Лекции по оптике - Физический факультет СПбГУ
СПбГУ

Санкт-Петербургский государственный университет

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

О школе-конференции рассказывает почетный профессор СПбГУ Владимир Иванович Чижик

Школа-конференция «Spinus. Магнитный резонанс и его приложения» прочно укрепилась в списке мероприятий СПбГУ и в 2018 году проходила уже в 15 раз. Она завоевала популярность и ежегодно собирает специалистов и начинающих ученых со всего мира. Несколько фактов из истории и о некоторых традициях мероприятия рассказал почетный профессор СПбГУ Владимир Иванович Чижик — автор идеи и один из организаторов проекта.

— Владимир Иванович, почему школа-конференция получила такое название?

— Первый раз конференция с названием «Магнитный резонанс и его приложения» была проведена в 2004 году по моей инициативе. С тех пор она активно развивается. Недавно к названию было добавлено слово SPINUS. С одной стороны, спин — одна из основных характеристик ядра, а с другой — именно так называется на латинском языке птица чижик (и, соответственно, звучит моя фамилия). Это созвучие вызвало интерес, и идея назвать конференцию частично и в мою честь утвердилась. Я очень признателен тем людям, которые озвучили эту идею и реализовали ее.

Исследования магнитного резонанса активно ведутся в Санкт-Петербургском университете и во всем мире. Изучению этого явлению, методам его применения и посвящен наш проект. В современной науке под термином «магнитный резонанс» подразумевают совокупность явлений, которые сопровождаются излучением или поглощением электромагнитных волн радиочастотного диапазона квантовыми системами — ядрами, электронами, атомами, молекулами и т. п. Эти явления, физическая сущность которых представляет самостоятельный интерес, легли в основу радиоспектроскопических методов изучения строения веществ и происходящих в них физико-химических процессов. Они используются для создания магнитно-резонансных томографов, квантовых генераторов, усилителей малых сигналов и высокочувствительных магнитометров.

SPINUS — это международная молодежная школа. Она проводится в нашем Университете под покровительством Международного общества магнитного резонанса и при частичной поддержке ведущей фирмы приборостроения в области магнитного резонанса Bruker. С 2016 г. рабочим языком конференции стал английский. Такое решение было принято в связи с участием большого числа иностранных ученых.

— Что отличает эту школу-конференцию от других мероприятий по физике?

— Слово «школа» появилось в названии не случайно. Школа-конференция предполагает лекции маститых ученых и доклады молодых, с их последующим обсуждением, большую стендовую сессию, а также экскурсионную и культурную программу. Чтобы она объединяла людей, чтобы общение было живым, а установление личностных и профессиональных связей — непринужденным, мы проводим конференцию в локальном месте — в последние годы в пансионате «Балтиец». Здесь участники общаются не только в «рабочее» время, но и в свободное — на обедах, на завтраках, после заседаний, и даже в бассейне.

Мы стремимся, чтобы в лекциях и докладах были представлены разные, порой неожиданные аспекты магнитного резонанса и сопутствующих явлений. Мы открыты и хотим, чтобы у каждого была возможность высказаться. Ведь главная цель конференции — предоставить возможность молодым ученым — аспирантам, студентам, молодым специалистам — освоить современные тенденции в магнитном резонансе, чтобы они могли более широко ставить проблему исследования, были знакомы с тенденциями в смежных областях знания.

Для нас, как организаторов, конференция — это также возможность заявить о себе, рассказать о развитии в стенах Университета данного направления. В ответ она приводит к нам и аспирантов, и магистров, которые открывают для себя новые темы, готовы учиться и проводить новые исследования. Мы всегда представляем на конференции наши учебные пособия и монографии. Одна из них, кстати, выпущена в 2014 году издательством Springer. Таким образом, в глазах наших гостей книги «приобретают лица», что также очень важно для установления контактов.

— Можно ли определить тематику, которая привлекает сегодня особое внимание?

— Конференция междисциплинарная. Тематика наших заседаний постоянно расширяется. Помимо физиков, в ней также участвуют химики, медики, геологи. Специальная секция посвящена использованию магнитного резонанса в медицине и биологии.

