Нобелівські премії за розширення Всесвіту і властивості квазікристалів

Цього року Нобелівська премія з фізики присуджена «за відкриття розширення Всесвіту, що прискорюється, за допомогою спостережень за віддаленими найновішими». Її отримають Сол Перлмуттер з Національної лабораторії ім. Лоуренса в Берклі (штат Каліфорнія, США), Брайан Шмідт з Австралійського національного університету і Адам Рієсс з Університету Джонса Хопкінса (Балтімор, штат Меріленд, США). Особливість премії з фізики цього року полягає в тому, що вона присуджена астрономам. Таке сталося лише вчетверте.

Нинішні лауреати отримали престижну наукову премію за відкриття, що суперечить фундаментальному закону Хаббла, феномена розширення Всесвіту, що прискорюється, а також роль темної енергії в ньому. Сол Перлмуттер — професор факультету фізики Каліфорнійського університету в Берклі і лауреат престижної премії Шоу 2006 року.

Факт розширення Всесвіту встановив американський астроном Едвін Пауелл Хаббл, який 1929 року спостерігав далекі галактики за допомогою 100-дюймового телескопа. Він встановив лінійну залежність їх червоного зсуву від відстані до них. Він відбувається унаслідок ефекту Доплера, тобто зміни частоти і довжини електромагнітних хвиль при русі об’єктів один щодо одного. Хаббл (на його честь названо знаменитий космічний телескоп) показав, що чим далі від нас астрономічний об’єкт, тим більша його відносна швидкість. Спостерігається і вимірюється вона зсувом випромінювання в червоний спектр. Червоний зсув був передбачений теоретично Альбертом Ейнштейном при розробці загальної теорії відносності (ЗТВ).

Спостереження, як відбувалося розширення Всесвіту мільярди років назад, було здійснено в межах двох проектів. Один — «Наднові для космології» (Supernova Cosmology Project, SCP) — очолив Сол Перлмуттер. Інший проект, під назвою «Пошук найновіших на великих червоних зсувах» (high-z Supernova Search Team), очолили Адам Райес і Брайан Шмідт. Найновіші зірки діляться на декілька типів, і для спостережень важливі найновіші типу Ia. Спостереження за цим видом найновіших привело до відкриття, що Всесвіт розширюється з прискоренням і його розтягує якась сила, протилежна до гравітації.

Найновіша типу 1а — це вибух компактної зірки, що має масу Сонця і розміри Землі. Вибухнувши, вони світять так само яскраво, як ціла галактика. Учені чекали, що знайдуть докази того, що розширення Всесвіту сповільнюється його власною гравітацією, але врешті-решт вимушені були дійти протилежного висновку. Обидві дослідницькі групи виявили близько 50 таких найновіших, але світили вони слабше, ніж того вимагали розрахунки для Всесвіту, який розширюється все повільніше і повільніше. Обидві групи відкрили те, що ми сьогодні називаємо темною матерією — таємничою енергією, яка протидіє гравітації і на дуже великих відстанях починає над нею переважати. Завдяки цьому відкриттю сьогодні історія Всесвіту вбачається космологам у такому вигляді: перші 7 млрд. років після Великого вибуху Всесвіт дійсно розширювався з уповільненням — він був дуже малий, аби випробовувати на собі дію темної енергії. Але через 5 млрд. років темна енергія дала себе взнаки, і з того часу уповільнення змінилося прискоренням.

Використовуючи різні методи аналізу і різні спостереження, обидві групи вчених повели наявність прискорення розширення Всесвіту. Група Перлмуттера оголосила про відкриття першою, але група Райеса — Шмідта випередила її в публікації.

До кінця минулого століття астрономічні й астрофізичні спостереження показали наявність у Всесвіті маси речовини, приблизно половина загальної кількості, яка визначається чимось невідомим і при цьому рівномірно розподілена у Всесвіті. Цю частину маси стало популярним пов’язувати з так званим лямбда-членом, який був введений ще Ейнштейном для того, щоб зробити Всесвіт стаціонарним. Згідно зі свідченням радянського й американського фізика Георгія Гамова, творець ЗТВ називав введення цього члена в свої рівняння своєю «найбільшою помилкою». Цілком можливо, що це було однією з наукових містифікацій Гамова, на які він був великим майстром. Згодом Ейнштейн відмовився від цього члена, а наука відмовилася від стаціонарності Всесвіту.

