Науку всем миром
АрхивВладимир Димитриевич Кекелидзе - директор Лаборатории высоких энергий им. В. И. Векслера и А. М. Балдина Объединенного Института ядерных исследований (Дубна), доктор физико-математических наук, профессор, любезно согласился ответить на несколько вопросов
Владимир Димитриевич Кекелидзе - директор Лаборатории высоких энергий им. В. И. Векслера и А. М. Балдина Объединенного Института ядерных исследований (Дубна), доктор физико-математических наук, профессор, любезно согласился ответить на несколько вопросов, касающихся коллективных форм научной работы и международного научного сотрудничества [В сносках, кроме того, добавлены комментарии Юрия Константиновича Потребеникова, и. о. заместителя директора по научной работе Лаборатории физики частиц ОИЯИ, кандидата физико-математических наук]. Часть из них касалась, можно так сказать, философии коллективного труда в области науки, другая - конкретных форм в международном сотрудничестве - например, при создании и использовании уникального оборудования.
Коллективные формы работы появляются тогда, когда возможностей одного человека недостаточно, чтобы сделать работу в определенный срок или вообще с ней справиться. Современная физика уже недоступна исследователям-одиночкам? Или это справедливо лишь для экспериментальной науки, а теоретическая физика по-прежнему - область "индивидуального творчества"?
- Современная физика весьма разнообразна… Конечно, в теоретической физике, как правило, индивидуальное творчество доминирует. Хотя и здесь встречаются области, требующие интенсивных вычислений, с которыми трудно справиться в одиночку. Поскольку сам я занимаюсь физикой элементарных частиц (или физикой высоких энергий), постараюсь прояснить организацию работ в этой области.
Современный эксперимент так сложен и дорог, что для его подготовки и проведения зачастую требуется целая армия ученых-физиков, программистов, конструкторов, инженеров, техников и др. Например, в эксперименте ATLAS [Эксперимент ATLAS (atlas.web.cern.ch/Atlas/index.html). Один из двух крупнейших экспериментов (второй - CMS), нацеленных в первую очередь на поиск промежуточного хиггсовского бозона при максимально достижимых в настоящее время энергиях протонов в ускорителях встречных пучков (16 трлн. электрон-вольт). Универсальная установка диаметром 25 м и длиной 46 м создается в одной из точек встречи пучков большого адронного коллайдера (LHC) в ЦЕРНе. Проектирование установки началось в 1992 году, строительство - в 1994-м, а запуск запланирован на текущий год одновременно с запуском самого ускорителя LHC. Кроме основной задачи, на установке планируется выполнить поиск процессов, выходящих за пределы Стандартной модели. - Здесь и далее комментарии Юрия Потребеникова] в ЦЕРНе участвуют около 1700 физиков, не считая других специалистов. Тем не менее роль ученого и его индивидуальный творческий вклад имеет большое значение. В конечном счете весь комплекс исследований в рамках одного эксперимента разбивается на конкретные задачи, в каждой из которых талантливый ученый может проявить себя, внести определяющий творческий вклад и стать лидером.
Бытует мнение, что даже в теоретических исследованиях все чаще возникают проблемы "нехватки ресурсов человека" - на овладение теоретическим багажом и ознакомление с текущим состоянием проблемы уходит так много времени и сил, что на поиск чего-то нового их уже почти не остается. Так ли это? Можно ли "нехватку ресурсов" тоже скомпенсировать при помощи каких-то форм "разделения интеллектуального труда"?
- Поскольку я экспериментатор, то не берусь претендовать на объективность. Но, по моим наблюдениям, талантливый ученый-теоретик всегда найдет время и способ узнать все, что ему требуется. Впрочем, у каждого продуктивного теоретика, как правило, имеются приемы и определенные методики расчетов, которыми он владеет лучше, чем другими. Поэтому разделение специализаций у теоретиков - нормальное и частое явление. Бывает, что и теоретикам нужно собраться в "команду", чтобы провести сложный анализ и громоздкие вычисления, которые невозможно полностью возложить на компьютер [Если разные теоретические коллективы дают объяснения одного и того же экспериментального открытия с разных позиций - разве это не пример полезного разделения интеллектуального труда?].
Не секрет, что сильнейшим стимулом для многих начинающих исследователей является стремление внести личный вклад в копилку научных знаний, оставить "свой след" в науке. Коллективные формы научной работы, разумеется, не могут в полной мере удовлетворить эти амбиции. Не приводит ли это к падению интереса к науке у молодежи и снижению мотивации к этой деятельности вообще?
