ныхи поисковых научных исследований
Раздел фундаментальных и поисковых научных исследований
II. Область научных знаний: 2. Естественные науки
Направление науки: 2.1. Физические науки
Основные научные задачи и ожидаемые прорывные результаты до 2030 года
В области астрономии и астрофизики фундаментальные задачи будущего десятилетия связаны с вопросами происхождения и эволюции Вселенной, синтеза химических элементов, возникновения и развития жизни в космосе, природы и эволюции темной материи и темной энергии, появления первых объектов во Вселенной. Важной задачей является изучение планетных систем вокруг других звезд нашей Галактики.
В кооперации с международными институтами будут продолжены работы по регистрации гравитационно-волновых сигналов от сливающихся черных дыр и нейтронных звезд, в том числе в электромагнитном диапазоне длин волн. Принципиальную роль в решении проблем эволюции Вселенной сыграет рентгеновская космическая обсерватория "Спектр-РГ". Значительное продвижение в понимании природы объектов со сверхвысокими плотностями будут иметь проводимые совместно с мировым сообществом исследования в области нейтринной астрономии и физики космических лучей сверхвысоких энергий, при использовании астрономических методов в совокупности с методами ядерной физики. Развитие гамма-астрономии посредством создания отечественных орбитальных и наземных гамма-обсерваторий нового поколения необходимо для исследования фундаментальных процессов в космических ускорителях частиц и проблем космической безопасности. Исключительно важным также представляется развитие оптических, радио- и субмиллиметровых наблюдательных средств. Российские ученые будут принимать участие в исследовании планет Солнечной системы, в первую очередь Венеры и Марса. Значительные усилия будут направлены на развитие технических средств для изучения Луны. Будет развиваться направление по изучению Солнца, солнечно-земных связей (включая ионосферные проявления) и малых тел Солнечной системы, в частности в контексте проработки фундаментальных основ создания системы прогнозирования и парирования космических угроз (проявления космической погоды, астероидно-кометная опасность и др.) . Российским ученым и инженерам предстоит решить задачи освоения ультрафиолетового, инфракрасного и миллиметрового диапазонов длин волн, которые позволят изучать физические свойства материи во Вселенной в широчайшем диапазоне физических условий. Проблемы астрономии и астрофизики тесно переплетаются с современными задачами ядерной физики, в том числе поиском границы нашего мира и определением возможного количества химических элементов. Наряду с космическими исследованиями поиски новых типов материи будут продолжены на Большом адронном коллайдере.
Будут продолжены фундаментальные исследования колебательных и волновых систем и процессов, используемых для создания новых систем генерации, преобразования и регистрации электромагнитных волн, а также использования новых систем для диагностики окружающей среды и природных явлений катастрофического характера. Развиваются такие традиционные области, как радиофизика, радиофотоника, акустика и акустоэлектроника. Особое внимание уделяется фундаментальным проблемам распространения радиоволн, методам и средствам генерации, усиления, преобразования и приема электромагнитных волн, разработке когерентных источников микроволнового излучения и источников излучения со сверхширокополосным спектром.
Отдельный междисциплинарный интерес вызывают фундаментальные исследования в области современной оптики, фотоники и лазерной физики, в том числе вопросы создания новых лазерных генераторов и исследования взаимодействия лазерного излучения с веществом. Во всем мире в перечень приоритетных направлений входят исследования в области физики экстремальных световых полей и экстремального состояния вещества, в первую очередь по проблемам создания рекордно мощных источников излучения с уникальными параметрами (в том числе рентгеновского и терагерцевого, аттосекундных импульсов, с использованием пучков заряженных частиц) и их приложений. Технологический прорыв ожидается в интегральной, волоконной и адаптивной оптике, где особой задачей является миниатюризация оптических элементов и совмещение их с электронными компонентами. Новые инструменты фотоники станут основой методов оптической диагностики веществ со сверхвысоким пространственным, временным и энергетическим разрешением. Достижения фотоники стимулируют развитие новых научных направлений, обеспечат революционное развитие современного материаловедения, электроники, энергетики, робототехники, информатики и медицины.
