Физика десятилетия: как Нобелевские открытия меняют наш мир

В Стандартной теории взаимодействия частиц считалось, что нейтрино не имеют массы, а значит, не могут превращаться друг в друга. Но Тааки Кадзита и Артур. Б. Макдональд продемонстрировали обратное: нейтрино способны к осцилляциям. Этот квантовый эффект возможен, только если у нейтрино есть масса, — причем массы трех типов нейтрино различаются.

Потоки нейтрино рождаются как в центре Солнца, где протекают реакции термоядерного синтеза, так и при столкновении космических лучей с атмосферой Земли. Прежние расчеты показывали, что мюонных нейтрино (νμ) должно быть примерно в два раза больше, чем электронных (νe), однако детекторы фиксировали их дефицит — так называемую «атмосферную аномалию».

Параллельно существовала другая «солнечная проблема»: по расчетам на Землю должно было прилетать в три раза больше электронных нейтрино, чем регистрировали детекторы. Эту загадку разрешил канадский детектор SNO, который измерял и общий поток всех типов нейтрино, и поток только электронных. Результаты исследований 2001 — 2002 годов показали, что около двух третей электронных нейтрино по пути к Земле превращаются в мюонные и тау-нейтрино.

Оба открытия стали экспериментальным доказательством нейтринных осцилляций и, следовательно, наличия массы у нейтрино.

Открытие массы нейтринных частиц ускорило развитие соответствующей области физики — нейтринной. Теперь тысячи теоретиков анализируют данные, пытаясь найти явления, выходящие за рамки Стандартной модели элементарных частиц.

Также благодаря этому открытию начали разрабатывать новые сверхчувствительные детекторы. Их можно использовать в ядерной безопасности и мониторинге реакторов, а также для изучения геологических процессов, связанных с радиоактивным распадом, и обнаружения ядерных объектов. Нейтрино беспрепятственно проходят через любой материал, что позволяет использовать их как носитель информации в средах, где распространение электромагнитных волн затруднено или невозможно.

В начале 1970 года Таулесс и Костерлиц доказали, что сверхпроводимость может существовать при низких температурах, и открыли новый тип фазового перехода. Они обнаружили, что в материалах с толщиной в один атом электропроводимость изменяется ступенчато, а при низких температурах в материале спонтанно рождаются пары вихрей с противоположными направлениями, которые связываются друг с другом. При нагреве выше определенного порога эти пары разрушаются, вихри начинают свободно двигаться, и сверхпроводимость исчезает.

Позднее Таулесс уже вместе с Холдейном смог объяснить, почему в некоторых материалах электропроводимость изменяется не плавно, а ступенчато. Таулесс показал, что эти «квантовые ступеньки» связаны с топологией материала, а Холдейн предсказал, что топологические свойства могут проявляться даже в одномерных цепочках атомов без сильного магнитного поля — раньше это считалось невозможным.

Эти открытия заложили основу для нового направления в материаловедении — создания структур с экзотическими свойствами. Сегодня их изучение рассматривают как основу для создания квантовых компьютеров. Главное их свойство — устойчивость к внешним помехам. Даже если на них воздействуют шум или вибрации, топологические состояния остаются стабильными. Это защищает хрупкие кубиты (основные элементы информации в квантовых компьютерах) от потери квантового состояния и ошибок в вычислениях.

Гравитационные волны — это рябь на пространственно-временной материи. Ее предсказал Альберт Эйнштейн в 1916 году как следствие Общей теории относительности. Такие волны возникают, когда массивные объекты, например, черные дыры или нейтронные звезды, движутся с ускорением — в том числе когда они сталкиваются. Почти сто лет их считали неуловимыми, потому что волны очень слабые: они изменяют расстояния между объектами в десятки тысяч раз меньше размера атомного ядра.

Путь к открытию занял десятилетия и стал возможен только благодаря созданию Лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO.

Вклад каждого из троих лауреатов уникален:

• Райнер Вайсс в 1970-х годах разработал основную концепцию лазерного интерферометра для обнаружения гравитационных волн, проанализировал возможные источники шума и предложил методы их преодоления.
• Кип Торн убедил научное сообщество, что детектирование волн реально, и предсказал свойства гравитационных волн от астрофизических объектов, таких как черные дыры.
• Барри Бэриш превратил LIGO из небольшой коллаборации между MIT и Caltech в масштабный международный проект с участием более тысячи ученых из разных стран.

Открытие гравитационных волн положило начало новой области науки — гравитационно-волновой астрономии. Если раньше можно было изучать космос только через электромагнитные волны, то теперь его можно исследовать через колебания ткани пространства-времени. Это позволяет исследовать невидимые в электромагнитном спектре события. Например, слияния черных дыр, нейтронных звезд и их взаимодействия.

Джеймс Пиблз — один из основателей современной космологии, науки об эволюции Вселенной. С середины 1960-х годов его работы превращают космологию в точную науку, основанную на наблюдениях.

Он изучал космический микроволновый фон — «послесвечение» Большого взрыва, которое появилось, когда Вселенной было около 380 000 лет, и несет информацию о самых ранних этапах ее развития.

Модели Пиблза привели к неожиданному выводу: известная нам материя, из которой состоят звезды, планеты, люди — это лишь около 5% от всей массы-энергии Вселенной. Остальные 95% — это неизвестная темная материя и темная энергия, которая остается главной загадкой для фундаментальной физики.

В это же время Мишель Майор и Дидье Кело тоже открывали космос с новой стороны, но в другом направлении: долгое время Солнечная система оставалась единственным известным примером планетной системы. Но в октябре 1995 года ученые объявили об открытии планеты 51 Пегаса b, которая вращается вокруг звезды, похожей на Солнце.

Исследования Джеймса Пиблза позволили рассчитать возраст Вселенной и проследить ее эволюцию вплоть до Большого взрыва, а также оценить долю темной материи и темной энергии в общем балансе вещества во Вселенной. Его расчеты легли в основу модели, согласно которой известная нам материя составляет лишь около 5% Вселенной. Остальное — темная материя и темная энергия, ответственная за ускоренное расширение Вселенной.

Открытие Майора и Кело на практике доказало существование планет за пределами Солнечной системы и дало импульс их массовому поиску. На сегодняшний день ученые нашли уже более 4 000 экзопланет. Это повлияло и на технологическое развитие. Для поиска планет потребовались новые сверхточные спектрометры — один из примеров инженерных изобретений, которые возникли благодаря Нобелевским открытиям и нашли практическое применение.

В 1965 году, через десять лет после смерти Альберта Эйнштейна, Пенроуз доказал, что в сердце любой черной дыры скрывается сингулярность — точка, где все известные законы природы перестают действовать. Его работа считается самым важным вкладом в теорию относительности со времен Эйнштейна.

С начала 1990-х годов Райнхард Генцель и Андреа Гез возглавляли две независимые группы астрономов, которые изучали центр нашей галактики — Млечный Путь. Ученые отследили орбиты звезд в районе объекта Стрелец А* и выяснили, что их движение вызвано гравитацией невидимого сверхмассивного объекта. Его масса составляет около 4 миллионов масс Солнца, а размер не превышает Солнечную систему. Единственное научное объяснение — это сверхмассивная черная дыра.

Для своих наблюдений ученые разработали новаторские методы. Они позволяют преодолевать искажения, создаваемые земной атмосферой, и видеть сквозь гигантские облака межзвездного газа и пыли.

О том, как Нобелевские открытия превращаются в реальные технологии и находят применение в инженерии, мы подробно расскажем в следующей заметке.