|
Введение
 Россия – это страна изобретателей, и не только в науке и технике. Новосибирский Академгородок, созданный в 1957 году, является примером новаторства в области научно-технической организации – большое число открытий и изобретений было сделано учеными и инженерами Академгородка, и он по сей день является одним из важнейших составляющих научно-технического потенциала и достояния России. Наверно не случайно, что книга, которую я рад представить читателям, написана выходцами из Новосибирского Академгородка – Андрей Серый начал свой научный путь в Институте ядерной физики имени Будкера, а Елена, его верная соратница, в Институте цитологии и генетики Сибирского отделения Академии наук. Книга рассказывает о будущем, о том, какие научные инструменты могут быть изобретены из синергии лазеров, традиционных ускорителей и физики плазмы. Движущая сила в этой тройке принадлежит лазерам, так как возможности, которые открылись благодаря недавним разработкам фемтосекундных тераваттных и петаваттных лазеров, действительно поражают воображение. Но и две другие составляющие, ускорители и плазма, абсолютно необходимы, как для изобретения и создания компактных источников когерентных рентгеновских лучей и высокоэнергичных частиц, необходимых для фундаментальных исследований, так и для компактных систем для терапии рака. Представленная книга рассказывает о методологии изобретательства и на ярких примерах демонстрирует возможность ее применения в науке, в совершенно разнообразных областях, далеко выходящих за рамки физики лазеров, ускорителей и плазмы. Это делает книгу уникальной в своем роде и интересной широкому кругу читателей, интересующихся и наукой, и изобретательством. Вместе с тем, представленная книга является и учебником, с задачами как по физике, так и по изобретательской методологии. Можно надеяться, что эта книга найдет свое место в учебных курсах высших учебных заведений, станет настольной книгой многих пытливых ученых и любознательных изобретателей, как профессионалов, так и любителей, и сыграет свою роль в усилении научно-технического и изобретательского прогресса в России. Доктор физико-математических наук, профессор Николай Евгеньевич Андреев, заведующий лаборатории теории лазерно-плазменных воздействий Объединенного института высоких температур РАН Москва, 22 января 2016 Предисловие
Предваряя издание этой книги на русском языке, мы хотели бы отметить особое волнение, трепет, ожидание горячих обсуждений идей, предложенных читателю в этой книге, которые сопровождали нас во время работы над переводом и подготовкой книги к печати. Ведь именно в России были рождены и развиты очень многие из идей в физике и ускорителей, и лазеров, и плазмы и была создана методика изобретательства ТРИЗ. Первое издание этой книги на английском языке вышло под другим названием – в буквальном переводе оно звучало как "Объединяя физику ускорителей, лазеров и плазмы". Мы благодарны коллегам из издательства URSS за их конструктивную критику, когда они увидели и отметили, что книга на самом деле рассказывает о гораздо большем, чем предполагается из первого варианта названия, а именно об изобретательстве в науке и о создании новых научных инструментов, возникающих из синергии трех областей физики. Мы надеемся, что новое название – "Изобретая инструменты науки будущего" – отражает суть и цель книги намного яснее. Мы хотели бы выразить нашу искреннюю благодарность всем коллегам, способствовавшим выходу этой книги в печать, и будем благодарны нашим читателям за обратную связь, за комментарии, будущие обсуждения и дискуссии, а может быть, и за совместную работу над изобретением инструментов науки будущего. Андрей Серый и Елена Серая – Оксфорд, 24 января 2016 Предисловие к изданию на английском языке
Цель этой книги заключается в наведении мостов и связей между тремя областями физики, которые имеют важное значение для разработки следующего поколения ускорителей: физики ускорителей, лазеров и плазмы. Эти три области физики будут представлены в нашей книге в тандеме с промышленной методологией изобретательства, которая учит, что подобные проблемы и решения появляются снова и снова в различных дисциплинах. Эта методика изобретательства, в конечном итоге, еще более усилит связь между вышеупомянутыми областями, предоставив читателю новую перспективу и новые подходы к решению проблем. Представленная книга будет полезна для студентов различных этапов обучения, от физиков старшекурсников до аспирантов – для всех, кто заинтересован в повышении своих способностей успешно работать над разработкой следующего поколения установок и устройств, и созданием новых научных инструментов, основанных на синергии ускорителей, лазеров и плазмы. Я бы также рекомендовал эту книгу всем тем, кто интересуется