Последнее окно во Вселенную: за что вручили Нобелевскую премию по физике 2017 года

За что дали самую ожидаемую Нобелевскую премию 2017 года, какое отношение к ней имеют фильм «Интерстеллар» и новый президент РАН и ждать ли новых премий за гравитационные волны, читайте в материале Indicator.Ru.

Нобелевская премия по физике 2017 года стала самой предсказуемой из пяти «Нобелевок» этого года. Точно так же, как в 2013 году все знали, что премию дадут Питеру Хиггсу «и кому-то еще» после открытия бозона Хиггса, обнаруженного в 2011 году (а нобелевский цикл может занять до полутора лет от награждения до номинации). В этом году все однозначно ждали премии «Кипу Торну и кому-то еще» за обнаружение гравитационных волн. Нобелевский комитет не подкачал: премия по физике вручена «за решающий вклад в создание детектора LIGO и наблюдение гравитационных волн».

Однако премия будет разделена не поровну: половину ее (4,5 миллиона шведских крон) получит Райнер Вайсс, а оставшуюся половину разделят (по 2,25 млн) Барри Бариш и знаменитый не только теоретическими работами, но и своей популяризаторской деятельностью (фильм «Интерстеллар» смотрели?) Кип Торн.

Райнер Вайсс родился в 1932 году в Берлине. В 1962 году он получил степень Массачусетского технологического института, где он и работает до сих пор. Барри Бариш родился в американском городе Омаха в 1936-м. В 1962 году он защитил диссертацию в Калифорнийском университете в Беркли, сейчас работает в Калифорнийском технологическом институте (Калтех). Кип Торн родился в 1940 году в американском городе Логан. В 1965 получил степень PhD Принстонского университета, сейчас также работает в Калтехе.

Что такое LIGO?

Итак, что же такое гравитационные волны и LIGO? Если говорить просто, то гравитационные волны предсказываются Общей теорией относительности Эйнштейна, в которой гравитация рассматривается как искривление пространства-времени, а гравитационные волны — бегущая по этому пространству со скоростью света «рябь». В этом контексте гравитационные волны испускаются любой массой, движущейся с ускорением, но не любое ускорение тут подойдет. Как говорят физики, для появления гравитационных волн важно изменение так называемого квадрупольного момента системы масс.

В принципе, любой идущий человек или едущий автомобиль с движущимися внутри него деталями будет испускать гравитационные волны, но очень слабые. Однако вращающиеся вокруг общего центра масс объекты испускают уже более мощные волны. Сливающиеся и массивные черные дыры массой в несколько солнечных – еще более мощные волны, поскольку перед самым слиянием раскручиваются очень быстро, и заметная часть их массы напрямую переходит в гравитационные волны.

Как же их возможно «поймать»? Вот как раз с идеей устройства, которое может зарегистрировать волны от слияния, и выступили Кип Торн и Райнер Вайсс в середине 1970-х годов. Барри Барриш возглавил созданный интерферометр LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory — лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) и привел проект к важнейшему результату: в прошлом феврале было объявлено о первых событиях, которые зафиксировала обсерватория, — слившихся черных дырах.

LIGO состоит из двух «обсерваторий», в каждой из которой расположена L-образная вакуумная лазерная система c длиной каждого плеча 4 км, в которой расположены интерферометры (до пяти в каждой). Проходящая гравитационная волна создает возмущения в интерферометрической картине в вакуумной системе, однако самого по себе возмущения недостаточно. Между Хэнфордом и Ливингстоном, двумя частями LIGO, 3002 километра, что дает задержку в 10 миллисекунд при прохождении фронта гравитационной волны со скоростью света. Во-первых, это позволяет понять, что прошла именно гравитационная волна, а не случайный шум, который может быть вызван, например, сейсмикой. Во-вторых, можно «прикинуть» направление и сектор неба, откуда она пришла. Новый детектор, который заработал в этом году в Италии, VIRGO, делает эту точность еще больше, поскольку теперь у астрономов есть трехмерная сеть детекторов.

Кстати, в составе коллаборации LIGO работает и две группы российских ученых: из МГУ (руководитель — профессор Валерий Митрофанов) и из Института прикладной физики РАН в Нижнем Новгороде (руководитель — новоиспеченный президент РАН Александр Сергеев).

Зачем это нужно?

Но почему это так важно? Специально для Indicator.Ru развернутый комментарий по премии дал доктор физико-математических наук, профессор РАН, астрофизик Сергей Попов, автор многих статей и научно-популярных лекций о гравитационных волнах.

«Действительно очень здорово и все-таки отчасти удивительно, что LIGO так быстро дали премию, потому что люди, открывшие бозон Хиггса, до сих пор премию не получили, получили только теоретики. Было неочевидно, что комитет решит давать быстро и только LIGO, потому что через год можно было бы разделить ее с VIRGO. Поэтому можно сделать предсказание, что это не последняя премия за гравитационные волны, там еще много интересной физики. Детекторы LIGO уже работают, VIRGO на подходе, так что, наверное, премия будет еще.

Открытие очень четкое, очень интересное, очень надежное, поэтому такое решение комитета возражений ни у кого не может вызывать, все его поддерживают и одобряют. Наверное, были вопросы (они обсуждались уже давно), кто же именно те три человека, которые премию получат, и был вопрос: как Нобелевские премии мира, которые вручают организациям (их может получить Красный Крест или МАГАТЭ), не пора ли вручать и научные премии прямо коллаборациям? А уж кто там приедет получать медаль, это выбор коллаборации.