Після того, як прискорене розширення Всесвіту стало науковим фактом, стаття нинішніх лауреатів 1998 року буквально підірвала науковий світ. Тому лямбда-член довелося вводити заново. Тепер він носить назву «космологічна постійна» і є фізичною постійною, яка характеризує властивості вакууму. Як заявив представник Нобелівського комітету, оголошуючи імена лауреатів 2011 року, «Спостереження цього процесу розширення Всесвіту змінили наше розуміння всього Всесвіту. Тепер ми усвідомлюємо, що Всесвіт до 95 відсотків складається з об’єктів, про які ми нічого не знаємо, це так звані темна матерія і темна енергія. І лише 5 відсотків — це те, що ми бачимо. Це відкриття дуже фундаментальне, воно дуже багато означає для космології». Цікаво, що за словами лауреатів, вони довго намагалися знайти помилку в дослідженнях і до кінця не могли повірити у відкриття. Тепер у нього повірила наука, що і було відзначено престижною премією.

Що таке темна енергія, ми доки не знаємо. Також ми не знаємо, якою буде динаміка розширення Всесвіту в майбутньому. Можливо, поле, що відповідає за прискорення розширення, з часом еволюціонуватиме («розпадатиметься»), і тоді прискорення — лише епізод в житті Всесвіту. Можливо, темна енергія пов’язана з властивостями вакууму. В цьому випадку далекі галактики відлітатимуть все далі від нас, і Всесвіт буде усе більш порожній. Є і зовсім екстремальні моделі, в яких прискорення збільшується, і, врешті-решт, настає «великий розрив» (big rip) — коли будь-які зв’язані об’єкти розриваються силами, що розривають Всесвіт на шматочки. Для розуміння того, яка природа темної енергії, необхідні нові дослідження. Заплановані нові супутники і наземні проекти, які за спостереженнями найновіших і структури розподілу галактик зможуть точніше визначити динаміку розширення Всесвіту впродовж останніх мільярдів років. Це дозволить просунутися в розв’язанні найважливішого космологічного питання і дати відповіді щодо багатьох проблем «земної» фізики.

Лауреатом премії 2011 року з хімії став Даніель Шехтман, професор Ізраїльського інституту технологій у Хайфі, а також професор Університету штату Айова. Винагороду він отримав за відкриття квазікристалів. Воно замінило традиційні уявлення про кристали.

Вивчення квазікристалів — міждисциплінарна наука, що поєднує хімію, фізику, математику і науки про матеріали. Зараз це наука, що бурхливо розвивається, але біля її початків стояв сьогоднішній лауреат. Стаття Metallic Phase with Long-Range Orientational Order and No Translational Symmetry, присвячена цьому відкриттю, була опублікована в журналі Phys. Rev. Lett. 1984 року. Викладене в ній повністю суперечило всім тодішнім уявленням кристалографії — науці про кристали.

В основі сучасного уявлення про кристали лежить симетрія. Наприклад, доволі просто покрити площину квадратами, трикутниками або шестикутниками. Інші варіанти — п’ятикутники, семикутники, восьмикутники не дозволяють цього зробити. Вони налізатимуть один на одного.

Кристал — це впорядкована структура, що складається з фрагмента, який нескінченно повторюється у тривимірному просторі. До роботи Даніеля Шехтмана вважалося, що впорядковані кристалічні структури обов’язково періодичні, тому і накладалися обмеження на допустимі осі симетрії.

Квазікристалічні орнаменти відомі в середньовічних мечетях Ірану. 1976 року англійський математик Роджер Пенроуз дав математичний опис так званої мозаїки Пенроуза, що дозволяє за допомогою всього лише двох плиток вельми простої форми замостити безконечну площину візерунком, що ніколи не повторюється. Саме це і спостерігається у квазікриталах.

Цікаво, що відкриття Шехтмана настільки суперечило сталим поглядам, що його статті двічі відхилялися спеціалізованими журналами і результати вдалося опублікувати у скороченому вигляді лише в співавторстві з відомими фахівцями І. Блехом, Д. Гратіасом і Дж. Каном. Проте Шехтману тоді довелося піти з дослідницької групи, у якій він працював.

