Эволюция физики: как развивается эта наука

С чего начиналась физика, как она развивалась и будет развиваться, как выбрать перспективную область исследований и можно ли сравнивать карьеры молодых ученых из разных областей, расскажет Indicator.Ru.

От Галилея к Ландау и Лифшицу

Физика как наука давно превзошла круг традиционно рассматриваемых исследователями прошлого вопросов. Работающие сегодня в этой области ученые занимаются и биологическими системами, и экономикой, и теорией сетей. Однако родство этих областей с классическими далеко не всегда очевидно и заслуживает отдельного исследования. Именно этой теме посвящена новая работа, результаты которой опубликованы в первом номере нового журнала Nature Reviews Physics.

Были времена, когда один ученый мог обладать всеми накопленными человечеством знаниями по физике. Например, во времена Галилео Галилея практически вся эта наука ограничивалась тем, что на современном языке мы бы называли механикой. Однако с течением времени были открыты новые явления, а понимание уже известных процессов существенно расширилось и усложнилось. Так, уже в XIX веке сложно было представить человека, который бы хорошо разбирался в уже сформировавшихся разделах электричества, магнетизма, оптики и термодинамики.

Сегодня подобное уже очевидно невозможно, так как ни один человек не в состоянии даже просто прочитать огромный ежедневно появляющейся поток научной информации. Наиболее значимой «энциклопедической» работой по физике в XX веке, скорее всего, является «Курс теоретической физики» Ландау и Лившица, но и он при всем огромном охвате тем не может быть названым всеобъемлющим. В любом случае, сейчас значительная часть ученых —специалисты по своим узким темам, и они могут испытывать проблемы с пониманием исследований даже тех людей, с которыми учились на одном факультете.

Эта ситуация приводит как к чисто методологическим вопросам о взаимоотношении областей и применимости знаний, полученных в одном исследовании, к другим работам, так и к вполне прикладным. В частности, как студенту определить наиболее перспективную область, где можно ожидать быстрого роста объема знаний? Можно ли сравнивать карьеры молодых ученых из разных областей? Сколько статей из каждой области стоит ожидать редактору научного журнала и как сопоставить их значимость?

«Переписать» всех физиков

Чтобы получить объективную картину распределения физиков по более узким отраслям этой науки, авторы статьи провели «интеллектуальную перепись» ученых и их исследовательских траекторий. В результате удалось отследить эволюцию областей, а также количественно оценить распределение ресурсов и обмен знаниями.

Для начала авторы выделили около 3,2 миллионов научных статей из базы данных Web of Science, которые были опубликованы в сугубо физических журналах. Однако в эту подборку не попали междисциплинарные работы — чтобы их отсеять, авторы проанализировали цитирования оставшихся 47 миллионов статей. Если у публикации было значительно больше ссылок на физические журналы, чем можно было бы ожидать в модели случайных цитирований, то такая работа также считалась относящейся к физике. Таким образом удалось выделить еще 4,5 миллиона статей, которые по структуре цитирований не отличались от работ в физических журналах.

Следующим шагом было разделение массива на девять крупных областей согласно системе классификации для физики и астрономии PACS, которую широко применяли с 1985 по 2015 годы. Этот временной промежуток уменьшил суммарное число статей до 5,6 миллионов. Среди их авторов оказалось 135 877 ученых, написавших по крайней мере по пять статей. Их соотнесли с основной областью, в которой сделано большинство работ, и дополнительными, если таковые обнаружились. Уже на этом этапе были получены интересные результаты: 37% физиков внесли вклад только в одну область, еще 37% — в две, 20% — в три и 6% — в четыре. Однако между разными разделами наблюдалась заметная диспропорция: в физике высоких энергий и конденсированного состояния специалистов оказалось больше трети, в то время как в большинстве других областей их доля не превышала 10%.

Авторы также построили схему связей между разделами физики, которая отражала количество совместных работ у их представителей. Структура этих связей оказалось далеко не тривиальной: в ней можно выделить три группы, связанные преимущественно через общую физику.

