Нобелевская премия по физике

Солл Перлмуттер	Адам Рисс	Брайан Шмидт

С 3 по 10 октября в Стокгольме прошла 110-я нобелевская неделя. Весь мир напряженно ждал решения Нобелевского комитета. По правилам комитета список претендентов не разглашается. Заключались многочисленные пари и делались ставки на победителей. Знаменитое информационное агентство Рейтер называет наиболее вероятных претендентов на победу в четырех номинациях: физике, химии, физиологии и медицине, экономике. Эксперты анализируют данные о количестве цитирований того или иного ученого в научной прессе, а также оценивают фундаментальность сделанного им открытия.

Эти предсказания сбываются довольно часто. Так, например, в 2008 г. агентство угадало победителей сразу в трех номинациях, а в 2010 г. было предсказано присуждение премии А.Гейму и К.Новоселову за открытие графена. В этом году, по мнению Рейтер, за Нобелевскую премию по физике должны были бороться три группы ученых (их фамилии я не хочу называть по этическим соображениям). Первая - за работы по проверке возможного нарушения неравенства Белла и работы по «квантовой запутанности». Вторая группа – за открытие и изучение фотонных кристаллов. Наконец, третьим фаворитом был автор работ по ферромагнетизму и разбавленным магнитным полупроводникам. Как мы теперь знаем, победителями оказались американцы Сол Перлмуттер, Адам Рисс и австралиец Брайан Шмидт за «открытие возрастания скорости расширения Вселенной посредством изучения отдаленных сверхновых звезд».

Не хочу показаться нескромным, но для меня этот результат не оказался сюрпризом. Я уже отмечал, что в работе нобелевского комитета наблюдается некоторая цикличность – в этом году была «очередь» астрофизики и космологии. Эта премия, на мой взгляд, логически продолжает присуждение Нобелевской премии в 2006 г. за открытие равновесной формы космического фонового излучения и его анизотропии. Обнаруженные флуктуации температуры реликтового излучения соответствовали предсказаниям «инфляционных» космологических моделей и указывали на места возникновения галактик и звезд, области концентрации вещества во Вселенной (см. «Научные среды», 2006). Особенно интересной здесь оказывалась роль «темной» материи, которая должна существенно менять температуру равновесного излучения.

Ускоренное расширение Вселенной – следствие одной из самых популярных космологических моделей, объясняющей происхождение Вселенной, так называемой, инфляционной гипотезы.

В астрофизике расстояния до других галактик определяются измерением их красного смещения. По закону Хаббла, величина красного смещения света от удалённых галактик прямо пропорциональна относительной скорости этих галактик. Соотношение между расстоянием и величиной красного смещения называется параметром Хаббла (или, не совсем точно, постоянной Хаббла).

Однако само значение параметра Хаббла требуется сначала каким-нибудь способом установить, а для этого нужно измерить значения красного смещения для галактик, расстояния до которых уже вычислены другими методами. Для этого в астрономии применяются «стандартные свечи», то есть объекты, светимость которых известна. Лучшим типом «стандартной свечи» для космологических наблюдений являются сверхновые звёзды типа Ia. Они обладают очень высокой яркостью и вспыхивают только тогда, когда масса старой звезды типа «белый карлик» достигает предела Чандрасекара, значение которого известно с высокой точностью. Следовательно, все вспыхивающие сверхновые типа Ia, находящиеся на одинаковом расстоянии, должны иметь почти одинаковую наблюдаемую яркость. Сравнивая наблюдаемую яркость сверхновых в разных галактиках, можно определить расстояния до этих галактик.

В работах лауреатов Нобелевской премии 2011 г. было обнаружено, что в удалённых галактиках, расстояние до которых было определено по закону Хаббла, сверхновые типа Ia имеют яркость ниже той, которая им полагается. Иными словами, расстояние до этих галактик, вычисленное по методу «стандартных свеч», оказывается больше расстояния, вычисленного на основании ранее установленного значения параметра Хаббла. Был сделан вывод, что Вселенная не просто расширяется, она расширяется с ускорением!

