«Физика помогает хотя бы приблизительно понять, как устроен этот мир»

Бакалаврская программа «Физика» открылась в Питерской Вышке в 2019 году. На ней готовят специалистов по современной теоретической и экспериментальной физике, которые смогут построить исследовательскую карьеру. Поговорили с академическим руководителем Игорем Шендеровичем о том, почему каждому физику важно знать математику, как программа помогает найти себя в науке и каковы ее преимущества.

Фото НИУ ВШЭ — Санкт-Петербург

— В чем особенность бакалаврской программы «Физика»?

— Традиционно считается, что экспериментаторам нужна математика послабее, а теоретикам — посильнее. Что экспериментаторам лучше сразу на работу в лабораторию, а курсов по физике — поменьше. Что теоретикам можно не задумываться насчет лабораторных занятий, и их лучше отправить за вычисления. Нам такая концепция не близка.

Мы, наоборот, хотим сделать так, чтобы студенты получали все знания в одинаковом объеме вне зависимости от того, чем они планируют заниматься.

Почему нам кажется, что так лучше? Путь физики в XX веке был извилистым. Еще в 30-е и 40-е годы ученые могли быть одновременно теоретиками и экспериментаторами. Потом, после Второй мировой войны, появилось более четкое разделение. Но последние 15-20 лет наметился тренд на унификацию физики. Видно, как разные области науки взаимно друг друга обогащают. Например, идеи из топологической теории поля начали проникать в физику конденсированного состояния. Именно такое обогащение науки мы стараемся поддерживать на программе.

— Что вы считаете существенным плюсом программы?

— Ее камерную обстановку. Студентов у нас немного, им легко договориться между собой и организовать семинар про статью, которую кто-то прочитал накануне. На курсе в 200 человек мне сложно такое представить. Ну и конечно, поскольку коллектив маленький, то и внимания преподавателей к студентам тоже больше. Это удобно: всегда можно задать вопрос, если что-то осталось непонятным.

Помимо этого, такая обстановка похожа на рабочий процесс в реальной научной лаборатории. Обычно в них как раз работают 15-20 человек, если только речь не идет о больших коллективах экспериментаторов. Наши выпускники потом тоже столкнутся с такими исследовательскими командами — особенно если решат заниматься наукой. А готовиться заранее — всегда полезно.

— Когда ребята попадают на первый курс, что их там ждет?

— Студенты начнут с того, что изучат язык физики — математику. Переоценить его значение трудно: когда физик пишет научную статью, в ней всегда будут какие-то формулы и вычисления. Даже если этот ученый просто что-то измерил, он должен написать, как именно и что из этого следует. Без знания математики это невозможно.

Когда бывший школьник попадает на первый курс, он понимает, что всю жизнь разговаривал как-то иначе. Решать физические задачи так, как в школе, уже не получится. Ему нужен совершенно другой язык. Вот эта ситуация немоты — она шокирующая: приходится перестраиваться и думать о привычных вещах в других терминах, как будто бы далеких от реальности.

Я бы сравнил этот процесс с Duolingo — это такая программа для изучения иностранных языков. Когда ты берешься там за новый язык, все первые фразы кажутся дурацкими, абсурдными и абсолютно ненужными. Но потом выясняется, что все эти фразы были не зря, а заложенные в них лингвистические конструкции — очень распространенные. Вот и у нас так же: сначала все немного удивляются, но потом понимают, где и как им это пригодится.

Уже потом, когда ребята изучат язык, у них появятся курсы поближе к реальной науке — по теоретической физике, аналитической механике, теории поля. Это повышает мотивацию: сразу понятно, зачем до этого было так много математики. Но на третьем курсе начинается квантовая механика, и представления студентов об этом мире изменятся в очередной раз. Понадобится другой язык для того, чтобы описывать процессы в мире квантов, но это нормально, просто надо привыкнуть. Реальная наука тоже так и идет — от слома к слому.

— И все-таки, математика для физиков — это только инструмент?

— Многие физики относятся к математике как к инструменту: выучить этот язык, чтобы пользоваться им потом. Это нормально, более того, этот подход может быть успешным. Но ведь математика — и сама по себе интересная область науки, особенно в сочетании с физикой. 