Актуальными будут мероприятия по созданию новых источников энергии, а также по разработке новых методов генерации интенсивных потоков ускоренных частиц и электромагнитного излучения. Российской Федерации принадлежит приоритет в области создания гиротронов - источников излучения, используемых для нагрева плазмы и генерации постоянных токов, обеспечивающих стабильность работы установок по получению управляемого термоядерного синтеза. Важным приоритетным направлением исследований будет разработка мощных источников термоядерных нейтронов. В центре внимания фундаментальных исследований в области физики плазмы будут находиться крупные национальные и крупные международные проекты по освоению энергии управляемого термоядерного синтеза (в том числе международный экспериментальный термоядерный реактор ИТЭР) . Большое внимание будет уделяться изучению процессов ионно-атомных взаимодействий.
Новым прорывным направлением являются квантовые технологии, развитие которых позволяет вести поиск и исследование новых эффектов, интересных с точки зрения понимания квантовой механики, а также обеспечивает создание принципиально новых устройств, например, с элементами нанофотоники и наноплазмоники, имеющих потенциальное применение в области квантовой информатики, криптографии, сенсорики, телекоммуникаций.
Актуальными остаются исследования физических и технологических основ создания элементов квантовых симуляторов, квантовых компьютеров и квантовой связи, в том числе с использованием сверхпроводящих структур, лазерно-охлажденных атомов в вакуумных ловушках, атомов примесей в изотопически чистых полупроводниках, квантовых точек, фотонных чипов. Высокая прикладная значимость таких исследований определяется необходимостью разработки новых стандартов времени и частоты, совершенствования метрологических и навигационных систем, создания новых сенсорных инструментов и квантовой криптографии.
Указанные исследования непосредственно связаны с основными задачами физики конденсированных сред, физического материаловедения, физики поверхности и границ раздела, физическими и технологическими основами создания новых типов функциональных материалов и устройств с заданными характеристиками. Значительный междисциплинарный интерес представляет создание новых типов функциональных материалов и структур - полупроводников и наногетероструктур, высокотемпературных сверхпроводников, конструкционных материалов и композитов, структур и покрытий с заданными характеристиками (например, жаропрочные, с заданными трибологическими свойствами, "умные" материалы, эффективные фотовольтаические и магнитные материалы) . Технологии создания новых материалов с заданными свойствами и эксплуатационными характеристиками входят в перечень важнейших наукоемких технологий, утвержденный Указом Президента Российской Федерации от 18 июня 2024 г. № 529 "Об утверждении приоритетных направлений научно-технологического развития и перечня важнейших наукоемких технологий". Важными задачами физического материаловедения являются создание технологий получения порошков, новых инструментальных, функциональных металлокерамических и керамических компактных материалов и покрытий с применением методов плазмохимического синтеза, искрового плазменного и жидкофазного спеканий, электроискрового легирования, установление физико-химических и технологических основ получения металлокерамических, интерметаллидных и биосовместимых металлических покрытий, применяемых в машиностроении, энергетике и медицине, установление оптимального состава, структуры и свойств высокоэнтропийных сплавов (ВЭС) , предназначенных для формирования жаро- и износостойких покрытий и получения компактных металлокерамических материалов на основе карбидов переходных металлов, установление влияния электронной структуры полученных новых систем со структурой перовскита на их каталитическую активность.
В области физики конденсированного состояния будут продолжены поиск и исследования фундаментальных физических эффектов, в том числе таких, как нелинейные эффекты, поляритоны (гибридные состояния "свет - вещество") , электронные эффекты, связанные с сильным спин-орбитальным взаимодействием, спиновые взаимодействия в наноструктурах, спиновые волны и другие возбуждения, процессы их генерации, детектирования, распространения, Бозе-конденсация. Важными являются также комплексные исследования физико-механических свойств и закономерностей эволюции дефектной структуры материалов разных типов с целью повышения функциональных свойств и выявления физических закономерностей развития разрушения.
