eng
Выпуск #5/2018
Компактный лазерно-интерферометрический комплекс (КЛИК) – перспективные исследования в сфере гравитационной физики
Просмотры: 2650
Под эгидой Нанотехнологического общества России (НОР) при содействии Российской академии наук и Академии наук Республики Татарстан 14 июня 2018 года в Казани прошел научно-технический семинар "Создание компактного лазерно-интерферометрического комплекса на принципе гравитационно-индуцированного сдвига частоты генерации". Инициаторами проведения и основным докладчиком стали участники временного творческого коллектива (ВТК), созданного под руководством Б.П.Павлова в 2014 году. ВТК стал продолжателем научных и прикладных работ, проводимых в Казани НЦ ГВИ "Дулкын". Руководил работой семинара председатель программного комитета, академик РАН С.Н.Багаев (Институт лазерной физики СО РАН).
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.84.5.296.310
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.84.5.296.310
Целью семинара являлось рассмотрение современных научных, технологических и технических основ фундаментальных и прикладных исследований в сфере гравитационной физики. В рамках семинара были представлены пять пленарных докладов: "О концепции создания компактного лазерно-интерферометрического комплекса" (Б.П.Павлов); "Теоретические основы отклика материальных сред на вариации гравитационного поля" (Р.А.Даишев); "Лазерно-интерферометрический комплекс "Дулкын-1" и тестирование эйнштейновского принципа эквивалентности" (А.Ф.Скочилов); "Измерение гравитационного потенциала с помощью лазерной системы на основе стабилизации средней, периодически изменяющей частоты лазера" (Г.И.Ильин); "О возможности использования квантового метода отпечатков и самоконтролируемых измерений при создании лазерно-интерферометрического комплекса" (С.Н.Андрианов).
В семинаре приняли участие более 50 представителей ведущих научно-образовательных центров Российской Федерации и Республики Татарстан, в том числе Института лазерной физики СО РАН, Государственного астрономического института имени П.К.Штернберга МГУ имени М.В.Ломоносова, Института общей физики РАН, Академии наук Республики Татарстан, НПО ГИПО, ДФЦРП и ряд других, в том числе 19 докторов наук и 8 кандидатов наук.
Редакция "НАНОИНДУСТРИИ" обратилась к председателю организационного комитета семинара, руководителю ВТК "Гравитационная физика" Борису Петровичу Павлову с предложением рассказать о проекте над которым работает ВТК, сопроводив интервью подборкой мнений участников семинара.
Борис Петрович, в Вашем докладе была представлена концепция инновационного проекта по созданию компактного лазерно-интерферометрического комплекса. Что может дать его реализация для российской науки и страны в целом?
Уже в ближайшем будущем изучение физической гравитации и использование полученных научно-технических результатов будет ведущим направлением мировой фундаментальной и прикладной наук, что предопределено всеобъемлющей физической природой гравитации, которая пронизывает всю вселенную, формирует и обеспечивает взаимодействие живой и неживой природы.
Предложенный ВТК "Гравитационная физика" инновационный проект "Создание компактного лазерно-интерферометрического комплекса (КЛИК) на принципе гравитационно-индуцированного сдвига частоты генерации" позволяет проводить фундаментальные исследования в разных направлениях гравитационной физики, создавать на их основе методы и технологии с последующей их конверсией в интересах развития наукоемкой экономики. В частности, КЛИК может применяться для исследования пространственных и временных вариаций гравитационного поля, детектирования гравитационных волн, тестирования основ общей теории относительности и альтернативных теорий гравитации, а также создания гравиметрических приборов нового поколения для задач, которые раньше решать было невозможно или крайне затруднительно.
Реализуемые на основе КЛИК технологии позволят на наш взгляд решать следующие актуальные для мировой и российской науки фундаментальные и прикладные задачи:
• измерять горизонтальные производные гравитационного потенциала, а также высшие производные (горизонтальные и вертикальные) гравитационного потенциала космических объектов, их временные и пространственные вариации;
• осуществлять гравиметрическую оценку природных ресурсов на основе ранее недоступной информации о гравитационном потенциале и его производных, что позволит судить о плотности и динамике подстилающих пород на поверхность земли и других планет;
• создавать в целях космической навигации пространственные карты гравитационного потенциала небесных объектов и космического пространства и получать дополнительную информацию о положении объектов;
• осуществлять мониторинг состояния литосферы, что позволит оценивать вероятность катастрофических выбросов энергии;
• создать в метрологии специальный эталон и поверочную схему для средств измерений относительной диэлектрической проницаемости жидких, твердых и газообразных диэлектриков в диапазоне частот выше 10 ГГц, который сегодня не обеспечен государственными поверочными схемами;
• осуществить в гравитационной астрономии регистрацию высоко- и низкочастотных высокоамплитудных гравитационных волн, провести исследование возможной анизотропии пространства-времени.
Проведенные теоретические и экспериментальные работы сформировали основу для создания детектора, который позволит обнаружить возможные нарушения принципа эквивалентности Эйнштейна.
Кроме того, как вице-президент Нанотехнологического общества России, обращаю ваше внимание на то, что данный комплекс можно использовать для контроля положения объектов при позиционировании наноструктур и наноэлементов в технологическом процессе их сборки и изготовления, диагностики наноструктурных изменений в материалах нового поколения, а также проведения научных исследований в области физики материалов и нанотехнологий.
В целом, доклады и выступления участников семинара позволили показать актуальность и значимость гравитационной физики в современной науке, обсудить полученные результаты по экспериментальной проверке ряда положений в гравитационной и лазерной физике, а также в смежных областях теоретической и математической физики. Материалы научно-технического семинара в полном объеме представлены в печатных изданиях и их интернет-версиях.