Если физик хорошо разбирается в своей области, он вполне может продвинуть современную математику. Есть такой американский физик Эдвард Виттен, один из выдающихся теоретиков в области теории поля. Когда он изучал один объект из квантовой теории поля, то открыл конструкцию, которая оказала грандиозное влияние на топологию — это такая область математики. Потом Виттен получил за это открытие Филдсовскую премию, это крупнейшая награда для математиков. 

Бывает и наоборот — когда математика помогает развивать теоретическую физику. Так было у одного из моих учителей, Людвига Дмитриевича Фаддеева, величайшего математического физика XX века. Ему удалось решить задачу по рассеиванию трех тел, с которой долгое время никто не мог справиться. Но у Фаддеева была хорошая математическая подготовка: он применил к этой задаче методы из математики и смог продвинуться. Сейчас на уравнениях Фаддеева работают всякие томографы по всему миру. Получилось бы что-нибудь такое, если бы люди не знали математику хорошо? Это открытый вопрос, но я сомневаюсь.

— Физики на программе не меньше, чем математики. Для чего это нужно?

— Современная наука — сложная, в каждой области знания есть свои методы. Важно понимать, когда они сработают, а когда — нет, и для этого нужна физическая интуиция. Именно ее мы хотим воспитать у студентов, но этого можно добиться только на большом количестве примеров. Человек должен сам попробовать разобраться в какой-то задаче, обжечься или продвинуться. И вот тогда его интуиция окрепнет.

При всем этом в занятиях важно соблюдать какой-то разумный баланс. Конечно, хочется, чтобы студент на выходе из бакалавриате знал по максимуму из разных областей физики. Но нам также важно, чтобы это не привело к каше в голове.

— С чего начинается погружение студентов в науку?

— С реферативного семинара. Мы создали этот предмет для того, чтобы студент привыкал читать чужие статьи, разбираться в описанных результатах и даже искать ошибки. Ведь понятно, что не все публикации в физических журналах — правильные. Бывают принципиальные ошибки, бывают технические, если автор ошибся в знаке. Важно такое вовремя поймать и не утащить с собой. Помимо этого, студенты учатся готовить доклады. Ведь если на рассказ всего полчаса, а тебе нужно пересказать 50 страниц текста, надо хорошенько подумать, какие подробности стоит выкинуть. Словом, этот семинар — такая симуляция деятельности физика.

Курсы вроде реферативного семинара давно существуют в западных бакалавриатах и магистратурах. Мы не изобрели ничего нового, просто используем мировые стандарты уже третий год подряд. В ближайшие два модуля наши студенты будут разбирать статьи, связанные с термодинамикой реальных систем. Почитают про лесные пожары и о том, как работает гейзерная кофеварка. А потом будут объяснять это друг другу.

Для меня реферативные семинары тоже не в новинку. Когда я учился в аспирантуре во Франции, у нас там был журнальный клуб. Раз в неделю мы собирались компанией из 10 аспирантов и делали доклады друг для друга. Брать старались такую тему, которая была бы интересна каждому — у нас сильно отличались научные интересы. И это был очень полезный опыт: когда готовишься к докладу по какой-то теме, то автоматически начинаешь в ней разбираться. 

Других исследователей тоже послушать полезно. В одиночку невозможно уследить за тем, что происходит в науке прямо сейчас, даже по какой-то одной теме. Если я открою утром какой-нибудь физический журнал, то увижу минимум 10 публикаций по своей теме. Успею ли я сам все это прочитать? Конечно, нет. Нужен какой-то коллектив людей, которые тоже этим займутся, будут разбираться и фильтровать важное от неважного.

— Реферативные семинары — только начало. Что еще помогает студентам найти свой путь в науке?

— Прежде всего, специализации. У нас их две — «Физика конденсированного состояния» и «Квантовая теория поля». Разница между ними только в небольшом наборе предметов: у кого-то будет курс по нанотехнологиям и физике полупроводников, у кого-то — по топологии и теории относительности. Но все-таки даже такое разделение нужно: на сегодняшний день эти области невозможно изучать в одинаковом объеме. 

