22.10.2001 Нобелевские премии 2001 года по физике и химии
В прошлой передаче я упомянул о том, что решения, принимаемые Нобелевским комитетом, нередко подвергаются критике. Наиболее серьёзные нарекания вызывает тот факт, что премий, как правило, удостаиваются весьма пожилые – чтобы не сказать престарелые – учёные, давно отошедшие от активной научной деятельности, и что награждаются они за работы хоть и выдающиеся, но выполненные 20, 30, а то и 40 лет назад. Так вот, даже если эта критика в целом не лишена оснований, то решение Нобелевского комитета, назвавшего лауреатов премии нынешнего года по физике, может считаться весьма знаменательным исключением из правила: среди троих учёных, удостоенных самой высокой в научном мире награды, старшему – 50 лет, младшему – всего 39, а отмеченные премией работы были выполнены на протяжении последних 6-ти лет. Впрочем, есть одно обстоятельство, которое сближает нынешних лауреатов с огромным большинством их предшественников: все трое работают в США.
Эрик Корнелл родился в 1961-м году в Пало-Альто – небольшом городе на западе штата Калифорния. В 1985-м году он с отличием окончил Стэнфордский университет, а пятью годами позже защитил диссертацию в знаменитом Массачусетском технологическом институте в Кеймбридже, пригороде Бостона. Корнелл – член Национальной академии наук США и ряда научных физических обществ. Свою первую награду за исследовательскую работу учёный получил в 24 года, за ней последовало множество других, в том числе премия имени Алана Уотермэна, присуждаемая Национальным научным фондом. За последние 6 лет не было года, чтобы исследователь не удостоился какой-нибудь престижной премии. С 1992-го года Эрик Корнелл ведёт научную работу в Национальном институте стандартизации и технологии в городе Боулдере, штат Колорадо, с 1995-го года он – профессор физики расположенного здесь же университета штата Колорадо.
В этом же университете вот уже почти 15 лет работает и преподаёт профессор Карл Уимен. Он родился в 1951-м году в Корваллисе, штат Орегон. Окончил Стэнфордский университет, здесь же в 1997-м году защитил диссертацию. По отзывам близко знающих его людей, Уимен буквально одержим наукой. Всю свою жизнь он посвятил физике, остальное имеет для него второстепенное значение. Карл Уимен – лауреат многих престижных премий и обладатель ряда патентов.
Профессор Вольфганг Кеттерле работает и преподаёт в Массачусетском технологическом институте. Он родился в 1957-м году в Гейдельберге, в 1982-м году окончил Мюнхенский технический университет, четырьмя годами позже защитил диссертацию в университете Людвига-Максимилиана в Мюнхене, затем работал в Институте квантовой оптики имени Макса Планка в Гархинге. Герхард Ремпе, нынешний директор института, говорит:
- - У Кеттерле довольно пёстрое прошлое, если иметь в виду сферы его научных интересов. Тема его диплома относится к области теоретической физики, затем он переключился на экспериментальную физику, его диссертация посвящена проблемам молекулярной спектроскопии. Поработав ещё два года после защиты в Гархинге, он перебрался в Гейдельберг, где занялся процессами горения – это совсем уж прикладная тема. А затем, в 1990-м году, уехал работать в Массачусетский технологический институт, в ведущую в мире лабораторию в области лазерного охлаждения.
Итак, в 1990-м году Кеттерле уехал в США, но сохранил гражданство Германии. Сегодня он – член Американского и Немецкого физических обществ, с 1993-го года – профессор всё того же Массачусетского технологического института.
В пресс-релизе Шведской королевской академии наук сказано, что Корнелл, Кеттерле и Уимен удостоены Нобелевской премии за получение конденсации Бозе-Эйнштейна в разреженных газах из атомов щелочных металлов и за исследование свойств этих конденсатов.
Речь идёт об особом сверхконденсированном состоянии вещества, которое иногда именуется его «пятым» агрегатным состоянием – наряду с твёрдым, жидким, газообразным и плазмой. Возможность перевода вещества в такое состояние путём охлаждения до температур, исключительно близких к абсолютному нулю, была предсказана Шатьендранатом Бозе и Альбертом Эйнштейном ещё в 1924-м году, однако реализовать этот переход на практике впервые удалось нынешним лауреатам лишь 6 лет назад. Главная трудность заключалась в том, чтобы добиться глубокого охлаждения – температуру газа следовало довести до уровня, лишь на несколько миллиардных долей градуса превышающего абсолютный нуль. Напрашивалась идея объединить для этого два метода – лазерное охлаждение и охлаждение испарением, – но это оказалось непросто. Вольфганг Кеттерле поясняет:
- - Для охлаждения испарением необходимо, чтобы атомы сталкивались между собой, то есть нужна высокая плотность газа, а лазерное охлаждение, напротив, при высокой плотности неэффективно, потому что свет рассеивается. Среди учёных уже утвердилось мнение, что начать охлаждение лазерным методом и потом плавно перейти к методу испарения не удастся.