- Мне кажется, так остро проблема не стоит. Как я уже говорил, при правильно организованной работе каждый талантливый исследователь сможет не только внести заметный творческий вклад в решение задачи, но и получить известность в рамках мирового сообщества ученых [В развитых странах понимают, что учеными движут не только деньги, но и престиж, и находят достойные формы поддержки людей, выбравших эту трудную и странную профессию. Например, в эксперименте NA48 основной результат параллельно получили шесть независимых групп. Так вот лидер эксперимента был награжден престижной американской научной премией, а лидер французской группы был удостоен звания лучшего физика года во Франции] (выступления на престижных конференциях, семинарах и др.). Конечно, многое зависит от руководителей и общей организации эксперимента. Руководить в науке ведь тоже надо талантливо, чтобы дать возможность каждому участнику проявить себя и выдать максимум, на который он способен.
Огромная проблема - компетентность руководителя коллектива в своей профессиональной области и одновременное знание принципов управления. "Высокие профессионалы" зачастую избегают связываться с управленческой работой, в то же время есть много отличных организаторов, не способных эффективно управлять из-за слабого знания предметной области. Как с этим обстоит дело в науке? Что вообще представляет собой управление научным поиском?
- Считаю, что управлять в науке, прежде всего в экспериментальной (поскольку управлять теоретиками можно только на стадии становления молодых ученых или при организации коллективных расчетов), должны ученые, обладающие большим опытом практической работы [Очень эффективным оказывается управление научным коллективом, осуществляемое выдающимся физиком-экспериментатором, который определяет стратегию выполнения разработанного им проекта и имеет право распоряжаться выделенными на этот проект ресурсами. В большинстве современных международных научных коллабораций коллективы отдельных институтов сформированы именно так]. Кроме того, с возрастом ученому-экспериментатору становится труднее вносить адекватный личный вклад в "рутинную" экспериментальную работу. Поэтому он ценен главным образом как носитель накопленных знаний и опыта - так называемой научной интуиции. Наиболее эффективно он может работать вместе с молодыми исследователями. Поэтому, чтобы быть достаточно продуктивным, необходимо брать на себя и труд руководителя. Насколько большим коллективом ученый сможет руководить - зависит от его способностей. Но при этом он может и не быть "высоким профессионалом" решительно во всех аспектах исследований, проводимых его коллективом.
Продолжая тему о руководителях, хотелось бы попросить вас прокомментировать известное выражение - "высшая форма научной деятельности есть руководство научной деятельностью". Ведь по существу это формула "продюсерского" подхода к формированию научных коллективов из профессионалов разного профиля вокруг руководителя, подбирающего людей "в свою команду". Возможно, в этой форме работы заложены какие-то новые пути для самореализации научной молодежи и повышения продуктивности труда исследователей?
- В современном эксперименте существуют разные подходы к формированию коллектива и выбору его руководителя. Небольшие коллективы, как правило, формируются лидером путем подбора "своей" команды. Руководство же крупного проекта определяется путем выборов, которые могут принимать различные формы. Так, в эксперименте [Цикл экспериментов NA48 (http://na48.web.cern.ch/NA48). Нацелен на поиск эффектов прямого нарушения пространственно-зарядовой четности (CP-нарушения) в распадах нейтральных (NA48) и заряженных (NA48/2) каонов, а также на поиск и измерение характеристик редких распадов этих частиц для проверки предсказаний Стандартной модели строения вещества, киральной пертурбативной теории и ряда других теорий и предсказаний. Проводится в пучке каонов высокой интенсивности на суперпротонном синхротроне ЦЕРНа] NA48 в ЦЕРНе [Кстати, в такой организации, как ЦЕРН, человек, занимающий административную должность, не имеет права руководить конкретным экспериментом, выполняемым в этом институте. Такой подход дает больше шансов талантливым ученым предложить, отстоять и провести задуманный эксперимент. В большинстве же институтов России руководителями проектов являются именно административные руководители. Это приводит к тому, что проект финансируется не в зависимости от важности и актуальности, а в зависимости от возможностей и связей того или иного начальника], в котором я участвую с 1991 года, руководителя (так называемого Spokesperson’а) выбирал тайным голосованием на альтернативной основе "совет управляющих" (как и своего председателя), в который входят пятнадцать представителей институтов-участников из восьми стран. Представителей же институтов назначало их руководство согласно своим принципам. Кроме того, в нашем интернациональном коллективе были избраны открытым голосованием по представлению Spokesperson’a пять Conveners, возглавляющих группы исследователей по определенным направлениям, и руководитель так называемого конференционного комитета (он же и формировал этот комитет, в дальнейшем утверждаемый советом управляющих). Был организован также редакционный комитет и выбран его руководитель (для контроля за издательской деятельностью). В целом организация современного эксперимента - достаточно сложный процесс даже для сравнительно небольшого коллектива NA48 (полторы сотни физиков плюс инженеры и техники). В самом крупном эксперименте ЦЕРНа - ATLAS’е - система руководства гораздо сложнее, и в нее вовлечено больше ста человек. Чтобы рассказать об этой структуре и принципах ее создания и функционирования, потребуется не одна журнальная страница.
