Теория и практика: Нобелевская премия по физике 2019

 Вершина карьеры спортсмена — олимпийское золото, актеры и режиссеры мечтают о статуэтке Оскара, а в научном мире самой престижной наградой является Нобелевская премия. В этом году лауреатами в области физики стали космолог Джеймс Пиблз, астрофизик Мишель Майор и астроном Дидье Кело. Мы расскажем, часто ли дают двойные премии, как физтехи наступали Пиблзу на пятки и заодно поделимся советом, как не упустить Нобелевскую премию! А разобраться во всем нам поможет астрофизик Геннадий Бисноватый-Коган.

Геннадий Семенович Бисноватый-Коган, выпускник аэромеханического факультета Физтеха, специалист в области плазменной астрофизики. Главный научный сотрудник, член Ученого совета Института космических исследований РАН и Ученого совета Учебно-научного института гравитации и космологии. Член Европейской академии наук с 2003 года.

 

 

Немного истории

Возникновением Нобелевской премии ученые обязаны тем, кого так не любят, — недостаточно тщательно проверяющим информацию журналистам. Всем знакома фраза Марка Твена, которой он прокомментировал собственный некролог в New York Journal: «Слухи о моей смерти несколько преувеличены». Почти десятью годами ранее в схожей ситуации оказался Альфред Нобель. Скончался его старший брат Людвиг, но репортеры, не разобравшись, напечатали статью под хлестким названием «Торговец смертью мертв». Пацифист Альфред пришел в ужас от перспективы остаться в истории как производитель динамита и, к великому неудовольствию большей части наследников, переписал завещание:

 

Как выбирают лауреатов?

Процесс выдвижения кандидатур начинается в сентябре. Нобелевским лауреатам прошлых лет, академическим учреждениям и выдающимся ученым разных стран рассылаются письма с просьбой принять участие в номинировании. Кандидатуры принимаются до 31 января, на этом этапе опрашивается около 3 тысяч человек. Специальная комиссия формирует списки из примерно двухсот фамилий и отправляет экспертам, которые сокращают их до пятнадцати. Право окончательного выбора принадлежит Нобелевскому комитету по физике, расположенному в Шведской академии наук. Комитет принимает решение в октябре, оглашает имена победителей, имена же остальных номинантов будут держаться в тайне в течение 50 лет. Награждение проходит в день смерти Нобеля — 10 декабря.

 

Немного статистики

С 1901 года премия по физике была присуждена 112 раз (не присуждалась в 1916, 1931, 1934 а также с 1940 по 1942 год). Было награждено 210 лауреатов, самому молодому — Лоуренсу Бреггу (за заслуги в исследовании кристаллов с помощью рентгеновских лучей) на тот момент было 25 лет, самому пожилому — 96 (Артур Эшкин, за изобретение оптического пинцета и его применение в биологических системах). Всего 47 раз премия была вручена одному лауреату, 32 — двум, 33 — трем, максимальному возможному количеству. Двое награжденных всегда получают по половине денежного вознаграждения, в случае трех возможны варианты ⅓, ⅓, ⅓ или ½, ¼, ¼. Последняя схема применяется либо чтобы отметить большие заслуги одного из ученых, либо когда премия дана за два открытия. 

В 2019 году Нобелевскую премию присудили Джеймсу Пиблзу за теоретические открытия в физической космологии и Мишелю Майору с Дидье Кело за открытие экзопланеты. Космология и поиск экзопланет — довольно разные области знаний, поэтому нас заинтересовало, как обычно сочетаются тематики «двойных премий».

Вооружившись списком нобелевских лауреатов по годам, мы выяснили, что премии за два открытия давались 23 раза, и сочетания бывали как логичные (Беккерель, например, был награжден за открытие самопроизвольной радиоактивности, Мария и Пьер Кюри — за ее исследование), так и достаточно экзотичные. Так, половина премии 1978 года досталась Петру Капице за фундаментальные изобретения и открытия в области физики низких температур и по четверти — Арно Пензиасу и Роберту Вильсону — за открытие реликтового излучения (где их, кстати, чуть не опередил Пиблз, но об этом позже). Если в 2019-м еще можно хотя бы условно выделить общую тематику — космос, здесь «половинки» вышли уж совсем непохожими.

Значит, будем дольше жить

Ждать награды лауреатам пришлось долго — часть ключевых работ Пиблза написана еще в конце 60-х, Майор и Кело обнаружили экзопланету в 1995-м, но это не предел. Так, астрофизик Субраманьян Чандрасекар получил в 1983-м году премию за открытие, сделанное  в 1930-м! В полушутливой статье «The Nobel Prize delay» группа ученых подсчитала, сколько в среднем времени проходит в ожидании и как этот промежуток меняется в зависимости от года вручения. Оказалось, что он неуклонно растет, причем для физиков быстрее, чем для химиков и медиков. Такими темпами средний возраст лауреатов в обозримом будущем будет превышать среднюю продолжительность жизни.

