Андрей НАУМОВ: Узнать, как устроена материя, можно разными способами

Кто из нас может с ходу ответить на вопрос о том, что такое спектроскопия? А между тем именно ей мы обязаны возможностями расшифровки ДНК или изучения отдаленных планет. Об этом и о многих других вещах мы побеседовали с Андреем Наумовым – доктором физико-математических наук, профессором Российской академии наук, заведующим отделом Института спектроскопии РАН, заведующим кафедрой теоретической физики имени Э.В.Шпольского МПГУ, членом дирекции Совета по квантовой электронике и оптике Европейского физического общества.

– Андрей Витальевич, как получилось, что вы увлеклись спектроскопией? Да еще в достаточно молодом возрасте защитили докторскую диссертацию по этой теме?- Как это часто бывает, цепочка случайных и неслучайных совпадений определила жизненный путь. После окончания Вятского государственного педагогического университета я принял решение защитить кандидатскую диссертацию. Стал искать возможности, поехал в Москву. Больше всего понравилась лаборатория профессора О.Н.Коротаева, занимавшаяся лазерной спектроскопией, при МГПИ имени Ленина (ныне МПГУ). Ее основателем был выдающийся советский ученый, доктор физико-математических наук, профессор Э.В.Шпольский. Кстати, Шпольский долгое время был главным редактором одного из самых известных научных изданий – «Успехи физических наук».В 1996 году мне предложили заниматься исследовательской работой в Институте спектроскопии РАН, в лаборатории профессора Р.И.Персонова, одного из основоположников селективной лазерной спектроскопии. Обстановка в стране в те годы мало способствовала проведению фундаментальных исследований, а в ­ИСАНе можно было реально проводить эксперименты, работать над диссертацией. Кроме того, принципиальную роль сыграла возможность сотрудничать с университетом в городе Байройт (Германия). В результате защитил сначала кандидатскую диссертацию, в 35 лет – докторскую, после чего возглавил отдел в ИСАНе и кафедру в МПГУ.Сейчас нам удалось организовать работу весьма большого межинститутского коллектива. В нашей группе работают студенты, аспиранты, выпускники МПГУ и МФТИ, подписано соглашение со Сколковским институтом науки и технологий. Мы поддерживаем связи со многими ведущими вузами.- Так все-таки что же такое спектроскопия?- Если коротко, то это наука о взаимодействии электромагнитного излучения с веществом. Если вы хотите узнать, как устроена материя, какими свойствами она обладает, можно сделать это разными способами. Например, растянуть, разорвать и исследовать упругие свойства, прочность, вязкость. А можно понаблюдать, как будет взаимодействовать эта материя со светом. Интенсивность излучения зависит от длины волны, и это позволяет нам проанализировать, из чего состоит тот или иной материал, даже сложная органика – как атомы и молекулы «упакованы», как двигаются, почему различные материалы обладают различными свойствами, как они реагируют на изменения температуры, давления, приложение внешних электромагнитных полей… Таким образом, мы можем посмотреть, что происходит внутри полимеров, стекла, кристаллов и других веществ.Конкретное направление, которым мы занимаемся, – селективная лазерная спектроскопия сложных органических сред и наноструктур. В случае исследования атомов можно получить линии, соответствующие отдельным химическим элементам (натрий, сера, цинк и так далее). Для этого регистрируют спектры поглощения газов или спектры излучения вещества в плазменном или искровом разряде.С органикой и сложными наносистемами все не столь однозначно, так как их спектры весьма сложны. Но оказалось, что с помощью лазера можно изучать даже малое количество молекул – вплоть до единичных. Это, с одной стороны, сильно упростило задачу расшифровки, с другой – предоставило фантастические возможности для развития науки и технологий.- Были ли в последнее время сделаны в этой области какие-нибудь «революционные» открытия?- На рубеже 90‑х ученым впервые удалось зарегистрировать спектр одиночных молекул. Таким образом, стало возможным, например, помечать отдельные вирусы, различные микро- и наноструктуры. Ну вот, предположим, у вас есть прибор, изготовленный из пластика. И вдруг он перестал работать. А видимых повреждений нет. В макромире все выглядит абсолютно нормально. Иное дело в микромире. Ведь молекулы внутри материи все время находятся в движении, могут появляться микротрещины, внутренние дефекты, которые не видны невооруженным глазом. Но спектральный анализ может их выявить. Мы можем также посмотреть, что происходит с материалом при нагревании, изменении электрических полей и других параметров.Если вернуться к общим вопросам спектроскопии, то это на сегодняшний день единственный инструмент для изучения дальнего космоса. Спектральные технологии могут рассказать, из чего состоит та или иная звезда, планета, присутствуют ли в их составе водород, гелий и, наконец, органика, которая может указывать на наличие каких-то форм жизни.А знаменитое реликтовое излучение? В астрофизике так называют излучение, возникшее на раннем этапе расширения Вселенной, когда еще не существовало ни звезд, ни планет, ни галактик и мир состоял из практически однородного и очень горячего вещества. Благодаря скорости распространения света оно доходит до нас только теперь, и мы имеем возможность проанализировать его, чтобы узнать, как выглядела Вселенная миллиарды лет назад, и даже приоткрыть завесу над тайной ее происхождения!Спектроскопия – это зрение современной науки. В подавляющем большинстве научных направлений вы без нее не обойдетесь.Предположим, вам нужно исследовать высокотемпературную плазму, что необходимо для осуществления управляемых термоядерных реакций. Градусник вы туда не вставите, он просто сгорит. Заглянуть внутрь плазмы тоже не получится. Можно только посмотреть спектр. Точно так же спектроскопия поможет выяснить, что происходит внутри живой клетки или головного мозга.