Нобелевские премии по физике и за что их вручают

Согласно завещанию Альфреда Нобеля, премия по физике должна вручаться тому, «кто сделает наиболее важное открытие или изобретение» в этой области. Первым премию по физике в 1901 году получил Вильгельм Рентген за открытие излучения, названного его именем. На сегодня в списке награжденных более 200 человек.

Часто премию дают за фундаментальные исследования, явное практическое применение которых многим не так очевидно. Давайте разберемся, за какие важные фундаментальные открытия давали премию в последние годы и на что это повлияло.

Аттосекундные импульсы света. Одну из недавних Нобелевских премий по физике  присудили за экспериментальные методы генерации аттосекундных импульсов света. Произошло это в 2023 году.

Аттосекунда — это 10 в –18-ой степени, то есть одна миллиардная часть от одной миллиардной части секунды. Чтобы понять, насколько это маленькая величина, представьте: в покое сердце бьется примерно один раз в секунду, это на 18 порядков ― то есть в миллиард миллиардов раз ― быстрее аттосекунды. При этом возраст Вселенной равняется 13,8 миллиардам лет — это, в свою очередь, на 18 порядков больше, чем скорость биения сердца. Другими словами, одна секунда — в сравнении с аттосекундой это возраст Вселенной!

Ученые, которые начали свои исследования как чисто фундаментальные, продолжают работать над тем, как применять аттосекундные импульсы на практике. Например, потенциально они пригодятся в диагностике заболеваний, так как молекулы по-разному реагируют на короткие лазерные импульсы. На основе этого свойства можно делать молекулярные отпечатки, чтобы отличать клетки и молекулы для целей биологии и биомедицины.

Прочитайте также:

«Исследовать процессы, которые раньше было невозможно отследить». Объясняем, за что дали Нобелевскую премию по физике в 2023 году

Открытие осцилляции нейтрино. В 2015 году премию вручили за еще одно важное фундаментальное исследование ― «открытие осцилляций нейтрино, подтверждающее наличие у нейтрино ненулевой массы».

Нейтрино — это крохотная электрически нейтральная частица, которая в Стандартной модели фундаментальных взаимодействий (то есть в теории, которая объясняет, из каких базовых компонентов и как образовалась Вселенная — прим.ред.) массой не обладает. Новый факт, что нейтрино все-таки сколько-то весит (хоть и совсем немного), означает, что Стандартную модель нужно дополнять и дальше развивать коллайдерную физику, запускать новые телескопы и изучать космические лучи.

Каждую секунду миллиарды нейтрино проходят сквозь нас, но практически на нас не влияют. В похожей ситуации оказываются многие подростки. Им кажется, что мир жесток и несправедлив, люди их не замечают, а родители и учителя не понимают. С нейтрино почти так же: прямо сейчас сквозь вас проходят миллиарды таких частиц, и мы им совершенно безразличны.

Однако иногда нейтрино сталкиваются с другими частицами, вызывая реакции и рождение новых заряженных частиц. Излучение таких новых частиц несколько раз в год улавливают специальные детекторы элементарных частиц — черенковские детекторы. Они могут косвенным образом определить массы частиц или отделить более легкие частицы от более тяжелых. Такие детекторы есть всего в нескольких местах на планете ― например, известны японский нейтринный детектор SuperKamiokande, нейтринная обсерватория IceCube на Южном полюсе, глубоководный нейтринный телескоп на Байкале и несколько других.

Когда нейтрино вступает в реакцию с другими частицами, появляются три вида частиц — электронное, мюонное и тау-нейтрино, и у каждой из них есть своя пара. Каждое из трех нейтрино находится в суперпозиции, то есть имеет три разные массы. Из-за этого они летят с разной групповой скоростью. С пройденным расстоянием возникает осцилляция — со временем нейтрино может превращаться из одного типа в другой. Осцилляция нейтрино стала доказательством их массивности, и за это дали Нобелевскую премию по физике. На практике изучение осцилляций нейтрино помогает лучше понять процессы, происходящие внутри солнца и других звезд, а также дистанционно отслеживать состояние ядерных реакторов, чтобы предотвращать аварии.

Бозон Хиггса. Нобелевскую премию по физике 2013 года присудили за теоретическое открытие механизма, который помогает понять источник массы субатомных частиц. Бозон Хиггса открыли с помощью Большого адронного коллайдера в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН). Чтобы понять, что такое коллайдер, вспомните петербургскую «Газпром Арену» — примерно так выглядит ускоритель частиц, только длина его окружности ― 27 километров.

В Большом адронном коллайдере разгоняют и сталкивают протоны на скорости 6,5 тераэлектронвольт, а несколько детекторов улавливают возникшие от удара частицы. Каждый год коллайдер генерирует петабайты данных, которые невозможно обработать вручную. Поэтому сейчас в дополнение к специальным программам обработки данных физики активно используют искусственный интеллект. В том числе он ищет особенные события, которые указывают на новую физику — отклонения от Стандартной модели, такие как осцилляции нейтрино. Открытие бозона Хиггса стало триумфом физической мысли. Оно помогло ученым понять, что физика ХХ века развивалась в правильном направлении, а математические модели, разработанные лишь из соображений красоты и элегантности, в действительности описывают окружающую нас реальность.