Будет развиваться медицинская физика в части глубоких фундаментальных исследований на стыке физики, химии и биологии и в части разработки новых методов и инструментов диагностики и лечения различных заболеваний.
В рамках сформулированных основных задач будут разработаны фундаментальные основы технологий, имеющих высокое прикладное значение, в том числе ядерных, лазерно-оптических (фотонных) , квантовых, координатно-навигационных и метрологических, медицинских, технологий физического материаловедения.
Перечень приоритетных направлений фундаментальных и поисковых научных исследований
Направление фундаментальныхи поисковых научных исследований | Раздел фундаментальных и поисковыхнаучных исследований |
| 2.1.1. Физика атомови молекул | 2.1.1.1. Квантовая физика ультрахолодных атомов, ионов и молекул в электромагнитных полях |
| 2.1.1.2. Спектроскопия атомов, ионов и молекули лазерное разделение изотопов | |
| 2.1.1.3. Динамика и структура больших молекули атомно-молекулярных комплексов | |
| 2.1.1.4. Физика атомных и молекулярных столкновений | |
| 2.1.1.5. Атомные столкновения с твердым телом | |
| 2.1.2. Физика конденсированных среди физическое материаловедение | 2.1.2.1. Теория конденсированных сред |
| 2.1.2.2. Структура конденсированных сред, связь структуры и свойств | |
| 2.1.2.3. Физика магнитных явлений, магнитные материалы и структуры, спинтроника | |
| 2.1.2.4. Физика полупроводникови диэлектриков | |
| 2.1.2.5. Физика нано- и гетероструктур, мезоскопика | |
| 2.1.2.6. Физика поверхности, границ разделаи других протяженных дефектов | |
| 2.1.2.7. Физика низких температур, квантовые кристаллы и жидкости | |
| 2.1.2.8. Квантовая макрофизика, Бозе-конденсаты, сверхпроводимость | |
| 2.1.2.9. Свойства веществ при экстремальных внешних воздействиях | |
| 2.1.2.10. Физическое материаловедениеи физика дефектов | |
| 2.1.2.11. Фундаментальные проблемы физической электроники | |
| 2.1.2.12. Спектроскопические и резонансные методы исследования конденсированных сред | |
| 2.1.3. Ядерная физика | 2.1.3.1. Физика элементарных частици фундаментальных взаимодействий |
| 2.1.3.2. Фундаментальная физика атомного ядра | |
| 2.1.3.3. Нейтринная физика, астрофизическиеи космологические аспекты ядерной физикии физики элементарных частиц | |
| 2.1.3.4. Физика космических лучейи гамма-астрономия | |
| 2.1.3.5. Физика ускорителей заряженных частиц, включая синхротроны, лазеры на свободных электронах, источники нейтронов, а также другие источники элементарных частиц, атомных ядер, синхротронного и рентгеновского излучения | |
| 2.1.3.6. Методы детектирования элементарных частиц, атомных ядер и ионизирующего излучения, методы рентгеновской и нейтронной оптики | |
| 2.1.3.7. Ядерно-физические методы в медицине, энергетике, материаловедении, биологии, экологии, системах безопасности и других областях | |
| 2.1.4. Физика плазмы | 2.1.4.1. Физика высокотемпературной плазмыи управляемый ядерный синтез |
| 2.1.4.2. Физика низкотемпературной плазмы | |
| 2.1.4.3. Плазменные процессы в геофизикеи астрофизике | |
| 2.1.4.4. Физика плазменных устройств | |
| 2.1.5. Оптика и лазерная физика | 2.1.5.1. Взаимодействие лазерного излученияс веществом, в том числе в сверхсильных полях. Генераторы сверхкоротких сверхмощных импульсов излучения |
| 2.1.5.2. Перспективные методы оптических квантовых вычислений и квантовых коммуникаций | |
| 2.1.5.3. Волоконная оптика, оптическая связь, оптическая информатика | |
| 2.1.5.4. Методы спектроскопии, люминесценции и прецизионных оптических измерений | |
| 2.1.5.5. Физика лазеров и лазерных материалов. Нелинейные оптические явления | |
