Нобелевскую премию по физике присудили за открытия в космологии и астрономии
В Стокгольме 8 октября назвали лауреатов Нобелевской премии по физике. Ими стали Джеймс Пиблс, Дидье Кело и Мишель Мэйор.
В этом году премию по физике разделили на две части: половину получил Пиблс за теоретические открытия в области физической космологии, вторую — Кело и Мэйор — за открытие экзопланеты на орбите вокруг солнцеподобной звезды. Все трое ученых были отмечены Нобелевским комитетом «за вклад в понимание к эволюции Вселенной и места нашей планеты в космосе».
BREAKING NEWS:
The 2019 #NobelPrize in Physics has been awarded with one half to James Peebles “for theoretical discoveries in physical cosmology” and the other half jointly to Michel Mayor and Didier Queloz “for the discovery of an exoplanet orbiting a solar-type star.” pic.twitter.com/BwwMTwtRFv
Открытая Кело и Мэйором в 1995 году экзопланета вращается вокруг звезды солнечного типа на расстоянии 50 световых лет от Земли. По своим размерам небесное тело, которое разогрето до 1000 градусов, схоже с Юпитером. После исследования ученых удалось открыть множество других экзопланет, в числе которых были те, что схожи с Землей.
Теоретические работы Пиблса посвящены расширению Вселенной после большого взрыва и тому, какую роль играют в этом разные виды материи и энергии. В 1982 году ученый предположил существование холодных и тяжелых частиц, составляющих так называемую темную материю Вселенной. Затем в 1984-м он решил вернуться к предложенной Эйнштейном космологической постоянной, то есть «темной энергии».
Год назад Нобелевскую премию по физике присудили Артуру Эшкину за оптический пинцет, а также Жерару Мору и Донне Стрикленд за разработку высокоинтенсивных ультракоротких оптических импульсов.
Накануне Нобелевский комитет огласил имена лауреатов премии по физиологии и медицине. Награда, которую вручат 10 декабря в день смерти Альфреда Нобеля, досталась американским онкологам Уильяму Келину и Грегу Семенце, а также британскому молекулярному биологу Питеру Рэтклиффу, открывшим механизм адаптации клеток к объему доступного кислорода.
Имена лауреатов Нобелевской премии в области химии станут известны 9 октября, а 10 числа будут объявлены имена лауреатов в области литературы сразу за два года. Имя лауреата премии мира назовут 11 октября, а премию по экономическим наукам памяти Альфреда Нобеля, учрежденную с 1969 года Банком Швеции, присудят 14 октября. Сумма каждой из Нобелевских премий равна 9 млн шведских крон (чуть менее $950 000).
Источник
Общий вид на Вселенную: за что дали Нобелевскую премию по физике
Премия по физике была в этом году разделена на две равные части, доставшиеся ученым, которых объединяют достижения в области исследований Вселенной. Согласно формулировке Нобелевского комитета, премия присуждена «за вклад в наше понимание эволюции Вселенной и места Земли в космосе».
Первую половину премии получил Джеймс Пиблз — физик-теоретик и космолог, предложивший в конце прошлого века теоретическую основу наших современных представлений о бесконечной и расширяющейся Вселенной. Вторую половину разделили между собой два швейцарских астронома, Мишель Майор и Дидье Кело, углубивших человеческие представления о космосе: именно они в середине 1990-х установили, что наша Солнечная система — не исключение, а, как окончательно установлено к настоящему времени, очень типичный космический объект.
Плоский и вечный мир
Космология, сложившаяся к середине ХХ века, рассматривает Вселенную как объект, описываемый эйнштейновской Общей теорией относительности. У этого объекта есть два принципиальных параметра: скорость расширения и геометрические свойства пространства. Скорость расширения Вселенной зависит от плотности материи в ней: если материи слишком мало, Вселенная будет расширяться бесконечно, однако если плотность велика, то расширение неизбежно сменится сжатием.
