В этом году Нобелевская премия по физике присуждена «за открытие ускоряющегося расширения Вселенной с помощью наблюдений за удаленными сверхновыми». Ее получат Сол Перлмуттер из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (штат Калифорния, США), Брайан Шмидт из Австралийского национального университета и Адам Риесс из Университета Джонса Хопкинса (Балтимор, штат Мэриленд, США). Особенностью премии по физике этого года состоит в том, что она присуждена астрономам. Такое случилось только в четвертый раз.
Нынешние лауреаты получили престижную научную премию за открытие противоречащего фундаментальному закону Хаббла феномена ускоряющегося расширения Вселенной, а также роли темной энергии в нем. Сол Перлмуттер — профессор факультета физики Калифорнийского университета в Беркли и лауреат престижной премии Шоу 2006 года.
Факт расширения Вселенной установил американский астроном Эдвин Пауэлл Хаббл, который в 1929 году, наблюдая далекие галактики с помощью 100-дюймового телескопа. Он установил линейную зависимость их красного смещения от расстояния до них. Оно происходит вследствие эффекта Допплера, то есть изменение частоты и длины электромагнитных волн при движении объектов друг относительно друга. Хаббл (в его честь назван знаменитый космический телескоп) показал, что чем дальше от нас астрономический объект, тем больше его относительная скорость. Наблюдается и измеряется она смещением излучения в красный спектр. Красное смещение было предсказано теоретически Альбертом Эйнштейном при разработке общей теории относительности (ОТО).
Наблюдение того, как происходило расширение Вселенной миллиарды лет назад, было осуществлено в рамках двух проектов. Один — «Сверхновые для космологии» (Supernova Cosmology Project, SCP), возглавил Сол Перлмуттер. Другой проект, под названием «Поиск сверхновых на больших красных смещениях» (high-z Supernova Search Team), возглавили Адам Райес и Брайан Шмидт. Сверхновые звезды делятся на несколько типов, и для наблюдений важны сверхновые типа Ia. Наблюдения за этим видом сверхновых привело к открытию, что Вселенная расширяется с ускорением и ее растягивает какая-то сила, противоположная гравитации.
Сверхновая типа 1а — это взрыв компактной звезды, имеющей массу Солнца и размеры Земли. Взорвавшись, они светят так же ярко, как целая галактика. Ученые ожидали, что найдут доказательства того, что расширение Вселенной замедляется ее собственной гравитацией, но в конце концов вынуждены были прийти к противоположному выводу. Обе исследовательские группы обнаружили около 50 таких сверхновых, но светили они слабее, чем того требовали расчеты для Вселенной, которая расширяется все медленнее и медленнее. Обе группы открыли то, что мы сегодня называем темной материей — таинственной энергией, которая противодействует гравитации и на очень больших расстояниях начинает над нею преобладать. Благодаря этому открытию сегодня история Вселенной представляется космологам в таком виде: первые 7 млрд. лет после Большого взрыва Вселенная действительно расширялась с замедлением — она была слишком мала, чтобы испытывать на себе воздействие темной энергии. Но спустя 5 млрд. лет темная энергия стала давать о себе знать, и с тех пор замедление сменилось ускорением.
Используя разные методы анализа и разные наблюдения, обе группы ученых показали наличие ускорения расширения Вселенной. Группа Перлмуттера объявила об открытии первой, но группа Райеса — Шмидта опередила ее в публикации.
К концу прошлого столетия астрономические и астрофизические наблюдения показали наличие во Вселенной массы вещества, примерно половина от общего количества, которое определяется чем-то неизвестным и при этом равномерно распределено во Вселенной. Эту часть массы стало популярным связывать с так называемым лямбда-членом, который был введен еще Эйнштейном для того, чтобы сделать Вселенную стационарной. Согласно свидетельству советского и американского физика Георгия Гамова, создатель ОТО называл введение этого члена в свои уравнения своей «самой большой ошибкой». Вполне возможно, что это было одной из научных мистификаций Гамова, на которые он был большим мастером. Впоследствии Эйнштейн отказался от этого члена, а наука отказалась от стационарности Вселенной.
