Листок, компьютер и немного здравого смысла

Международный симпозиум по молекулярной спектроскопии высокого разрешения проводится Институтом оптики атмосферы имени В.Е. Зуева СО РАН (Томск) с 1972 года. В СССР он носил название «Всесоюзный симпозиум по молекулярной спектроскопии высокого и сверхвысокого разрешения с участием иностранных специалистов», а с 1993 года получил статус международного. Двадцатый симпозиум прошёл 3–7 июля 2023 года на Байкале – на берегу Малого Моря. Несмотря на мировые события, на Байкал приехали не только российские эксперты, но и учёные из Китая, США, Швейцарии, ведущие специалисты, применяющие методы спектроскопии высокого разрешения в своей работе. Многие зарубежные учёные направили свои доклады. Маломорский пролив собрал более сотни научных работников, 70 научных организаций, 257 докладов было представлено из 16 стран мира. На Байкале побывали научные сотрудники Московского государственного университета, Санкт-Петербургского университета, Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород), Института спектроскопии РАН, Института астрономии РАН, ряда томских научных учреждений. Константин Казаков был одним из организаторов конференции и по её итогам согласился рассказать о том, чем сегодня занимаются учёные, использующие в своих исследованиях спектроскопию, область физики, которая изучает взаимодействие электромагнитного излучения с веществом.

Мы встретились с Константином Казаковым в технопарке ИРНИТУ. Буквально через несколько дней он улетал в Москву. Так с 2015 года устроена его работа: несколько недель в Институте физики атмосферы имени Обухова РАН в Москве, несколько – в Институте квантовой физики ИРНИТУ в Иркутске.

– Вы работаете сейчас и в Иркутске, и в Москве. Это как происходит: вы находитесь физически здесь, а работаете там?

– И наоборот: физически там, а работаю здесь. Это не так сложно, как кажется. Напротив, не засиживаешься на одном месте. А поскольку задачи связанные и работы объединены между собой, то получается, наверное, что я техническому университету больше полезен именно в Институте физики атмосферы РАН. Раньше много времени проводил за границей, теперь больше в России. Где лучше? Сложно сказать. В настоящее время понимаю, что буду одинаково переживать за происходящее, находясь как там, так и здесь. Отъезд мало что изменит в моей голове и тем более в ситуации. Так и работаю: часть времени в Иркутске, часть – в Москве.

– Это нормально для современного учёного?

– Для современного – да. Но я, как видите, уже не совсем современный. Институт квантовой физики ИРНИТУ – это скорее проект, а не институт в классическом его понимании. Есть задачи, которые мы решаем, есть исследователи, которые привлекаются. Оплачивается конкретная работа, которую они тут провели. Так что это не обычный статичный институт, куда люди приходят на работу, отсиживают часы. У нас есть пул задач и есть исследователи, которые их решают. Они разбросаны по всему миру – во Франции, в Канаде… Основные резиденты живут в Москве. Для теоретической физики не обязательно, чтобы вы находились стационарно в каком-то одном месте. В экспериментальной физике, к слову, всё по-другому: вы едете туда, где есть прибор. Чтобы работать, его нужно обслуживать. Сам прибор ничего делать не будет, тут нужны исследователь, квалификация, опыт, ресурсы. Экспериментаторам труднее.

– А вам, как и раньше, нужен только листочек бумаги и больше ничего?

– Ну вы как-то совсем упростили нашу работу. Но в какой-то степени да. Иногда и бумага не нужна, в общем. Компьютеры нужны, поскольку сегодня они помогают нам проводить часть вычислений, которые уже невозможно выполнить вручную. Так что к листку можно добавить компьютер и немножко здравого смысла. Это основное, что нужно физику-теоретику. Ну и, естественно, какая-то коммуникация, без этого никак. Сложно представить себе довольно замкнутые коллективы, которые сильно продвигаются в науке. Это невозможно в силу нашего современного глобального мира. Мы должны общаться, чтобы работать.

– Список ваших контактов по миру большой?

