К 65-летию академика Национальной академии наук Республики Казахстан при Президенте Республики Казахстан
Тлеккабула Сабитовича Рамазанова
Как описать вещество, в котором частицы уже не подчиняются упрощенной картине идеального газа, а каждое движение зависит от коллективного поля и квантовых эффектов? Для академика Тлеккабула Рамазанова этот вопрос стал научной программой длиною в жизнь. Его школа соединила теорию, компьютерное моделирование и эксперимент, чтобы сделать сложный мир неидеальной и пылевой плазмы доступным расчету, наблюдению и новым технологиям.
Материя, которая помнит соседей
Плазму часто называют четвертым состоянием вещества. Но это определение передает лишь самое общее: газ становится ионизованным, в нем появляются свободные электроны и ионы, а электрические поля начинают влиять на движение частиц. В разреженной и горячей плазме взаимодействие между отдельными частицами во многих задачах можно считать сравнительно слабым. В неидеальной плазме такая простота исчезает. Энергия взаимодействия становится сопоставимой с тепловой энергией, движение одной частицы меняет окружение, а окружение, в свою очередь, меняет ее траекторию.
Именно эта область физики стала главным предметом исследований Тлеккабула Сабитовича Рамазанова. Неидеальная плазма встречается в недрах планет и звезд, в плотном веществе, нагретом лазерным импульсом, в задачах инерциального термоядерного синтеза и в лабораторных газовых разрядах. Ее свойства нужны для расчета давления и переноса энергии, электрической проводимости, столкновений частиц и скорости установления теплового равновесия. Ошибка в описании взаимодействия на микроскопическом уровне затем переходит в ошибку модели всей системы.
Тлеккабул Сабитович родился 28 мая 1961 года в селе Ганюшкино Курмангазинского района Атырауской области. В 1983 году он с отличием окончил физический факультет Казахского государственного университета имени С.М. Кирова по специальности «Теоретическая физика», затем продолжил обучение в очной аспирантуре, диссертацию выполнял в Институте атомной энергии имени Курчатова (г.Троицк Московской области). Его профессиональная биография связана с Казахским национальным университетом имени аль-Фараби. Здесь он прошел путь от инженера и младшего научного сотрудника до профессора, руководителя научных подразделений и проректора.
В 1988 году молодой исследователь защитил кандидатскую диссертацию по численному моделировании теплофизических и электрофизических свойств плотной плазмы. В 1995 году в Объединенном институте высоких температур Российской академии наук он защитил докторскую диссертацию, посвященную теории и компьютерному моделированию неидеальной плазмы на основе псевдопотенциальных моделей. Он стал первым в Казахстане доктором физико-математических наук по специальности «Физика плазмы». В 1996 году ему присвоили ученое звание профессора.
Формула вместо бесконечности
Одна из центральных трудностей физики плазмы связана с кулоновским взаимодействием. Заряженные частицы действуют друг на друга на больших расстояниях, а применение простой формулы для точечных зарядов в некоторых расчётах приводит к бесконечно большим значениям энергии - математическим расходимостям. Реальная плазма сама меняет это взаимодействие. Окружающие заряды экранируют поле, а на малых расстояниях проявляется волновая природа частиц. В кандидатской диссертации 1988 года Рамазанову удалось завершить начатую еще в студенческие годы идею и вывести обобщенное уравнение Пуассона-Больцмана, описывающее одновременную корреляцию N частиц в плотной плазме на основе псевдопотенциала.
Псевдопотенциал, или эффективный потенциал, позволяет описать такое взаимодействие одной рабочей формулой. Это не условная замена или математический трюк, а способ включить в парное взаимодействие влияние среды, многочастичные корреляции, квантовую природу частиц. В статье 1995 года, опубликованной в престижном научном журнале Physics Letters, совместно со своим учителем академиком Фазылханом Баимбетовым, разработал новую псевдопотенциальную модель классической неидеальной плазмы, учитывающую коллективные явления. Эта работа обозначила крупное и перспективное направление, которое затем последовательно расширялось.
