Уходящий год запомнился яркими событиями в мире естественных наук, и сегодня мы поговорим об одной из них ― физике. На протяжении 2022 г. на портале «Научная Россия» выходили интервью с ведущими отечественными физиками, статьи и новостиhttps://scientificrussia.ru/news о достижениях в этой области знания. Мы публиковали лекции и организовывали пресс-туры совместно с учеными, работающими в российских физических институтах. Пришло время подвести итоги и рассказать о самых запоминающихся событиях отечественной и мировой физики.

В этом году Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) ― главный научно-исследовательский центр страны в области физики и «родовое гнездо» семи нобелевских лауреатов ― представил МРТ-установку, которая сможет заменить зарубежные МРТ-аппараты по всей России. Аппарат, созданный в ФИАН, не требует использования жидкого гелия, что отличает его от импортных аналогов и позволяет на 30% сократить расходы на обслуживание такой установки.

«Это очень сложная технология. Такой прибор можно сравнить со спутником, который запускают в космос. Наше пространственное разрешение 0,5 мм позволяет диагностировать бóльшую часть всех существующих патологий», ― рассказал «Научной России» разработчик, руководитель отделения физики твердого тела ФИАН Евгений Иванович Демихов.

По словам ученых, в серийное производство МРТ-установку смогут запустить через несколько лет. За это время предстоит найти необходимое финансирование, производственные площадки и переработать элементы устройства, требующие импортных деталей.

Директор ФИАН Н.Н. Колачевский и разработчик новой МРТ-установки Е.И. Демихов. Фото из архива «Научной России».

Еще один успешный союз физики и медицины в этом году продемонстрировали ученые Института ядерных исследований (ИЯИ) РАН в Троицке, где был создан метод мгновенного излечения от рака: так называемая ультра-флеш-терапия, которую сейчас тестируют на отдельных раковых клетках. Разработать такой подход удалось благодаря самому большому ускорителю протонов в Евразии, который находится в ИЯИ РАН.

Ультра-флеш-режим на текущий момент доступен только в России. Ускоритель ИЯИ РАН впервые позволил подвести всю дозу облучения к опухоли за 100 мкс, то есть в 5 тыс. раз быстрее, чем в обычном флеш-режиме. При таком ультракоротком облучении нормальные клетки повреждаются в пять-шесть раз меньше, чем при обычной лучевой терапии. Ультра-флеш-терапия подействовала даже на радиорезистентную опухоль.

По словам ученых, главная задача на ближайшее время ― набрать статистику по экспериментам, связанным с ультра-флеш-терапией, и, преодолев все необходимые этапы, прийти к клиническим испытаниям с привлечением добровольцев.

Самый большой линейный ускоритель протонов в Евразии. ИЯИ РАН, г. Троицк. Фото из архива «Научной России».

Фундаментальные физические исследования в этом году были не менее яркими, чем прикладные. Так, например, ученые Объединенного института высоких температур (ОИВТ) РАН провели уникальный эксперимент, позволивший подробно исследовать проявление квантовых эффектов в нашем макромире. Статья об этом была опубликована в Nature Scientific Reports. Подвергнув лазерному излучению частицы сверхпроводящей керамики в магнитном поле в сверхтекучем гелии, физики наблюдали увеличение энергии движения частиц и образование новых сложных структур ― по сути, их эволюцию.

«Наш эксперимент показал возможность управления эволюцией роя частиц в сверхтекучем жидком гелии, что позволяет нам подойти к решению таких фундаментальных задач, как изучение процессов возникновения, развития и эволюции сложных макроскопических объектов живой и неживой природы, а также к поиску общих физических закономерностей и механизмов эволюции, включая роль квантовых эффектов», ― рассказал «Научной России» директор ОИВТ РАН Олег Федорович Петров.

На фото ― рой частиц сверхпроводящей керамики, левитирующих в магнитном поле в сверхтекучем гелии. Ученые ОИВТ РАН наблюдали увеличение энергии движения частиц и ускорение их диффузии в миллионы раз в сравнении с тем, что дает классическая формула Эйнштейна для броуновского движения в сверхтекучем гелии. Работа была выполнена при поддержке РНФ. Фото из архива «Научной России».

В этом году были продолжены астрофизические исследования отечественной космической обсерватории «Спектр-РГ», запущенной в космос в 2019 г.