Проблема казалась неразрешимой. Эрик Корнелл вспоминает:
- - Семь лет назад всеобщее мнение сводилось к тому, что это исключительно трудно или даже невозможно. Но мы сохраняли оптимизм и в 1995-м году добились успеха. Причём уже первые результаты не оставляли никаких сомнений в том, что нам удалось-таки получить конденсат.
Итак, Корнелл и Уимен первыми в мире получили конденсат Бозе-Эйнштейна, за что теперь и удостоились Нобелевской премии. Полученный ими конденсат представлял собой висящее в магнитно-оптической ловушке газовое облачко, состоящее из 2-х тысяч атомов рубидия, охлаждённых до температуры, лишь на 2 стомиллионных доли градуса превышающей абсолютный нуль. Но главная особенность конденсата Бозе-Эйнштейна состоит в том, что образующие его атомы при столь близких к абсолютному нулю температурах переходят на самый низкий энергетический уровень из всех возможных, разом как бы теряют свою самостоятельность и начинают вести себя как один гигантский атом. Вольфганг Кеттерле поясняет:
- - Их можно воспринимать как атомы, марширующие строго синхронно. Однако на самом деле речь здесь идёт о квантово-механическом взаимодействии, поэтому вернее было бы, пожалуй, говорить о своего рода огромной волне материи, волне, в которой согласованно участвуют все атомы.
Сам Кеттерле был, конечно, очень разочарован тем, что Корнелл и Уимен его опередили, однако продолжил свои эксперименты. Во-первых, их построение отличалось от того, что использовали колорадские физики, а во-вторых, их объектом были атомы натрия, а не рубидия. Спустя три месяца усилия Кеттерле увенчались успехом:
- - И мы сразу же получили в 100 раз больше конденсата, то есть вдруг оказалось, что по количеству атомов мы впереди и, значит, можем в этой новой области исследований тоже сыграть важную роль.
Поэтому Кеттерле тотчас приступил к следующему эксперименту.
- - Мы сразу же поняли, что, получив конденсат Бозе-Эйнштейна, можно сделать следующий шаг и построить атомный лазер. В 1996-м году нам это действительно удалось.
В отличие от света, испускаемого обычной лампочкой, лазер испускает когерентный свет, то есть все образующие лазерный луч фотоны имеют одинаковую энергию и одну и ту же длину волны. Если вместо света использовать синхронизированные атомы – а именно это и свойственно конденсату Бозе-Эйнштейна, – то можно будет говорить об атомном лазере. Кеттерле удалось создать первый такой лазер, за что ему и присуждена теперь Нобелевская премия.
Следует заметить, что наука с тех пор не стояла на месте. Учёные разных стран смогли тем временем перевести в состояние конденсата Бозе-Эйнштейна и атомы других элементов – водорода, лития, гелия, – и даже молекулы. А группа исследователей Института квантовой оптики имени Макса Планка в Гархинге во главе с профессором Теодором Хеншем – кстати, он был в 70-е годы научным руководителем Карла Уимена, – разработала атомный лазер нового поколения:
- - Нам удалось реализовать идею такого лазера, который даёт непрерывное излучение – в отличие от самого первого атомного лазера Кеттерле, который мог излучать лишь короткие импульсы. Впервые мы получили луч, состоящий из когерентных волн материи.
А совсем недавно там же, в Гархинге, был создан микрочип величиной с почтовую марку. Он заключён в небольшой стеклянный резервуар и содержит миниатюрную магнитно-оптическую ловушку, позволяющую получать конденсат Бозе-Эйнштейна. Касаясь области применения микрочипа, Якоб Райхель, один из его разработчиков, говорит:
- - Например, он может послужить основой для так называемых атомных интерферометров. В них используется тот же принцип, на котором работают лазерные интерферометры. Уже лазерные интерферометры позволяют производить измерения с очень высокой точностью, однако атомные способны повысить её ещё на несколько порядков, потому что атомный лазер работает в диапазоне гораздо более коротких волн, чем световой.
Конденсаты Бозе-Эйнштейна станут важным инструментом для дальнейшего развития фундаментальных исследований в области квантовой физики, – считает Якоб Райхель:
- - Конденсаты Бозе-Эйнштейна позволяют непосредственно наблюдать и фиксировать квантово-механические эффекты. Если два конденсата Бозе-Эйнштейна, представляющие собой, по сути дела, два газовых облачка, наложить друг на друга, то возникнет точно такая же интерференция, как при наложении оптических волн. То, что две волны могут друг друга погасить, для нас давно не новость, но то, что так же ведут себя атомы, то есть материя, – это очень непривычно.