Как например — метод магнитно-резонансной томографии, известный всем МРТ, — это не только наиболее информативный, но и наиболее безопасный метод медицинской диагностики. К слову сказать, в этом тысячелетии присудили Нобелевскую премию за исследования в области магнитной резонансной томографии, начаты они были еще в 1970-х годах. А вот первым человеком, высказавшимся о возможностях магнитного резонанса как метода диагностики, был ленинградский ученый, тогда еще молодой лейтенант Владислав Александрович Иванов. Он подал заявку на это изобретение еще в 1960 г., но эксперты в то время метод не оценили. Авторское свидетельство ему выдали, но 22 года спустя. Таким образом, приоритет в этой области мы потеряли. Кстати, В. А. Иванов был участником нескольких наших конференций.

— Чтобы Вы пожелали участникам школы-конференции?

— Участники нашей школы-конференции посвящают ей стихи. Среди них есть строчки: «Коллеги, есть прекрасный шанс / Узнать в земном магнитном поле резонанс».

Этого и хочется пожелать участникам — испытывать резонанс от общения. Надеемся, общение разных поколений будет плодотворным, живым, на пользу всех сторон.

Ковальчук Михаил Валентинович

Декан физического факультета СПбГУ, заведующий кафедрой ядерно-физических методов исследования; президент НИЦ «Курчатовский институт», доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент РАН по отделению нанотехнологий и информационных технологий.

 

БИОГРАФИЯ

Михаил Валентинович Ковальчук родился 21 сентября 1946 года в Ленинграде. В 1970 году окончил физический факультет Ленинградского государственного университета. В 1978 году защитил кандидатскую диссертацию «Метод трёхкристального рентгеновского спектрометра и исследование структурного совершенства тонких кристаллических слоёв». В 1988 году — диссертацию на соискание учёной степени доктора физико-математических наук по теме: «Метод стоячих рентгеновских волн в исследовании структуры приповерхностных слоёв полупроводников». В 1998 году присвоено звание профессора.

В 1987 году возглавил лабораторию рентгеновской оптики и синхротронного излучения в Институте кристаллографии имени А. В. Шубникова РАН (Москва). В 1998–2013 гг. — директор Института кристаллографии РАН. С начала 2000-х годов в Институте кристаллографии руководил Научно-исследовательским центром «Космическое материаловедение».

В 1999 году М. В. Ковальчук назначен директором «Курчатовского центра синхротронных исследований». Под его руководством введен в эксплуатацию единственный на постсоветском пространстве специализированный Курчатовский источник синхротронного излучения и создано новое поколение прецизионного рентгеновского оборудования мирового класса.

С 2005 года — директор НИЦ «Курчатовский институт», с 2016 года — президент НИЦ «Курчатовский институт». С апреля 2012 г. – профессор Санкт-Петербургского государственного университета, декан физического факультета СПбГУ. М. В. Ковальчук — руководитель межведомственной рабочей группы по направлению «Приоритетные и междисциплинарные научные исследования» при Совете при Президенте РФ по науке и образованию. Является научным руководителем факультета нано-, био-, информационных и когнитивных технологий МФТИ; заведующим кафедрой оптики, спектроскопии и физики наносистем физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.

М. В. Ковальчук состоит в международном управляющем комитете глобального научного проекта XFEL. Действительный член Американской ассоциации развития науки (ААAS) по секции «Физика». Главный редактор журнала «Кристаллография» РАН.

 

НАГРАДЫ И ПООЩРЕНИЯ

  • Орден «За заслуги перед Отечеством» II степени (2016)
  • Премия Правительства Российской Федерации в области образования (2012)
  • Орден «За заслуги перед Отечеством» III степени (2011)
  • Премия имени Е. С. Фёдорова Президиума РАН за 2009 год
  • Почётная грамота Правительства Российской Федерации (2006)
  • Орден «За заслуги перед Отечеством» IV степени (2006)
  • Премия Правительства Российской Федерации в области науки и техники (2006) — за создание научно-технического комплекса на базе специализированных источников синхротронного излучения «Сибирь» в Российском научном центре «Курчатовский институт»

 

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

М. В. Ковальчук — многолетний автор и ведущий научно-популярной телепрограммы «Истории из будущего с Михаилом Ковальчуком» (ТРК «Петербург-Пятый канал»).

