Про важливість розвитку науки для будь-якої держави вітчизняному науково-популярному ресурсові «Sciences.in.UA» розповів завідувач відділу фізичної електроніки Інституту фізики НАН України член-кореспондент НАН України Олександр Марченко.
Науковець поділився спогадами про роки навчання на факультеті електронного приладобудування та обчислювальної техніки Київського політехнічного інституту (нині – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського») та роботи в Інституті фізики НАН України й за кордоном.
«Мені пощастило працювати в колективі, який займався проблемами фізичної електроніки, – розповідає Олександр Марченко. – Для пересічного громадянина «фізична електроніка» ні про що не говорить, але ця галузь є базою усіх систем зв’язку. Фізична електроніка вивчає поведінку електронів у вакуумі і в твердих тілах. Наукові досягнення в цій галузі створили підґрунтя для побудови локаційних станцій, які широко використовуються й досі. У вакуумі було реалізовано передові методики з дослідження структури поверхні на атомному рівні. Так склалося, що відділ, яким я зараз керую, перетворився на відділ, що займається фізикою поверхні. Це – розділ фізики, який вивчає поведінку окремих атомів і молекул на поверхні. І не просто на поверхні, а на атомно гладкій поверхні, на якій атоми вилаштувані одним шаром і строго впорядковані.
І навіщо це все вивчати? Даю відповідь. Усі сучасні комп’ютери, основою яких є процесори, створено на атомно гладкій поверхні кремнію, де шар за шаром напорошено надтонкі плівки. І все це має дуже маленькі розміри, які спершу обчислювалися десятками мікрон, а нині становлять одиниці нанометрів. Один нанометр – це така відстань, уздовж якої можуть розміститися три атоми заліза.
Коли створюють складну інтегральну схему (а це почали робити на початку 1960-х рр.), необхідно, щоб комірок пам’яті було якомога більше. Спочатку їх були сотні, тепер – мільярди, і якась флешка вміщує в себе всю світову бібліотеку. Все має дуже маленькі розміри не тому, що в корпусі комп’ютера мало місця, ні: основний об’єм комп’ютера займають джерело живлення та вентилятор, а та частина, котра відповідає за його функціонування, є дуже маленькою. Річ у тім, що опитування всіх комірок у цій системі відбувається через певні такти часу. Й аби досягти тієї чи іншої комірки, електромагнітна хвиля має витратити певний час. А швидкість електромагнітної хвилі є скінченною. Тому обмеження щодо швидкодії функціонування таких процесорів продиктовано скінченністю швидкості світла (швидкістю розповсюдження електромагнітної хвилі). Отже, їх потрібно робити якомога меншими, щоб опитувати комірки частіше, щоб збільшити частоту такого опитування від мегагерц до сотень гігагерц.
Інформація міститься в маленькому кристалі, утвореному шляхом напорошення. До кожної комірки адресуються за допомогою спеціальних «дротиків» – плівок завтовшки й завширшки в кілька нанометрів. Щоб контролювати все те, що відбувається в процесорі, потрібно мати інструменти, які дають змогу стежити за структурою цих утворень з точністю до розміру атома, буквально з контролем кожного атома й кожної молекули «поштучно». Так виникли нанофізика і сучасні нанотехнології.
Усі ми були свідками революції електронної техніки наприкінці ХХ ст. Це стало можливим завдяки тому, що раніше вже були відпрацьовані процесорні технології, які ґрунтувалися на досягненнях фізики поверхні. Операційна пам’ять сучасних комп’ютерів, на відміну від їхніх попередників, досягла вже гігабайтів. Але ще на початку 1980-х рр. було неможливо відслідкувати поведінку окремих атомів і молекул. Це вперше вдалося зробити тільки у 1982 році в швейцарському підрозділі фірми «ІВМ» у Цюриху, де було відкрито методику сканувальної тунельної мікроскопії. Автори цього відкриття – Ґерд Бінніґ і Гайнріх Рорер – отримали Нобелівську премію в галузі фізики 1986 року. Наприкінці 1980-х рр. тунельний мікроскоп сконструювали й українські фізики, але вслід. Так, було чимало наукових напрямів, за якими ми мали непоганий вигляд у світовому масштабі. Однак мені завжди було боляче, що в решті ми постійно відставали й змушені були наздоганяти такі передові країни, як ФРН, США, Франція та інші».
