Затянувшийся эфир

Перед присуждением Нобелевской премии агентство «Томпсон Рейтер» традиционно публикует свою версию троек лидирующих номинаций. В этом году тройка лидеров по физике выглядела следующим образом:

— За предсказание бозона Хиггса — Франсуа Энглер, Питер Хиггс.

— За открытие сверхпроводников на основе железа — Хидео Хосоно.

— За открытие экстрасолнечных планет (экзопланет) — Мишель Майор, Дидье Кело, Джеф Марси.

В этом году телеканал «Дождь» устроил «Нобелевскую неделю»: в час объявления премии по данной дисциплине в студии собирались эксперты и во главе с Павлом Лобковым обсуждали в прямом эфире сначала номинантов-лидеров, затем, после объявления — победителя.

На эфире, приуроченном к премии по физике, присутствовал и автор. Всего, кроме Павла Лобкова, нас было четверо, причем мы заранее распределили роли, кто за что будет «болеть», агитировать и объяснять суть работы. Выглядело это так:

Валерий Рубаков — предсказание бозона Хиггса (это входит в сферу его профессиональных занятий);

Владимир Пудалов — открытие сверхпроводников на основе железа (это непосредственно связано с его сферой деятельности);

Борис Штерн — открытие экзопланет (не входит в сферу профессиональных интересов, но является его увлечением и предметом популяризации);

Дмитрий Баюк — история Нобелевских премий (история науки является его профессией).

Всем было ясно, что с подавляющей вероятностью победит бозон Хиггса, но надо было как можно больше рассказать и о других номинантах, сохраняя интригу. Случай предоставил нам для этого уникальную возможность: объявление решения Нобелевского комитета отложили на час (беспрецедентное событие), и весь этот час (всего полтора) мы в прямом эфире рассказывали о Большом адронном коллайдере, экзопланетах, сверхпроводниках, курьезах истории науки и пр. Наверное получилась неплохая научно-популярная передача. Вообще идея «Дождя» — прямой эфир, сопровождающий объявление Нобелевских лауреатов, — замечательна, жаль, что, как выясняется из разговоров с коллегами, об этой передаче мало кто знает.

Теперь о трех номинантах. Начнем с тех, что проиграли, но когда-нибудь обязательно выиграют.

Будущие победители, проигравшие в этот раз

Сверхпроводник на основе железа, к тому же высокотемпературный, оказался полной неожиданностью. Всегда считалось, что сверхпроводимость и ферромагнетизм — антагонистические явления. Сверхпроводник выталкивает магнитное поле, ферромагнетик втягивает его. Оказалось, что попутно происходит еще один фазовый переход — антиферромагнитный. В целом явление представляет немалую трудность для теоретической интерпретации. Наиболее перспективное объяснение: электроны объединяются в пары из-за взаимодействия посредством магнитных флуктуаций.

Зато перспективы использования не вызывают сомнений. Главное достоинство новых проводников: критическое магнитное поле на порядок выше, чем в других сверхпроводниках, — 200 Тесла. Соответственно, выше критическая плотность тока. Кроме того, он технологически удобней, чем существовавшие ранее сверхпроводники на основе соединений меди (купра-ты). Критическая температура новых сверхпроводников 30-50 К.

Следующая работа-претендент, по версии Томпсон Рейтер — экзопланеты. Многие отмечают, что это открытие не носит фундаментального физического характера — обычная астрономия. Да, зато открытие имеет фундаментальное мировоззренческое значение. Это вопрос о «месте человека во Вселенной» — ни больше, ни меньше. Насколько распространены другие планетные системы, насколько они похожи на нашу, как много планет, подобных Земле, находится в «зоне обитания», каковы перспективы обнаружить планеты, на которых есть жизнь? Эти вопросы связаны именно с экзопланетами.

Экзопланеты начали искать еще в XIX веке по движению звезд, но настоящий прорыв произошел только в 1995 году. Прорыв не был связан с появлением каких-либо новых поколений инструментов — просто постепенное совершенствование методики наблюдений, использование всяких экспериментальных хитростей плюс удача. Метод, которым были открыты первые экзоплане-ты, — спектроскопическое выявление колебаний лучевой скорости звезды. Эти колебания вызываются орбитальным движением планет и «вытаскиваются» из спектра благодаря эффекту Доплера: линии периодически смещаются.