Из концепции видно, что в основе инновационного проекта лежат лазерные технологии. Какова их суть и каких результатов они позволяют достичь?
Действительно, в основе КЛИК лежат лазерные технологии, созданные в рамках проекта "Дулкын", в том числе детектор, состоящий из независимых компактных лазерных систем, которые построены в рамках одной концепции, но в разных вариантах (с трех- или пятиугольной конфигурацией резонаторов, с генерацией стоячих или бегущих волн). Каждая антенна – это двухрезонаторная (с неэквивалентной геометрией резонаторов) лазерная система (ДЛС) с общими, жест-ко связанными на едином основании зеркалами и активной средой, обеспечивающей генерацию в резонаторах оптического излучения при взаимно ортогональных линейных поляризациях.
Совокупность всех технологий, в том числе лазерных, позволили создать детектор первого уровня "Дулкын-1", на котором впервые в нашей стране проведен многомесячный эксперимент "Лунный тест", позволивший достигнуть чувствительности 10-12 – 8 · 10-16 в диапазоне частот 10-5 – 1 Гц и который для данного диапазона инфранизких частот является единственным в мире (до запуска международного космического проекта LISA).
Эксперимент "Лунный тест" позволил проверить принцип эквивалентности Эйнштейна в части универсальности закона гравитационного "красного" смещения для часов разной физической природы на уровне 0,9% , что почти вдвое улучшило прежнее мировое достижение (1,7% – США, 1983г.), а также подтвердить правильность концепции построения детектора "Дулкын-1" и использование в расчете эластодинамического отклика подхода Ж.Можена, соответствующего значению феноменологического параметра ξ = 1, в отличие от альтернативного подхода Дж. Вебера (ξ = 0), поскольку экспериментальное значение, полученное при проверке принципа эквивалентности, составило ξ = 1 ± 0,009.
Важнейшая научно-технологическая задача, решаемая в проекте КЛИК – повышение отношения сигнал к шуму. Сегодня, основным способом улучшения этой характеристики является накопление сигналов на длительном интервале времени, что создает проблемы, связанные с приемом гравитационных сигналов в реальном масштабе времени. В целях эффективной борьбы с фликкер-шумами в проекте КЛИК применяется модуляционный способ приема низкочастотных сигналов. При этом, полезный низкочастотный сигнал переносится на частоту, которая намного превосходит высшую частоту информационного сигнала. Также для решения проблемы фликкер-шумов в лазерных детекторах мы будем использовать метод преобразования одночастотного лазерного излучения в двухчастотное (метод Ильина – Морозова).
Представленные на семинаре доклады отражают научно-практические работы, проводимые в Казани. Будут ли участвовать в реализации КЛИК партнеры из других регионов России?
Одна из главных целей семинара – привлечение коллег из других отечественных и зарубежных научных центров к сотрудничеству в рамках создания КЛИК. Сегодня в рабочем порядке мы развиваем взаимодействие с российскими и зарубежными потенциальными партнерами.
Что же касается Казани, то история экспериментальных гравитационных исследований в столице Республики Татарстан насчитывает более 40 лет. Основатель казанской гравитационной школы Алексей Зиновьевич Петров занимался вопросами экспериментального обоснования и подтверждения общей теории относительности, организовал экспериментальную лабораторию при кафедре теории относительности и гравитации, а впоследствии, во время своей деятельности в Институте теоретической физики АН УССР, руководил совместно с проф. В.Б.Брагинским (МГУ) экспериментами по обнаружению гравитационного излучения. По настоянию А.З.Петрова при строительстве физического корпуса в цокольном этаже была оборудована специальная площадка для проведения экспериментов по гравитации.
В дальнейшем на основе новой концепции, предложенной казанскими физиками и математиками, был разработан проект "Дулкын", который поддержало Правительство Республики Татарстан. С 1991 году он приобрел официальный статус и осуществлялся под эгидой Академии наук Республики Татарстан.
Теоретическую основу экспериментальной работы научного коллектива заложили выпускник кафедры теоретической физики А.Ф.Скочилов, сотрудники кафедры теории относительности Казанского университета А.Б.Балакин, Р.А.Даишев. Активное участие в этой работе принимал заведующий кафедрой теории относительности и гравитации Казанского университета профессор В.Р.Кайгородов.
В разработке лазерных технологий в рамках проекта "Дулкын" принимали участие сотрудники КНИТУ-КАИ им. А.Н.Туполева Г.И.Ильин и В.И.Воронов. Созданная в КАИ научная школа позволяет осуществлять глубокие исследования в области квантовой физики и создавать современную измерительную аппаратуру для исследований в сфере гравитационной физики.
Важнейшие значение для проведения экспериментальных работ по проекту "Дулкын" имело создание в АО "НПО ГИПО" по решению генерального директора В.П.Иванова "Объединенной экспериментальной лаборатории гравитационно-оптических измерений" (ОЭЛГОИ). Наличие специализированных кабин с термо- и вибростабилизацией на глубине 12 м от поверхности земли и высокотехнологичного лазерно-интерферометрического оборудования позволило проводить прецизионные экспериментальные исследования в области гравитационной физики.
Руководитель ОЭЛГОИ А.Ф.Скочилов, группа специалистов в составе С.В.Маврина, Ю.П.Чугунова, А.Р.Агачева, О.П.Шиняева, а также сотрудников КАИ им. А.Н.Туполева Г.И.Ильина и В.И.Воронова сконструировали и изготовили аппаратуру и впервые в нашей стране провели уникальный эксперимент по проверке принципа эквивалентности на часах разной физической природы.