От плотности материи зависит и геометрия пространства. При некоторой определенной («критической») плотности это пространство будет «эвклидовым», то есть будет иметь ту геометрию, к которой мы привыкли. В нем параллельные прямые никогда не пересекаются, а сумма углов треугольника — как бы далеко в космосе не располагались его вершины — всегда будет равна 180 о . При более высокой плотности пространство будет иметь «положительную кривизну»: в таком пространстве параллельные прямые сближаются, как земные меридианы, а сумма углов треугольника больше 180 о , как если бы он был нарисован на сфере (например, на поверхности Земли). Если плотность меньше критической, кривизна будет отрицательной, и параллельные будут расходиться.
Ко 1980 годам наблюдательные данные астрономии свидетельствовали, что наше пространство с большой точностью являются эвклидовым (его кривизна равна нулю). При этом видимая материя — то есть все галактики и межгалактический газ — никак не могла составлять больше 5% от критической плотности. Это был серьезный вызов для космологии: во Вселенной недоставало 95% плотности, необходимой для того, чтобы пространство было таким, какое наблюдается в реальности. Парадокс пытались разрешить, предположив существование «темной материи», состоящей из нейтрино, однако эта гипотеза имела множество проблем и не выдерживала проверки наблюдательными данными.
В 1982 году Джеймс Пиблз предположил существование иного типа темной материи, состоящей из холодных и тяжелых частиц. Такая материя могла объяснить видимое движение звезд в галактиках. Однако количество обычной и темной материи в сумме все равно составляло бы лишь 31% от критической плотности, необходимой для поддержания «плоской Вселенной» (то есть пространства с нулевой кривизной).
К 1984 году группа теоретиков, включая Пиблза, решила вернуться к идее, которую когда-то предлагал Эйнштейн: ввести в уравнения Общей теории относительности дополнительный параметр. Этот параметр описывает свойство пустого пространства — давление, как бы расталкивающее его изнутри. Параметр получил название «темной энергии». Темная энергия — это свойство вакуума, побуждающее его к расширению. А поскольку в теории Эйнштейна энергия всегда эквивалентна массе, темная энергия прибавляет к плотности те самые недостающие 69%, так что суммарная плотность «всего на свете» становится в точности равна критической. Таким образом, три компонента — обычная видимая материя, «темная материя» и «темная энергия» — вместе создают такую плотность, чтобы пространство, в котором мы живем, оставалось «плоским» и эвклидовым, подчиняющимся законам школьной геометрии.
«Темная энергия» гарантирует, что расширение Вселенной будет продолжаться вечно и «Большой Взрыв» не сменится в конце времен «Большим схлопыванием». Эта теоретическая идея была подтверждена в 1998 году, когда ученые обнаружили, что скорость расширения Вселенной возрастает со временем. За это открытие в 2011 году Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Рис были удостоены Нобелевской премии, а восемь лет спустя высокая награда нашла и автора концепции — Джеймса Пиблза.
Множественность миров
Трудно поверить, но еще 40 лет назад существовала гипотеза, что планетная система вокруг нашего Солнца — уникальное для космоса явление, и вокруг других звезд никаких планет быть не может. Из этого следовала бы и уникальность жизни на Земле, и исключительное положение человеческой цивилизации во Вселенной (вопрос об инопланетянах был бы закрыт навсегда).
В конце 1980-х начали появляться первые данные о том, что у других звезд все же могут быть планеты. В 1988-м канадские астрономы получили данные о существовании планеты возле оранжевого гиганта в созвездии Цефея, а в 1991 году польский астроном Александр Вольшчан обнаружил планету у нейтронной звезды в созвездии Девы. Однако только в 1995 году двое швейцарских астрономов — Дидье Кело и Мишель Майор — доложили на конференции о своем открытии планеты возле звезды солнечного типа.
С помощью спектрометра, то есть по сдвигам в частоте света, астрономы обнаружили небольшие колебания звезды 51 в созвездии Пегаса, находящейся в 50 световых годах от Солнца. Колебания были вызваны гравитационным взаимодействием с обращающейся вокруг звезды планетой размером примерно с Юпитер, раскаленной примерно до 1000℃. Несмотря на то, что сама планета совершенно не похожа на нашу, это открытие было окончательным подтверждением, что Солнечная система не уникальна и вокруг подобных Солнцу звезд где-то в космосе обращаются планеты.
