было внести сырья, и побольше в итоге произвести алмазов. И еще один плюс аппарата - несмотря на экстремальные величины температур и давления, которые создаются в процессе экспериментов, ячейка высокого давления в итоге практически не деформируется», - отмечает исследователь.
Учиться придется всю жизнь
Говоря о любимых занятиях, молодой ученый признается, что постепенно становится все более домашним человеком – последние годы увлекся садоводством и цветоводством, с удовольствием трудится на даче. А еще – ну какой же геолог без этой страсти – очень любит походы: «С палаткой уйти в какое-нибудь отдаленное от цивилизации место, посмотреть на птичек, пособирать ягоду, покарабкаться по горам».
И, конечно, он не может представить свой день без чтения, без какого-либо потребления информации в принципе: «Мой день начинается с чашки чая или кофе и беглого знакомства с новостями научной жизни. А, если я дома – то люблю какую-то книжечку почитать, сериал посмотреть».
Одно из качеств, которое помогает и в жизни, и в науке, считает ученый - установка, что ты можешь быть неправым: «Потому что если ты напираешь на то, что прав, что я один такой в белом пальто стою красивый, есть риск, что можешь не заметить свою ошибку в исследовании. И в итоге придешь к тому, что год-два работы у тебя будет просто проделано впустую. И в личных отношениях это тоже очень помогает».
Для успеха в науке, по мнению Ивана Новоселова, нужно быть человеком мотивированным: «Ты должен сам себе поставить цель, должен сам к ней идти и сам придумывать, как ее достигать. Потому что никаких инструкций и методичек к научной деятельности нет».
Есть и еще одно удивительное свойство этой сферы, которое уже успел заметить молодой ученый и к которому надо быть готовым тому, кто хочет связать свою жизнь с наукой, если в будущем не хочет разочароваться.
Следует приучить себя к тому, что учиться придется всю жизнь. «Любой ученый – это в некоторой степени вечный студент. Потому что наука не стоит на месте. И может оказаться, что то, чему ты учился всю свою жизнь, окажется не то что неверным, а отжившим свое. И возможно, что то, что я делаю сейчас, через лет 20 покажется не только окружающим, но и мне самому какой-то примитивной «тумбаюмбой». Надо быть готовым к тому, что все течет, все меняется, и чему-то новому нужно учиться каждый день», - философски заключает Иван Новоселов.
