Государственная премия РФ в области науки и технологий 2018 года

Государственная премия Российской Федерации в области науки и технологий 2018 года присуждена Митрофанову Валерию Павловичу, Пустовойту Владиславу Ивановичу, Хазанову Ефиму Аркадьевичу за создание фундаментальных основ и инструментальных решений проблем регистрации гравитационных волн.

Митрофанов Валерий Павлович родился в 1947 году в г. Иванове. Доктор физико-математических наук, профессор кафедры физики колебаний физического факультета В.П. Митрофанов поступил на физический факультет после окончания школы-интерната имени А.Н. Колмогорова при МГУ. После окончания аспирантуры он работает на физическом факультете, пройдя все ступени от младшего научного сотрудника до профессора. Распределившись на кафедру физики колебаний, В.П. Митрофанов пришел в научную группу профессора Владимира Борисовича Брагинского. Его дипломная работа была посвящена исследованию емкостного датчика малых смещений. В то время В.Б. Брагинский с коллегами создал первый в стране гравитационно-волновой детектор. Это был детектор Веберовского типа, и его чувствительность была недостаточной для регистрации гравитационных волн. Основным принципиальным фактором, ограничивающим чувствительность, являлся тепловой шум пробной массы, воспринимающей воздействие гравитационной волны, а основным способом уменьшения теплового шума, кроме понижения температуры, являлось уменьшение диссипации в колебательных модах пробных масс, т.е. повышение их добротности. Это стало основным направлением исследований В.П. Митрофанова. Одним из результатов этих исследований стало создание механических резонаторов из сапфира с добротностью, превышающей 108 при комнатной температуре, и 5×109 при температуре 5 К. Заметим, что экспериментальная установка, использующаяся для тестирования цилиндрических механических резонаторов, достигающих почти 1 метра в длину, была создана на кафедре физики колебаний силами ее механиков, аспирантов и студентов. Оказалось, что такие высокие значения добротности сапфировых резонаторов долгое время не могли воспроизвести в западных лабораториях. Харри Коллинс (Harry Collins) — профессор социальных наук в Кардиффском университете Великобритании, специализирующийся на «изучении других ученых», даже написал об этом статью в 2001 году. Х. Коллинс более 30 лет занимается социологией физики гравитационных волн. Статья называется «Tacit Knowledge, Trust and the Q of Sapphire», что можно перевести как «Неявное знание, доверие и добротность сапфира». В ней рассказывается, как российский ученый, подразумевается В.П. Митрофанов, хотя в статье он фигурирует под другой фамилией, передавал коллегам по коллаборации то, что называется «неявное знание», которое невозможно почерпнуть из научных статей, а только в результате совместной работы в лабораториях.

Представители научной группы В.Б. Брагинского в Калтехе (Слева направо: Л.Г. Прохоров, В.П. Митрофанов, С.П. Вятчанин, М.Л. Городецкий, Ф.Я. Халили, И.А. Биленко)

В 80-х годах Кип Торн (Kip Thorne), будущий лауреат Нобелевской премии, инициирует создание в Калифорнийском технологическом институте (Калтех) экспериментальной группы, которая создает 40-метровый прототип интерферометрического гравитационно-волнового детектора. В.Б. Брагинский и его научная группа тесно сотрудничают с коллегами из Калтеха как в плане теоретического исследования шумов и квантовых пределов чувствительности в интерферометрах, так в экспериментальных исследованиях самих чувствительных элементов гравитационно-волновых детекторов, главным параметром которых является малая диссипация. В начале 90-х годов в США строятся два интерферометрических гравитационно-волновых детектора с длиной плеч 4 км (LIGO — Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) и создается Международная научная коллаборация LSC, в которую входят ученые из 16 стран, включая две группы из России: из МГУ и Института Прикладной физики РАН (Нижний Новгород).

В первом варианте детектора LIGO пробные массы, изготовленные из плавленого кварца, подвешивались на металлических проволоках. Они имели невысокую добротность, как мод подвеса, так и внутренних мод. Но уже тогда в группе МГУ начались исследования, направленные на создание более совершенных подвесов пробных масс. В.П. Митрофанов вместе со студентами, аспирантами и молодыми коллегами разработали квазимонолитные кварцевые подвесы пробных масс, которые обеспечивали добротность внутренних и маятниковых мод, превышающую 108 при комнатной температуре, т.е. время затухания маятниковых колебаний пробной массы достигало 5-ти лет. Это потребовало разработки и создания специальной экспериментальной установки и соответствующих методов регистрации колебаний пробной массы. Были проведены исследования возмущений, действующих на кварцевые пробные массы, связанные с находящимися на них электрическими зарядами, одним из источников которых являются космические лучи, так что приходилось окружать экспериментальную установку детекторами космических лучей. В гравитационно-волновых детекторах Advanced LIGO, которые пришли на смену детекторам первого поколения и которые впервые зарегистрировали гравитационные волны от слияния черных дыр, подвесы пробных масс представляют собой сложные конструкции, но их основы были заложены в подвальной лаборатории физического факультета МГУ.

В.Б. Брагинский и В.П. Митрофанов около вакуумной камеры, в которой висит уникальный маятник со временем затухания колебаний 5 лет

В настоящее время В.П. Митрофанов с коллегами разрабатывают подвесы для криогенных гравитационно-волновых детекторов нового поколения. Пробные массы и их подвесы предполагается изготавливать из монокристаллического кремния, тоже уникального материала со своей спецификой и своими проблемами, которые решают на кафедре физики колебаний.

В.П. Митрофанов и студент А. Светаев с кремниевым механическим резонатором

Интересы В.П. Митрофанова не исчерпываются гравитационно-волновой тематикой. Так им вместе с аспирантами был выполнен эксперимент по проверки закона тяготения Ньютона на миллиметровых расстояниях в рамках изучения так называемой пятой силы, проведен ряд других исследований. Он всегда отмечает, какую важную роль в этих работах играют механики кафедры физики колебаний, истинные умельцы, изготавливающие уникальные устройства, студенты, аспиранты, молодые коллеги, чей талант, творчество и самоотверженный труд внесли огромный вклад в открытие гравитационных волн.

Заведующий кафедрой физики колебаний профессор С.П. Вятчанин