Как правило, экзопланеты не имеют собственных имен, однако для планеты 51 Пегаса b, ввиду важности ее в истории астрономии, было сделано исключение: на следующий год после открытия астроном Джеффри Марси предложил назвать ее Беллерофон в честь греческого героя, укротившего Пегаса. В 2015 году Международный астрономический союз официально присвоил планете другое имя — Димидий.
К настоящему времени открыты сотни экзопланет. В 2011 году телескоп «Кеплер» обнаружил у звезды Кеплер-20 две планеты, близкие по размерам к Земле. В 2017 году возле звезды TRAPPIST-1 обнаружено целых семь землеподобных планет.
Открытию новых экзопланет посвящено несколько масштабных проектов. В ходе работы космического телескопа Kepler открыто 132 экзопланеты и более 2000 потенциальных кандидатов. Затраты на проект составили более $0,5 млрд. В 2013 году запущена на орбиту космическая обсерватория Gaia, которая может открыть, согласно некоторым оценкам, до 10 000 экзопланет. Стоимость проекта составляет около €577 млн. В 2018 году запущен космический телескоп TESS, предназначенный для открытия экзопланет транзитным методом. На этот проект NASA выделено около $200 млн.
Источник
“Вселенная — как чашка кофе”. И звезда, похожая на Солнце — вручена Нобелевская премия по физике
Джеймс Пиблс – канадец, но провел практически всю свою научную карьеру в Принстонском университете в США. Кело и Майор работают в Женевском университете, Кело также сотрудник знаменитой Кавендишской лаборатории в Кембриджском университете.
Интересно, что результаты премии по физике объявляются не только по-шведски, но и по-английски. После этого председатель комитета повторяет формулировку на немецком, французском и русском языках.
Обе половины Нобелевской премии присуждены за изучение очень базовых вопросов устройства окружающего мира. Только окружающий мир в широком смысле – это вся Вселенная. Так вот, про любой окружающий мир интересно знать, из чего он состоит, а также есть ли в нем кто-то похожий на нас. Пиблс, Кело и Майор – это современные Колумбы, увидевшие похожую на нашу землю и чуть лучше обрисовавшие границы океана. Только теперь границы познанного окружающего мира так сильно раздвинулись, что путешествия заменяют, в лучшем случае, наблюдения в телескопы, а в худшем – построение мыслительных конструкций.
Вселенная как чашка кофе
Работы Пиблса отвечают на вопрос о том, из чего состоит Вселенная. Этими вопросами занимается самая глобальная из наук – космология. Она изучает свойство и эволюцию Вселенной в целом – глобальнее просто некуда. Чтобы немножко больше понять, как можно изучать такие большие и бесконечные вещи, можно, например, посмотреть фильм «Интерстеллар» — его научным консультантом выступал будущий лауреат Нобелевской премии по физике Кип Торн, и он отличается от массы научной фантастики как раз твердой научной базой (а почерк главной героини принадлежит физику из МГУ Елене Мурчиковой).
Можно почитать интервью одного из самых авторитетных космологов-теоретиков, Стэнфордского профессора российского происхождения Андрея Линде . Или вернуться к классической советской популяризации и прочесть потрясающе интересную (и несложную по изложению) книгу Иосифа Шкловского «Вселенная, жизнь, разум». Как вы уже поняли, космология вообще очень «российская» наука. Это отметил в своем телефонном интервью и сам Пибл, указав группу советского ученого Якова Зельдовича среди тех, кто после Второй мировой войны первыми занялся проблемами теоретической космологии.