В 2002 году Тлеккабул Рамазанов со своими учениками впервые получил экранированные эффективные потенциалы для сильно связанной полуклассической плазмы, одновременно учитывающие квантово-механическую дифракцию на малых расстояниях и экранирование полей зарядов на больших. Для неспециалиста смысл результата можно выразить так. Учёные построили корректный «портрет силы» между частицами во всем диапазоне расстояний, где простая кулоновская формула уже недостаточна.
Следующий шаг был сделан для частично ионизованной плазмы, где рядом с электронами и ионами сохраняются нейтральные атомы. В работе 2005 года была выведена модель поляризационного взаимодействия «заряд - атом» с учетом дифракции и экранирования. Такие модели необходимы для расчетов транспортных и оптических свойств плотной плазмы, потому что столкновения электрона с атомом влияют на проводимость и состав системы.
В 2016 году Тлеккабул Рамазанов и его ученики применили метод мультипольного разложения к сложным частицам в классической и квантовой плазме. Они получили потенциалы для пар «диполь - диполь», «заряд - диполь», «заряд - атом» и «атом - атом». Метод показал, что если известно, как среда меняет поле отдельного заряда, то из этого можно последовательно вывести взаимодействие составных объектов. Так одна математическая идея связывает задачи пылевой плазмы, теплого плотного вещества и физики конденсированных сред.
Компьютерный эксперимент для плотной плазмы
Формула приобретает силу, когда на ее основе можно рассчитать измеряемое свойство материи. В работе 2006 года Тлеккабул Рамазанов и его немецкие коллеги применили молекулярную динамику для изучения микроскопических характеристик и электрической проводимости плотной квазиклассической водородной плазмы. В вычислительном эксперименте частицы движутся под действием заданных сил, а исследователь наблюдает, как из множества траекторий складывается коллективное поведение.
Этот подход особенно важен в промежуточной области параметров, где простые приближения уже ненадежны, а полный квантовый расчет чрезвычайно сложен. Компьютерное моделирование становится связующим звеном между аналитической теорией и физическим экспериментом. Оно позволяет проверить потенциал взаимодействия, получить корреляционные функции и оценить перенос заряда в условиях, характерных для астрофизических объектов и исследований управляемого синтеза.
Международная работа 2010 года, выполненная с коллегами из университетов Ростока и Калифорнии в Лос-Анджелесе, была посвящена уравнению состояния частично ионизованной водородной плазмы. Авторы связали вклад электрон-атомного взаимодействия с экспериментальными данными о рассеянии и рассчитали давление, химический потенциал и состав в зависимости от температуры и плотности. Полученные результаты стали ориентиром для проверки более приближенных моделей.
Позднее научная группа распространила этот подход на плотную плазму благородных газов. В публикациях 2022 года были построены эффективные оптические потенциалы взаимодействия электрона с атомами гелия и других благородных газов. Совместный учет экранирования, дифракции, поляризационного и обменного вкладов существенно менял характеристики рассеяния по сравнению с расчетом каждого эффекта по отдельности. Это важный методологический вывод. В плотной среде физические механизмы нельзя без проверки складывать как независимые поправки.
В исследовании 2024 года Тлеккабул Рамазанов и его коллеги рассмотрели температурную релаксацию в плотной горячей плазме бериллия. Расчет показал, что конечный размер и внутренняя структура ионного остова влияют на транспортное сечение электрон-ионных столкновений, частоту столкновений и скорость выравнивания температур. Для моделирования лазерно-индуцированной плазмы и инерциального термоядерного синтеза это принципиально. Время обмена энергией между электронами и ионами определяет эволюцию всей системы.
Плазма, в которой частицы строят кристалл
В начале 2000-х годов под руководством академика Тлеккабула Рамазанова в Казахстане стало развиваться новое направление - физика пылевой или комплексной плазмы. В обычный газовый разряд вводят микрочастицы твердого вещества. Они собирают на поверхности электроны, приобретают большой отрицательный заряд и начинают сильно взаимодействовать. При определенных условиях частицы выстраиваются в упорядоченную структуру, напоминающую кристаллическую решетку. Такой объект называют плазменным кристаллом.
