Нобелевская премия по физике за 2006 год
Мы продолжаем знакомить вас с лауреатами Нобелевских премий нынешнего года в области естественных наук. Неделю назад речь шла о двух американских генетиках, удостоившихся Нобелевской премии по физиологии и медицине, а сегодня мы поговорим об учёных, получивших награду по физике. Их тоже двое, и они тоже американцы – астрофизики Джон Мейдер и Джордж Смут.
Профессору Джону Кромуэллу Мейдеру (John Cromwell Mather) – 60 лет. Он родился в 1946-м году в Роуноке, штат Вирджиния. В 1968-м году Мейдер закончил с отличием Свортморский колледж в штате Пенсильвания и поступил в аспирантуру Калифорнийского университета в Бёркли. Защитив в 1974-м году диссертацию по специальности «физика», Мейдер поступил на работу в НАСА (Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства), где и проработал всю жизнь. Сегодня он является старшим астрофизиком Центра комических полётов Годдарда в Гринбелте, штат Мэриленд. Именно Мейдер выдвинул более 30-ти лет назад саму идею того проекта, который дал важнейшие научные результаты, удостоенные теперь Нобелевской премии. По словам профессора Гюнтера Хазингера (Günther Hasinger), директора Института астрофизики имени Макса Планка в Гархинге, Мейдер – отличный организатор и руководитель, неизменно приветлив и при этом старается держаться в тени, что довольно трудно уже хотя бы из-за весьма внушительного роста Мейдера. Параллельно с исследовательской работой в Центре Годдарда профессор Мейдер преподаёт в Мэрилендском университете в Колледж-Парке. «За что бы Мейдер ни взялся, он неизменно добивается успеха», – говорят об учёном коллеги. Недаром перечень наград и премий, которых был удостоен Мейдер на протяжении своей карьеры, столь обширен – начиная с дипломов за победы на разных математических и физических олимпиадах в студенческие годы и кончая премиями множества научных фондов, учреждений и институтов. Возможно, поэтому и нынешняя Нобелевская премия, по собственному признанию новоиспечённого лауреата, не стала для него совсем уж полной неожиданностью.
Профессор Джордж Фитцджералд Смут (George Fitzgerald Smoot) на один год старше своего коллеги, разделившего с ним Нобелевскую премию. Он родился 20-го февраля 1945-го года в Юконе, штат Флорида. Его отец – гидролог, мать – школьная учительница. С детства Джордж в равной мере увлекался техникой и спортом, но когда настало время выбирать профессию, любовь к научной фантастике склонила чашу весов в пользу техники. В 1966-м году Смут закончил весьма престижный Массачусетский технологический институт в Кеймбридже сразу по двум специальностям – «математика» и «физика», – а четыре года спустя там же защитил диссертацию, посвящённую особенностям распада субатомных элементарных частиц. Поскольку учёных, работавших в этой области, было очень много, Смут решил углублённо заняться космологией. Он перебрался в Калифорнийский университет в Бёркли и присоединился к группе исследователей под руководством лауреата Нобелевской премии Луиса Уолтера Альвареса (Luis Walter Alvarez). Там же он впервые принял участие в одном из проектов НАСА, разрабатывая эксперимент, который мог бы подтвердить – или опровергнуть – так называемую теорию Большого взрыва. К ней мы вернёмся чуть позже, а пока упомянем лишь, что на протяжении нескольких следующих лет Смут занимался поисками антиматерии и ответа на вопрос, вращается ли Вселенная или только расширяется. В 1974-м году учёный возглавил проект, результаты которого обернулись теперь Нобелевской премией. Смут известен тем, что чрезвычайно скрупулёзно обрабатывает экспериментальные данные. Однажды он даже публично объявил, что любому, кто обнаружит ошибку в его расчётах, готов в качестве награды оплатить авиапутешествие в любую точку земного шара. Видимо, такое поощрение учёный выбрал потому, что сам любит путешествовать, гулять пешком и кататься на лыжах. Но свободного времени у профессора Смута мало, поскольку он не только ведёт научную работу, но и преподаёт.
Итак, в чём же состоит заслуга лауреатов? Согласно официальной формулировке Шведской королевской академии наук, премия присуждена Мейдеру и Смуту за открытие чернотельности спектра и анизотропии космического микроволнового фонового излучения. Эти результаты были получены в 1992-м году при анализе информации, собранной специализированным исследовательским спутником под названием «COBE» (COsmic Background Explorer). Всемирно известный британский астрофизик-теоретик Стивен Хокинг (Stephen Hawking) тогда же назвал эти результаты «открытием столетия, а возможно – и самым выдающимся открытием за всю историю человечества». А шведский астрофизик Пер Карлсон (Per Carlson), член Нобелевского комитета, отметил, что благодаря нынешним лауреатам космология превратилась в точную науку. Тут, видимо, не обойтись без некоторых пояснений, касающихся космологии вообще и теории Большого взрыва и истории Вселенной в частности.