Квазікристали були відкриті в експериментах з дифракції електронів на швидкоохолоджуваному сплаві Al6Mn (алюмінію і марганцю). Перший відкритий ним квазікристалічний сплав отримав назву «шехтманіт» (англ. Shechtmanite). Отримана картина дифракції містила типові для кристалів різкі піки, але при цьому мала точкову симетрію ікосаедра (двадцятигранника), тобто володіла віссю симетрії п’ятого порядку, неможливою в тривимірній періодичній решітці. Експеримент із дифракцією спочатку допускав пояснення незвичайного явища дифракцією на множинних кристалічних двійниках, зрощених в зерна з ікосаедричною симетрією. Проте інші експерименти довели, що симетрія квазікристалів присутня аж до атомів, і незвичайні речовини дійсно є новою формою організації матерії. Сьогодні відомі сотні видів квазікристалів, що мають точкову симетрію ікосаедра, а також десяти-, восьми- і дванадцятикутника. 2009 року виявили перший природний квазікристал в мінералах на Далекому Сході Росії. У фрагментах порід природні квазікристали досягали розмірів до 200 мікрон. Вони складаються з атомів заліза, міді й алюмінію і мають складну структуру, з декількома осями п’ятого порядку. Квазікристали були виявлені в рідкісному мінералі хатиркіт на Коряцькому нагір’ї, що спускається до узбережжя Берингового моря між Камчаткою й Анадирською затокою.

Цікаво, що отримані квазікритали були при роботах за програмою нових матеріалів для Стратегічної оборонної ініціативи в США як елемент так званих зоряних воєн. Вже зараз відомі такі напрями використання перспективних матеріалів. По-перше, покриття, зокрема для побутових приладів. Французька фірма Sitram випускає такі пательні. По-друге, мікроелектроніка. Вживання квазікриталів може призвести там до революційних перетворень, насамперед у пристроях зберігання інформації. Збільшиться їхня ємкість, швидкодія, зменшаться масо-габаритні характеристики і енергоспоживання. А це особливо важливо для таких пристроїв, як, наприклад, мобільні телефони. По-третє, пов’язане з першим, перед авіа- і автомобілебудуванням стоїть завдання переходу на водневе паливо. Тут проблемою є зберігання водню під великим тиском і запобігання його витокам. У певних пропорціях суміш водню і кисню вибухонебезпечна — гримуча суміш. Квазікристалічні матеріали можуть розв’язати цю проблему. По-четверте, перспективним вбачається використання нових матеріалів у двигунах. Особливо міцні корпуси дозволять збільшити міру стискування і температуру загоряння палива, що різко поліпшить параметри і зменшить вихлопи.

Лауреатами Нобелівської премії з фізіології і медицині 2011 року стали американець Брюс Бойтлер — професор і голова факультету генетики в дослідницькому інституті Скріппса в Ла-Хойя (Каліфорнія) — й уродженець Люксембурга Жюль Хоффманн, нині громадянин Франції, 2007—2008 рр. очолював там академію наук, за їхні відкриття в галузі природженого імунітету, а також Ральф Штайнман, який народився в Канаді, але працював у США в Університеті Рокфеллера (Нью-Йорк), за відкриття ролі дендритних клітин у придбаному імунітеті. Через декілька годин після оголошення імен лауреатів стало відомо, що Штайнман помер за три дні до вручення премії. Він другий за цитованістю імунолог у світі і лауреат Ласкеровської премії 2007 року.

У людини і споріднених з нею організмів існують два типи імунітету — природжений і придбаний. Перший діє швидше, забезпечуючи боротьбу з інфекцією на ранніх стадіях хвороби, коли специфічний, придбаний, імунітет ще не сформувався. Відповідно, придбаний імунітет ефективніший.

Прояснити роботу природженого імунітету вдалося Брюсу Бойтлеру і Жюлю Хоффманну. 1996 року другий виявив ген, який відповідає за імунну реакцію при інфікуванні грибковими мікроорганізмами. Брюс Бойтлер працював над цією ж проблемою з дещо інших позицій. Він вивчав життєдіяльність мишей і їхню реакцію на хвороботворні бактерії. 1998 року він виявив ген, який відповідає за протистояння цим бактеріям. З’ясувалося, що ген, виявлений Бойтлером, відповідає гену, виявленому в більш ранній роботі його колегою Хоффманном.

Заслуга Ральфа Штайнмана полягає в тому, що він ще 1973 року заклав основи нового напряму в імунології, пояснивши роль дендритних клітин (тип клітин імунної системи, що мають довгі, схожі на щупальця, відгалуження, якими вони захоплюють чужорідні об’єкти) шкіри, кишкового тракту і порожнини носа як першу лінію захисту проти деякий бактерій. Робота низки вакцин заснована саме на стимуляції дендритних клітин. Штайман виявив, що ці клітини за присутності чужорідних організмів можуть активувати лімфоцити.

Нобелівський комітет вирішив відступити від вимог статуту, присудження здійснюється лише живим ученим, і залишити премію Штайнману, яку отримають його спадкоємці. Чи стане це прецедентом, покаже майбутнє.