– Да. Иногда бывает смешная ситуация: ты контактируешь и не знаешь, что контактируешь. Твои результаты берут, делают свою работу с учётом твоих выводов. И это нормально, это тоже часть деятельности научного сообщества. На прошедший симпозиум приехали 120 человек, хотя мы рассчитывали примерно на 50. Это уже комьюнити, более 120 человек, и все мы контактируем. Вообще, мы всегда на связи с мировыми специалистами, занимающимися нашими темами, в США, в Европе. Это Франция, Великобритания, Швейцария, Германия. Канада, естественно, где я какое-то время провёл, у нас остались тёплые отношения до сих пор. Естественно, много выходцев и из нашей страны, которые занимаются похожими исследованиями. Это всё личные контакты именно по науке. У теоретика нет необходимости находиться в какой-то конкретной точке мира. Пока есть возможность общаться с коллегами, читать мировые научные журналы, ничего не мешает мне работать полноценно в России.

«Жизни, которая развивается на Земле, людям мало»

Сегодня учёные могут общаться из любой точки мира по Интернету. Возникает вопрос: зачем нужны очные конференции, что они дают? Симпозиум – это личное общение, в том числе и неформальное. А его так мало было в последние годы из-за пандемии. Молодые учёные, соблюдающие в иных случаях субординацию, в условиях неформального общения на симпозиуме могут запросто что-то спросить у топов. Просто так академику не напишешь письмо: «Я занимаюсь такой-то областью, помогите советом». А на конференции это можно сделать во время неформального общения на отдыхе, и топы ответят. На конференциях учёные находят друзей, а группы – совместные проекты. Там же эти проекты и обсуждаются, потому что зачастую о чьей-то достойной научной работе учёные узнают именно очно. В иных случаях дороги исследователей просто бы не пересеклись. «Основное действо разыгрывается не на чтении докладов, а в закулисье, когда люди начинают общаться, обсуждать, рождаются новые идеи», – говорит Константин Казаков.

– Почему именно спектроскопии посвящён целый симпозиум?

– Зачем нужна спектроскопия в целом? Атомы и молекулы уникальны. Каждая такая полуэлементарная единица имеет свой характерный спектр. И людям важно знать, с каким веществом мы работаем. Этим занимается как раз спектроскопия. Задача науки – понять, как устроен мир, понять, из чего состоит конкретное вещество. Как это знание применить? Сегодня большой пласт работ посвящён медицине, поскольку ряд молекулярных маркёров могут свидетельствовать о каком-то заболевании на ранней стадии. Этим вопросам впервые была посвящена целая секция конференции – применению методов спектроскопии в медицине. Учёные поняли, что по составу выдыхаемого воздуха можно диагностировать ряд заболеваний. Это тоже делает спектроскопия. В целом же эта наука изучает взаимодействие излучения с веществом. После взаимодействия излучения с веществом вы регистрируете спектр и понимаете, с чем вы имеете дело.

– Где ещё это может применяться? Медицину вы уже назвали…

– Основные направления конференции были связаны с фундаментальными аспектами теории молекул, с описанием спектров. Сегодня методы, как теоретические, так и экспериментальные, позволяют это делать гораздо глубже и лучше, чем 50 лет назад. Естественно, основной аспект был фундаментальный. Вторая часть, которая сегодня тесно связана с фундаментальным направлением, – астрофизические задачи. Практически единственный способ исследовать космос – это применение оптических методов. èèè

Вы регистрируете излучение, которое приходит к нам из космоса, можете его интерпретировать и понять, какой объект его издаёт. Одно из основных направлений, которыми мы занимаемся в Институте физики атмосферы имени А.М. Обухова РАН в Москве, – это изучение планетных атмосфер.

На конференции было много представителей Института космических исследований РАН (ИКИ РАН), такое представительство было впервые в истории симпозиума. В наши дни изучаются и атмосферы планет Солнечной системы, это то, чем как раз занимается ИКИ РАН, и дальних планет, которые исследует, например, телескоп «Джеймс Уэбб», запущенный 25 декабря 2021 года. Совсем недавно физика вышла на изучение конкретных спектров атмосфер планет. Как это делается? Если вы посмотрите на определённый участок неба, на звезду, вы увидите – она светится. Планеты тёмные, они не светятся, а изучать их нужно. И тут помогает спектроскопия.