Кстати, принцип действия электромагнитных рамок, сквозь которые проходят пассажиры в аэропортах, по большому счету основан на спектроскопии, только в определенном диапазоне частот.- Наверное, спектроскопия является большим подспорьем и для криминалистов?- Бесспорно. Спектральные методы в криминалистике активно востребованы наряду с химическими. В последнее время активно развивается терагерцовая спектроскопия. В этом диапазоне мы можем идентифицировать органический материал. Терагерцовый сканер способен, скажем, выявить пластиковую взрывчатку. Если потенциальный террорист захочет пронести такую взрывчатку, положив ее в пластиковый пакет, то обычный сканер не сработает – он будет реагировать только на металл. А этот сможет отличить биологическую ткань, из которой состоит человек, от какого-то специфического материала, из которого изготовлено взрывчатое вещество.- Наверное, и в медицине спектроскопия используется?- Да, спектроскопия – это очень широкое направление в современной медицинской физике. Благодаря ей мы можем в режиме реального времени увидеть, как вирус проникает в клетку. И не просто увидеть, а понять, почему, например, в одних точках он может в нее проникнуть, а в других – нет. Это позволит сделать выводы, какие изменения нужно внести в иммунную систему, чтобы эффективно бороться с теми или иными вирусами.Или взять расшифровку ДНК. Проанализировав геном человека, можно вычислить вероятность различных наследственных заболеваний и многое другое. Но долгое время методы исследования ДНК были только химическими. Ученые брали кровь, образцы биологических тканей и анализировали отдельные «кусочки» ДНК. На это уходили месяцы. Чуть больше десяти лет назад появилась методика, позволяющая маркировать каждый нуклеотид. Каждая молекула излучает свет в определенном диапазоне длин волн – светится по-своему. Так мы можем по очереди считывать информацию у фрагментов ДНК. И делается это достаточно быстро. Цена на исследование одного генома сразу существенно упала – с сотен тысяч долларов до нескольких сот долларов.- Какие технологии вы используете в своей работе?- Прежде всего это лазерная аппаратура, то есть источники излучения. У современных лазеров достаточно легко можно менять параметры излучения – длину волны, интенсивность. Можно сделать излучение непрерывным или, напротив, состоящим из коротких импульсов. Можно менять его мощность, сконцентрировать излучение на какой-то ограниченной области пространства.Детекторная техника, в свою очередь, помогает распознать, что за сигнал пришел. Нам нужно уметь зарегистрировать как один фотон, так и огромные мощности. Кстати, матрицы, которые встроены в современные гаджеты, – те же детекторы.Есть еще оптические компоненты – фильтры, зеркала, объективы, линзы, анализаторы, преобразователи излучения. И, конечно, мы применяем различные виды механики, инструменты материаловедения, которые необходимы для обработки и исследования поверхностей.- Как вам кажется, какие подобного рода технологии получат развитие в ближайшем будущем?- Спектроскопия уже проникла в самые различные сферы нашего бытия и вошла в область «наук о жизни». Так, человечество сейчас все больше задумывается о продолжительности и качестве жизни. Поэтому будут востребованы неинвазивные методики оперативного анализа. Спектральные сенсоры помогут, например, быстро определить содержание сахара в крови. И для этого не надо будет прокалывать палец, чтобы получить каплю крови. Сегодня, чтобы сдать анализ на онкомаркеры, надо идти в клинику. А персональный прибор позволит сделать это в домашних условиях. Будут развиваться технологии так называемых лабораторий-на-чипе.- Поскольку у нас все-таки «Учительская газета», хотелось бы узнать, связана ли как-то ваша научная деятельность с образовательной сферой?- Ну, прежде всего я заведую кафедрой теоретической физики им. Э.В.Шполь­ского в МПГУ. У нас большое количество смежных специальностей: физика и математика, физика и технологии, физика и информатика, физика и английский язык…Троицк, где расположен ИСАН и который сейчас стал частью Москвы, имеет статус наукограда. В нем множество учреждений, в которых представлены практически все направления науки – от ядерной физики и космологии до геодезии и медицинской физики. Созданы и такие структуры, как технопарки, наноцентр. В прошлом году при поддержке Академии наук и Департамента образования города Москвы мы организовали весьма интересное мероприятие «Троицкая школа повышения квалификации преподавателей физики «Актуальные проблемы физики и астрономии: интеграция науки и образования». Во время осенних каникул школьные педагоги посещали лекции ведущих ученых, профессоров, академиков. Кроме того, были организованы экскурсии в научные лаборатории.В октябре этого года мероприятие пройдет во второй раз. В нем примут участие педагоги, работающие по программе Департамента образования Москвы «Академический класс». Что это за программа? Начиная с 7‑8‑го класса, школьников не просто обучают физике и каким-то другим естественно-научным дисциплинам по общеобразовательным стандартам, в ходе учебного процесса они получают возможность контактировать с представителями научной сферы. Учащиеся посещают лаборатории, видят, как работают лазеры, ускорители и другие приборы. Сами ученые тоже приходят в школы – читают лекции или проводят целые серии занятий.Современные научные технологии сейчас присутствуют практически во всех сферах человеческой жизни, поэтому особенно важно получать знания в этой области. В связи с этим необходимо, чтобы школы, университеты, лаборатории, технологические предприятия и, наконец, предприятия реального сектора экономики работали в какой-то смычке. Должна происходить интеграция учебного и научного процессов. Думаю, это поможет детям и подросткам раньше сориентироваться с выбором профессии, а если выбрана научная стезя, то определиться с конкретным направлением в этой сфере. Очень важной задачей также является подготовка и переподготовка учителей в условиях современного технологичного мира.