Также у факультета три базовые кафедры — с ФТИ имени Иоффе, математического института имени Стеклова и Петербургского института ядерной физики, который входит в состав Курчатовского научного центра. В ФТИ одни из лучших специалистов-теоретиков по физике полупроводников и физике твердого тела, но хороших экспериментаторов там тоже много. В Петербургском институте ядерной физики мы пересекаемся, в основном, с теоретиками. Благодаря исследователям оттуда можно будет побольше узнать про физику высоких энергий, конденсированного состояния и квантовую теории поля. Математический институт имени Стеклова подойдет тем, кто хочет заниматься математической физикой. Там как раз нужны люди, которые воспринимают математику как живой организм и готовы смотреть на задачи с разных углов.

Делать первые шаги в науке можно не только на базовых кафедрах, но и в Международной лаборатории квантовой оптоэлектроники. Она подойдет тем, кто хочет заниматься экспериментами или связанным с ними моделированием. В лаборатории в основном изучают оптические устройства, построенные на полупроводниках. Именно поэтому, мне кажется, туда лучше всего идти после второго курса — когда у студента за плечами уже будет курс оптики. Впрочем, туда попали и некоторые наши первокурсники, так что все зависит от личных устремлений.

— Чем студенты смогут заниматься после выпуска?

— Наш бакалавриат помогает вырастить специалиста, у которого получается исследовать окружающий мир методами современной физики. Но это только первая ступень. Дальше можно пойти в магистратуру  — нашу или какую-то еще, а потом, в идеале, защитить диссертацию.

Спрос на научных сотрудников есть всегда, потому что и наука не стоит на месте. Конечно, в России эта среда несколько неоднородна. Но времена, когда физики сидели перед разбитыми приборами в дырявых свитерах, давно прошли. Сейчас можно заниматься тем, что интересно, и при этом нормально зарабатывать. Каким будет размер зарплаты — зависит от успешности научного сотрудника, размера его исследовательской группы и публикационной активности. Но это в любой профессии так: чем ты активнее, тем выше шансы построить хорошую карьеру.

— Почему заниматься физикой — это интересно?

— Конечно, у каждого здесь свои мотивы. Но лично мне просто нравится узнавать что-то новое все время. А наука — и физика в частности — это хороший способ постоянно удовлетворять любопытство и страсть к знаниям. 

Физика помогает хотя бы приблизительно понять, как устроен этот мир и разные системы внутри него. Вот биология, например, много знает о живых организмах, но никогда ничего не узнает про письменный стол. А вот физика способна описать и столешницу, и клетки ДНК. Просто потому что всех живых систем актуальны те же законы природы, что и для электронов в атоме.

Для меня очарование физики в том, что можно добраться до простых фундаментальных законов и увидеть, как в невероятно сложном мире вокруг нас появляется какая-то структура. Это такой переход от хаоса — к порядку, только речь про хаос и порядок в мире идей.

— Как считаете, каким абитуриентам подойдет программа?

— Прежде всего, неплохо подготовленным. Если у ребят в школе были нелады с математикой или физикой, здесь им, скорее всего, будет совсем трудно. 

И конечно, мы всегда ждем мотивированных людей, которые не опускают руки, если видят перед собой стену. Ведь любой может пройти по пустой дороге, а вот со стеной ситуация усложняется. Однако, как известно из квантовой механики, иногда даже через стены можно пройти — это называется туннелированием. Я жду таких абитуриентов, которые готовы поверить в это самое туннелирование. 

Приятная новость в том, что если перелезть через эту стену, мир никогда уже не покажется прежним. Будто повязка с глаз упадет. Я как-то испытал похожее ощущение, когда послушал подробный разбор Песни Бременских Музыкантов на Youtube — спасибо моему другу, тоже физику, который обратил мое внимание на это. Казалось бы, чего такого, хорошая и давно знакомая песня. Но я ее потом совсем другими ушами послушал: там каждая нота на своем месте, и ритм тоже подобран здорово. Вот так же и с физикой. Если ее изучать, то вопросов к окружающему миру становится больше, его восприятие меняется — это уже совсем другой мир в целом. Вопрос только в одном — захочется ли вернуться из него обратно. 

В 2023 году для абитуриентов открыты 20 бюджетных и 10 платных мест на программе «Физика». Больше информации — на сайте. Также можно задать вопрос академическому руководителю и студентам программы в Telegram-чате физиков. А 12 февраля в 14:00 в корпусе на Кантемировской пройдет День открытых дверей с презентацией программы и экскурсией по кампусу, зарегистрироваться можно по ссылке.