Уникальные научно-экспериментальные результаты, полученные в рамках проекта "Дулкын", были достигнуты благодаря поддержке первого Президента Республики Татарстан М.Ш.Шаймиева и действующего Президента Р.Н.Минниханова, что позволило получить из бюджета республики 17,4 млн руб.
Сколько будет стоить создание КЛИК и каковы сроки его реализации?
Основные этапы работ по инновационному стратегическому проекту "Создание многофункционального комплекса на принципах гравитационной физики для космических исследований" были представлены и обсуждены на семинаре и в целом были одобрены его участниками. По предварительной оценке общий бюджет проекта КЛИК до 2020 года составит 150 млн руб.
Для любого проекта важно видеть его отдаленную перспективу развития, поэтому нами проработана концепция стратегического инновационного проекта "Создание многофункционального комплекса на принципах гравитационной физики для космических исследований" с прогнозным бюджетом около 290 млрд руб и со сроком исполнения до 2025 года, в который в качестве первого этапа включен инновационный проект по созданию КЛИК.
Что сегодня самое главное в работе по реализации инновационного проекта КЛИК?
Главное – это слаженная, творческая работа всех участников проектной деятельности, которая объединяет компетенции каждого в единую, эффективную систему разработки и продвижения инновационного проекта от идеи до ее реализации, модернизации и утилизации.
Разрабатываемая мною и апробируемая на проектах реального сектора экономики система управления полным жизненным циклом инновационного проекта SMFLIP (System of Manage Full Lifecycle Innovational Project) реализуется на основе цифровой экономики, включает соответствующую подготовку кадров и охватывает все основные этапы разработки и реализации высокотехнологичных инновационных проектов, в том числе:
• генерирование идей, базирующихся на достижениях фундаментальной науки и современных технологий в интересах существующих и прогнозируемых потребностей;
• отбор и анализ поступивших на рассмотрение идей совместно со всеми участниками инновационного процесса;
• разработка концепции инновации и ее проверка;
• разработка стратегии маркетинга, исследование рынка и выбор перспективного рыночного сегмента для нововведений;
• составление технико-экономического обоснования проекта на базе технической части инновационного предложения;
• определение объема затрат всех видов ресурсов, численности работников, сроков выполнения работ по проекту и экономической эффективности инновационного проекта;
• разработка конструкторской и проектной документации;
• сопровождение трансферта проекта на инвестиционной фазе и при опытной эксплуатации;
• сопровождение на стадиях промышленной эксплуатации, модернизации и утилизации проекта;
• организация финансирования на всех этапах полного жизненного цикла инновационного проекта;
• взаимодействие с органами государственной власти всех уровней по совершенствованию законодательства в целях повышения эффективности управления инновационной экономикой.
В заключение хочу отметить, что ВТК "Физическая гравитация" состоялся как проектный офис, который способен в инициативном порядке и даже за счет собственных ресурсов вести творческую работу в приоритетном направлении современной науки и стать совместно с нашими партнерами катализатором реализации проектов в сфере физической гравитации.
Хочу подчеркнуть, что представленный инновационный проект нацелен на создание нового направления научно-исследовательской деятельности, включая разработку сверхчувствительной прецизионной лазерно-интерферометрической аппаратуры для проведения экспериментов в области теории гравитации. Однако, помимо признания значимости фундаментальной составляющей в предлагаемых экспериментальных поисковых работах в области гравитационной физики, необходимо отметить важность прикладных аспектов и путей их реализации.
Представленные сообщения тем более интересны, что сейчас развиваются атомные гравиметры, которые основаны на интерференции атомов и выигрывают ощутимо в своих возможностях. Вместе с тем, предложенные идеи, должны быть подтверждены экспериментально.
Интересна навигационная составляющая проекта, так как важно иметь карту гравитационного поля Земли. На Луне и Марсе нет ГЛОНАСС и для них тоже необходимо создавать карты гравитационного поля.
Сейчас обсуждается проект создания в России нового поколения лазерного детектора гравитационных волн, который по своей чувствительности будет превосходить LIGO. Возможно, этот проект будет реализовываться в кооперации с итальянцами, им тоже нужна вторая система, которой пока у них нет. Создание такой системы в России позволит нам сделать очень большой шаг вперед, принимая во внимание геофизическую и астрофизическую составляющие.
В последние годы активность в Республике Татарстан высока – мы проводим здесь международные конференции, симпозиумы самого высокого уровня, принимаем гостей из Европы и Азии. Эта тенденция очень важна и должна быть сохранена. Я очень рад видеть участников семинара в Казани, многих из которых я знаю и желаю хорошей работы ВТК "Физическая гравитация" по реализации представленного инновационного проекта.
У данного семинара две задачи: первая – обсуждение конкретных вопросов, связанных с теорией гравитации, гравитационной, лазерной и математической физикой; вторая – оценка результатов деятельности временного творческого коллектива "Гравитационная физика" по созданию КЛИК. Уместно вспомнить историю НЦ ГВИ "Дулкын", когда в самые сложные годы, период безденежья наша республика все-таки находила средства и помогала этому проекту. Поэтому, когда будем вновь обращаться к руководству Республики Татарстан, можно напомнить о целесообразности поддержки этого направления. Хочу подчеркнуть, что проект родился из фундаментальной науки и рекордная точность метода делает его востребованным в реальном секторе экономики, в приборах, которые сейчас создаются.