Проблема заключается в том, что звезда бурлит, вращается, а излучающие атомы движутся с тепловыми скоростями многие километры в секунду. Ширина спектральных линий звезды составляет более 10 километров в секунду, а колебания скорости под действием планет- метры в секунду. Нужно измерять смещение линий на одну тысячную их ширины (сейчас достигнута точность лучше метра в секунду — одна десятитысячная ширины линии).

В 1995 году, в развитии методики поиска экзопланет лидировали две группы: швейцарцы Мишель Майор и Дидье Кело и американцы Джеф Марси и Пол Баттлер. Американцы были впереди по точности методики, но швейцарцам повезло — они открыли уникальную вещь: планету с массой больше, чем у Юпитера, обращающуюся вокруг звезды за четыре дня! Никто не хотел этому верить — планеты не могут образовываться так близко к звезде. Но начало было положено, и в ближайшие недели были открыты новые планеты (в основном Марси и Батлером), в том числе и «невозможные» гиганты, обращающиеся за считанные дни (горячие юпитеры).

С тех пор открыто более трех тысяч экзопланет, в том числе и несколько таких, на которых возможна жизнь. Полностью изменились представления о том, что такое планетные системы и как они образуются. Их больше, чем думали, и они гораздо разнообразней.

Нынешние победители

Как уже сказано выше, мало кто сомневался, что премия будет присуждена за предсказание бозона Хиггса. Во-первых, потому, что бозон только что открыли. Во-вторых, из-за потрясающей фундаментальности явления и большого общественного резонанса. В-третьих, из-за преклонного возраста авторов — могут и не дождаться явно заслуженной награды (один из авторов, Браут, уже умер).

Чтобы объяснить суть предсказания, полезно совершить исторический экскурс на полвека назад.
Еще в 50-х годах заметили, что электромагнитное поле красивым образом связывается с волновой функцией носителя электрического заряда, например электрона. Явление назвали калибровочной инвариантностью, а такой тип поля — калибровочным полем. Стали искать подобное явление в других типах взаимодействий, например в сильных. Там тоже есть частицы, напоминающие фотон, — векторные мезоны (тогда, в 50-х и начале 60-х, еще не знали, что векторные мезоны — составные частицы). Предполагалось, что это и есть калибровочное поле для сильных взаимодействий. Но тут возникает проблема: калибровочное поле должно быть безмассовым, иначе вся красота пропадает. А векторные мезоны -массивные. Предложенное решение для выхода из этого тупика изменило философию физики микромира.

Представим себе, что некий ученый далекого прошлого заявляет, что все направления в пространстве равноправны. А другой в качестве опровержения демонстрирует компас, который показывает на север, показывает всегда и везде. Значит, направление на север выделено, изотропии не существует! И лишь много позже появляется понятие земного магнитного поля, которое нарушает местную изотропию пространства, воздействуя на стрелку. Не может ли быть так, что настоящие фундаментальные массы тех же векторных мезонов равны нулю, а их массивность — наведенный эффект? Может, пространство нашей Вселенной заполнено неким полем, которое воздействует на частицы таким образом, что они становятся массивными? И к такой идее уже существовала хорошая демонстрация: сверхпроводники. В сверхпроводнике фотон как бы приобретает массу: электромагнитное поле из-за этого не может проникнуть внутрь сверхпроводника.

В 1964 году Браут и Энглер и независимо чуть позже Хиггс опубликовали механизм возникновения массы калибровочных полей из-за ненулевого скалярного поля, заполняющего пространство. Хиггс к тому же ясно заявил, что этому полю должна соответствовать частица — бозон, возникающий как его квантовое возбуждение, — это и есть знаменитый бозон Хиггса.

Как это часто бывает, выдающиеся достижения в науке делаются в неправильных предположениях или с неправильной мотивацией. Векторные бозоны в сильных взаимодействиях не имеют никакого отношения к калибровочным полям, являясь всего лишь составной системой кварк-антикварк. Зато есть слабые взаимодействия, где действительно есть массивные калибровочные поля: W+, W- и Z. Тут и пригодился механизм Хиггса, став элементом теории электрослабых взаимодействий Вайнберга — Салама. Как выяснили позже, тот же самый механизм дает массы и другим частицам — электронам, кваркам. Благодаря полю Хиггса и существует наш комфортабельный мир: во вселенной с безмассовыми частицами жизнь немыслима.

Автор благодарен Валерию Рубакову за полезное обсуждение.