«Космология – учение о Вселенной», – значится в толковом словаре русского языка. Таким образом, космология – один из разделов астрономии. Но изучают здесь не отдельные космические объекты или их группы – будь то планеты, звёзды или галактики, – а более фундаментальные проблемы, касающиеся всей Вселенной в целом: как она возникла? из чего состоит? какой путь развития уже прошла? и какой путь ей ещё предстоит пройти? Ещё лет пятнадцать назад многие астрономы, избравшие в качестве предмета своих научных интересов более конкретные объекты, нежели Вселенная в целом, пренебрежительно именовали космологию разделом философии или даже теологии, поскольку о прямых наблюдениях тех закономерностей и эффектов, о которых толковали специалисты-космологи, не могло быть и речи. Однако с тех пор ситуация кардинально изменилась. Сегодня космология относится к самым динамично развивающимся направлениям астрономии, и немалая заслуга в этом принадлежит Мейдеру и Смуту.
В 1929-м году американский астроном Эдвин Хаббл (Edwin Hubble) обнаружил, что галактики разлетаются и что, таким образом, Вселенная является вовсе не стационарной, как считалось раньше, а расширяющейся эволюционирующей системой. Вычисления Хаббла заложили основу принятой сегодня теории Большого взрыва. Эта так называемая «стандартная модель» исходит из того, что Вселенная возникла чуть менее 14-ти миллиардов лет назад в результате спонтанного взрыва невообразимо плотной и горячей материи, сконцентрированной в одной точке величиной меньше булавочной головки. Считается, что эта точка при взрыве выбросила почти немыслимое количество энергии. Из обломков Большого взрыва и образовались все галактики, звёзды и планеты. Момент взрыва принят за начало отсчёта времени, поскольку до него классические представления о пространстве и времени не действовали. А своего рода эхом этого взрыва является то самое космическое микроволновое фоновое излучение, за изучение которого Смут и Мейдер получили теперь Нобелевскую премию. Его называют ещё реликтовым, поскольку оно представляет собой дошедший до наших дней пережиток оптического свечения раскалённого газа, однородно заполнявшего всю Вселенную на ранней стадии её существования. Наличие такого излучение теоретически предсказал Георг Гамов ещё в 1948-м году. Экспериментально оно было обнаружено Арно Пензиасом (Arno A. Penzias) и Робертом Уилсоном (Robert W. Wilson) в 1965-м году, за что 13 лет спустя учёные получили Нобелевскую премию. В то время речь шла об изотропном, то есть одинаковом во всех направлениях излучении. Однако теоретики говорили, что должна иметь место небольшая анизотропия, неравномерность излучения, поскольку только так можно было объяснить образование во Вселенной тех сгустков материи, из которых зародились звёзды и галактики. Именно с целью экспериментальной проверки этих положений и был задуман и реализован проект «COBE», в работе над которым участвовало более тысячи специалистов разных отраслей. Задуман в 1974-м, а реализован... Предполагалось, что спутник будет выведен на орбиту «шаттлом», но катастрофа «Челленджера» 28-го января 1986-го года заставила НАСА изменить планы. «СОВЕ» был запущен отдельной ракетой-носителем лишь 18-го ноября 1989-го года. Джон Мейдер говорит:
Да, 15 лет от замысла до запуска. Затем 4 года мы эксплуатировали спутник, а потом ещё несколько лет продолжали анализировать собранную информацию. Впрочем, задержка с запуском имела и положительный аспект: конструкторы всё это время совершенствовали измерительные приборы. А это, в конечном счёте, имело решающее значение.
На борту спутника «COBE» имелась аппаратура для нескольких экспериментов. Наиболее важными были две группы приборов. Во-первых, дифференциальные микроволновые радиометры (DMR – Differential microwave radiometer), настроенные на три разные частоты и предназначенные для обнаружения анизотропии, то есть пространственной неравномерности распределения температуры реликтового фонового излучения. За эту часть оборудования – и, соответственно, за эту часть измерений, – отвечал Джордж Смут. Второй важный эксперимент заключался в высокоточном измерении спектра реликтового излучения. Для этой цели на борту имелся специальный спектрофотометр (FIRAS – Far InfraRed Absolute Spectrophotometer). Эту область измерений курировал Джон Мейдер. Он же осуществлял общее руководство проектом. Проект позволил учёным заглянуть в самый ранний период образования нашей Вселенной. Джордж Смут поясняет:
Мы оглядываемся на время между тремястами тысячами и четырьмястами тысячами лет с момента Большого взрыва. Эта цифра может показаться очень большой, но ведь для нас сегодня Большой взрыв был почти 14 миллиардов лет назад. Если провести аналогию с возрастом человека, то нам удалось бросить взгляд на эмбрион спустя всего несколько часов после зачатия.