Сегодня наблюдается своеобразный бум по изучению других миров, эта тематика чуть ли не вторая в мире по популярности. Экзопланеты – планеты за пределами Солнечной системы – на слуху. Это так называемые «другие миры», которые художники даже визуализируют. Вы, наверное, видели эти изображения. Живописцы рисуют красивые картины, фантазируя, как бы могла выглядеть та или иная экзопланета. Это, конечно, миры в представлении художников, так на самом деле они не выглядят. Мы пока и сами не знаем, как они выглядят. Но художники, работающие, например, в NASA, дорисовывают другие миры на основании тех данных, которые получают учёные. Это как раз то, что даёт спектроскопия – и фактически исключительно спектроскопия. Данные берутся, и по полученным сведениям дорисовывается какая-то планета. Картина передаёт представление художника о другом мире, но основанное на данных учёных.

– Но как вы можете судить об объекте, который вы даже не в состоянии увидеть?

– Планета в небе практически невидима. Когда она оказывается на линии зондирования излучения, происходит уменьшение интенсивности светимости материнской звезды. Излучение материнской звезды, грубо говоря, проходит через атмосферу планеты. Учёные его регистрируют и могут разобраться, из чего состоит атмосфера. Только недавно стали регистрировать конкретные спектры. Ранее смотрели время прохождения, то есть в течение какого времени происходит затмение, а потом на основании этого делалось моделирование, и учёные понимали, каковы размер планеты, расстояние до материнской звезды. И только вслед за этим моделировался примерный состав атмосферы. А сегодня уже начали снимать конкретные спектры. Это очень здорово на самом деле.

Мы анализируем конкретные данные. Например, был получен спектр атмосферы планеты в системе WASP-39, звезды в созвездии Девы. Планета носит название WASP-39 b. Учёные установили, что атмосфера планеты содержит CO2. Это было не смоделированное, а первое конкретно обнаруженное наличие углекислого газа в атмосфере экзопланеты. Таких планет астрономы регистрируют довольно много, но никто не знает, что там внутри. Сейчас в атмосферах обнаруживают и воду, и это обсуждалось на конференции. Вода – это то, что необходимо для жизни. Одна из целей изучения атмосфер планет – обнаружить внеземную жизнь, в этом случае спектроскопия становится очень актуальной. Этой жизни, которая развивается на Земле, людям становится мало, хочется посмотреть ещё на какую-то – уже за пределами нашей планеты.

– Как это происходит? Астрономы открыли планету, затем приходят те, кто снимает спектр?

– Да, сначала выявляются кандидаты, на которых стоит смотреть. Раньше запускаемые зонды смотрели в разные области неба, что находили, то и регистрировали. Сегодня тактика немного поменялась. Выбирают небольшой кусок неба и начинают смотреть туда, чтобы более подробно изучить его. Тем не менее пока всё равно информации не хватает, потому что те спектрографы, которые снимают спектры, имеют узкий диапазон, направленный на выявление, например, H2O и СО2. Туда, где есть полосы поглощения этих молекулярных включений, мы и смотрим. Это понятно, потому что у человека есть желание найти себе подобных. И мы ищем атмосферы, подобные земной. Это не значит, что на планетах с другим составом атмосферы не может существовать какая-то иная жизнь.

– Участие физиков-теоретиков заключается в чём?

– Конкретно мы, теоретики, не занимаемся приборостроением, не запускаем зонды. У нас другая задача. Мировая наука сейчас очень объединена, и, несмотря на политические события, пока наше взаимодействие с учёными из других стран сохраняется неизменным, мы работаем вместе. Кто-то обнаруживает планеты, кто-то получает спектры. Например, французы сильны в CRDS, новой спектроскопии высокого разрешения. В России её пока нет толком, хотя в мире она развивается уже 20 лет, пошли приборы, которые уже используются и в медицине. Экспериментаторы обращаются к теоретикам, когда снимают какой-то спектр и хотят узнать его природу. Это делается, как правило, раньше, чем появляется публикация. Мы помогаем, хотя и не всегда. Так и взаимодействуем: кто-то из коллег регистрирует спектры, а задача теоретиков – интерпретация этих спектров. Когда получен набор линий, вам нужно приписать их в соответствии с внутренним молекулярным движением. И понять, какая молекула поглощает и к какому типу движения это относится.