 

ОБЛАСТИ НАУЧНЫХ/РАБОЧИХ ИНТЕРЕСОВ

рентгеноструктурный анализ, в частности, рентгеновская и белковая кристаллография, рентгеновское и синхротронное излучение в исследовании материалов, физика конденсированного состояния; рентгеновская физика и оптика; физика процессов кристаллизации; стоячие рентгеновские волны (СРВ); многоволновая дифракция

 

ПУБЛИКАЦИИ И ПАТЕНТЫ

Автор и соавтор более 400 научных работ, в том числе 21 авторского свидетельства, 19 патентов на изобретения и 5 патентов на полезные модели.

Список избранных научных работ:

  • Afanasev A. M., Kovalchuk M. V., Kovev E. K., Kohn V. G.X-Ray Diffraction in a Perfect Crystal with Disturbed Surface Layer // Phys. stat. sol.(a). 1977. Vol. 42. P. 415–422.
  • Hertel N., Kovalchuk M. V., Afanasev A. M., Imamov R. M. A new method of measuring electron emission from monocrystals under X-Ray-diffraction conditions // Physics letters. 1980. Vol. 75A. № 6. P. 501–502.
  • Kovalchuk M. V., Hertel N., Melkonyan M. K., Imamov R. M., Aleksandrov P. A. Fluorescence Yield Curves under X-Ray Diffraction Conditions // Phys. stat. sol.(a). 1981. Vol. 66. P. k173—k177.
  • Ковальчук М. В., Мухамеджанов Э. Х. Новые возможности метода стоячей рентгеновской волны в случае фотоэлектронной эмиссии // Физика твердого тела. 1983. Т. 25. Вып. 12. С. 3532–3536.
  • Bedzyk M. J., Materlik G., Kovalchuk M.V. X-ray-standing-wave-modulated electron emission near absorption edges in centrosymmetric and noncentrosymmetriccrystals // Physiсal review B. 1984. September. Vol. 30. № 5. P. 2453–2461.
  • Bedzyk M. J., Materlik G., Kovalchuk M. V. Depth-selective X-ray standing-wave analysis // Physiсal review B. 1984. October. Vol. 30. № 8. P. 4881–4884.
  • Ковальчук М. В., Кон В. Г. Рентгеновские стоячие волны — новый метод исследования структуры кристаллов // Успехи физических наук. 1986. Т. 149. Вып. 1. С. 69–103.
  • Kazimirov A. Yu., Kovalchuk M. V., Kohn V. G.X-Ray Standing Waves in the Laue Case-Location of Impurity Atoms // Acta Cryst. 1990. Vol. 46. P. 649–656.
  • Vartanyantz I. A., Kovalchuk M. V., Beresovsky V. M. Theoretical investigations of secondary emission yield and standing waves in curved crystals under dynamical Bragg diffraction of X-Rays (Taupin problem) // Phys. D: Appl. Phys. 1993. Vol. 26. P. A197—A201.
  • Burattini E., Cappuccio G., Simeoni S., Kharitonov I. Yu., Kovalchuk M. V., Novikova N. N., Sosphenov A. N., Zheludeva S. I. Ultrathin film characterization by standing wave photoemission measurements // Synchrotron Radiation News. 1993. Vol. 6. № 5. P. 16–18.
  • Kazimirov A. Yu., Kovalchuk M. V., Kohn V. G., Ishikawa T., Kikuta S., Hirano K. Direct Measurements of X-Ray Anomalous Transmission in Six-Beam Laue Diffraction // Europhys. Lett. 1993. Vol. 24. № 3. P. 211–216.
  • Kovalchuk M. V., Kazimirov A. Yu., Zheludeva S. I. Surface-sensitive X-Ray diffraction methods: physics, applications and related X-Ray and SR instrumentation // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 1995. Vol. 101. P. 435–452.