— Видимо, средний срок ожидания растет, потому что прорывных открытий стало меньше. В начале ХХ века Беккерель открыл радиоактивность, Эйнштейн — фотоэффект, и значимость этих работ была очевидна. Теперь же все открытия связаны с огромными техническими затратами, над ними работает множество ученых, надо выбрать самых достойных, на это нужно время. Хотя если работа действительно яркая и выдающаяся, наградить могут достаточно быстро. Так, от открытия пульсаров до Нобелевской премии прошло всего семь лет.

Есть и другой пример. Выпускники Физтеха Андрей Гейм и Константин Новосёлов были удостоены премии спустя шесть лет после публикации в Science их статьи о технологии получения графена в 2004 году. 

 

Космические гонки

Работы Пиблза в области теоретической космологии оказали большое влияние на развитие современной астрофизики. Джеймс занимался исследованием реликтового излучения и был в шаге от Нобелевской премии за его открытие. Также он указал на принципиальные вопросы того, как будет происходить расширение Вселенной на ранних стадиях и как — в современную эпоху.

Пиблз был одним из первых космологов в Америке, возродивших к жизни модель горячей Вселенной Георгия Гамова, выдающегося советско-американского физика-теоретика. Широта научных интересов Гамова достойна восхищения — им написаны фундаментальные работы по физике (теория альфа распада), астрофизике (горячая вселенная) и биофизике (расшифровка генетического кода).

 Гамов предположил, что, раз сейчас Вселенная расширяется, значит, когда-то она была очень сильно сжата, и выдвинул теорию образования всех элементов из ульма — протовещества, состоящего из нейтронов, протонов, электронов и квантов света (сейчас мы знаем, что так образуются только водород и гелий, — более тяжелые элементы формируются внутри звезд). Кроме того, в 1948 году он же предсказал существование реликтового излучения. Сразу после Большого взрыва возникло облако электромагнитного излучения очень горячего тела — новорожденной Вселенной. По прошествии миллиардов лет оно существенно ослабло, и теперь аналогично излучению абсолютно черного тела с температурой всего несколько Кельвинов.

— Группа ученых в Принстоне под руководством американского астрофизика Роберта Дикке, в которую входил и Пиблз, начала строить радиотелескоп для обнаружения этого излучения. Оно еще не называлось реликтовым — просто микроволновым фоном, оставшимся после расширения Вселенной. Уже в процессе строительства телескопа выяснилось, что в другой лаборатории в США при тестировании телескопа Арно Пензиас и Роберт Вильсон выявили неустранимый шум примерно 3-градусной яркостной температуры. Когда об этом узнал Бёрк — был такой известный радиоастроном  — он понял, что 3-градусный шум и есть это реликтовое излучение, и посоветовал сообщить об этом Пиблзу и Дикке.

Как  позже будет вспоминать Пиблз, Дикке, выслушав рассказ Пензиаса по телефону, положил трубку, обвел взглядом всю свою группу, собравшуюся для обсуждения дальнейшей работы, и произнес: «Boys, we were scooped!» («Ребята, нас обскакали!»). В итоге в 1965 году в «The Astrophysical Journal» вышло две статьи — Пензиаса и Вильсона, рассказывающая об обнаружении «шума», и Пиблза и Дикке — о теоретических аспектах этого явления. Теория «горячей Вселенной» получила убедительное подтверждение. В 1978 году Пензиас и Вильсон были удостоены Нобелевской премии за открытие реликтового излучения.

— Если вспомнить историю — в 57-м году в Ленинграде происходило тестирование нового, сравнительно небольшого студенческого телескопа, во время которого был замечен неустранимый шум температурой около 4 градусов Кельвина. Радиоастроном Тигран Арамович Шмаонов, на тот момент аспирант, опубликовал статью об этом в журнале «Приборы и техника эксперимента», где ее потенциал никто не разглядел. Температура шума была определена с большой погрешностью, ± 3К, но, конечно, если бы кто-то понял, что речь идет о реликтовом фоне, увеличить точность было бы легко. Но этого не случилось. Работа была закончена, Шмаонов защитил диссертацию и ушел работать в другое место.

Я думаю, что единственным человеком в Советском Союзе, который мог бы понять, насколько на самом деле интересна работа Шмаонова, был руководитель нашей группы, выдающийся физик Яков Борисович Зельдович. Конечно, он тогда был увлечен моделью холодной Вселенной, но знал и о горячей, в его группе работали астрофизики Дорошкевич и Новиков, в 1964 году теоретически выяснившие, где нужно искать реликтовое излучение. Увы, статья была опубликована в неастрономическом журнале, и на глаза никому из них не попалась, результат был потерян для советской науки. Что ж, как говорил Яков Борисович, «без паблисити нет просперити».