А теперь – о лауреатах Нобелевской премии по химии. Её получили двое американцев – Уильям Ноулз и Берри Шарплесс – и японец Риодзи Нойори.
Уильяму Ноулзу – 84 года, он уже 15 лет как на пенсии. В 1942-м году он защитил диссертацию в Колумбийском университете, затем долгие годы работал на крупной фармацевтической фирме «Монсанто» в Сент-Луисе, штат Миссури. Там он и совершил свои открытия, которые теперь, спустя 33 года, удостоились Нобелевской премии. Помимо прочего, Ноулз прославился как выдающийся докладчик и активный пропагандист науки.
Берри Шарплесс – ему 60 лет – родился в Филадельфии, штат Пенсильвания. Окончил Стэнфордский университет, там же в 1968-м году защитил диссертацию. Затем вёл научную работу в одном из Национальных институтов здравоохранения в Бетесде, штат Мэриленд, и в Массачусетском технологическом институте в Кеймбридже. Шарплесс – лауреат многих премий. С 1990-го года он занимает должность профессора химии в Океанографическом институте Скриппса в Ла-Холья, штат Калифорния.
Риодзи Нойори 63 года. Он родился в японском городе Кобе, учился в университете Киото, там же в 1967-м году защитил диссертацию. 1969-й год учёный провёл в США, в знаменитом Гарвардском университете. С 1972-го года и по настоящее время Нойори – профессор химии в университете города Нагойя. Он – лауреат многих научных премий, автор более чем 400 публикаций, владелец 145-ти патентов.
В.Ф. На сей раз Нобелевский комитет разделил премию не поровну: одну половину получили на двоих Ноулз и Нойори за работы в области катализа хиральных реакций гидрогенизации, вторую половину – Шарплесс за работы в области катализа хиральных реакций окисления.
Тут, видимо, необходимо пояснение: дело в том, что молекулы многих веществ, будучи идентичными по химическому составу, имеют две пространственные формы, отличающиеся друг от друга как левая рука от правой. Такие молекулы называются хиральными. В ходе обычных химических реакций обе формы молекул ведут себя совершенно одинаково, однако когда дело касается биологических процессов, различия между формами молекул обретают исключительно важное значение. Живая природа – это царство ассиметрии. Самый наглядный пример – молекула ДНК. Как известно, она имеет форму двойной спирали. Однако крайне важно то, что эта спираль у всех без исключения живых организмов – от бактерии до гомо сапиенс – закручена слева направо. Молекулу, закрученную наизнанку, можно, конечно, синтезировать в химической лаборатории, но биологически она будет мертва, поскольку белки, призванные реализовывать заложенную в ДНК наследственную информацию, состоят из аминокислот, а те существуют лишь в одной – левой – форме.
Для успешного протекания большинства биохимических процессов необходимо, чтобы вступающие в контакт молекулы структурно подходили друг другу. Даже такие простые органические вещества как, например, сахар или молочная кислота, синтезируются организмом лишь в одном из двух возможных вариантов. Правда, употребляемый в пищу кефир содержит оба варианта молекул молочной кислоты, и до сих пор не доказано, что зеркальный вариант вреден для здоровья. Однако гораздо серьёзнее дело обстоит с лекарственными препаратами. Скажем, такое широко известное биологически активное вещество как допа, применяемое для лечения болезни Паркинсона, существует в двух вариантах, но организм пациента способен перерабатывать в столь необходимый ему допамин лишь левую форму этого вещества – так называемую L-допу. Многие антибиотики, обезболивающие средства, бета-блокаторы и антиревматические препараты эффективны лишь в одной из двух возможных форм. Поэтому их производство должно существляться путём так называемого ассиметрического синтеза. И дело тут не только в экономичности и эффективности.
Достаточно вспомнить трагическую историю с контерганом – снотворным, которое в 60-х годах широко прописывалось беременным женщинам. Как потом оказалось, контерган вызывал тяжёлые нарушения внутриутробного развития плода, что привело к появлению на свет множества младенцев с врождёнными уродствами. Анализ показал, что левая форма препарата давала нужный эффект, а правая вызывала тяжёлые побочные реакции. Правда, в случае с контерганом не помог бы и ассиметрический синтез препарата, поскольку левая форма его молекул самопроизвольно переходила в правую и наоборот. Поэтому, начиная с 90-х годов, американское Управление по контролю за продуктами питания и лекарствами требует от фармацевтических концернов, чтобы они доказывали не только эффективность и безопасность активного варианта медикамента, но и безвредность его зеркального двойника.
Заслуга нынешних лауреатов Нобелевской премии по химии и состоит в том, что они заложили основы ассиметрического синтеза лекарственных препаратов, создав специальные катализаторы, которые позволили осуществить промышленное производство молекул лишь одной нужной формы. При этом нескольких молекул катализатора достаточно для получения многих миллионов молекул конечного продукта.