Но зачем нужен был этот гигантский и дорогой проект? Коль скоро реликтовое фоновое излучение вездесуще, разве нельзя наблюдать его с Земли? По крайней мере, на бытовом уровне это не проблема: если настроить телевизор на «пустой» канал, то «снег», который появится на экране, будет вызван электромагнитным излучением, в котором несколько процентов приходятся на долю реликтового. Профессор Мейдер говорит:
Наблюдать его с Земли очень сложно. Атмосфера Земли поглощает некоторую часть излучения, а на тех длинах волн, которые доходят до поверхности, от атмосферы исходит собственное излучение, что, естественно, существенно затрудняет измерения. Так что нам действительно необходимо было выйти в космос – там холодно и тихо.
Полученные результаты учёные доложили в 1992-м году на одной из научных конференций. Коллеги встретили их доклад овацией. Было доказано, что спектр фонового излучения идеально совпадает со спектром излучении так называемого «абсолютно чёрного тела». Этот спектр характеризуется тем, что частотное распределение энергии излучения зависит исключительно от температуры. В момент возникновения фонового излучения температура Вселенной составляла около 3-х тысяч градусов Цельсия. С тех пор, согласно теории Большого взрыва, Вселенная непрерывно расширяется и охлаждается. Измеряемое в наши дни фоновое излучения соответствует температуре, всего на 2,7 градуса превышающей абсолютный нуль. Джон Мейдер поясняет:
Это говорит о том, что излучение действительно является реликтом Большого взрыва. Иначе практически невозможно объяснить столь точное соответствие измеренного нами спектра спектру идеального чёрного тела. Многие учёные искали иное объяснение, но ничего вразумительного найдено не было. Так что спектр подтверждает теорию Большого взрыва.
Одновременно проект «СOBE» позволил подтвердить наличие анизотропии – неравномерности фонового излучения в зависимости от направления – и измерить её степень. Проблема изрядно осложнялась тем, что теоретики не могли предсказать величину тех колебаний температуры, которые предстояло обнаружить, – вспоминает Джордж Смут:
Было предсказано, что они существуют. Но уровень указывался другой. Сперва говорили, что они измеряются в процентах. Затем новые расчёты показали, что речь должна идти о десятых долях процента, потом – о сотых долях. То, что мы в конечном счёте обнаружили и измерили, составляет десятитысячные доли процента. А иначе нам пришлось бы создавать совершенно новую модель образования Вселенной. Такой вариант, конечно, тоже не был исключён, но измерения подтвердили верность прежней модели.
Исследования, начатые в рамках проекта «СОВЕ», были продолжены путём запуска на большую высоту воздушных шаров с аппаратурой и наблюдений через специальные телескопы в Антарктиде. А в 2003-м году был реализован проект «WMAP» (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe). Учёные вывели на орбиту космический исследовательский зонд с измерительной аппаратурой нового поколения. Оно способно регистрировать колебания температуры, измеряемые миллионными долями градуса. Собранные им данные подтвердили информацию, полученную «COBE». Американский астрофизик Майкл Тёрнер (Michael Turner) говорит:
Самая большая неожиданность состояла в том, что «WMAP» не принёс никаких неожиданностей. Космология действительно изменилась, стала точной наукой, потому что различные измерения теперь укладываются в общую картину. Теперь уже не удастся каким-то одним новым измерением поставить всё с ног на голову, поскольку придётся объяснять, почему этот новый результат верен, а пять прежних – нет.
Между тем, сегодня лауреат Нобелевской премии профессор Джон Мейдер возглавляет научную часть проекта НАСА, цель которого – вывод на орбиту космического телескопа «James Webb» взамен отслужившего своё телескопа «Hubble». Старт намечен на 2013-й год. Эта высокочувствительная аппаратура позволит добыть сведения о самых первых звёздах и галактиках, являющихся порождением той самой анизотропии фонового излучения, которая была измерена Мейдером и Смутом. А европейское космическое агентство готовит к запуску в 2008-м году спутник «Макс Планк» – это будет преемник спутников «СОВЕ» и «WMAP», но с ещё более чувствительными приборами на борту. Учёные хотят измерить все параметры и свойства реликтового излучения как можно точнее, и не только анизотропию, но и, например, поляризацию. Только это позволит им хоть что-то узнать о первых 370-ти тысячах лет жизни Вселенной – том периоде, когда она была невидимой. Космология идёт вперёд семимильными шагами, и Мейдер и Смут принимают в этих исследованиях самое активное участие.
Вот и всё на сегодня. О лауреатах Нобелевской премии по химии мы расскажем в следующей передаче.