Для исследования неравномерности распределения ученых по разным областям, авторы внимательно изучили демографию исследователей, оценив темпы публикации статей в новых для человека разделах. Оказалось, что в 1985 году больше трети ученых выбирали физику конденсированного состояния и публиковали свою первую статью именно об этом, в то время как к 2015 году их доля снизилась до нескольких процентов. Вместе с тем заметен значительный рост публикаций по астрофизике и междисциплинарным исследованиям, на которые сегодня приходится примерно 27% и 20% соответственно.

Авторы связывают эту тенденцию с историческими и политическими факторами. Так, высокая доля исследований в области конденсированного состояния на начало исследуемого периода времени может быть объяснена тесным сотрудничеством физиков из этой сферы с Министерством обороны США, которое оплачивало до 80% разработок. Другим заметным событием стал распад СССР и последующее изменение приоритетов в финансировании науки в США. В частности, отказ от строительства Сверхпроводящего суперколлайдера решением Конгресса в 1993 году связывается как раз с новой геополитической ситуацией, в которой ядерная физика перестала быть центром внимания властей. Отдельно обращает на себя внимание резкий всплеск новых работ по физике высоких энергий около 2010 года, что совпадает с получением первых данных Большим адронным коллайдером.

Интеллектуальная миграция

Также авторы детально анализируют переходы физиков между различными специализациями. Необходимо отметить, что почти две трети (64%) ученых пишут первые в карьере статьи по физике конденсированного состояния, физике высоких энергий или ядерной физике. Всего лишь 3% начинают карьеру астрофизиками. Однако с течением времени ситуация значительно меняется. Некоторые области, такие как конденсированное состояние, теряют значительное количество ученых, в то время как другие, такие как междисциплинарные исследования, существенно растут за счет физиков, начавших карьеру в других разделах.

Динамика этих переходов оказалась тесно связана со структурой совместных исследований представителей разных разделов. В частности, физика высоких энергий и ядерная физика обмениваются существенным количеством ученых и обе являются источником кадров для астрофизики, благодаря чему они выделяются в отдельный кластер на карте сотрудничества. К тому же дисциплины сильно различаются по разнообразию приходящих в них ученых: в плазменную физику и астрофизику многие приходят из других областей (именно они и составляют большинство), в то время как в физике конденсированного состояния 79% исследователей начинали карьеру в нем же.

В заключение авторы пишут, что у их работы есть очевидные ограничения, в первую очередь связанные с выборкой статей, так как в физике высоких энергий и астрофизике принято публиковаться на сервере препринтов arXiv.org, а не в журналах. Тем не менее, пересечение научной литературы весьма велико, так что авторы не предполагают существенной коррекции выводов при расширении анализируемого материала. Также недостаточно представлены более прикладные дисциплины, такие как кристаллография, что также связано с принятой в этой среде специфической публикационной культурой.

К основным выводам авторы отнесли выяснение нетривиальных взаимоотношений между разделами физики — близкие связи между одними и существенные разрывы между другими, — а также подтверждение значительных различий результативности ученых в зависимости от специализации. Количество публикаций (и, соответственно, цитирований) взрывным образом возросло в физике высоких энергий, ядерной физике и астрофизике, что делает невозможной адекватную оценку ученых на основе простых наукометрических показателей без учета специфики разных областей.

Возможными улучшениями описанного подхода к построению траекторий физиков авторы называют использование иного классификатора, анализ данных об исследователях, ушедших в другие научные дисциплины (от биологии до экономики и даже внеакадемические структуры), а также учет географической специфики, так как в подготовке кадров наблюдаются заметные различия между странами.

Как выбрать свою траекторию?

Indicator.Ru поговорил об этом исследовании с российскими учеными. Михаил Панасюк, директор Научно-исследовательского института ядерной физики имени Д. В. Скобельцына МГУ, полагает, что на популярность той или иной сферы влияют не только экономическое положение и история страны, но и особенности системы высшего образования.