После того, как ускоренное расширение Вселенной стало научным фактом, статья нынешних лауреатов в 1998 году буквально взорвала научный мир. Поэтому лямбда-член пришлось вводить заново. Теперь он носит название «космологическая постоянная» и является физической постоянной, которая характеризует свойства вакуума. Представитель Нобелевского комитета, объявляя имена лауреатов 2011 года, заявил: «Наблюдения этого процесса расширения Вселенной изменили наше понимание всей Вселенной. Теперь мы осознаем, что Вселенная до 95 % состоит из объектов, о которых мы ничего не знаем, это так называемые темная материя и темная энергия. И только 5 % — это то, что мы видим. Это открытие достаточно фундаментальное, оно очень много значит для космологии». Интересно, что, по словам лауреатов, они долго пытались найти ошибку в исследованиях и до конца не могли поверить в открытие. Теперь в него поверила наука, что и было отмечено престижной премией.
Что такое темная энергия, мы пока не знаем. Также мы не знаем, какой будет динамика расширения Вселенной в будущем. Возможно, поле, отвечающее за ускорение расширения, со временем будет эволюционировать («распадаться»), и тогда ускорение — лишь эпизод в жизни Вселенной. Возможно, темная энергия связана со свойствами вакуума. В этом случае, далекие галактики будут улетать все дальше от нас, и Вселенная будет все более пустой. Есть и совсем экстремальные модели, в которых само ускорение увеличивается, и в результате происходит «большой разрыв» (big rip) — когда любые связанные объекты разрываются силами, разрывающими Вселенную на кусочки. Для понимания того, какова природа темной энергии, необходимы новые исследования. Запланированы новые спутники и наземные проекты, которые по наблюдениям сверхновых и структуры распределения галактик смогут точнее определить динамику расширения Вселенной на протяжении последних миллиардов лет. Это позволит продвинуться в решении важнейшего космологического вопроса и дать ответы на многие проблемы «земной» физики.
Лауреатом премии 2011 года по химии стал Даниэль Шехтман, профессор Израильского института технологий в Хайфе, а также профессор Университета штата Айова. Награду он получил за открытие квазикристаллов. Оно заменило традиционные представления о кристаллах.
Изучение квазикристаллов — междисциплинарная наука, соединяющая химию, физику, математику и науки о материалах. Ныне это бурно развивающаяся наука, но у ее истоков стоял сегодняшний лауреат. Статья Metallic Phase with Long-Range Orientational Order and No Translational Symmetry, посвященная этому открытию, была опубликована в журнале Phys. Rev. Lett. в 1984 году. Изложенное в ней полностью противоречило всем тогдашним представлениям кристаллографии — науке о кристаллах.
В основе современного представления о кристаллах лежит симметрия. Например, достаточно просто покрыть плоскость квадратами, треугольниками или шестиугольниками. Другие варианты — пятиугольники, семиугольники, восьмиугольники не позволяют это сделать. Они будут налезать друг на друга. Теория почему то именно так использует сложный математический аппарат — от тензоров до высшей алгебры.
Кристалл — это упорядоченная структура, состоящая из бесконечно повторяющегося фрагмента в трехмерном пространстве. До работы Даниэля Шехтмана считалось, что упорядоченные кристаллические структуры обязательно периодичны, поэтому и накладывались ограничения на допустимые оси симметрии.
Квазикристаллические орнаменты известны в средневековых мечетях Ирана. В 1976 году английский математик Роджер Пенроуз дал математическое описание так называемой мозаики Пенроуза, позволяющей с помощью всего лишь двух плиток весьма простой формы замостить бесконечную плоскость никогда не повторяющимся узором. Именно это и наблюдается в квазикристаллах.
Интересно, что открытие Шехтмана настолько противоречило устоявшимся взглядам, что его статьи дважды отклонялись специализированными журналами и результаты удалось опубликовать в сокращенном виде только в соавторстве с известными специалистами И. Блехом, Д. Гратиасом и Дж. Каном. Тем не менее, Шехтману тогда пришлось уйти из исследовательской группы, в которой он работал.