Для изучения парниковых эффектов и атмосферной физики в целом, например, приходится иметь дело с инфракрасными спектрами, которые обязаны колебательному и вращательному движению молекул. Совсем недавно, и на конференции этому было уделено внимание, на Марсе была обнаружена новая полоса поглощения CO2. Атмосфера на этой планете в основном состоит из углекислого газа, она очень разрежена, давление в сто с лишним раз меньше, чем на Земле. Учёные искали на самом деле метан, который является одним из биомаркёров. Но, как сказал член-корреспондент РАН, заместитель директора ИКИ по вопросам обеспечения проекта «ЭкзоМарс» Олег Игоревич Кораблёв, «русские закрыли метан на Марсе». Дело в том, что ранее метан на Марсе открыли американцы, но аппарат Trace Gas Orbiter, вращающийся вокруг красной планеты, получил иные результаты.

Аппарат был создан Европейским космическим агентством по программе «ЭкзоМарс». В частности, на нём размещены два прибора, разработанных в ИКИ РАН, один из которых представляет собой набор инфракрасных спектрометров. Аппарат не обнаружил следов метана в атмосфере Марса с очень хорошей точностью. И сейчас дискуссии об этом продолжаются. Да, метан не нашли, но зато обнаружили новую полосу CO2, обязанную магнитному поглощению. Это было забавно для всех физиков. На Земле много СО2, это один из самых популярных в исследовании газов, поскольку парниковый эффект во многом обусловлен именно этим газом. А нашли новый переход именно на Марсе. Была дискуссия, полемика, отчасти и наша группа участвовала, вместе пытались разобраться в механизме поглощения и, наконец, разобрались совсем недавно.

– На Земле нет такого поглощения?

– Есть, но, представляете, надо было лететь на Марс, чтобы его обнаружить. Такое бывает в науке. Дело в том, что Марс – это такая «лаборатория», которую нельзя построить на Земле. Если вы на просвет смотрите атмосферу, там очень большой оптический путь, сотни километров. Организовать такие условия для эксперимента на Земле практически невозможно. А на этой красной планете естественная лаборатория гигантских размеров – суть сама атмосфера. И человек не нужен, всё дистанционно управляется, снимаются данные, регистрируется спектр, проводится его интерпретация.

– О Венере не было разговора? Там тоже недавно вроде бы нашли признаки жизни.

– Фосфин, совершенно верно. Сейчас мы тоже переключились на изучение фосфина. Тут есть интересные моменты. Во-первых, ещё не совсем достоверно его обнаружение в облаках венерианской атмосферы. Какие-то предварительные данные были, но потом, как вы знаете, было опровержение. Сейчас Россия готовится к следующей экспедиции на Венеру, и это было бы для нас очень хорошо, поскольку мы занимаемся, в частности, индуцированным поглощением, то есть поглощением не одиночных молекул, а связанных комплексов, скажем, двух молекул рядом. Это интересно, поскольку такие комплексы могут давать заметный вклад в парниковый эффект, особенно это касается палеоатмосфер – атмосфер планет на заре их становления.

На Венере атмосфера состоит из углекислого газа, там в отличие от Марса она в сто раз плотнее, чем на Земле. Очень сильный парниковый эффект, крайне жарко. И как раз очень много индуцированных эффектов. Да, в облаках вроде бы действительно был обнаружен фосфин как биомаркёр. Но пока нужны какие-то более весомые подтверждения. На одной из сессий конференции прозвучал довольно интересный вопрос: «Давайте возьмём нашу планету. Никакого фосфина здесь нет, а жизнь есть!» Выходит, не всегда правильно смотреть на один маркёр, кстати, как и на другой маркёр – метан. Тот же метан в атмосфере Марса может оказаться из-за наличия метан-гидратов, которые, к примеру, есть и на Байкале под толщей воды. Наличие метана в атмосфере не проливает свет на то, как он там образовался, и тем более на его биогенное происхождение. Не исключено, что под поверхностью ржавой планеты что-то и есть. Но нужны дополнительные исследования.