Разработка и реализация данного инновационного проекта позволит проводить фундаментальные исследования пространственных и временных вариаций гравитационного поля, тестирование основных принципов теории относительности, проверку принципа локальной пространственной инвариантности с использованием квантовых неразрушающих измерений в лазерно-интерферометрическом комплексе, исследование возможности детектирования низкочастотного гравитационного излучения.
Создаваемые в рамках инновационного проекта технологии позволяют решать актуальные прикладные задачи по созданию гравиметрической прецизионной карты околоземного и космического пространства, мониторинга геологической среды, организации службы постоянного слежения за вариацией гравитационного потенциала в любой точке земной поверхности, внутри скважин и т.д., гравиметрической оценке природных ресурсов, созданию гравиметрических сетей, космической и наземной навигации на основе прецизионных измерений гравитационных полей, контролю положения объектов для нанолитографии, позиционирования наноструктур и наноэлементов в технологическом процессе их сборки и изготовления.
В целях дальнейшего продвижения инновационного проекта "Создание компактного лазерно-интерферометрического комплекса (КЛИК) на принципе гравитационно-индуцированного сдвига частоты генерации" считаю целесообразным представить данный инновационный проект для получения финансирования в РАН и ГК "Роскосмос" и просить федеральные и региональные органы власти, государственные научно-производственные корпорации (объединения), коммерческие структуры оказать содействие в финансировании, принять участие в реализации и продвижении данного инновационного проекта.
Этот проект не случайно создавался на базе НПО ГИПО, потому что одним из важных направлений нашей работы в течение многих десятилетий были лазерные интерферометры и связанные с ними прикладные задачи. С другой стороны, для навигации существует три физических поля: наше небо, электромагнитное поле и гравитация, которую нельзя ни забить, ни заглушить, что может быть востребовано в "час Ч". В 1976 году ГИПО было определено головной организацией по метрологии в астрокоррекции и астронавигации, и навигация всегда была одним из главных наших направлений.
На первом этапе предыдущего проекта были хорошие, но неструктурированные цели, и конечная цель как бы затуманивалась. Работа ВТК "Физическая гравитация" привела к тому, что результаты предыдущих исследований были структурированы и стало понятно, где мы находимся, и куда идти. Борис Петрович применил современные методы управления проектами, и приятно было увидеть поэтапный план работ, в котором указано практическое применение результатов и предложено построение гравиметрической сети, а это серьезный вызов. С целью снижения расходов можно предложить интегрировать создаваемую систему с уже существующей сетью станций наблюдения за спутниками.
Стоимость реализации предлагаемой программы фундаментальных поисковых работ в области обеспечения обороноспособности составляет 60–90 млрд руб. Пугает ли эта цифра? Напомню, что на санацию только четырех банков за один год затрачено около трех триллионов рублей. Запрашиваемые средства – это деньги небольшого концерна, и они в стране есть. Надо правильно увязать проект с потребностями страны и, главное, обосновать практическое применение. Сегодня такие дорогостоящие исследования, как правило, реализуются международными консорциумами.
Поскольку у обсуждаемого проекта появились реальные контуры – обрисована даже отдаленная перспектива, его можно выносить на обсуждение на всех уровнях.
Тема проекта представляет огромный интерес как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения. И если удастся создать консорциум организаций и объединить их усилия для решения перечисленных сегодня задач и создания устройств по измерению различных гравитационных эффектов, то это будет здорово. Казанский физико-технический институт с большим энтузиазмом примет в этом участие в плане использования неклассических состояний света для повышения точности измерений.
Хочу сказать о том, чего, на мой взгляд, не хватило в представлении проекта, и что бы интересовало меня, если бы я решал вопрос о выделении денег. Был проект "Дулкын-1", и мы подробно познакомились с его результатами. Сейчас планируется в течение трех лет создать КЛИК – компактный прибор, который можно размещать на спутниках и который должен иметь повышенную по сравнению с предыдущей установкой чувствительность. Более того, предполагается, что данные на новом приборе не будут копиться годами, то есть измерения будут выполняться за меньшие промежутки времени. Таким образом, по сравнению с предыдущим комплексом планируется грандиозное продвижение вперед сразу по нескольким направлениям. В основе такого проекта должна стоять какая-то прорывная идея, или комплекс технических решений. Но об этом сегодня в докладах ничего не говорилось. Если создавать устройство через три года, то уже сейчас должна быть обозначена идея, желательно опубликованная в хорошем журнале, которая лежит в основе новой схемы. Поскольку проект будет оцениваться экспертами, надо сформулировать конкретно, что сделано со времени предыдущих экспериментов, какие идеи появились, и, если они обещают такой прорыв в измерительной аппаратуре, то однозначно должны быть опубликованы. Думаю, что без этого сложно будет получить поддержку.
С участниками инновационного проекта КЛИК я познакомился 20 лет назад на одной из конференций, посвященных проблемам исследования гравитации. Для того чтобы создать средство измерения, нужна математика, а когда мы доходим до эксперимента, появляется статистическая обработка данных. Как лицо заинтересованное, хочу подчеркнуть, что мы постараемся приложить максимум усилий для решения проблемы метрологического обеспечения проекта.