научными инновациями. Идея книги "Объединяя физику ускорителей, лазеров и плазмы" возникла не случайно – она появилась естественным образом, как результат поиска наилучшего метода, подходящего для обучения студентов и аспирантов Института имени Джона Адамса и его базовых университетов. Целью такого метода является обучение нескольким физическим дисциплинам согласованным образом, при этом гарантируя, что это обучение будет развивать и стимулировать также и изобретательность. Материалы для этой книги накапливались постепенно, начиная с единичной лекции, представленной в Объединенном Институте Ядерных Исследований (ОИЯИ) в Дубне в марте 2014 года, затем нескольких лекций, прочитанных студентам в Оксфорде в мае 2014 года, и в конечном итоге – недельным курсом, прочитанным на ускорительной школе USPAS в Альбукерке в июне с 2014 года. Текст книги, в значительной степени, следует материалам, разработанным для этого курса USPAS. Взаимодействие со студентами во время этого курса, лекции, презентации мини-проектов студенческими командами, учебные сессии, сосредоточенные на анализе ключевых изобретений, которые повлияли на обсуждаемые научные направления – все это дало огромное вдохновение и энергию для преобразования материалов лекций в книгу. Стиль представленной книги, пожалуй, отличается от типичного учебника по физике ускорителей или книги по лазерам или плазме. В нашей книге мы, как правило, используем качественные рассуждения и избегаем громоздкой математики, предпочитая использовать выкладки в стиле "оценок на салфетках" всегда, когда это возможно (даже если они дают лишь приближенные формулы). Мы считаем, что это более подходящий способ для передачи принципов и идей читателю и, несомненно, более предпочтительный способ при обсуждении настолько широкой области физики. Я хотел бы выразить благодарность многим моим коллегам, которые прямо или косвенно помогли с этим проектом. Особая благодарность профессору Риккардо Бартолини, профессору Эммануэлю Цесмелису и профессору Теду Вильсону за совместную работу над учебным курсом для студентов Оксфорда, который стал первым шагом на пути к развитию курса USPAS и стал следующим большим шагом в подготовке этой книги. Я благодарен студентам моего курса USPAS-2014 за вдохновение и оживленные обсуждения, а также профессору Биллу Барлетте, поддержавшему идею курса в USPAS, которую я обсуждал с ним самый первый раз в начале апреля 2013 года. Я благодарен ректору Новосибирского Государственного Университета (НГУ) Михаилу Федоруку за создание вдохновляющей возможности прочитать лекцию о науке и изобретательстве тысяче первокурсников НГУ 1-го сентября 2014 года; подготовка к этой лекции значительно стимулировала творческий процесс по подготовке первой главы этой книги. Я благодарен профессору Зульфикару Нажмудину за помощь с материалами о плазменном ускорении ионов, и также благодарен профессору Питеру Норрейсу и профессору Бобу Бингему за обсуждение тем, связанных с изобретениями усиления чирпированных импульсов и радиолокации. Я в огромном долгу перед профессором Тедом Вильсоном за его колоссальные усилия первого читателя рукописи, давшего мне много ценных комментариев. Я благодарен моим коллегам по Институту имени Джона Адамса – профессорам Риккардо Бартолини, Стюарту Бугерту, Саймону Хукеру, Ивану Коноплеву, Зульфикару Нажмудину и Майку Партриджу за чтение рукописи или отдельных ее глав и их ценные замечания. Я хотел бы выразить благодарность всем моим коллегам и друзьям, которые помогли в подготовке этой книги и которых я не смог отметить здесь лично. Я также рад поблагодарить Франческу Макгоуэн, редактора CRC Press, которая 30 апреля 2013 года явилась "как гром среди ясного неба" в моем офисе, заблудившись и спрашивая дорогу. Эта неожиданная встреча помогла кристаллизовать мои мысли об этой книге. Я высоко ценю всю помощь, которую Франческа и ее коллеги из CRC Press оказали мне во время написания книги и подготовки ее к изданию. Я хотел бы выразить глубокую благодарность моей семье, в первую очередь моей дочери Саше, которая нарисовала обложку книги, сделала несколько иллюстраций, а также очень терпеливо отредактировала мой далеко не идеальный английский во всей этой книге. И самое главное, моя вечная благодарность моей жене Елене, которая приложила грандиозные усилия к преобразованию лекционных материалов в L A TEX, создала более 260 иллюстраций к этой книге и дала мне и мотивацию, и поддержку, без которых эта книга никогда бы не была закончена. Андрей Серый – Оксфорд, 5 марта 2015 Об авторах
 Серый Андрей Анатольевич Директор Института имени Джона Адамса и профессор Оксфордского университета. Работает над развитием новых методов ускорения и внедрения изобретательства в научные исследования и обучение.