«Учёному незачем заниматься всем самому»

Физики-теоретики помимо интерпретации данных, полученных коллегами-экспериментаторами, отвечают ещё и за прогнозирование. «Например, мы можем указать, где искать интересующий объект, – говорит Константин Казаков. – Это тоже делают, в общем-то, теоретики. На какие спектральные линии надо обратить внимание, в каком диапазоне это лучше делать, чтобы не было перекрывания линий, например, чтобы какие-то разрешённые полосы не мешали вам диагностировать те эффекты, которые вы ищете». В итоге работа экспериментаторов, теоретиков и прибористов сегодня более чем тесная.

– Так устроен современный мир, который идёт в сторону глобализации, – продолжает учёный. – Исследователю незачем заниматься всем самому, как это было раньше. Если ты сам строишь прибор, сам для себя рассчитываешь, то в этом случае и конкурировать-то сложно будет в современном мире. Есть структуры, которые делают это гораздо лучше, чем учёный-одиночка, причём в структуре каждый занимается своим делом. А вместе получается хороший результат.

– А чей тогда это результат? Ваш, коллаборации?

– Нет такого деления. Какая-либо группа учёных опубликовала свои результаты в журнале, мы их прочитали, можем даже пообщаться, поговорить. Даём свою интерпретацию тоже в журнале, и это общее продвижение. Общение между учёными осталось таким же, как и раньше, на страницах научных журналов. Журналы нужны не для того, чтобы…

– Похвастаться?

– Да, точно не для этого. Сегодня существуют отчёты университетов или институтов, они так отчитываются – научными публикациями. Но публикация не самоцель, то есть она ценна сама по себе, не для отчёта. Именно тем, что через неё можно обменяться мнениями по поводу научной повестки, отточить собственную мысль, разместить заказ на определённое исследование. Мы со многими коллегами знакомы и часто сообщаем о результатах раньше, чем выходит публикация. Соревновательности между нами нет, потому что цель у нас общая. Главная задача научника – разобраться. И чем быстрее ты разберёшься, тем быстрее перейдёшь к следующей задаче, а их очень много. И почему публикации вдруг стали предметом формальных отчётов? Возможно, потому, что функционеров и менеджеров в сфере науки и образования стало больше, чем научников…

– Общение в мире сегодня несколько затруднено. Но симпозиум прошёл с хорошим международным представительством. Как удалось это в нынешних условиях?

– Несмотря на все события, личные отношения между учёными из разных стран не пострадали. Приехали самые смелые, и это одни из самых топовых учёных в своих областях, работающих за рубежом. В большинстве своём это выходцы из России, которые трудятся довольно давно за границей. Конечно, хотелось бы более широкого международного представительства, эти учёные бы усилили конференцию, заполнили пробелы, так думали. Но, как оказалось, у нас получилась очень хорошая конференция. Эти пробелы были заполнены, как это и бывает, другими хорошими специалистами. В повестке симпозиума появились биомолекулы, медицина. Наконец-то очень много астрофизики.

На конференции была представлена китайская молодёжь. В большей степени у них были теоретические работы, связанные с одним из наиболее распространённых нынче направлений – квантовой химией. Это определённая часть науки – вычисление из первых принципов. У вас есть законы физики и есть компьютер. Вы говорите: «Хочу рассчитать из первых принципов какие-то характеристики молекул или построить спектр». И считаете. Не обязательно это укладывается в какую-то научную повестку. Это чуть ли не отдельная часть науки уже, которая является востребованной там, где затруднён эксперимент, а продвигаться дальше можно, лишь развивая теорию. В целом конференция прошла намного лучше, чем можно было представить себе в нынешней ситуации. Это была плодотворная работа, плодотворное научное общение.