В Казани очень богатые традиции гравитационных исследований. В 1960-х годах Алексей Зиновьевич Петров по хоздоговору с Куйбышевским совнархозом решал задачу детектирования гравитационных волн. А когда строился физфак, по просьбе Алексея Зиновьевича, стремившегося расширить эти исследования, была зацементирована специальная площадка под зданием, чтобы разместить приборы для гравитационных исследований. Потом появился "Дулкын". Сегодня несколько человек говорило об энтузиастах. Я согласна, здесь действительно работают настоящие энтузиасты, и возникновение проекта было бы невозможно без замечательного изобретателя Зуфара Газизовича Мурзаханова, который приложил огромные усилия к тому, чтобы образовался этот коллектив. К сожалению, был период, когда работы прервались. Что касается нового проекта, то тут двух мнений быть не может: он без сомнений заслуживает поддержки!
Хочу отметить, что инновационный проект представлен крепким коллективом, который проделал колоссальную работу в неблагоприятных условиях. Надо оказать серьезную поддержку решениям семинара, связанным с практическим проведением работ. Может быть это чрезвычайно смело, но надеюсь вы согласитесь, что данный проект открывает перспективу создания новых технологий для исследования вселенной от большого взрыва до нашего времени. ■
В семинаре приняли участие более 50 представителей ведущих научно-образовательных центров Российской Федерации и Республики Татарстан, в том числе Института лазерной физики СО РАН, Государственного астрономического института имени П.К.Штернберга МГУ имени М.В.Ломоносова, Института общей физики РАН, Академии наук Республики Татарстан, НПО ГИПО, ДФЦРП и ряд других, в том числе 19 докторов наук и 8 кандидатов наук.
Редакция "НАНОИНДУСТРИИ" обратилась к председателю организационного комитета семинара, руководителю ВТК "Гравитационная физика" Борису Петровичу Павлову с предложением рассказать о проекте над которым работает ВТК, сопроводив интервью подборкой мнений участников семинара.
Борис Петрович, в Вашем докладе была представлена концепция инновационного проекта по созданию компактного лазерно-интерферометрического комплекса. Что может дать его реализация для российской науки и страны в целом?
Уже в ближайшем будущем изучение физической гравитации и использование полученных научно-технических результатов будет ведущим направлением мировой фундаментальной и прикладной наук, что предопределено всеобъемлющей физической природой гравитации, которая пронизывает всю вселенную, формирует и обеспечивает взаимодействие живой и неживой природы.
Предложенный ВТК "Гравитационная физика" инновационный проект "Создание компактного лазерно-интерферометрического комплекса (КЛИК) на принципе гравитационно-индуцированного сдвига частоты генерации" позволяет проводить фундаментальные исследования в разных направлениях гравитационной физики, создавать на их основе методы и технологии с последующей их конверсией в интересах развития наукоемкой экономики. В частности, КЛИК может применяться для исследования пространственных и временных вариаций гравитационного поля, детектирования гравитационных волн, тестирования основ общей теории относительности и альтернативных теорий гравитации, а также создания гравиметрических приборов нового поколения для задач, которые раньше решать было невозможно или крайне затруднительно.
Реализуемые на основе КЛИК технологии позволят на наш взгляд решать следующие актуальные для мировой и российской науки фундаментальные и прикладные задачи:
• измерять горизонтальные производные гравитационного потенциала, а также высшие производные (горизонтальные и вертикальные) гравитационного потенциала космических объектов, их временные и пространственные вариации;
• осуществлять гравиметрическую оценку природных ресурсов на основе ранее недоступной информации о гравитационном потенциале и его производных, что позволит судить о плотности и динамике подстилающих пород на поверхность земли и других планет;
• создавать в целях космической навигации пространственные карты гравитационного потенциала небесных объектов и космического пространства и получать дополнительную информацию о положении объектов;
• осуществлять мониторинг состояния литосферы, что позволит оценивать вероятность катастрофических выбросов энергии;
• создать в метрологии специальный эталон и поверочную схему для средств измерений относительной диэлектрической проницаемости жидких, твердых и газообразных диэлектриков в диапазоне частот выше 10 ГГц, который сегодня не обеспечен государственными поверочными схемами;
• осуществить в гравитационной астрономии регистрацию высоко- и низкочастотных высокоамплитудных гравитационных волн, провести исследование возможной анизотропии пространства-времени.
Проведенные теоретические и экспериментальные работы сформировали основу для создания детектора, который позволит обнаружить возможные нарушения принципа эквивалентности Эйнштейна.
Кроме того, как вице-президент Нанотехнологического общества России, обращаю ваше внимание на то, что данный комплекс можно использовать для контроля положения объектов при позиционировании наноструктур и наноэлементов в технологическом процессе их сборки и изготовления, диагностики наноструктурных изменений в материалах нового поколения, а также проведения научных исследований в области физики материалов и нанотехнологий.
В целом, доклады и выступления участников семинара позволили показать актуальность и значимость гравитационной физики в современной науке, обсудить полученные результаты по экспериментальной проверке ряда положений в гравитационной и лазерной физике, а также в смежных областях теоретической и математической физики. Материалы научно-технического семинара в полном объеме представлены в печатных изданиях и их интернет-версиях.
Из концепции видно, что в основе инновационного проекта лежат лазерные технологии. Какова их суть и каких результатов они позволяют достичь?
Действительно, в основе КЛИК лежат лазерные технологии, созданные в рамках проекта "Дулкын", в том числе детектор, состоящий из независимых компактных лазерных систем, которые построены в рамках одной концепции, но в разных вариантах (с трех- или пятиугольной конфигурацией резонаторов, с генерацией стоячих или бегущих волн). Каждая антенна – это двухрезонаторная (с неэквивалентной геометрией резонаторов) лазерная система (ДЛС) с общими, жест-ко связанными на едином основании зеркалами и активной средой, обеспечивающей генерацию в резонаторах оптического излучения при взаимно ортогональных линейных поляризациях.