Видимо, международные научные проекты призваны преодолеть еще одну проблему сегодняшней Большой науки - чрезвычайную дороговизну научного инструментария и самих экспериментов, которые "не по карману" отдельно взятому государству? Или не только в этом дело?
- Не только. Конечно, ресурсы для эксперимента складываются из взносов институтов-участников. Иначе их не набрать. Кроме того, зачастую возникают и вопросы поиска адекватных технологий для наиболее эффективной реализации проекта. Какими-то технологиями в большей степени владеет один из институтов-участников (или даже страна), какими-то - другой… Большую положительную роль играет широкое представительство участвующих институтов и стран. Немаловажна и политическая составляющая для эффективного "лоббирования" проекта в финансирующих органах институтов и даже в госструктурах.
Как это начиналось?
Необходимость объединения ресурсов экспериментальных групп, представляющих различные научные центры, при проведении экспериментов в области физики частиц назрела уже в 70-е годы прошлого века, когда на смену пузырьковым камерам пришла внушительных размеров техника с электронным съемом данных. В таких экспериментах регистрировались миллионы, а впоследствии - миллиарды и триллионы событий взаимодействия частиц и ядер. В то время еще казалось возможным строить крупные установки и даже ускорители частиц в рамках национальных программ развитых стран, прежде всего СССР и США. Но уже в то время стали активно работать международные научные организации в области исследования физики частиц и ядер: ЦЕРН (CERN) - Европейская физическая лаборатория (European Organization for Nuclear Research), расположенная на территории Швейцарии и Франции с центром в Женеве, и ОИЯИ - Объединенный институт ядерных исследований в Дубне, призванные концентрировать материальные и интеллектуальные ресурсы разных стран и организаций для реализации все более сложных и дорогостоящих проектов.
В этих центрах начали вызревать основы для эффективного ведения работ по созданию крупномасштабных экспериментальных установок. В организациях стран-участниц проектов создавались детекторы и элементы будущих ускорителей, организовывались центры для распределенной обработки и анализа данных. Целесообразность этих шагов определялась профессиональной специализацией коллективов и отсутствием достаточных производственных и технологических возможностей для разработки и создания экспериментальных устройств, а также нехваткой вычислительной техники для обработки возрастающих потоков данных у отдельных организаций, входящих в состав научных сообществ.
Так, для одного из первых электронных экспериментов в ОИЯИ бесфильмовый искровой спектрометр, электромагнитный калориметр из свинцового стекла и сцинтилляционные счетчики были изготовлены сотрудниками ФИАН, пропорциональные камеры - венгерскими учеными и специалистами, а полученная информация передавалась на магнитных лентах организациям стран-участниц эксперимента для обработки и анализа на их собственных вычислительных машинах. Например, по сто магнитных лент (~3 Гбайт на каждой) с данными были доставлены в 1985 году из ОИЯИ в Институт физики высоких энергий (ИФВЭ) АН КазССР (Алма-Ата) и ИФВЭ Тбилисского государственного университета (Тбилиси) самолетом, обработаны на одной из самых мощных в то время ЭВМ БЭСМ-6 и отправлены в общую базу данных эксперимента. Все это заняло примерно два месяца (в настоящее время передача такого объема данных по компьютерным сетям заняла бы около минуты, а их обработка потребовала бы часа работы одного персонального компьютера). Результаты эксперимента, также переданные на магнитных лентах, анализировались в Цойтене (Германия), Праге, Софии и в других странах и институтах, входящих в состав коллаборации.