| 2.1.5.6. Новые оптические материалы, оптические элементы фотоники, интегральная оптика, голография, нанофотоника, плазмоника, метаматериалы и метаповерхности | |
| 2.1.5.7. Методы фотоники для примененияв технике и медицине | |
| 2.1.6. Радиофизикаи электроника, акустика | 2.1.6.1. Когерентные источники микроволнового излучения и их применение |
| 2.1.6.2. Методы генерации, усиления, преобразования и приема электромагнитных волн | |
| 2.1.6.3. Физика нелинейных волн и нелинейная динамика | |
| 2.1.6.4. Фундаментальные проблемы распространения радиоволн. Ионосферное распространение радиоволн | |
| 2.1.6.5. Акустика, в том числе нелинейная, акустоэлектроника, акустооптика | |
| 2.1.6.6. Наносекундная электроника больших мощностей и ее применение | |
| 2.1.6.7. Радиофизические методы диагностики окружающей среды | |
| 2.1.7. Астрономияи исследования космического пространства | 2.1.7.1. Происхождение, строение и эволюция Вселенной |
| 2.1.7.2. Физика галактик и межгалактической среды | |
| 2.1.7.3. Физика звезд, межзвездной средыи компактных объектов | |
| 2.1.7.4. Солнце и солнечно-земные связи | |
| 2.1.7.5. Планеты и планетные системы | |
| 2.1.7.6. Методы наземной и внеатмосферной астрономии | |
| 2.1.7.7. Астрофизика высоких энергий и физика частиц |
Направление науки: 2.2. Химические науки
Основные научные задачи и ожидаемые прорывные результаты до 2030 года
Первостепенной задачей современных фундаментальных исследований в области химии остается поиск методов контроля химических реакций на уровне отдельных реагирующих молекул, который является основой всех практических приложений современного химического знания от биохимического медицинского анализа до разработки крупнотоннажных химических производств.
Другая ключевая задача химии будущего - установление химических механизмов появления жизни и процессов в живых системах. Изучение химии мышления и памяти живых систем, тесно связанное с разработкой искусственного интеллекта и развитием бионических технологий, будет иметь приоритетное значение. Развитие комплекса химических и междисциплинарных подходов к описанию сложности живых систем обеспечит переход к комплексному управлению процессами жизни на молекулярном уровне. Фундаментальное изучение химической природы живых организмов - основа разработки лекарственных средств и методов лечения от неизлечимых и социально значимых заболеваний в рамках направления фундаментальных физико-химических исследований механизмов физиологических процессов и создание на их основе фармакологических веществ и лекарственных форм для лечения и профилактики социально значимых заболеваний. Важное значение будут иметь задачи создания новых лекарств для ранней диагностики и лечения онкологических и тяжелых вирусных заболеваний, аутоиммунных и орфанных заболеваний. Большим вызовом для химии является антибиотикорезистентность и поиск альтернативных, принципиально новых антибактериальных средств.
В связи с глобальными климатическими изменениями возрастающую роль в развитии химической науки будут играть исследования, нацеленные на охрану окружающей среды и снижение антропогенной нагрузки на экосистемы. Понимание химических взаимосвязей планетарного комплекса, включающих землю, море, атмосферу и биосферу, позволит эффективно поддерживать сложный экологический баланс и жизнеспособность биосферы нашей планеты. Решение этой фундаментальной проблемы имеет принципиальное значение для разработки государственной политики, нацеленной на предотвращение деградации окружающей среды. Одно из ключевых направлений "зеленой химии" будущего - создание биоподобных химических технологий с использованием самосо