Совокупность всех технологий, в том числе лазерных, позволили создать детектор первого уровня "Дулкын-1", на котором впервые в нашей стране проведен многомесячный эксперимент "Лунный тест", позволивший достигнуть чувствительности 10-12 – 8 · 10-16 в диапазоне частот 10-5 – 1 Гц и который для данного диапазона инфранизких частот является единственным в мире (до запуска международного космического проекта LISA).
Эксперимент "Лунный тест" позволил проверить принцип эквивалентности Эйнштейна в части универсальности закона гравитационного "красного" смещения для часов разной физической природы на уровне 0,9% , что почти вдвое улучшило прежнее мировое достижение (1,7% – США, 1983г.), а также подтвердить правильность концепции построения детектора "Дулкын-1" и использование в расчете эластодинамического отклика подхода Ж.Можена, соответствующего значению феноменологического параметра ξ = 1, в отличие от альтернативного подхода Дж. Вебера (ξ = 0), поскольку экспериментальное значение, полученное при проверке принципа эквивалентности, составило ξ = 1 ± 0,009.
Важнейшая научно-технологическая задача, решаемая в проекте КЛИК – повышение отношения сигнал к шуму. Сегодня, основным способом улучшения этой характеристики является накопление сигналов на длительном интервале времени, что создает проблемы, связанные с приемом гравитационных сигналов в реальном масштабе времени. В целях эффективной борьбы с фликкер-шумами в проекте КЛИК применяется модуляционный способ приема низкочастотных сигналов. При этом, полезный низкочастотный сигнал переносится на частоту, которая намного превосходит высшую частоту информационного сигнала. Также для решения проблемы фликкер-шумов в лазерных детекторах мы будем использовать метод преобразования одночастотного лазерного излучения в двухчастотное (метод Ильина – Морозова).
Представленные на семинаре доклады отражают научно-практические работы, проводимые в Казани. Будут ли участвовать в реализации КЛИК партнеры из других регионов России?
Одна из главных целей семинара – привлечение коллег из других отечественных и зарубежных научных центров к сотрудничеству в рамках создания КЛИК. Сегодня в рабочем порядке мы развиваем взаимодействие с российскими и зарубежными потенциальными партнерами.
Что же касается Казани, то история экспериментальных гравитационных исследований в столице Республики Татарстан насчитывает более 40 лет. Основатель казанской гравитационной школы Алексей Зиновьевич Петров занимался вопросами экспериментального обоснования и подтверждения общей теории относительности, организовал экспериментальную лабораторию при кафедре теории относительности и гравитации, а впоследствии, во время своей деятельности в Институте теоретической физики АН УССР, руководил совместно с проф. В.Б.Брагинским (МГУ) экспериментами по обнаружению гравитационного излучения. По настоянию А.З.Петрова при строительстве физического корпуса в цокольном этаже была оборудована специальная площадка для проведения экспериментов по гравитации.
В дальнейшем на основе новой концепции, предложенной казанскими физиками и математиками, был разработан проект "Дулкын", который поддержало Правительство Республики Татарстан. С 1991 году он приобрел официальный статус и осуществлялся под эгидой Академии наук Республики Татарстан.
Теоретическую основу экспериментальной работы научного коллектива заложили выпускник кафедры теоретической физики А.Ф.Скочилов, сотрудники кафедры теории относительности Казанского университета А.Б.Балакин, Р.А.Даишев. Активное участие в этой работе принимал заведующий кафедрой теории относительности и гравитации Казанского университета профессор В.Р.Кайгородов.
В разработке лазерных технологий в рамках проекта "Дулкын" принимали участие сотрудники КНИТУ-КАИ им. А.Н.Туполева Г.И.Ильин и В.И.Воронов. Созданная в КАИ научная школа позволяет осуществлять глубокие исследования в области квантовой физики и создавать современную измерительную аппаратуру для исследований в сфере гравитационной физики.
Важнейшие значение для проведения экспериментальных работ по проекту "Дулкын" имело создание в АО "НПО ГИПО" по решению генерального директора В.П.Иванова "Объединенной экспериментальной лаборатории гравитационно-оптических измерений" (ОЭЛГОИ). Наличие специализированных кабин с термо- и вибростабилизацией на глубине 12 м от поверхности земли и высокотехнологичного лазерно-интерферометрического оборудования позволило проводить прецизионные экспериментальные исследования в области гравитационной физики.
Руководитель ОЭЛГОИ А.Ф.Скочилов, группа специалистов в составе С.В.Маврина, Ю.П.Чугунова, А.Р.Агачева, О.П.Шиняева, а также сотрудников КАИ им. А.Н.Туполева Г.И.Ильина и В.И.Воронова сконструировали и изготовили аппаратуру и впервые в нашей стране провели уникальный эксперимент по проверке принципа эквивалентности на часах разной физической природы.
Уникальные научно-экспериментальные результаты, полученные в рамках проекта "Дулкын", были достигнуты благодаря поддержке первого Президента Республики Татарстан М.Ш.Шаймиева и действующего Президента Р.Н.Минниханова, что позволило получить из бюджета республики 17,4 млн руб.
Сколько будет стоить создание КЛИК и каковы сроки его реализации?
Основные этапы работ по инновационному стратегическому проекту "Создание многофункционального комплекса на принципах гравитационной физики для космических исследований" были представлены и обсуждены на семинаре и в целом были одобрены его участниками. По предварительной оценке общий бюджет проекта КЛИК до 2020 года составит 150 млн руб.