«Популярность отдельных областей в естественных науках зависит от многих условий, в том числе и от страны, в которой развивается направление: где-то внимание акцентируют на прикладных работах, а страны побогаче могут тратить деньги на фундаментальные исследования, — рассказал Михаил Панасюк. — Вообще на это надо смотреть в исторической ретроспективе. Время от времени появляются точки роста, выдающиеся школы, которые существуют очень долго. Например, у нас в стране даже после ухода нобелевских лауреатов – Ландау, Капицы – долгое время сохранялись их школы. То же самое можно сказать про астрофизические исследования, вспомнить, например, Виталия Лазаревича Гинзбурга.

Кроме предыстории, важно, как развивается высшее образование. Моя точка зрения заключается в том, что высшее образование в естественных науках должно быть проектно-ориентированным. На первом-втором курсе студенты должны, безусловно, освоить фундаментальные дисциплины, но дальше должно идти образование, ориентированное на исследование. И сами студенты должны понимать, зачем нужна эта наука, где она применима. Предлагать им просто непрерывное образование, не ориентированное на конкретную цель, – это тупиковый путь. Но чтобы идти по такому направлению, нужно внимание государства. Не будет финансирования на исследования, не будет инфраструктуры – не будет и такого проектно-ориентированного образования. Могу привести пример из своих исследований. Три года назад мы запустили спутник “Ломоносов” для исследования космических лучей предельно высоких энергий. Это был прорывной эксперимент, ничего подобного в мире не проводилось, и молодежь, которую мы собрали, чувствовала, что проект сильный. Но что, если их пригласить в лабораторию, где проводится какой-то умирающий эксперимент? Они уйдут. И могут оказаться в очень тяжелой ситуации, потому что их время уйдет, ведь самый продуктивный рост специалистов приходится на молодые годы, до 30 лет. Потому очень важна ранняя ориентация на конкретную область науки. Она должна начинаться, на самом деле, со школы».

Мыслями о том, как студенту выбрать наиболее перспективную траекторию развития, поделились молодые исследователи. «Перспективная область для студента в первую очередь определяется текущим вливанием в эту область денег, так что самый простой способ — посмотреть последние сверхкрупные гранты. Однако тут каждому стоит решать самостоятельно: работать в перспективной области просто потому, что она перспективная, — это тупиковый вариант. Главное, чтобы человеку было интересно самому, а дальше – не так важно, — считает Илья Голоколенов, аспирант кафедры физики низких температур Института физических проблем им. П.Л. Капицы РАН. — И большую роль играют конференции и общение с другими группами, в том числе из других областей. Часто хороший доклад на конференции может послужить толчком в этом направлении, заинтересовавшиеся коллеги могут подойти и поделиться имеющейся у них информацией по данной теме и даже направить исследование в другую, неожиданную сторону».

«Чтобы определить перспективные области, надо проанализировать все Нобелевские премии, а также номинантов на эту премию за последние 20 лет. Будет несложно увидеть, какие из областей самые популярные: как раз всплывут такие направления как биоинженерия, физика высоких температур, новые материалы и так далее, – полагает Василий Ореховский, студент 1 курса магистратуры факультета аэромеханики и летательной техники МФТИ. — Чем моложе область, тем больше нового можно в ней сделать. Но, конечно, не факт, что все будет хорошо с финансированием без инвесторов. И, конечно, нельзя сравнивать карьеры тех, кто работает в относительно новых и «традиционных» областях физики. Например, аэрогидродинамика — здесь не получится стать известным и получить Нобелевскую премию. Впрочем, с молодыми областями тоже можно прогадать и ничего не открыть нового, но зато есть вероятность стать редким специалистом, а значит, более востребованным.

Очень многое зависит от финансирования: где оно отличное, там есть и прорывы. Например, SpaceX Илона Маска — он хорошо раскручен, область космоса развивается. Да и популярность, в свою очередь, привлекает новых инвесторов. Так что мода на науку, точнее, на определенные области, — это очень круто».

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.