«Сейчас мы решаем задачу построения самой глубокой карты нашей Галактики в рентгеновском диапазоне. Ранее “Спектр-РГ” уже сделал четыре полных обзора неба, а значит, самая лучшая карта всего неба, по сути, уже есть, и теперь ближайшая наша задача ― сконцентрироваться на Млечном Пути», ― прокомментировал в разговоре с «Научной Россией» заместитель директора по научной работе Института космических исследований (ИКИ) РАН Александр Анатольевич Лутовинов.

Установленный на борту СРГ отечественный телескоп ART-XC им. М.Н. Павлинского с зеркалами косого падения стал прорывным шагом в плане повышения чувствительности телескопов и их углового разрешения, позволяющего уверенно регистрировать и локализовать жесткие рентгеновские источники по всему небу.

Обсерватория СРГ изучает самые необычные объекты в нашей Вселенной, в частности нейтронные звезды, которые интересны тем, что их можно использовать для решения практических задач. Так, например, с помощью быстровращающихся нейтронных звезд, посылающих очень стабильные импульсы излучения (пульсары), можно создать независимую систему навигации аппаратов в космосе.

Такие быстровращающиеся нейтронные звезды фактически представляют собой природные маяки Вселенной, и каждая из них обладает уникальными характеристиками и уникальной стабильностью. С помощью телескопа ART-XC им. М.Н. Павлинского ученым уже удалось провести наблюдения ряда быстровращающихся нейтронных звезд и получить обнадеживающие результаты по созданию элементов системы навигации.

Студенческий тур в ИКИ РАН, организованный «Научной Россией» в 2022 г. Фото из архива «Научной России».

А что насчет мировой науки? В этом году ученые показали первое в истории изображение сверхмассивной черной дыры Стрелец А*, расположенной в центре Млечного Пути. Увидеть первое в истории изображение ближайшей к нам сверхмассивной черной дыры удалось благодаря Телескопу горизонта событий (Event Horizon Telescope). Черная дыра в нашей Галактике в 4 млн раз массивнее Солнца, ее поиск вели на протяжении 100 лет.

Сравнение двух изображений: первой в истории сфотографированной черной дыры (2019 г.) в галактике M87 и снимка сверхмассивной черной дыры Стрелец A* в нашей Галактике. На снимках запечатлен свет, искривленный мощной гравитацией черных дыр. Источник фото: Event Horizon Telescope.

Кроме того, в этом же году с помощью телескопа ALMA астрономы Европейской южной обсерватории зарегистрировали признаки пузыря горячего газа, вращающегося вокруг Стрельца A*. По словам ученых, открытие помогает лучше понять динамичную среду сверхмассивной черной дыры в Млечном Пути.

В начале 2022 г. ученым удалось обнаружить еще один необычный объект в нашей Галактике ― блуждающую черную дыру звездной массы, движущуюся в рукаве Стрельца на расстоянии около 5 тыс. световых лет от нас. Открытие было сделано с помощью метода гравитационного микролинзирования и данных с телескопа Hubble.

Первый снимок Космического телескопа «Джеймс Уэбб» (James Webb Space Telescope). Изображение скопления галактик SMACS 0723, снятое ближней инфракрасной камерой телескопа «Джеймс Уэбб». Источник фото: NASA.

В 2022 г. была получена первая фотография от телескопа нового поколения — Космического телескопа «Джеймс Уэбб» (James Webb Space Telescope), запущенного в конце 2021 г. Снимок стал самым глубоким и четким инфракрасным изображением Вселенной на текущий момент.

В этом году были проведены важные эксперименты, связанные с физикой частиц и Стандартной моделью фундаментальных взаимодействий. Так, исследования на коллайдере Тэватрон позволили определить массу W-бозонов (фундаментальные частицы, переносчики слабого взаимодействия) с беспрецедентной точностью. Кроме того, рекордная точность в этом году была достигнута и в измерении массы одной из самых неуловимых частиц ― нейтрино.

Исследования проводились в рамках международного эксперимента KATRIN, позволившего зафиксировать новый верхний предел массы нейтрино и перешагнуть отметку в 1 эВ. Определить точную массу нейтрино очень сложно, и ученые надеются, что недавний эксперимент поможет продвинуться в решении этой фундаментальной задачи.