Для любого проекта важно видеть его отдаленную перспективу развития, поэтому нами проработана концепция стратегического инновационного проекта "Создание многофункционального комплекса на принципах гравитационной физики для космических исследований" с прогнозным бюджетом около 290 млрд руб и со сроком исполнения до 2025 года, в который в качестве первого этапа включен инновационный проект по созданию КЛИК.
Что сегодня самое главное в работе по реализации инновационного проекта КЛИК?
Главное – это слаженная, творческая работа всех участников проектной деятельности, которая объединяет компетенции каждого в единую, эффективную систему разработки и продвижения инновационного проекта от идеи до ее реализации, модернизации и утилизации.
Разрабатываемая мною и апробируемая на проектах реального сектора экономики система управления полным жизненным циклом инновационного проекта SMFLIP (System of Manage Full Lifecycle Innovational Project) реализуется на основе цифровой экономики, включает соответствующую подготовку кадров и охватывает все основные этапы разработки и реализации высокотехнологичных инновационных проектов, в том числе:
• генерирование идей, базирующихся на достижениях фундаментальной науки и современных технологий в интересах существующих и прогнозируемых потребностей;
• отбор и анализ поступивших на рассмотрение идей совместно со всеми участниками инновационного процесса;
• разработка концепции инновации и ее проверка;
• разработка стратегии маркетинга, исследование рынка и выбор перспективного рыночного сегмента для нововведений;
• составление технико-экономического обоснования проекта на базе технической части инновационного предложения;
• определение объема затрат всех видов ресурсов, численности работников, сроков выполнения работ по проекту и экономической эффективности инновационного проекта;
• разработка конструкторской и проектной документации;
• сопровождение трансферта проекта на инвестиционной фазе и при опытной эксплуатации;
• сопровождение на стадиях промышленной эксплуатации, модернизации и утилизации проекта;
• организация финансирования на всех этапах полного жизненного цикла инновационного проекта;
• взаимодействие с органами государственной власти всех уровней по совершенствованию законодательства в целях повышения эффективности управления инновационной экономикой.
В заключение хочу отметить, что ВТК "Физическая гравитация" состоялся как проектный офис, который способен в инициативном порядке и даже за счет собственных ресурсов вести творческую работу в приоритетном направлении современной науки и стать совместно с нашими партнерами катализатором реализации проектов в сфере физической гравитации.
Хочу подчеркнуть, что представленный инновационный проект нацелен на создание нового направления научно-исследовательской деятельности, включая разработку сверхчувствительной прецизионной лазерно-интерферометрической аппаратуры для проведения экспериментов в области теории гравитации. Однако, помимо признания значимости фундаментальной составляющей в предлагаемых экспериментальных поисковых работах в области гравитационной физики, необходимо отметить важность прикладных аспектов и путей их реализации.
Представленные сообщения тем более интересны, что сейчас развиваются атомные гравиметры, которые основаны на интерференции атомов и выигрывают ощутимо в своих возможностях. Вместе с тем, предложенные идеи, должны быть подтверждены экспериментально.
Интересна навигационная составляющая проекта, так как важно иметь карту гравитационного поля Земли. На Луне и Марсе нет ГЛОНАСС и для них тоже необходимо создавать карты гравитационного поля.
Сейчас обсуждается проект создания в России нового поколения лазерного детектора гравитационных волн, который по своей чувствительности будет превосходить LIGO. Возможно, этот проект будет реализовываться в кооперации с итальянцами, им тоже нужна вторая система, которой пока у них нет. Создание такой системы в России позволит нам сделать очень большой шаг вперед, принимая во внимание геофизическую и астрофизическую составляющие.
В последние годы активность в Республике Татарстан высока – мы проводим здесь международные конференции, симпозиумы самого высокого уровня, принимаем гостей из Европы и Азии. Эта тенденция очень важна и должна быть сохранена. Я очень рад видеть участников семинара в Казани, многих из которых я знаю и желаю хорошей работы ВТК "Физическая гравитация" по реализации представленного инновационного проекта.
У данного семинара две задачи: первая – обсуждение конкретных вопросов, связанных с теорией гравитации, гравитационной, лазерной и математической физикой; вторая – оценка результатов деятельности временного творческого коллектива "Гравитационная физика" по созданию КЛИК. Уместно вспомнить историю НЦ ГВИ "Дулкын", когда в самые сложные годы, период безденежья наша республика все-таки находила средства и помогала этому проекту. Поэтому, когда будем вновь обращаться к руководству Республики Татарстан, можно напомнить о целесообразности поддержки этого направления. Хочу подчеркнуть, что проект родился из фундаментальной науки и рекордная точность метода делает его востребованным в реальном секторе экономики, в приборах, которые сейчас создаются.
Разработка и реализация данного инновационного проекта позволит проводить фундаментальные исследования пространственных и временных вариаций гравитационного поля, тестирование основных принципов теории относительности, проверку принципа локальной пространственной инвариантности с использованием квантовых неразрушающих измерений в лазерно-интерферометрическом комплексе, исследование возможности детектирования низкочастотного гравитационного излучения.
Создаваемые в рамках инновационного проекта технологии позволяют решать актуальные прикладные задачи по созданию гравиметрической прецизионной карты околоземного и космического пространства, мониторинга геологической среды, организации службы постоянного слежения за вариацией гравитационного потенциала в любой точке земной поверхности, внутри скважин и т.д., гравиметрической оценке природных ресурсов, созданию гравиметрических сетей, космической и наземной навигации на основе прецизионных измерений гравитационных полей, контролю положения объектов для нанолитографии, позиционирования наноструктур и наноэлементов в технологическом процессе их сборки и изготовления.