В России подобные исследования наиболее успешно ведутся в Специальной астрофизической обсерватории РАН на 6-метровом телескопе на Кавказе. В лаборатории внегалактической астрофизики и космологии САО, под руководством И.Д.Караченцева, открыто примерно 600 карликовых галактик, расположенных в пределах 100 млн. световых лет, на движение которых оказывает влияние вся невидимая материя и энергия Вселенной. Данные этих наблюдений свидетельствуют о существовании тёмной энергии, которая является источником «антигравитации» во Вселенной и ускоренно «растягивает» материю равномерно по всем направлениям. Эта работа отмечена Академической премией им.Ф.А.Бредихина – одной из самых престижных премий Российской академии наук.

Ранее существовавшие космологические модели предполагали, что расширение Вселенной замедляется. Они исходили из предположения, что основную часть массы Вселенной составляет материя — как видимая, так и невидимая, тёмная материя. На основании новых наблюдений, свидетельствующих об ускорении расширения, было постулировано существование неизвестного вида энергии с отрицательным давлением. Её назвали «тёмной энергией».

Гипотеза о существовании тёмной энергии (чем бы она ни являлась) решает и, так называемую, «проблему невидимой массы». Теория нуклеосинтеза объясняет формирование в молодой Вселенной лёгких химических элементов, таких как гелий, дейтерий и литий. Теория крупномасштабной структуры Вселенной объясняет формирование ее структуры: образование звёзд, квазаров, галактик и галактических скоплений. Обе эти теории предполагают, что плотность барионной материи и тёмной материи составляет около 30 % от критической плотности, требуемой для образования «закрытой» Вселенной, то есть плотности, необходимой, чтобы форма Вселенной была плоской. Измерения реликтового излучения Вселенной, проведённые спутником WMAP, показывают, что форма Вселенной действительно очень близка к плоской. Следовательно, некая ранее неизвестная форма невидимой энергии должна давать отсутствующие 70 % плотности Вселенной.

«Состав» Вселенной по данным WMAP

Сущность тёмной энергии является предметом споров. Известно, что она очень равномерно распределена, имеет низкую плотность, и не взаимодействует сколько-нибудь заметно посредством известных фундаментальных типов взаимодействия — за исключением гравитации. Поскольку гипотетическая плотность тёмной энергии невелика (порядка 10⁻²⁹ г/см³), её вряд ли удастся обнаружить лабораторным экспериментом. Тёмная энергия может оказывать такое глубокое влияние на Вселенную (составляя 70 % всей энергии) только потому, что она однородно наполняет пустое (в иных отношениях) пространство.

Самое простое объяснение заключается в том, что любой объём пространства имеет некую фундаментальную, неотъемлемо присущую ему энергию. Её ещё иногда называют энергией вакуума, поскольку она является энергетической плотностью чистого вакуума. Многие физические теории элементарных частиц предсказывают существование вакуумных флуктуаций, то есть наделяют вакуум именно таким видом энергии. Это и есть космологическая постоянная, иногда называемая «лямбда-член» (по имени греческой буквы Λ, используемой для её обозначения в уравнениях общей теории относительности).

Космологическая константа даёт отрицательное давление, равное её энергетической плотности. Согласно общей теории относительности, гравитация зависит не только от массы, но и от давления, причем, давление имеет бо́льший коэффициент, чем плотность. Отрицательное давление должно порождать отталкивание - антигравитацию, и поэтому вызывает ускорение расширения Вселенной.

Сущность «проблемы космологической константы», труднейшей проблемы «тонкой настройки» в современной физике: не найдено ни одного способа вывести из физики элементарных частиц чрезвычайно малое значение космологической константы, определённое в космологии. Большинство квантовых теорий поля, основываясь на энергии квантового вакуума, предсказывают громадное значение космологической константы — на многие порядки превосходящее допустимое по космологическим представлениям. Некоторые теории суперсимметрии требуют, чтобы космологическая константа в точности равнялась нулю, что также не способствует разрешению проблемы.