Кстати говоря, наглядным и, несомненно, полезным следствием новой формы организации исследований в области физики высоких энергий явилось то, что именно здесь родился глобальный гипертекстовый проект, известный как Всемирная паутина или WWW-сервис, который предложил и разработал в 1989 году сэр Тимоти Джон Бернерс-Ли - один из сотрудников ЦЕРНа. Необходимость оперативного обмена информацией между учеными в рамках отдельных международных экспериментов привела к возникновению новых форм их взаимодействия на расстоянии - использованию mail-сервисов, аудио-, а затем и видеоконференций, электронных публикаций.
Владимир Кекелидзе,
Юрий Потребеников
С чего начинаются международные научные проекты? Как они возникают? Кто играет роль "заводилы"? Какие трудности возникают и как преодолеваются?
- Международные научные проекты начинаются по-разному, и, конечно, все зависит от их масштабов [В области физики частиц международные проекты начинаются с научной идеи. Такую идею может выдвинуть любой ученый. Но для получения средств на ее реализацию лидер проекта должен приложить огромные усилия для организации вокруг этой идеи международной коллаборации единомышленников, отстаивания этой идеи перед комитетами и комиссиями различного уровня, имеющими соответствующие средства. Сроки на проведение такой работы могут сильно различаться и колеблются от нескольких месяцев до нескольких лет в зависимости от того, насколько важен и дорог эксперимент и доказана ли его осуществимость]. Например, относительно небольшой проект NA48/2 возник на основе коллектива NA48, который был немного изменен ("пришли" два института из США - Чикагский и Норсвестеновсий университеты, а "ушли" Orsay из Франции и Edinburgh University из Великобритании). В роли инициаторов выступили профессор Итало Маннелли из Пизы и Дубненская группа. Всю подготовку проекта и необходимые расчеты в основном провели россияне, а мне пришлось "пробивать" проект через соответствующие комитеты в ЦЕРНе и в руководстве участвующих институтов. А самый крупный в истории проект LHC был инициирован в конце 80-х годов группой ученых-экспериментаторов из ЦЕРНа (одним из лидеров был лауреат Нобелевской премии профессор Руббия).
Трудностей, конечно, возникает очень много, в том числе связанных с различиями в структурах управления и финансирования каждого из участвующих институтов. Например, при необходимости соблюдения внутренней "Конституции" эксперимента (так называемого "Меморандума о взаимопонимании", подписываемого руководством каждого из институтов) требуется находить индивидуальный подход к каждой команде, представляющей свои институты, чтобы добиться наибольшего эффекта от их участия, а также адекватного финансирования.
Можете ли вы сказать несколько слов о перспективных, зарождающихся сегодня международных научных проектах? Какие задачи перед ними стоят? Какие объемы работ предстоит выполнить и сколько денег потратить?
- Ближайший перспективный проект в области физики высоких энергий - так называемый Международный линейный коллайдер [Международный линейный коллайдер (ILC) (www.linearcolliner.org). Проект ILC, запуск которого планируется между 2017 и 2023 годами, даст физикам инструмент, дополняющий большой адронный коллайдер и позволяющий исследовать явления, недоступные для изучения на имеющихся ускорительных комплексах. Предполагается достичь энергий столкновения электронов с позитронами в 500 млрд. электрон-вольт на первом этапе при длине ускорителя порядка 35 км и в 1 трлн. электрон-вольт на втором, при длине в 50 км. Уже сейчас более двух тысяч физиков из ста с лишним научных организаций заняты подготовкой технического проекта ILC]. Он обойдется в $10–15 млрд. На статус страны-лидера, в которой разместится эта установка, претендуют США, Япония, Германия, ЦЕРН и ОИЯИ (правда, последние два, как Международные центры, представляют ряд стран). Вопрос принятия соответствующих решений больше относится к сфере политической, нежели к научной, поскольку решается высшим руководством стран. Сообщество ученых должно определиться с научной значимостью проекта и его реализуемостью в принципе, а политики должны решить - нужно ли поддерживать эту науку, чтобы сохранить и развивать соответствующий "культурный пласт" цивилизации. Потерять его легко, восстановить же может оказаться невозможным.
Приношу искреннюю благодарность Владимиру Георгиевичу Кадышевскому, научному руководителю Объединенного института ядерных исследований (www.jinr.ru/Kadyshevsky_r.htm), доктору физико-математических наук, профессору, академику РАН за поддержку и помощь в подготовке этой публикации.
