Прогулка по Солнечной системе

У Артема Оганова весьма впечатляющая биография: он преподавал в университетах Англии, Швейцарии, Франции, Китая, России. Создал метод предсказания структуры кристаллов по химической формуле. Профессор факультета наук о Земле и факультета физики и астрономии Университета штата Нью-Йорк, ведущий научный сотрудник Швейцарского Федерального Технологического Института в Цюрихе, адъюнкт-профессор МГУ им. Ломоносова. Лауреат премии Лациса. Награжден медалью Европейского минералогического общества.

Будучи в Новосибирске в начале апреля, Артем Оганов прочитал три лекции. Первая рассказывала про неизвестную химию – результаты последних исследований, о том, как ведут себя известные химические элементы при экстремальных условиях. Ее он прочел для олимпиадников, съехавшихся в Академгородок со всей страны на финал всероссийской олимпиады по химии. Лекция для студентов НГУ была посвящена дизайну новых материалов. Посетителям научного кафе «Эврика» Артем рассказал о строении планет. До начала последней лекции Оганов заверил нас: несмотря на то, что звучат все три лекции очень по-разному, в реальности они вращаются вокруг одной темы – кристаллографии и предсказания структуры вещества.

Слушателей школьного возраста в арт-клубе «НИИ КуДА», где традиционно проходят встречи «Эврики», он сразу заворожил, сказав, что учителя могут легко оставить их на второй год, если они ответят на контрольной так, как он будет говорить сегодня. Все дело в том, что Оганов рассказывал о самых последних исследованиях, еще не известных широкому кругу общественности.

Путешествие к центру Земли

А начал он с прогулки по Солнечной системе. В Солнечной системе есть два типа планет: каменистые (Меркурий, Венера, Земля и Марс) и планеты – гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун). Строение эти два типа планет имеют совершенно разное. Но условия в центре всех планет смело можно назвать экстремальными. Например, в центре нашей Земли давление 3.64 миллиона атмосфер и температура 6 тысяч градусов. В центре планет гигантов условия еще «жестче». Например, в центре Юпитера (который состоит в основном из водород-гелиевой смеси) предполагаемое давление – 500 миллионов атмосфер и температура 20 тысяч градусов…

Говоря о веществах и давлениях, Артем отметил, что большая часть вещества во вселенной испытывает давление. Исключение - лишь небольшая часть вещества на поверхности. А при давлениях в миллион атмосфер, которые наблюдаются в недрах большинства планет, мы можем ожидать, что химическая связь, а соответственно и все химические реакции, будут меняться. Объемная работа при таких давлениях просто перевесит любую химическую связь. Артем рассказал, что при высоких давлениях со многими веществами происходят удивительные вещи. Например, сверхпроводниками становятся кислород и сера. А периодический закон вообще перестает действовать – под действием давления зависимость между объемом ядра и его массой сначала приглушается, а потом и вовсе исчезает.

Можем ли мы «пощупать» вещества внутри Земли? «Это весьма затруднительно… В советское время была идея пробурить самую глубокую скважину, - рассказывает Артем. – В годы холодной войны наши пробурили скважину на Кольском полуострове глубиной 12 с лишним километров. Чтобы дойти до ядра, нужна скважина больше 6 тысяч километров… Сильно сомневаюсь, что у кого-нибудь когда-нибудь найдутся такие деньги». Поэтому ученым приходится довольствоваться непрямой информацией, в первую очередь данными сейсмологов. Казалось бы, зачем нам знать скрытые в глубинах планеты тайны. «Весь лик нашей планеты обделяется внутренними процессами: вулканическая и тектоническая активность, дрейф континентов, - поясняет Оганов. – Даже магнитное поле Земли, которое защищает нашу планету от солнечного ветра, тоже генерируется в самом глубоком слое Земли – ядре. Если магнитное поле Земли исчезнет на достаточно продолжительное время, например, на миллион лет, жизнь будет полностью истреблена».

Постперовскит – путь к «Успеху»

Все мы с вами хорошо знаем, что внутри нашей планеты скрыто ядро: твердое внутреннее и жидкое, расплавленное ближе к поверхности. Еще ближе к поверхности – неоднородная твердая мантия. Но примерно 10 лет назад было открыто, что внутреннее твердое ядро тоже неоднородно. Как заверил слушателей эксперт, недра Земли таят еще немало тайн. Так, например, его команде параллельно с японскими коллегами совсем недавно удалось открыть новый землеобразующий материал на стыке ядра и мантии. Причем это вещество составляет до 80% этого слоя. Но самое интересное таится не в его объемах, а в его расположении. Зона этого вещества отделена от слоев мантии зоной сейсмических разрывов, то есть зоной, где скорость распространения упругих волн меняется скачкообразно. Кроме того, оказалось, что этот слой анизотропен: ведет себя в разных направлениях по-разному, как слоистый материал. Еще одна странность – изменение толщины слоя в очень широких пределах (от 0 до 300 км). Дать вразумительных объяснений этому слою и его странному поведению до недавнего времени не удавалось. Но в 2004 году одновременно две группы: российская (состоящая из теоретиков, в том числе Артема Оганова, и экспериментаторов) и японская напечатали данные о том, что в условиях, соответствующих этому слою, появляется новое вещество – постперовскит.

Минерал перовскит известен с 1839 года. Не оставила равнодушными слушателей кафе история его названия.