«На жаль, зараз настали такі часи, коли наука мало кого цікавить, попри те, що вона має колосальне значення для розвитку країни, формування світогляду молоді, – продовжує вчений. – А між тим, той, хто першим щось відкрив, першим матиме й технології, пов’язані з цим відкриттям. Так, Ернест Резерфорд, намагаючись з’ясувати структуру атомів, дізнався, що у них всередині є ядро, яке огортають електронні оболонки. Те, що називається планетарною моделлю атома. Він займався дослідженнями, які не давали миттєвого прибутку. Але без розуміння структури атома не було б ядерної фізики. Так само не думав про прибутки й Ісаак Ньютон – він цікавився таємницями світобудови і її загальними закономірностями. І коли він їх зрозумів, для людства відкрилися можливості зробити щось корисне й в утилітарному сенсі. І так – скрізь. Трохи більше 100 років тому Джозеф Томсон відкрив електрон. Із відкриттям електрона почалась ера електроніки, а з нею – двигуни, автоматизація, силова і надточна електроніка. Без цього не було б ні комп’ютерів, ні мобільних телефонів. А все починалося на рівні з’ясування смислу і пізнання закономірностей. Для середнього школяра зараз багато чого є простим і самозрозумілим, але раніше обставини мали збігтися так, щоб, наприклад, у Майкла Фарадея на столі опинилися і котушка, і магніт, і прилад, що давав змогу реєструвати виникнення електричного струму. Тобто для того, щоби щось десь з’явилося, потрібно, щоб сформувалося відповідне середовище. Серед ста звичайних вчених завжди знайдеться троє-п’ятеро, які стануть Ньютонами чи Фарадеями. Але для цього потрібне середовище. В нашій країні таке середовище було, але, на жаль, воно поступово зникає. В моєму відділі, де раніше реалізовувалися передові технології, працювало 70 співробітників, і в кожній лабораторії щось відбувалося. Сьогодні нас уже менше 30 осіб. Стрімка деградація триває вже четвертий рік. Молодь до нас не йде. Якщо так буде й далі – науковці потихеньку «вимруть», як вимирають біологічні популяції.
Наука у суспільстві виконує дві головні функції – світоглядно-пізнавальну і прикладну. У країні, яка себе поважає, мають бути осередки з науковими колективами, котрі, з одного боку, розуміють закони природи, а з іншого – працюють у тісному контакті з практиками, розроблюючи щось корисне для людства.
На уроках музики співають не для того, щоб стати співаками, а математику вивчають не для того, щоб стати математиками. Але людина, якщо вона хоче називатися людиною, має засвоїти базові знання. Є обов’язкові речі. Геометрія – це єдиний приклад науки, яка є абсолютно строгою системою міркувань: виводячи одне з іншого, дитина виходить на більш високий рівень і доходить до висновку. Після розв’язання 50-100 тематичних геометричних задач у дитини складається матриця міркувань, котра в подальшому допоможе послідовно викладати думки, сформувати мову і критичне мислення, що потім допоможе їй у будь-якій сфері. Зараз ми маємо колосальну проблему з рівнем підготовки дітей, яка з року в рік деградує. Сьогодні майже неможливо сформувати математичний клас. Тому всім, хто має дітей, рекомендую навчати їх за будь-яку ціну, щоб Україна не перетворилася на територію з безграмотним населенням».
«На Захід можна й потрібно їздити (я сам пропрацював 10 років у Франції і дуже вдячний цій країні), але жити потрібно вдома і робити свою країну комфортною. За моїми враженнями, концептуально Україна нічим не гірша від Франції. Тільки не треба забувати про науку», – підкреслив насамкінець Олександр Марченко.
Більше дізнавайтеся з відеозапису: https://youtu.be/VK6Ep4ShdTU.