Что же мы поняли?
После распада СССР и закрытия таких исследовательских мегапроектов, как SSC (Superconducting Super Collider - сверхпроводящий суперколлайдер) в Америке и УНК (ускорительно-накопительный комплекс) в России, стало понятно, что ресурсов отдельных стран уже недостаточно для проведения крупномасштабных экспериментов по физике частиц. Стоимость современного ускорителя частиц приближается к десяткам миллиардов долларов, современной экспериментальной физической установки - превышает полмиллиарда.
Показательно, что в этой ситуации наилучших результатов добилась именно международная организация - ЦЕРН, концентрирующая материальные и интеллектуальные ресурсы стран-участниц для реализации самого крупного на сегодняшний день проекта в области физики частиц - LHC (Large Hadron Collider - большой адронный коллайдер). Реализация этого суперпроекта, по сложности и количеству используемых технологий многократно превосходящего проекты космические, высветила и тот факт, что научно-исследовательские комплексы такого масштаба, нацеленные на решение важнейших задач современной физики частиц, отныне будут строиться в считанных точках Земли, но использоваться всем мировым сообществом физиков.
Стало также понятно, что несмотря на колоссальный прогресс в области компьютинга здесь, тем не менее, потребуется объединить вычислительные ресурсы всех участников проекта для обработки и анализа тех объемов данных (десятки петабайт в год), которые предполагается получать на строящихся установках.
И даже участие ученых из разных стран в проведении экспериментальных исследований может быть эффективным лишь при работе по принципу "удаленного эксперимента". В этом случае специалист, находясь в своем "домашнем" институте, имеет возможность не только сконструировать и изготовить конкретный детектор частиц или его компоненты, но и с самого начала эксперимента управлять в онлайне работой детекторов, за которые он несет ответственность, иметь доступ ко всему набору экспериментальных данных для их обработки и анализа. Одновременно информационные сервисы предоставляют ему возможность оперативного общения как с дежурным персоналом экспериментальной установки, так и с коллегами из любой группы ученых, участвующих в проведении эксперимента.
Отдельные возможности такой организации работ уже используются в ведущихся сейчас экспериментах по физике частиц. Большинство детекторов для экспериментальных установок LHC изготовлены специалистами в своих странах и институтах и только собраны в ЦЕРНе. В эксперименте STAR на ускорителе RHIC (релятивистский коллайдер тяжелых ионов) в Брукхейвенской национальной лаборатории к работе в составе сменного оперативного персонала установки привлекаются эксперты, находящиеся в своих базовых, "домашних" институтах, но контролирующие со своих рабочих мест процесс получения экспериментальных данных.
В эксперименте NA48/2, проведенном на SPS (суперпротонный синхротрон) в ЦЕРНе, контроль за работой и настройка электроники сложного высокотехнологичного спектрометра каонов, созданного в ОИЯИ, осуществлялись из Дубны. В этом же эксперименте регулярно проводилось распределенное моделирование эксперимента с использованием возможностей вычислительных центров ЦЕРНа, Лаборатории физики частиц ОИЯИ, университета г. Майнц (Германия), Национального института ядерной физики в Пизе (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Италия) и Университета Чикаго (США).
Решения по совместному использованию компьютерных возможностей различных мировых центров реализуются в настоящее время в проекте GRID - международной компьютерной сети вычислительных комплексов, предоставляющей компьютерные ресурсы по принципу подачи электроэнергии в распределенных энергосетях с эффективным планированием и мониторингом. Эта сеть уже сейчас покрывает практически весь мир и включает в себя около пятидесяти тысяч процессоров, связанных высокоскоростными (от 1 Гбит/с) каналами, имеет общее дисковое пространство объемом более 10 петабайт. Именно в рамках проекта GRID развернуты работы по моделированию экспериментов LHC.
Практически все важные совещания международных коллабораций проводятся в режиме видеоконференций, для организации которых в области физики частиц создано специализированное программное и информационное обеспечение - VRVS (Virtual Room Videoconferencing System). Уже сейчас до трети сообщений на таких совещаниях делаются учеными из своих базовых институтов. Это позволяет не только оперативно отслеживать и использовать всю современную технологию анализа и получения конечного физического результата, но и способствует созданию в базовых институтах творческой научной среды, привлекательной для молодых специалистов.
Владимир Кекелидзе,
Юрий Потребеников