  • Носик В. Л., Ковальчук М. В. Формирование стоячих нейтронных волн при динамической дифракции тепловых нейтронов на монокристаллах // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2000. № 1. С. 120–128.
  • Novikova N. N., Zheludeva S. I., Konovalov O. V., Kovalchuk M. V., Stepina N. D., Myagkov I. V., Godovsky Yu. K., Makarova N. N., Tereschenko E. Yu., Yanusova L. G. Total reflection X-ray fluorescence study of Langmuir monolayers on water surface // J. Appl. Cryst. 2003. Vol. 36. P. 727–731.
  • Благов А. Е., Ковальчук М. В., Кон В. Г., Лидер В. В., Писаревский Ю. В. Исследование возможностей управления рентгеновским пучком с помощью кристалла, подвергнутого длинноволновым ультразвуковым колебаниям // ЖЭТФ. 2005. Т. 128, вып. 5. С. 893–903.
  • Благов А. Е., Ковальчук М. В., Кон В. Г., Писаревский Ю. В. Динамическое изменение параметра решетки кристалла с помощью ультразвука в рентгенодифракционных экспериментах // Кристаллография. 2006. Т. 51, вып. 5. С. 779–784.
  • Bezsudnova E. Y., Kovalchuk M. V., Mardanov A. V., Poliakov K. M., Popov V. O., Ravin N. V., Skryabin K. G., Smagin V. A., Stekhanova T. N., Tikhonova T. V. Overexpression, purification and crystallization of a thermostable DNA ligase from the archaeon Thermococcus sp. 1519 // Acta Cryst. 2009. Vol. F65. P. 368–371.
  • Желудева С. И., Новикова Н. Н., Ковальчук М. В., Степина Н. Д., Коновалов О. В., Юрьева Э. А. Рентгенофлуоресцентные исследования элементного состава и молекулярной организации белковых пленок на поверхности жидкой субфазы // Кристаллография. 2009. Т. 54. № 6. С. 968–976.
  • Новикова Н. Н., Ковальчук М. В., Юрьева Э. А., Коновалов О. В., Рогачев А. В., Степина Н. Д., Сухоруков В. С., Царегородцев А. Д., Чухрай Е. С., Якунин С. Н. Рентгенофлуоресцентные измерения в условиях полного внешнего отражения для исследования взаимодействия белков с ионами металлов в биологических системах // Кристаллография. 2012. Т. 57. № 5. С. 727–734; Crystallography Reports. 2012. Vol. 57, № 5. P. 648–655.
  • Куранова И. П., Ковальчук М. В. Кристаллы для изучения белковых структур // Природа. 2014. № 3. С. 12–21.
  • Щербина М. А., Чвалун С. Н., Пономаренко С. А., Ковальчук М. В. Современные подходы к исследованию тонких пленок и монослоев: рентгеновская рефлектометрия, рассеяние в скользящих углах отражения и метод стоячих рентгеновских волн // Успехи химии. 2014. Т. 83. № 12. С. 1091–1119.
  • Бойко К. М., Попов В. О., Ковальчук М. В. Перспективные методы кристаллизации макромолекул, уменьшающие конвекционный транспорт вещества к растущему кристаллу // Успехи химии. 2015. Т. 84. № 8. С. 853–859; Russian Chemical Reviews. 2015. Vol. 84. № 8. P. 853–859.
  • Ковальчук М. В., Яцишина Е. Б., Благов А. Е., Терещенко Е. Ю., Просеков П. А., Дьякова Ю. А. Рентгеновские и синхротронные методы в исследованиях объектов культурного наследия // Кристаллография. 2016. Т. 61. № 5. С. 681–690; Crystallography Reports. 2016. Vol. 61. № 5. P. 703–717.
  • Dyakova Y. A., Blagov A. E., Marchenkova M. A., Pisarevskiy Y. V., Prosekov P. A., Volkov V. V., Kovalchuk M. V. «New approach to protein crystallization. Investigation of various crystallization stages of lysozyme» // Acta Crystalographica A. 2016. Vol. 72. P. 238.