Преимущество этой системы для физика состоит в ее наглядности. Атомы обычного кристалла нельзя проследить невооруженным глазом в реальном времени, а микрочастицы в плазме можно наблюдать камерой. Исследователь видит, как возникает порядок, распространяются волны, появляются дефекты и происходят фазовые переходы. Комплексная плазма становится модельной лабораторией статистической физики многих частиц.
В 2005 году на оригинальной экспериментальной установке в КазНУ впервые в Казахстане был получен плазменный кристалл. Этот результат имел значение не только как отдельный эксперимент. Вокруг установки сложилась исследовательская программа, в которой теория эффективных потенциалов встретилась с диагностикой газового разряда и прямым наблюдением микрочастиц.
Работа 2008 года показала, насколько осторожно нужно интерпретировать даже видимую картину разряда. В стратифицированном тлеющем разряде светящиеся слои не совпадали по положению с максимумами электрического поля. Численная модель и эксперимент объяснили кажущийся парадокс левитации пылевых частиц на «неожиданной» стороне страты. Оптическое свечение было пространственно смещено относительно поля из-за нелокальных процессов в электронной компоненте.
В 2014 году группа предложила альтернативный способ диагностики плазмы по ширине свободной от пыли области вокруг электрического зонда. Из измеряемого размера этой области модель позволяла определить температуру и концентрацию электронов. Результаты согласовывались с классической диагностикой зондом Ленгмюра. Такой метод полезен в режимах, где корректную вольтамперную характеристику стандартного зонда получить трудно.
Исследование 2015 года соединило лабораторный эксперимент и расчет образования войда - пустой области в центре пылевого облака. Было показано, что эту область формирует радиальная составляющая силы ионного увлечения. Чем выше ток разряда, тем шире войд. Расчет также предсказал более выраженные пустоты для крупных частиц и при меньшем давлении газа. Работа дала проверяемый прогноз для последующих экспериментов с комплексной плазмой в микрогравитации.
От наземной лаборатории до космоса
Гравитация мешает формированию больших трехмерных структур из микрочастиц. На Земле их приходится удерживать электрическим или магнитным полем. В микрогравитации этот фактор почти исчезает, и система открывает режимы, недоступные наземному эксперименту. Поэтому исследования сложных кулоновских систем естественно вышли на орбиту.
В 2016 году международная группа с участием Тлеккабула Рамазанова опубликовала результаты серии экспериментов на модернизированной установке «Кулоновские кристаллы» на борту Международной космической станции. В магнитной ловушке наблюдалось образование кластера заряженных и незаряженных диамагнитных частиц, возбуждение и затухание его колебаний, а также разрушение структуры в сильном электрическом поле. Заряд частиц оценивали по скорости их разлета из кластера.
В числе авторов исследования были казахстанские космонавты Талгат Мусабаев и Айдын Аимбетов. Эта работа требует точного разграничения понятий. Наземные плазменные кристаллы формируются из заряженной пыли в плазменной среде, тогда как орбитальный эксперимент изучал кулоновские кластеры диамагнитных частиц в магнитной ловушке без обычного плазменного экранирования. Общим для двух направлений остается физика сильно взаимодействующих частиц и самоорганизации.
Орбитальный эксперимент показывает характерную черту школы академика Рамазанова. Теория не замыкается в формуле. Эффективное взаимодействие проверяется в компьютерной модели, затем в лабораторной установке и, когда задача того требует, в условиях микрогравитации. Такой цикл превращает фундаментальную тему в устойчивую исследовательскую программу.
Квантовая гидродинамика с границами применимости
Еще одно направление работ связано с квантовой гидродинамикой. Она описывает коллективное движение электронов подобно движению жидкости, дополняя обычные уравнения квантовыми поправками. Метод привлекателен тем, что сложную многочастичную задачу можно представить через плотность, скорость и эффективные потенциалы. Но удобство порождает риск применять модель за пределами ее точности.