Нобелевский комитет остался консервативен и выбрал людей. Кстати, больших вопросов выбор персоналий не вызывал. Называли их всех, безусловно: и Кип Торн, и Райнер Вайсс не вызывают никаких сомнений, и Бариш, но во всех вариантах тройки лауреатов, которые обсуждались, я, по крайней мере, видел Вайсса и Торна. Так что действительно ожидаемая премия. Вопрос был только в том, насколько быстро. И получилось очень быстро.

Это открытие важно тем, что это такое последнее "окно во Вселенную", которое надо было прорубить. Это последний вид излучения от астрономических объектов, и он несет совершенно уникальную информацию. На мой взгляд, есть еще минимум одна, а может и две премии, связанных с гравитационными волнами. Все мы в ожидании того, что в октябре объявят о первой регистрации событий с участием нейтронных звезд. Первая регистрация слияния нейтронных звезд позволит так точно, как раньше невозможно было, измерить их параметры, что важно для понимания их внутреннего строения, а это важно для ядерной физики. Поэтому потенциально экспериментальное, астрофизическое решение вопроса об уравнениях состояний вещества при сверхвысокой плотности — потенциально нобелевский результат, конечно же. Потому это то, над чем экспериментаторы и теоретики на ускорителях и с помощью астрономических наблюдений бьются уже достаточно давно.

С другой стороны, при улучшении точности — с детекторами следующего поколения — можно будет узнавать много нового и интересного о черных дырах, изучать эти объекты. Совсем недавно был большой содержательный обзор, где люди обсуждали, как можно с помощью гравитационных сигналов зондировать области вблизи горизонта, как гравитационные волны отражаются от горизонта и гипотетических поверхностей обсуждаемых альтернативных объектов, если это не черные дыры, а что-то похожее. Это все станет возможно в относительно близком будущем, даже существующие детекторы фактически сейчас начали на несуществовавшем уровне изучать теорию гравитации, потому что, когда заработал VIRGO, и теперь три детектора территориально разнесены друг от друга, они сильно по-разному оказываются ориентированы, потому что Земля круглая, и можно изучать поляризацию гравитационного излучения, и здесь разные теории гравитации делают совсем разные предсказания.

И вот здесь произошло открытие (имеется в виду то, что гравитационные волны были зафиксированы в четвертый раз), о котором было объявлено на прошлой неделе. Оно показало, что общая теория относительности прекрасно объясняет наблюдаемый сигнал, в том числе и в смысле поляризации, то есть нужно всего две поляризации для гравитационной войны. Это все можно и нужно изучать точнее, и все это будет делаться. С одной стороны, это прекрасные установки для изучения гравитации, с другой, астрономические телескопы для изучения в первую очередь нейтронных звезд и черных дыр», — говорит астроном.

И еще немного о персоналиях: в прошлом году за обнаружение гравитационных волн была присуждена очень престижная премия Грубера по космологии (ее размер составляет полмиллиона долларов). И тоже трем лауреатам, списочный состав которых совпадает с нобелевским на две трети: груберовский комитет отметил Кипа Торна, Райнера Вайсса и Рональда Древера — основателей LIGO. Возможно, нобелевский комитет остановил бы свой выбор именно на этой троице, однако 5 марта 2017 года Древера не стало.

О премии

Нобелевская премия по физике сегодня была присуждена в 111-й раз. Как и все остальные, она вручается с 1901 года: первым лауреатом стал Вильгельм Конрад Рентген, который получил ее за открытие «Х-лучей». Шесть раз мир оставался без нового лауреата: в 1916, 1931, 1934, 1940, 1941, и 1942 годах.

Всего с 1901 по 2017 год премию получило 203 человека. Однако лауреатов насчитывается 204. Почему так? Физик Джон Бардин получил премию дважды: в 1956 году за открытие транзистора и в 1972 году за БКШ-теорию сверхпроводимости (Бардин — Купер — Шриффер). Еще один человек, в 1903 году став лауреатом по физике, получил потом премию по химии — Мария Кюри.

Забавный факт: один из величайших физиков (и выдающихся физиков-снобов) мира, Эрнест Резерфорд прославился, в числе прочего, фразой о том, что вся наука делится на физику и коллекционирование марок. Возможно, именно поэтому Нобелевский комитет присудил ему премию… по химии.

Зато премия по физике, пожалуй, самая семейная: две премии отошло семейству Кюри в составе четырех человек: в 1903 году получили Пьер и Мария Кюри, а в 1935 году – их дочь Ирен Жолио-Кюри вместе с мужем Фредериком. В 1915 году премию за рентгеновскую кристаллографию получили Уильям и Лоуренс Брэгги, отец и сын. Нобелевские лауреаты 1906 года Джозеф Джон Томсон, 1922 года Нильс Бор и лауреат 1925 года Манне Сигбан оставили после себя сыновей-лауреатов 1937 года (Джордж Паджет Томсон), 1975 года (Оге Бор) и 1981 года (Карл Сигбан).

Лауреаты этого года разделят между собой 9 миллионов шведских крон – это около миллиона долларов США.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.