 

ПРИЕМ ГРАЖДАН

Адрес: Петергоф, Ульяновская ул., д. 1.

Тел./факс (812) 428—72—20

E-mail: m.kovalchuk@spbu.ru

Сети мозга: от нейрофотоники к когнитивным вычислениям

      Физика и наука о мозге имеют своими задачами раскрытие двух крупнейших тайн природы: устройства Вселенной и устройства разума. С самых начал Западной науки исследования этих вопросов развивались независимо. Я рассмотрю ряд оснований основания для их сегодняшнего сближения:

  1. Нейронные и когнитивные сети. Любая нервная система может быть описана как сеть. Распространение подходов теории графов и статистической механики на мозг, получившее название коннектомики, занимается расшифровкой принципов эволюции, устройства и нарушений работы различных нервных сетей. В лекции я пойду дальше и буду утверждать, что (а) любой разум также формализуем как сеть, (б) эта сеть представляет собой гиперсеть нервной сети. Главным здесь является то, что эта гиперсеть мозга представляет собой и органическую и математическую структуру одновременно и может быть поэтому исследуем с помощью методов экспериментальной и теоретической физики.

  2. Нейрофотоника и оптогенетика. Физика является сегодня ключевым генератором методов, продвигающих изучение высших функций мозга. Я остановлюсь лишь на наиболее перспективном направлении, использующем достижения лазерной физики и фотоники. Свет обладает выдающимися преимуществами для проникновения в механизмы работы мозга: он неинвазивен, не нарушает обычных нейронных функций, обеспечивает высокое пространственное разрешение, возможность фокусировки на разных типах и группах нужных клеток и мультиплексность за счет использования разных длин волн для контроля разных функций. Я покажу, как эти свойства позволяют сегодня картировать, динамически визуализировать и оптически контролировать ментальные процессы в головном мозге.

  3. Нейроморфные компьютеры и когнитивные вычисления. Рассмотрение разума как нейронной гиперсети по-новому ставит вопрос о создании искусственного интеллекта. Главным трендом сегодня являются попытки конструирования компьютера как мозга, воспроизводящего свойства биологической нейронной сети. Я буду утверждать, что этого решения, получившего названия нейроморфного моделирования, кардинально недостаточно, если в составе искусственной нейронной сети не создается когнитивная гиперсеть. Когнитивные вычисления на узлах и связях такой сети составят перспективу построения систем искусственного разума и потребуют разработки фундаментальной математической теории нейронных гиперсетей.

От когнитивных исследований к когнитивным технологиям

   Когнитивная наука представляет собой современную версию междисциплинарного поиска естественнонаучного объяснений работы сознания и мозга человека. В отличие от нескольких столетий преимущественно спекулятивных рассуждений, сегодня в таких исследованиях все более заметную роль играют доказательные эксперименты, использующие физические методы и модели. На стыке традиционных дисциплин появились и процветают новые научные дисциплины, такие как когнитивная психология, когнитивная лингвистика и нейролингвистика, когнитивная генетика, нейроинформатика, нейроэкономика и нейроэргономика. В плане «проверки когнитивного пудинга» особенно знаменательно появление все новых практических приложений, позволяющих говорить о возникновении широкого класса новых когнитивных технологий. Примером служат системы виртуальной и смешанной реальности, основанные на использовании средств компьютерной графики,  и знаний об иллюзиях восприятия. Когнитивные технические системы способны по характеру движений глаз определить направленность внимания водителя и намерение обгона впереди идущего автомобиля, а одновременная регистрация активности мозга дополнительно увеличивает скорость и точность работы подобных когнитивных интерфейсов. Проходят тестирование препараты, стимулирующие внимание, память и обучение. Магниторезонансная, оптическая и молекулярная визуализация работы мозга позволяют диагностировать отклонения в когнитивном и эмоциональном развитии, а методы когнитивной генетики делают возможным выявление потенциала и возможных рисков такого развития. В лекции будет дан обзор некоторых из числа наиболее перспективных когнитивных технологий.

Нейронаука и гуманитарное знание

   Язык, разум, сознание и порождающий их мозг – сложнейшие  из известных  нам систем. Современное состояние науки таково, что конвергенция гуманитарного и естественнонаучного знания  для изучения таких систем  неизбежна. Нейролингвистика и нейропсихология являются примерами этого.

   Человек  постоянно  сталкивается с неопределённой и многозначной информацией, но должен принимать адекватные решения. Эта  многозначность  характеризует все  модальности восприятия  и вербальный язык. Интуитивные, метафорические, инологические когнитивные средства  - не менее мощны, чем классическая логика. Особый интерес имеет исследование таких механизмов в произведениях искусства, ставящих противоположную задачу – не уменьшить, а увеличить количество вариантов осмысления и прочтения. Эта область в рамках когнитивной науки практически не разработана. Меж тем, ключи к пониманию и развитию креативности, способности к нетривиальным ходам и интеллектуальным прорывам и их мозговое обеспечение нужно искать и в гуманитарном знании: без этого понимание данных нейронаук  не имеет перспективы. Надежда на то, что когнитивные характеристики искусственных систем  приблизятся к уровню человеческих, или даже превзойдут их, растёт. При этом относительно мало обсуждается вопрос о том, какое именно общение с антропоморфными искусственными системами мы будем считать адекватным, что вызывает целый ряд вопросов, не только научных, но экзистенциальных и этических.

Ответственный за содержание: специалист управления по связям с общественностью С. С. Смирнова, s.s.smirnova@spbu.ru

Поиск