Перовскит назван в честь члена Совета Министра внутренних дел, действительного статского советника Льва Перовского, сын графа Разумовского, отца Софьи Перовской, той самой, которая руководила убийством Александра II. Но назван минерал не за заслуги в государственных делах Льва Алексеевича, и уж тем более не за политическую активность дочери, а потому, что Лев Перовский был известным минерологом, человеком, первым нашедшим этот минерал. Наша Земля на 40% состоит именно из этого минерала.

Оказалось, что при более высоких давлениях и температурах перовскит переходит в новую структуру, названную постперовскитом.

Этим объясняется и сейсмический разрыв (у постперовскита другие упругие свойства). При этом давление устойчивости сильно зависит от температуры. С ростом температуры требуются более высокие давления, а значит, и граница этого слоя сдвигается ближе к ядру, а иногда и отсутствует вовсе. А значит, измерение толщины этого слоя дает нам возможность калибровать температуру. А благодаря тому, что с уменьшением температур область устойчивости постперовскита растет, толщина этого слоя постепенно увеличивается, по мере охлаждения Земли. Как ни парадоксально, открытие постперовскита объяснило и изменение продолжительности суток.

Открытие постперовскита подтолкнуло команду Оганова к созданию специальной программы по предсказанию стабильных материалов.

Задача предсказания стабильных материалов, по сути, сводится к поиску такого расположения атомов, при котором энергия будет минимально, а значит, структура максимально стабильной. «Проблема в том, что если вы просто будете перебирать варианты, то вы будите считать до пенсии, причем пенсии не вашей и не моей, и даже не моих праправнуков. На современном супер компьютере даже самая простая задача такого типа займет около тысячи лет. И что самое неприятное, с увеличением числа атомов сложность задачи растет экспоненциально», - предупреждает Оганов.

Эту комбинаторную сложность команде Оганова удалось преодолеть, создав собственный алгоритм – «Успех». Эволюционный подход, который лежит в основе программы «Успех», позволяет не перебирать все варианты, а остановиться на самых перспективных. А из этих лучших сконструировать структуры, которые будут еще лучше. Рассказал Аретем слушателям и о результатах применения этого алгоритма и о тех тайнах, которые с его помощью удалось раскрыть.

Тайна Нептуна

Как известно, последняя планета Солнечной системы – Нептун. У нее есть интересная особенность, она излучает в два с лишним раза тепла больше, чем получает от солнца. «Если вы тратите в два раза больше, чем зарабатываете, значит, просто у вас есть неизвестный нам источник дохода, - приводит аллегорию Артем. – У Нептуна, очевидно, тоже есть «источник доходов», неизвестный ученым. На самом деле, свой аналог «неизвестного источника доходов есть и у Земли – это радиация: распад тория, урана и калия – 40. Но на Нептуне, как известно, таких элементов нет. Он состоит из смеси воды, аммиака и метана. Тогда была высказана очень на мой взгляд красивая теория. Метана СН4 при таких температурах распадается на алмаз и водород. Нептун, как мы помним, - жидкая планета. А значит, образовавшиеся алмазы начинают падать через толщу воды к центру планеты. Гравитационная энергия переходит в тепловую. При этом планета гигант Нептун на треть состоит из аммиака. Нептун может греться на этом тепле еще триллион лет! Теория была красивая, но с доказательствами у нее были проблемы… Для точного расчета энергетику этой реакции нужно точно знать какую структуру углеводороды и водород примут по давлением. Для этого мы и применили свой “Успех”». Оказалось, что в заданных условиях метан действительно разлагается до алмаза и водорода, проходя через стадию этана и бутана. Пожалуй, это самый экзотический способ производства тепла во вселенной – бросать вниз алмаза сквозь толщу жидкости…»

Артем порадовал слушателей еще немалыми историями из жизни других планет. Он порассуждал о том, возможна ли неуглеродная жизнь и какие элементы могут быть ее основой. «Мне лекция очень понравилась, - делится впечатлениями Людмила. – Я взяла с собой сына-второклассника. Честно говоря, побаивалась – думала, начнет носиться и мешать всем слушать. Но он просидел всю лекцию, как и мы – открыв рот! Не думаю, что он все понял. Но поразило, с каким терпением лектор отвечал на вопросы сына и других детей в зале. Причем он старался ответить на языке им понятным. Большое спасибо организаторам, что дали нам возможность послушать такого прекрасного ученого».

«Нужно отдать должное организаторам научного кафе, в первую очередь Александру Дубынину. Им часто удается приглашать лекторов, оказавшихся в Новосибирске проездом. Благодаря этому, мы можем познакомиться не только с российскими и не только с новосибирскими звездами. Было очень интересно и приятно слушать Оганова. Это тот случай, когда ученый и сам находиться на передовой науке, и рассказывать умеет понятно и увлекательно».

Следующая лекция в научном кафе пройдет 14 мая. Перед слушателями выступит Рихард фон Ширах, который впервые приедет в Россию, чтобы представить читателям в Новосибирске и Москве свою книгу «Ночь физиков. Гейзенберг, Ган Вайцзеккер и немецкая бомба». Встреча начнется в 18:30 в арт-клубе «НИИ КуДА».

15 мая в «Кампусе» пройдут ставшие уже традиционными научные бои.

Юлия Черная