Андрей родился в городе Кемерово. Увлекся физикой и изобретательством в младших классах школы. Еще даже не начав изучать физику в школе и не зная о законе сохранения энергии, отправил письмо в редакцию "Юного Техника" об "изобретении" автомобиля с электрическим двигателем и с генератором, заряжающим батареи. Решил стать физиком, прочитав книгу Валерия Аграновского "Взятие сто четвертого", рассказывающей об открытии трансуранового элемента в лаборатории в Дубне. Окончив школу с золотой медалью, в 1981 году поступил в Новосибирский государственный университет (НГУ), который окончил в 1986 году. Затем работал в Институте ядерной физики СО РАН, где в 1994 году защитил диссертацию, посвященную исследованию систем фокусировки пучков в линейных коллайдерах. Работая в ИЯФ в Новосибирске, а затем в филиале ИЯФ в Протвино, занимался исследованиями электронного охлаждения, проектированием линейного коллайдера, участвовал в наладке и запуске синхротрона для протонной терапии, разрабатывал проект накопителя для ионных пучков в сотрудничестве с Объединенным институтом ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне. С середины до конца девяностых годов работал в институте Комиссариата атомной энергии в Сакле (CEA Saclay) и в Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми (FNAL). С 1999 по 2010 годы А. Серый работал в Стэнфордской ускорительной лаборатории (SLAC), где он возглавлял проектирование и первые этапы реализации установки для плазменного ускорения (FACET) и координировал проектирование системы финальной фокусировки международного линейного коллайдера. Он был ответственным за проектирование и реализацию международного проекта ATF2, являющегося прототипом системы финальной фокусировки линейного коллайдера, в Цукубе, Япония. За исследования систем линейного коллайдера А. Серый был избран почетным членом Американского физического общества. Научный вклад А. Серого включает в себя исследования пучок-пучковой компенсации, электронного охлаждения, системы фокусировки пучков, вопросов стабильности коллайдеров, новых методов ускорения.  Серая Елена Ивановна Научный сотрудник медицинского департамента Оксфордского университета. Работает в исследовательской группе радиационной онкологии и биологии, нацеленной на поиск комплексных путей лечения рака.
Елена родилась в городе Кемерово. Окончив школу с золотой медалью, а также заочную школу при НГУ, в 1981 году поступила в НГУ на факультет естественных наук (биология). Пути Елены и Андрея соединились в старшем классе школы, когда во время работы Елены над заданием заочной школы при НГУ по генетике они собирали фенотипическую информацию о большой популяции кошек в шахтерском поселке вблизи Кемерово. В 1986 году Елена окончила НГУ по специальности цитология и генетика. Работала в Институте цитологии и генетики СО РАН в Новосибирске. В конце девяностых Елена Серая работала в Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми (FNAL), участвуя в производстве новой системы кремниевых детекторов для коллайдера Теватрон. С 2000 по 2010 год Елена работала в медицинском департаменте Стэнфордского университета, в группе, первой в мире разработавшей принцип контактной печати олигонуклеотидных и ДНК-микрочипов, предназначенных для генетического анализа онкологических образцов с целью выявления связи конкретного типа рака с экпрессией генов. Будучи менеджером лаборатории и ответственной за процесс производства ДНК-микрочипов и статистический анализ генетической информации, Елена вдруг обнаружила, что ее коллеги привыкли также рассчитывать и на ее изобретательность при срочной починке различных научных приборов подручными средствами. Елена является автором более чем 260 иллюстраций в данной книге, автором части главы 9, посвященной обсуждению эффекта излучения на ДНК и терапии рака, а также автором данного перевода книги на русский язык. |