В обзорной теоретической работе 2018 года последовательно выведены уравнения квантовой гидродинамики для плазмы конечной температуры, уточнены известные результаты, предложена нелокальная форма потенциала Бома и отдельно обсуждены области применимости подхода. Значение этой статьи состоит и в полученных формулах, и в научной дисциплине. Авторы явно показали, какие приближения стоят за компактной моделью и при каких условиях ей можно доверять.
Такой стиль характерен для всей исследовательской линии академика. Эффективная модель ценна не потому, что упрощает задачу любой ценой, а потому, что сохраняет решающие физические механизмы и имеет проверяемые пределы. Это отличает рабочий научный инструмент от красивой, но неконтролируемой формулы.
Что эти исследования дали Казахстану
Исследования Тлеккабула Рамазанова и его научной школы имеют для Казахстана несколько важных результатов. Прежде всего, в стране сформировалось самостоятельное направление физики неидеальной и пылевой плазмы. Были разработаны собственные теоретические модели, компьютерные методы и экспериментальные установки. Благодаря этому казахстанские ученые получили возможность не только изучать зарубежные разработки, но и предлагать свои решения, публиковать результаты в ведущих международных журналах и участвовать в крупных совместных проектах.
Особое значение имеет создание в Казахстане экспериментальной базы для изучения пылевой плазмы. В 2005 году в КазНУ впервые в стране был получен плазменный кристалл. Разработанные установки позволили наблюдать движение заряженных микрочастиц, исследовать образование упорядоченных структур и проверять теоретические расчеты в лаборатории. Эти работы укрепили позиции Казахстана в современной физике плазмы и открыли возможности для подготовки молодых исследователей.
Результаты школы важны и для развития плазменных технологий. Исследования взаимодействия заряженных частиц, газовых разрядов и плазмы с микрочастицами создают научную основу для технологий получения и обработки новых материалов, нанесения покрытий, синтеза наночастиц, нанокластеров и диагностики плазменных процессов. Речь идет прежде всего о фундаментальной основе для будущих технологий. Переход от научной модели к промышленному применению требует дополнительных испытаний и инженерных разработок.
Отдельным достижением стало участие казахстанских ученых в космических исследованиях. Международные эксперименты на борту Международной космической станции позволили изучать поведение заряженных частиц в условиях микрогравитации. В работе участвовали казахстанские космонавты Талгат Мусабаев и Айдын Аимбетов. Тем самым Казахстан был представлен в космическом эксперименте не только как страна, отправившая своих космонавтов на орбиту, но и как участник научной программы.
Не менее важен кадровый результат. Под руководством академика подготовлены доктора и кандидаты наук, доктора PhD, специалисты по теоретической физике, компьютерному моделированию и экспериментальной физике плазмы. Созданная им школа продолжает исследования в Казахстане и сотрудничает с ведущими зарубежными центрами. Поэтому вклад академика измеряется не только опубликованными статьями, но и появлением научного направления, лабораторной базы и нового поколения ученых.
Этот вариант остается достоверным. Он не утверждает, что разработки уже массово внедрены в промышленность, а показывает их подтвержденное значение для науки, технологической основы, подготовки кадров и космических исследований.
Школа как продолжение идеи
Научная школа возникает там, где общий язык исследования переживает отдельную публикацию. В работах академика Рамазанова на протяжении трех десятилетий повторяется не тема, а метод. Определить физически обоснованное взаимодействие, проверить его в расчете, сопоставить с экспериментом и расширить модель на новый класс систем. Поэтому рядом с его именем появляются разные объекты - плотный водород, бериллиевая плазма, благородные газы, пылевые облака, плазменные и кулоновские кристаллы. Их объединяет физика коррелированных частиц.
С 1992 по 2011 год ученый руководил лабораториями математического моделирования процессов в плазме, пылевой плазмы и плазменных технологий в Научно-исследовательском институте экспериментальной и теоретической физики КазНУ. С 2011 года он возглавляет отдел Физики плазмы института. Под его руководством защищены одна докторская, двадцать кандидатских и шестнадцать диссертаций PhD. Эти числа показывают масштаб наставничества, но содержание школы лучше видно по публикациям. Бывшие ученики становятся соавторами, руководителями новых направлений и связующим звеном с международными лабораториями.