Альтернативный подход исходит из предположения, что тёмная энергия — это своего рода частицеподобные возбуждения некоего динамического скалярного поля, называемого квинтэссенцией. Отличие от космологической константы в том, что плотность квинтэссенции может варьироваться в пространстве и времени. Чтобы квинтэссенция не могла «собираться» и формировать крупномасштабные структуры по примеру обычной материи (звёзды и т. п.), она должна быть очень лёгкой. Никаких свидетельств существования квинтэссенции пока не обнаружено, но исключить такое существование нельзя. Некоторые учёные полагают, что наилучшим свидетельством в пользу квинтэссенции явились бы нарушения принципа эквивалентности Эйнштейна и вариации фундаментальных констант в пространстве или во времени. Существование скалярных полей предсказывается стандартной моделью и теорией струн.

По имеющимся оценкам, расширение Вселенной началось приблизительно 5 миллиардов лет назад. Если ускоряющееся расширение Вселенной будет продолжаться бесконечно, то в результате галактики за пределами нашего Сверхскопления галактик рано или поздно выйдут за релятивистский горизонт событий и станут для нас невидимыми, поскольку их относительная скорость превысит скорость света. Это не является нарушением специальной теории относительности. На самом деле невозможно даже определить «относительную скорость» в искривлённом пространстве-времени. Относительная скорость имеет смысл и может быть определена только в плоском пространстве-времени, или на достаточно малом (стремящемся к нулю) участке искривлённого пространства-времени. Любая форма коммуникации далее пределов горизонта событий становится невозможной, и всякий контакт между объектами теряется. Земля, Солнечная система, наша Галактика, и наше Сверхскопление будут видны друг другу и в принципе достижимы путём космических полётов, в то время как вся остальная Вселенная исчезнет вдали. Со временем наше Сверхскопление придёт в состояние тепловой смерти, то есть осуществится сценарий, предполагавшийся для предыдущей, плоской модели Вселенной с преобладанием материи.

Существуют и более экзотические гипотезы о будущем Вселенной. Одна из них предполагает, что тёмная энергия приведёт к т. н. «расходящемуся» расширению. Это подразумевает, что расширяющая сила её действия продолжит неограниченно увеличиваться, пока не превзойдёт все остальные силы во Вселенной. По этому сценарию, тёмная энергия со временем разорвёт все гравитационно связанные структуры Вселенной, затем превзойдёт силы электростатических и внутриядерных взаимодействий, разорвёт атомы, ядра и нуклоны и уничтожит Вселенную в Большом Разрыве.

Нобелевская премия по химии

Нобелевская премия по химии 2011 года присуждена профессору Израильского технологического института в Хайфе Даниэлю Шехтману «за открытие квазикристаллов».

Дан Шехтман

Краткость формулировки нобелевского комитета и физическая сущность открытия требуют комментариев, которые мне хотелось бы здесь сделать.

Квазикристаллы или «почти кристаллы» - твердые тела с особым типом организации атомной структуры. От обычных кристаллов они отличаются тем, что не содержат, так называемой, элементарной ячейки, которая копируется в трех измерениях. Окружение атомов в квазикристаллах может иметь симметрию 5-го, как у пятиконечной звезды, 7-го или даже более высокого порядка. Изучение квазикристаллических объектов привело к целому ряду открытий и прикладных разработок. Так, на их основе получают легкие и очень прочные стекла, а покрытия из квазикристаллов обладают очень низким коэффициентом трения. Особо привлекают ученых их малая электро- и теплопроводность, высокая твердость, стойкость к коррозии и окислению, химическая нетоксичность.

В начале 80-х годов Дан Шехтман работал в Национальном институте стандартов и технологии в США. Утром 8 апреля 1982 года (точная дата открытия, что, кстати, большая редкость, сохранилась благодаря журналу Шехтмана) он изучал дифракционную картину, которая получалась после рассеивания пучка электронов на образце быстро застывавшего сплава алюминия и марганца. В результате такого рассеивания на фотопластине обычно проступает набор ярких точек, расположение которых связано с расположением атомов в решетке кристаллического материала.

Картина электронной дифракции на квазикристалле

Увидев такую картину, Шехтман был крайне удивлен. По его собственным словам, он даже произнес вслух фразу на иврите, которую можно примерно перевести как "Этого просто не может быть", сделав в журнале запись: "10-го порядка???" Понять Шехтмана было довольно легко - сделанное им открытие противоречило всему, что на тот момент люди знали о структуре кристаллов.