Квазикристаллы были открыты в экспериментах по дифракции электронов на быстроохлажденном сплаве Al6Mn (алюминия и марганца). Первый открытый им квазикристаллический сплав получил название «шехтманит» (англ. Shechtmanite). Полученная картина дифракции содержала типичные для кристаллов резкие пики, но при этом имела точечную симметрию икосаэдра (двадцатигранника), то есть обладала осью симметрии пятого порядка, невозможной в трехмерной периодической решетке. Эксперимент с дифракцией изначально допускал объяснение необычного явления дифракцией на множественных кристаллических двойниках, сросшихся в зерна с икосаэдрической симметрией. Однако другие эксперименты доказали, что симметрия квазикристаллов присутствует вплоть до атомов, и необычные вещества действительно являются новой формой организации материи. В настоящее время известны сотни видов квазикристаллов, имеющих точечную симметрию икосаэдра, а также десяти-, восьми- и двенадцатиугольника. В 2009 году обнаружили первый природный квазикристалл в минералах на Дальнем Востоке России. Во фрагментах пород естественные квазикристаллы достигали размеров до 200 микрон. Они состоят из атомов железа, меди и алюминия и имеют сложную структуру, с несколькими осями пятого порядка. Квазикристаллы были обнаружены в редком минерале хатыркит на Корякском нагорье, которое спускается к побережью Берингова моря между Камчаткой и Анадырским заливом.
Интересно, что получены квазикриталлы были при работах по программе новых материалов для Стратегической оборонной инициативы в США как элемент так называемых звездных войн. Уже сейчас известны такие направления использования перспективных материалов. Во-первых, это покрытия, в том числе для бытовых приборов. Французская фирма Sitram выпускает такие сковороды. Во-вторых — микроэлектроника. Применение квазикриталлов там может привести к революционным преобразованиям, в первую очередь — в устройствах хранения информации. Увеличится их емкость, быстродействие, уменьшатся массогабаритные характеристики и энергопотребление. А это особенно важно для таких устройств как, например, мобильные телефоны. В-третьих, связанное с первым, перед авиа- и автомобилестроением стоит задача перехода на водородное топливо. Здесь проблемой является хранение водорода под большим давлением и предотвращение его утечек. В определенных пропорциях смесь водорода и кислорода взрывоопасна — гремучая смесь. Квазикристаллические материалы могут решить эту проблему. В-четвертых, перспективным представляется применение новых материалов в двигателях. Особо прочные корпуса их позволят увеличить степень сжатия и температуру воспламенения топлива, что резко улучшит параметры и уменьшит выхлопы.
Лауреатами Нобелевской премии по физиологии и медицине 2011 года стали американец Брюс Бойтлер — профессор и председатель факультета генетики в исследовательском институте Скриппса в Ла-Хойя (Калифорния) и уроженец Люксембурга Жюль Хоффманн, ныне гражданин Франции, в 2007 — 2008 гг. возглавлявший там академию наук за их открытие в области врожденного иммунитета, а также родившийся в Канаде, но работавший в США в Университете Рокфеллера (Нью-Йорк) Ральф Штайнман за открытие роли дендритных клеток в приобретенном иммунитете. Спустя несколько часов после объявления имен лауреатов стало известно, что Штайнман, скончался за три дня до вручения премии. Он — второй по цитируемости иммунолог в мире и лауреат Ласкеровской премии 2007 года.
У человека и родственных ему организмов существуют два типа иммунитета — врожденный и приобретенный. Первый действует быстрее, обеспечивая борьбу с инфекцией на ранних стадиях болезни, когда специфический, приобретенный иммунитет еще не сформировался. Соответственно, приобретенный иммунитет более эффективен.
Прояснить работу врожденного иммунитета удалось Брюсу Бойтлеру и Жюлю Хоффманну. В 1996 году второй обнаружил ген, который отвечает за иммунную реакцию при инфицировании грибковыми микроорганизмами. Брюс Бойтлер работал над этой же проблемой с несколько других позиций. Он изучал жизнедеятельность мышей и их реакцию на болезнетворные бактерии. В 1998 году он обнаружил ген, который отвечает за противостояние этим бактериям. Выяснилось, что ген, обнаруженный Бойтлером, соответствует гену, обнаруженному в более ранней работе его коллегой Хоффманном.
Заслуга Ральфа Штайнмана состоит в том, что он еще в 1973 году заложил основы нового направления в иммунологии, объяснив роль дендритных клеток (тип клеток иммунной системы, имеющих длинные, похожие на щупальца, ответвления, которыми они захватывают чужеродные объекты) кожи, кишечного тракта и полости носа как первую линию защиты против некоторый бактерий. Работа ряда вакцин основана именно на стимуляции дендритных клеток. Штайман обнаружил, что эти клетки в присутствии инородных организмов могут активировать лимфоциты.
Нобелевский комитет решил отступить от требований устава о том, что присуждение осуществляется только живым ученым, и оставить премию Штайнману, которую получат его наследники. Станет ли это прецедентом, покажет будущее.