Конкуренция между группами Зельдовича и Пиблза была очень острой. Так, например, Яков Борисович со своими сотрудниками работал над статьей, посвященной рекомбинации водорода. Идея заключается в том, что когда на пути излучения, распространяющегося от квазара, попадается облако нейтрального водорода, водород «выедает» из спектра фотоны с длиною волны, соответствующей переходу атома из первого возбужденного состояния в основное. Так как Вселенная расширяется, свет по мере пути к нам «краснеет» — смещается в более длинноволновую область, смещаются и «провалы». Изучая расположение провалов, можно узнать, на каком расстоянии от нас расположен квазар. Статьи групп Зельдовича и Пиблза вышли с разницей буквально в две недели — Пиблз оказался впереди.

Зато Яков Зельдович и его ученик Рашид Сюняев, кстати, тоже выпускник МФТИ, опередили Джеймса в исследовании рассеяния фотонов реликтового излучения на электронах межзвездного газа. Сталкиваясь с электронами, фотоны «забирают» их энергию, и их частота возрастает. В результате число фотонов на низких частотах падает, а на высоких — растет. Наблюдая этот эффект, названный впоследствие эффектом Сюняева — Зельдовича, можно определить, в каком направлении расположено скопление газа.

— Я могу еще рассказать одну историю, которая произошла на моих глазах. На конференции по нелинейным процессам присутствовали два нобелевских лауреата. Одним из них был Гинзбург, вторым Клод Коэн-Таннуджи — француз, который только что получил Нобелевскую премию за создание методов охлаждения и улавливания атомов лазерным лучом.

Во время выступления Гинзбурга, посвященного его Нобелевской премии, один из присутствующих в аудитории сказал: «Вот наших все время зажимают в Нобелевских премиях. Сейчас дали какому-то Коэн-Таннуджи, хотя у нас был Летохов, который то же самое открыл». И все закричали: «А Коэн-Таннуджи, он же здесь сидит. Он сейчас может рассказать». Вышел этот нобелевский лауреат Коэн-Таннуджи и сказал… Говорил он довольно долго, но основная суть такая. «Да, действительно, темой занималось еще 20 групп, в том числе и группа Летохова. Все они получали интересные и важные результаты, но обобщить все эти результаты и дать полную картину удалось только мне, поэтому мне и дали Нобелевскую премию». Так же и Пиблз был награжден, в том числе и за то, что он сумел обобщить различные  исследования в области космологии и объяснил это всем в более популярной форме.

 

В далекой-далекой галактике

Вторая половина Нобелевской премии 2019 года досталась Дидье Кело и его учителю Мишелю Майору за открытие экзопланеты у 51 звезды Пегаса. Планеты светят отраженным светом, поэтому не так легко увидеть даже относительно близкие к нам.Например, Нептун был открыт не непосредственным наблюдением, а по влиянию, которое он оказывал на орбиту Урана. Что уж говорить о тех, что находятся за пределами Солнечной системы!

Однако есть способы обнаружить планету без прямого наблюдения, и тот из них, что использовали Майор и Кело, называется методом радиальных скоростей. Его суть заключается в том, что планета и звезда вращаются вокруг общего центра масс (то есть когда мы говорим, что Земля вращается вокруг Солнца, мы неправы). Получается, что звезда то приближается к нам, и тогда, согласно эффекту Доплера, ее свет для нас «синеет», то удаляется, «краснея».

Однако заметить этот эффект достаточно сложно — ведь масса звезды намного больше, чем планеты, требуется высокая точность приборов. Так, массивный Юпитер заставляет Солнце двигаться со скоростью 12 м/с, а Земля — всего 10 см/с. Вклады всех планет складываются. Майор совместно с коллегами разработал спектрограф ELODIE для Обсерватории Верхнего Прованса, точность которого оказалась в 20 раз выше, чем у старого прибора. Он позволял фиксировать колебания звезды со скоростью 10 м/с, так что неудивительно, что первая обнаруженная планета по параметрам оказалась ближе к Юпитеру, чем к Земле. Интересно, что она оказалась так близко к своей звезде — в 20 раз ближе, чем Земля к Солнцу! До этого считалось, что другие системы устроены подобно Солнечной: некрупные каменные планеты на внутренних орбитах, потом идут газовые гиганты, затем — ледяные.

Дидье и Кело повезло оказаться первыми, ведь поиск планет вели сразу несколько научных коллективов. Всего через несколько недель поступило сообщение об открытии еще двух планет того же типа, «горячих юпитеров».

— Сейчас счет экзопланет уже идет на тысячи. Открытие Кело и Майора сделало поиск экзопланет одним из самых модных направлений в астрофизике. Сперва были найдены большие объекты типа Юпитера, потом научились находить и поменьше, больше похожие на Землю. Теперь уже встал вопрос о поиске обитаемых планет, пусть даже жизнь там представлена бактериями или вирусами. Это крайне интересно, поэтому Майор и Кело как первооткрыватели, несомненно, Нобелевскую премию заслужили.