В целях дальнейшего продвижения инновационного проекта "Создание компактного лазерно-интерферометрического комплекса (КЛИК) на принципе гравитационно-индуцированного сдвига частоты генерации" считаю целесообразным представить данный инновационный проект для получения финансирования в РАН и ГК "Роскосмос" и просить федеральные и региональные органы власти, государственные научно-производственные корпорации (объединения), коммерческие структуры оказать содействие в финансировании, принять участие в реализации и продвижении данного инновационного проекта.
Этот проект не случайно создавался на базе НПО ГИПО, потому что одним из важных направлений нашей работы в течение многих десятилетий были лазерные интерферометры и связанные с ними прикладные задачи. С другой стороны, для навигации существует три физических поля: наше небо, электромагнитное поле и гравитация, которую нельзя ни забить, ни заглушить, что может быть востребовано в "час Ч". В 1976 году ГИПО было определено головной организацией по метрологии в астрокоррекции и астронавигации, и навигация всегда была одним из главных наших направлений.
На первом этапе предыдущего проекта были хорошие, но неструктурированные цели, и конечная цель как бы затуманивалась. Работа ВТК "Физическая гравитация" привела к тому, что результаты предыдущих исследований были структурированы и стало понятно, где мы находимся, и куда идти. Борис Петрович применил современные методы управления проектами, и приятно было увидеть поэтапный план работ, в котором указано практическое применение результатов и предложено построение гравиметрической сети, а это серьезный вызов. С целью снижения расходов можно предложить интегрировать создаваемую систему с уже существующей сетью станций наблюдения за спутниками.
Стоимость реализации предлагаемой программы фундаментальных поисковых работ в области обеспечения обороноспособности составляет 60–90 млрд руб. Пугает ли эта цифра? Напомню, что на санацию только четырех банков за один год затрачено около трех триллионов рублей. Запрашиваемые средства – это деньги небольшого концерна, и они в стране есть. Надо правильно увязать проект с потребностями страны и, главное, обосновать практическое применение. Сегодня такие дорогостоящие исследования, как правило, реализуются международными консорциумами.
Поскольку у обсуждаемого проекта появились реальные контуры – обрисована даже отдаленная перспектива, его можно выносить на обсуждение на всех уровнях.
Тема проекта представляет огромный интерес как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения. И если удастся создать консорциум организаций и объединить их усилия для решения перечисленных сегодня задач и создания устройств по измерению различных гравитационных эффектов, то это будет здорово. Казанский физико-технический институт с большим энтузиазмом примет в этом участие в плане использования неклассических состояний света для повышения точности измерений.
Хочу сказать о том, чего, на мой взгляд, не хватило в представлении проекта, и что бы интересовало меня, если бы я решал вопрос о выделении денег. Был проект "Дулкын-1", и мы подробно познакомились с его результатами. Сейчас планируется в течение трех лет создать КЛИК – компактный прибор, который можно размещать на спутниках и который должен иметь повышенную по сравнению с предыдущей установкой чувствительность. Более того, предполагается, что данные на новом приборе не будут копиться годами, то есть измерения будут выполняться за меньшие промежутки времени. Таким образом, по сравнению с предыдущим комплексом планируется грандиозное продвижение вперед сразу по нескольким направлениям. В основе такого проекта должна стоять какая-то прорывная идея, или комплекс технических решений. Но об этом сегодня в докладах ничего не говорилось. Если создавать устройство через три года, то уже сейчас должна быть обозначена идея, желательно опубликованная в хорошем журнале, которая лежит в основе новой схемы. Поскольку проект будет оцениваться экспертами, надо сформулировать конкретно, что сделано со времени предыдущих экспериментов, какие идеи появились, и, если они обещают такой прорыв в измерительной аппаратуре, то однозначно должны быть опубликованы. Думаю, что без этого сложно будет получить поддержку.
С участниками инновационного проекта КЛИК я познакомился 20 лет назад на одной из конференций, посвященных проблемам исследования гравитации. Для того чтобы создать средство измерения, нужна математика, а когда мы доходим до эксперимента, появляется статистическая обработка данных. Как лицо заинтересованное, хочу подчеркнуть, что мы постараемся приложить максимум усилий для решения проблемы метрологического обеспечения проекта.
В Казани очень богатые традиции гравитационных исследований. В 1960-х годах Алексей Зиновьевич Петров по хоздоговору с Куйбышевским совнархозом решал задачу детектирования гравитационных волн. А когда строился физфак, по просьбе Алексея Зиновьевича, стремившегося расширить эти исследования, была зацементирована специальная площадка под зданием, чтобы разместить приборы для гравитационных исследований. Потом появился "Дулкын". Сегодня несколько человек говорило об энтузиастах. Я согласна, здесь действительно работают настоящие энтузиасты, и возникновение проекта было бы невозможно без замечательного изобретателя Зуфара Газизовича Мурзаханова, который приложил огромные усилия к тому, чтобы образовался этот коллектив. К сожалению, был период, когда работы прервались. Что касается нового проекта, то тут двух мнений быть не может: он без сомнений заслуживает поддержки!
Хочу отметить, что инновационный проект представлен крепким коллективом, который проделал колоссальную работу в неблагоприятных условиях. Надо оказать серьезную поддержку решениям семинара, связанным с практическим проведением работ. Может быть это чрезвычайно смело, но надеюсь вы согласитесь, что данный проект открывает перспективу создания новых технологий для исследования вселенной от большого взрыва до нашего времени. ■
Отзывы читателей