Что на практике

Передача данных. Многие современные технологии прямо или косвенно обязаны своим существованием именно физике ускорителей. Например, ученым из ЦЕРН нужно было передавать огромные массивы данных, сгенерированные на ускорителях, и они придумали протокол, благодаря которому сейчас мы передаем данные по Интернету.

Транспорт. Похожая ситуация была и со сверхпроводящими магнитами. Изначально их создали для ускорителей частиц. Но оказалось, что очень похожая технология подходит и для поездов на магнитных подушках, которые сейчас перемещаются, например, по Китаю и Японии.

Медицина. С физикой ускорителей связано огромное количество медицинских приложений. Например, рентгеноскопия позволяет в реальном времени заглянуть внутрь человеческого организма. Протонная лучевая терапия более точно воздействует на раковую опухоль, чем традиционный рентген, не наносит вреда здоровым тканям, а также уменьшает риск побочных эффектов и рецидивов рака в сравнении с использованием рентгеновских лучей.

Искусство. Вдобавок физика ускорителей помогает и искусству. Например, в 2008 году именно с помощью флуоресцентной спектроскопии и синхротронного излучения ученые обнаружили портрет неизвестной женщины под несколькими слоями краски на картине «Лоскут травы» Ван Гога.

В следующем году в Новосибирском Академгородке запустят СКИФ – сибирский кольцевой источник фотонов — универсальную установку класса Megascience для прикладных задач физики, биологии и медицины, химии и катализа, энергетики будущего. С ее помощью можно будет анализировать и создавать новые композитные материалы, вакцины, антибактериальные препараты, а также материалы для водородной, термоядерной и других видов альтернативной энергетики.

Что ждет физиков в будущем

С точки зрения технологий

Последнюю Нобелевскую премию по физике присудили «за основополагающие открытия и изобретения, которые сделали возможным машинное обучение с использованием искусственных нейросетей». Такое решение разделило физиков на два лагеря: одни считали, что Нобелевскую премию по физике присудили за не-физику, а вторые ― приветствовали использование ИИ в физических исследованиях.

Но важнее определиться, чем для нас стал ИИ — Железной няней из «Смешариков», Вселенной «Матрицы» или Терминатором.

Любые установки, телескопы и усилители генерируют огромное количество данных, которые нужно обработать. Раньше это делалось вручную, затем у физиков появились специальные программы, а сейчас анализом данных и поиском аномалий и интересных явлений занимается ИИ. Это совершенно естественное развитие технологий. Но опасность может состоять в том, что ИИ в принципе может придумывать фейковые события в физических экспериментах и ученым трудно будет отличать реальные результаты от сгенерированных.

Прочитайте также:

«ChatGPT. Начало»: Нобелевскую премию по физике присудили за открытия в области машинного обучения и нейросетей

С точки зрения философии

В начале ХХ века существовала философская парадигма современной науки, которая объясняла, как люди получали премии и делали открытия. Звучит она немного линейно: усердно и много работай, сделай большое открытие и получи за него премию. Эту парадигму мы до сих пор преподаем в школе и университете, но эпоха модерна закончилась, а вместе с ней ― и мечты об окончательной Стандартной теории.

В современном мире оказывается, что можно работать много десятилетий и не получить результат. Подобное произошло с протон-антипротонным коллайдером Теватрон. Он почти обнаружил бозон Хиггса, но ему не хватило немного энергии до фундаментального открытия, которое в итоге сделал его конкурент — Большой адронный коллайдер.

Важно понимать, что даже Большой адронный коллайдер, возможно, больше не найдет ни новых частиц, ни темной материи, ни других явлений новой физики.

Надо быть готовыми и к мысли, что в ближайшие десятилетия у нас не получится развить технологии настолько, чтобы достичь нужного масштаба энергии и времени.

Например, есть гипотетическая теория великого объединения. Она объясняет, что произошло в первые минуты большого взрыва и как силы природы разделились на сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия.

Чтобы воссоздать условия великого объединения, нужна энергия масштабом в 10 в 16-ой гигаэлектронвольт. Большой адронный коллайдер достигает энергии 10 в 4-ой гигаэлектронвольт — это на 12 порядков (то есть в триллион раз) меньше. Для подтверждения более глобальной теории всего, которая объединяет три перечисленные силы с гравитацией, нужно в разы больше энергии — так называемое Планковское расстояние в размере 10 в –35-ой и Планковское время, равное 10 в –44-ой степени секунды. А напомню, что только в 2023 году ученые получили Нобелевскую премию за методы генерации аттосекундных импульсов света — это 10 в –18-ой секунды.

Значит ли это, что надо прекращать исследования? Нет. «Если не добежим, так согреемся». Даже сама работа над фундаментальными научными вопросами помогает развивать много прикладных технологий, полезных обществу. И возможно, в будущем нас ждет больше открытий именно в этих областях на пути поиска новых частиц и их взаимодействий.

Лекция Дмитрия Карловца состоялась в рамках научно-популярного фестиваля SciFest, который провел Новый физтех ИТМО. На SciFest ученые провели научно-популярный лекторий, рассказали об индустриальных проектах факультета, а также ответили на вопросы абитуриентов о поступлении и обучении, старте карьеры и трендах на рынке труда.