Научное сотрудничество школы охватывает центры Германии, Франции, России, Японии, США, Южной Кореи и других стран. Совместные статьи с университетами Ростока, Киля и Калифорнии, с российскими институтами и участниками космических экспериментов включают казахстанские результаты в международную физику плазмы. При этом исследовательская база сохраняется в Алматы. Установки, модели и подготовка молодых специалистов развиваются в КазНУ и связанных с ним институтах.
Тлеккабул Рамазанов опубликовал более 820 научных работ и выступил более чем с 240 докладами на международных конференциях. Однако научную школу определяет не сумма публикаций. Ее главный результат - способность формулировать новые задачи и воспроизводить культуру доказательства, в которой теоретический вывод проходит проверку расчетом и экспериментом.
Ученый организатор науки
Научная биография Рамазанова включает и крупную организационную работу. В 1998-2000 годах он был деканом физического факультета КазНУ, в 2000-2006 годах возглавлял НИИ Экспериментальной и теоретической физики. В 2006-2007 годах занимал должность Председателя Комитета науки Министерства образования и науки Республики Казахстан. В 2007-2008 годах был Проректором КазНУ по наукоемким технологиям и внедрению, а с декабря 2010 года по декабрь 2021 года - Проректором по научно-инновационной деятельности.
Для ученого такая работа означает переход от собственной лаборатории к архитектуре исследовательской среды. Требуется соединять фундаментальные проекты, подготовку кадров, инфраструктуру, международные связи, экспертизу и внедрение. Опыт исследователя, привыкшего видеть систему взаимодействующих частиц, оказался востребован и в управлении наукой: отдельный результат приобретает значение, когда для него существуют школа, оборудование, журнал, экспертиза и путь к следующему проекту.
Тлеккабул Рамазанов был экспертом международного научного фонда ИНТАС и рамочных программ Европейского союза по физике плазмы, рецензировал статьи для ведущих профильных журналов. Он является главным редактором англоязычного журнала Physical Sciences and Technology и участвует в работе научных советов и международных конференций. В 2017 году ученый был избран академиком Национальной академии наук Республики Казахстан.
Его труд отмечен Государственной премией Республики Казахстан в области науки и техники в 2015 году и орденом «Парасат» в 2017 году. Он трижды становился обладателем государственного гранта «Лучший преподаватель вуза» - в 2006, 2011 и 2021 годах, пять раз удостаивался государственной научной стипендии. Эти награды отражают редкое соединение исследовательской, педагогической и организационной работы.
Физика сильных связей
К шестидесятипятилетию Тлеккабул Рамазанов приходит как ученый, который сформировал в Казахстане самостоятельную школу физики неидеальной плазмы и плазменных нанотехнологий. Ее путь начался с вопроса о том, как правильно описать взаимодействие частиц в плотной плазме. Из этого вопроса выросли псевдопотенциальные модели, молекулярно-динамические расчеты, исследования проводимости и уравнения состояния, экспериментальная диагностика пылевой плазмы, плазменные кристаллы, новые наноматериалы и работы в условиях микрогравитации.
Научная ценность этой программы состоит в последовательности. Модель 1995 года не осталась исторической формулой. Её логика продолжилась в экранированных потенциалах, расчетах электрон-атомных столкновений, квантовой гидродинамике и современной задаче температурной релаксации плотной плазмы. Экспериментальная ветвь также развивалась от лабораторного разряда к диагностике сложных пылевых структур и космическим исследованиям.
Есть точная метафора для этого научного пути. Неидеальная плазма становится интересной тогда, когда частицы уже нельзя рассматривать поодиночке. Каждая несет след коллективного окружения. Так же устроена научная школа. Ее результат принадлежит не одному автору, а системе связей между учителем и учениками, теорией и экспериментом, Казахстаном и мировыми центрами. Тлеккабул Рамазанов сумел создать именно такую систему - сильносвязанную, устойчивую и способную порождать новые идеи.
Профессор
Гулмира Султанбаева