Еще в XIX веке математики, изучая классические кристаллы, поняли, что не обязательно изучать всю решетку - достаточно изучить ее группу симметрий, ведь именно она отвечает за размножение фундаментальной области. Такие группы получили название кристаллографических групп. К концу XIX века сразу несколько математиков (включая россиянина Евграфа Федорова с работой "Симметрія правильныхъ системъ фигуръ" 1891 года) доказали теорему классификации таких групп, которая утверждает, что их ровно 230 штук. Для сравнения, на плоскости таких групп 17, а в четырехмерном пространстве - ровно 4895.

Как следует из теоремы классификации, в кристаллах могут быть оси симметрии только второго (поворот на 180 и 360 градусов), третьего (поворот на 120, 240 и 360 градусов), четвертого и шестого порядков (поворот на 60, 120, 180, 240, 300 и 360 градусов). Из-за этого при дифракции рентгеновских лучей возникают рисунки довольно специфического вида, которые уже в начале прошлого века ученым были хорошо известны. Поэтому легко понять шок Шехтмана, который увидел на картинке аккуратный набор из 10 точек, равномерно расставленных по кругу. Из этого следовало, что среди симметрий кристалла есть поворот на 72 градуса, а этого просто не могло быть!

Чтобы найти ошибку, Шехтман сделал еще несколько снимков образца под разными углами. В результате он нашел еще несколько осей симметрии соответственно второго и третьего порядков. Из этого следовал еще более удивительный результат - группа симметрий кристалла содержала подгруппу, которая соответствует симметриям икосаэдра - правильного двадцатигранника. Дело в том, что наличие такой подгруппы означает, что в строительстве решетки принимает участие икосаэдр, сложить из которого все трехмерное пространство без щелей просто невозможно.

Икосаэдр

В течение двух следующих лет Шехтман писал статью, чтобы летом 1984 года подать ее в журнал Journal of Applied Physics. Статью почти сразу вернули автору - редакция журнала отказалась печатать заведомую ересь. Только после вмешательства известного физика Джона Кана и его знакомого, специалиста по кристаллографии мирового уровня француза Дэни Гратиа, которые поручились за работу Шехтмана, ее взяли в журнал Physical Review Letters.

Выход статьи произвел эффект разорвавшейся бомбы. Многие ученые вдруг неожиданно вспомнили, что либо слышали от коллег, либо сами получали похожие парадоксальные результаты. Например, уже в 1972 году исследователи обнаружили, что кристаллы углекислого натрия (обычной соды) рассеивают электроны "неправильно", но позже, однако, списали все на ошибку в измерениях и дефекты материала.

В декабре 1984 года, почти сразу после публикации Шехтмана, в Physical Review Letters появилась статья Дова Левина и Пола Стейнхардта (аналогичная работа советских ученых увидела свет в феврале 1985 года - они опоздали только потому, что Левин и Стейнхард прочли статью Шехтмана до выхода ее в печать), в которой объяснялся процесс формирования необычного материала. Использовав наработки Маккея, они стали первыми физиками, кто связал результаты Шехтмана с богатыми на тот момент математическими наработками по непериодическим разбиениям плоскости и пространства. Также Левин и Стейнхардт были первыми, кто употребил слово "квазикристалл". Эта и последовавшие за ней работы убедили научное сообщество в истинности сделанного Шехтманом открытия.

В 1987 году исследователям впервые удалось получить стабильный квазикристалл (то есть квазикристалл достаточно большого размера), и окончательно стало ясно, что речь идет о новой форме организации материи, а вовсе не о локальных микроскопических эффектах. В 1992 году Международный союз кристаллографии изменил определение кристалла, назвав их материалами с дискретной дифракционной картиной, и квазикристаллы были официально приняты в кристаллы.

Следуя методу, с помощью которого Д.Шехтман получил квазикристаллы, ученые стали создавать и другие примеры квазикристаллов. А в 2009 году американо-итальянская группа обнаружила впервые квазикристаллы в природе. Они состоят из атомов железа, меди и алюминия и содержатся в минерале хатырките в единственном месте - на Корякском нагорье, на Чукотке, возле ручья Лиственитовый.

(При написании этих статей мною были существенно использованы материалы с сайтов Интернета и статьи Википедии.)

И.Митропольский