Но важность работы самого Пиблса можно попытаться понять и без предварительного чтения. Современные представления об устройстве Вселенной позволяют достаточно надежно утверждать, что она началась с Большого Взрыва около 14 млрд лет назад. Тогда Вселенная была очень маленькой, горячей и плотной. Не было ничего похожего на сегодняшний день – ни звезд, ни планет, ни вакуума – только некий «суп» из элементарных частиц (кварков, глюонов, электронов), самых маленьких строительных блоков нашего мира и нас самих. С тех пор, до сегодняшнего дня и далее Вселенная расширяется, она становится больше и холоднее. Через 400 000 тысяч лет после Большого взрыва (совсем немного по сравнению с 14 000 000 000, да?) Вселенная стала прозрачной и через нее смог двигаться свет. По движению света мы измеряем Вселенную сейчас – расстояние в тысячу световых лет означает, что свет (скорость которого постоянно везде и всегда) пройдет от нас до этой планеты или звезду за тысячу лет.
Но не только с помощью света (то есть изучая видимые объекты), астрономы строят свои представления о Вселенной. Другой важный фактор – гравитация. Это взаимное притяжение объектов, у которых есть масса. Мы не улетаем с Земли в космос, Земля не улетает со своей орбиты вокруг Солнца в межзвездное пространство – это все гравитация. Поэтому размеры небесных тел можно «прикинуть» не только по параметру свечения (то есть как ярко мы их видимо), но и гравитационно – изучая их движение друг относительно друга, управляемое гравитационными притяжением. Так вот, в какой-то момент ученые обнаружили, что два показатели критически расходятся. «Глазами» (на самом деле, конечно, не глазами, а сложными телескопами) мы видим одно, а движутся небесные тела совсем по-другому – как будто рядом или вокруг есть еще что-то, что их притягивает. Но мы этого решительно не видим. И этого «чего-то» — его назвали «темной материей» и «темной энергией», — согласно измерениям, оказалось ужасно много. Во время Нобелевской пресс-конференции это отлично пояснил председатель Нобелевского комитета по физике, профессор Матс Ларсон.
“Вселенная похожа на чашку кофе. Большая часть в этой чашке – это, собственно, кофе. Это темная энергия. В чашке довольно много сливок, это темная материя. А совсем маленькая доля сахара – это обычная материя. И до сих пор наука изучала практически исключительно только это – сахар”, — сказал он.
Изучение темной материи и темной энергии сегодня одна из главных задач современной физики и космологии. Потому что из них, получается, и состоит на 95% окружающий нас мир, Вселенная.
Так причем тут Джеймс Пиблс? Он занимается теоретической – не практической – космологией уже более 50 лет и когда-то предложил теоретически многое из того, что сейчас составляет наше представление о Вселенной и было подтверждено практическими наблюдениями разного типа.
«Я начал работать над этим вопросом в 1964 году. Я был совсем не уверен, что это хорошая тематика: экспериментальных подтверждений космологических теорий почти не было. Но я продолжал работать, потому что мне это было интересно – и с годами теория обросла экспериментом! Вместе с тем, эта область остается живой и развивающейся. Например, восхитительно, что мы твердо знаем, что наша Вселенная расширяется. Но несмотря на исследования и теории, темная материя и темная энергия остаются непонятными. Вообще темную энергию ввел Эйнштейн, он назвал ее космологической постоянной, потом она поменяла имя, но суть не изменилась. Интересно, что он сначала ввел ее, потом выбросил, а потом вынужден был вернуть – без нее не обойтись! И до сих пор она остается только догадкой”, — сказал он, отвечая по телефону на вопросы во время пресс-конференции в Нобелевском комитете.
Звезда, похожая на Солнце
Еще один большой вопрос – одни ли мы во Вселенной. Поскольку все планеты Солнечной системы люди либо видели вблизи, либо “посетили” в форме беспилотных летательных аппаратов, то можно достаточно уверенно сказать, что в Солнечной системе мы одни, ни на одной из других планет жизни ни в какой форме нет. Однако эти исследования дали нам полезную информацию о том, какие на планете нужны условия, чтобы эта жизнь могла зародиться. Например, мы поняли, что на Венере и Меркурии слишком жарко, Юпитер – вообще газовая, а не твердая планета. Поэтому стало понятно, что искать за пределами Солнечной системы. Для начала нужно искать звезды, похожие на Солнце, потому что слишком большие или слишком маленькие звезды тоже совершенно не подходят для “жизнеспособных” планетных систем. Это не так сложно – звезды светятся сами по себе и астрономы довольно хорошо научились их наблюдать. А вот как увидеть планеты? Они очень маленькие и не излучают свет, а только отражают свет своей звезды.
Это и есть постановка задачи по поиску так называемых экзопланет. Экзопланетами называют все планеты вне Солнечной системы (“экзо” означает “вне”). Важность наблюдения планеты, вращающейся вокруг звезды, похожей на Солнце, в том, что именно в таких планетных системах теоретически возможна жизнь. На поиске таких планет и сконцентрировались Кело и Майор. В 1995 году в обсерватории Верхнего Прованса во Франции они смогли разработать методику и собрать инструмент, который позволил им впервые наблюдать экзопланету у звезды, похожей на Солнце. Это звезда 51 Пегаса – созвездия звездного крылатого коня. Сейчас она стала знаменитой и называется Гельветиос (Helvetia – латинское название Швейцарии).
Планета b (теперь ее называют Димидий, «половина», потому что она весит как половина Юпитера) и была открыта Кело и Майором. Они разработали способ, с помощью которого можно «увидеть» существование планеты по изменению цвета ее звезды. Дело в том, что планета гравитационно воздействует на звезду (а не только наоборот), немного меняя ее скорость. А скорость изменяет наблюдаемый с Земли свет звезды. Эти сверхтонкие эффекты и измерили астрономы, а потом их эксперимент воспроизвели коллеги в других странах. Планета оказалась похожей на Юпитер, только легче. На сегодня экзопланет известно более четырех тысяч. Некоторые из них, кажется, очень похожи на Землю, но пока недостаточно. Найдем ли мы планету-близнец нашей? На этот вопрос тоже ответил Пиблс.
«Мы можем быть совершенно уверены, что среди огромного количества планет есть те, что пригодны для какой-то формы жизни. И конечно, на каких-то из них есть что-то, что мы можем назвать жизнью. Но ирония в том, что мы можем быть совершенно уверены в том, что мы никогда, никогда не увидим эту жизнь. Это показывает одновременно, сколь огромна сила науки и сколь огромны барьеры, которые стоят перед ней”, — сказал он.
Из истории и риторики
Говоря о столь глобальных и совершенно непрактичных исследованиях, размышления о которых легко могут подавить человека, нельзя не задаться вопросом, зачем это самим ученым?
“Вас должна двигать любовь к науке. Премии и прочие вознаграждения – это прекрасно и приятно, когда они появляются, но не они суть науки. Чтобы заниматься наукой, вас должна очаровывать и привлекать сама наука, а не возможные премии. Это то, что двигало мной много лет назад, когда моя сфера исследований могла показаться совершенно бесперспективной”, — подытожил Пиблс, отвечая на вопрос, ожидал ли он присуждения Нобелевской премии.
Премия, действительно, стала несколько неожиданной. Самый авторитетный прогноз – агентства Clarivate Analytics – не называл сегодняшних лауреатов в числе наиболее вероятных кандидатов, хотя важность тематик космологии и экзопланет подчеркивали ряд экспертов .
В прошлом году награда была присуждена американцу Артуру Эшкину, французу Жерару Муру и канадке Донне Стрикленд «за фундаментальные открытия в сфере лазерной физики».
Нобелевские премии по физике вручались с 1901 года 112 раз, их получили 209 человек (хотя премий было 2010 – Джон Бардин получил ее дважды). Среди них всего три женщины. Одна из них – знаменитая Мария Склодовская-Кюри, а вторая – лауреат прошлого года Донна Стрикленд. Физики – чемпионы юности и зрелости. Самому молодому лауреату – Лоуренса Брэггу было на момент присуждения премии в 1915 году всего 25 лет. Он вместе со своим отцом заложил основы использования рентгеновского излучения, коротко говоря, для изучения строения всего на свете. Самым пожилым физиком-лауреатом (и самым возрастным лауреатом Нобелевской премии вообще) стал вышеупомянутый Артур Эшкин – в прошлом году на момент присуждения премии ему было 96 лет, он и сегодня здравствует.
Поделитесь статьей, если она важна для других
Источник