Текст книги "Гонка за Нобелем"

Свет, которого не видел Ом

Айзек Азимов однажды сказал, что архетипическая реакция настоящего ученого на новое открытие вовсе не «Эврика!», а сомнение. Часто это сомнение смешивается со страхом – страхом ошибиться, стать жертвой непреднамеренного заблуждения и опорочить свою репутацию.

Пензиас и Уилсон были храбрыми. Они не стали списывать расходящиеся с нулем результаты измерений на несовершенное оборудование. Вместо этого ученые решили узнать причину раздражающего радиошума – это реальность или просто они что-то сделали не так?[63]63
  Вы можете услышать этот радиошум, преобразованный в слышимые частоты, в интернете: http://www.npr.org/templates/story/story.php?storyId=4655517.


[Закрыть]

Поначалу их рупорная антенна была развернута в сторону Нью-Йорка, который находился всего в 80 км от Холмдела и со своим лесом радиовышек был наиболее очевидным источником потенциального загрязнения. Понятно, что никому бы в голову не пришло устанавливать оптический телескоп в сверкающем огнями районе Лас-Вегас-Стрип. Но эта антенна первоначально предназначалась для связи, а не для радиоастрономии, поэтому и была построена так близко к мегаполису. Астрономы отвернули ее в сторону, чтобы избежать шума, но сигнал сохранялся, куда бы они ее ни направили.

Не сумев возложить вину на ньюйоркцев, Пензиас и Уилсон принялись искать других виновников загрязнения сигнала. Вскоре они обнаружили новые улики: в уютном, защищенном от непогоды и хищников рупоре антенны обосновалось семейство голубей, покрыв внутреннюю поверхность рупора большим количеством «белого диэлектрика». Ну что возьмешь с птичек? Пензиас и Уилсон тщательно очистили свой рупор от помета и отвезли пернатых в Филадельфию[64]64
  Созданную Пензиасом и Уилсоном ловушку для голубей можно увидеть в Музее Смитсоновского института; https://airandspace.si.edu/exhibitions/explore-the-universe/online/images/2001–5347.jpg.


[Закрыть]. Но голуби вернулись обратно – недаром птицы славятся своей способностью находить путь домой. «Чтобы избавиться от них, пришлось достать дробовик… Никто из нас не был в восторге от такого решения проблемы, но это был единственный выход», – покаянно вспоминал впоследствии Арно Пензиас[65]65
  . “Arno Penzias and Robert Wilson: Bell Labs, Holmdel, NJ,” Historic Sites, APS Physics website, American Physical Society, https://www.aps.org/programs/outreach/history/historicsites/penziaswilson.cfm.


[Закрыть].

Но и победа над голубями не позволила избавиться от радиошума. Оставался только один источник, который мог производить такой сигнал, исходящий со всех сторон, неизменный и непрерывный, в любое время дня и ночи: сам космос. Конечно, это еще требовалось доказать. И подтверждение, как ни странно, пришло от соперников, которые даже не собирались вступать в бой.

* * *

«Парни, нас обскакали!» – с перекошенным от досады лицом сообщил коллегам Боб Дикке. Он только что поговорил по телефону с Арно Пензиасом. Тот получил номер Дикке от Бернарда Бёрка, радиоастронома из MIT, который видел черновик статьи Джима Пиблса, талантливого молодого коллеги Дикке по Принстону. В своей статье Пиблс развивал сделанное десятилетие назад предположение Альфера и Германа о том, что если водород и гелий образовались миллиарды лет назад, то остаточное тепло должно проявляться в виде фонового микроволнового излучения. Пензиас рассказал Дикке о загадочном микроволновом шуме, обнаруженном им с Уилсоном. Мимоходом он заметил, что этот шум не мог исходить из галактики Млечный Путь. Дикке сразу понял, что это значит.

Упустив шанс стать первооткрывателями космического микроволнового фона (реликтового излучения), команда Дикке по крайней мере могла дать свое объяснение. Исследователи считали, что для возникновения такого фонового излучения от Вселенной требовалось наличие высокой температуры и трех ингредиентов – протонов, электронов и фотонов. В таком состоянии вся Вселенная, по сути, представляла собой раскаленную плазму. Плазму иногда называют «четвертым состоянием материи» в дополнение к более знакомым газообразному, жидкому и твердому состояниям. Плазму можно описать как горячий газ, состоящий из заряженных частиц, таких как электроны и протоны.

В статье Дикке, опубликованной в том же номере астрофизического журнала, что и статья Пензиаса и Уилсона, содержалось множество ссылок на статьи Хойла, Бонди и Голда 1948 года, посвященные модели стационарного состояния Вселенной[66]66
  R. H. Dicke, P. J. E. Peebles, P. G. Roll, and D. T. Wilkinson, “Cosmic Black– Body Radiation,” Astrophysical Journal 142 (1965): 414–19, http://adsabs.harvard.edu/abs/1965ApJ…142..414D.


[Закрыть]. На самом деле в своей статье Дикке не определил причину такой высокотемпературной фазы и даже не упоминал фразы «Большой взрыв». В пресс-релизе Bell Labs от 23 мая 1965 года было сказано только, что сделанное открытие подтверждает «расширение Вселенной от высокотемпературного коллапсированного состояния»[67]67
  . “Newly Discovered Radio Radiation May Provide a Clue to the Origin of the Universe,” Bell Telephone Laboratories press release, May 23, 1965, https://media-bell-labs-com.s3.amazonaws.com/pages/20140518_1641/1965_BL_Press_Release_on_Radiation.pdf.


[Закрыть].

Два месяца спустя Дикке и его коллеги опубликовали еще одну статью, в которой утверждали, что материя в нашей Вселенной могла образоваться в результате «предыдущего расширения замкнутой Вселенной, колеблющейся все время»[68]68
  Dicke at al., “Cosmic Black-Body Radiation,” http://adsabs.harvard.edu/abs/1965ApJ…142..414D.


[Закрыть]. В конце каждого цикла Вселенная гибнет в огненном смерче, который стирает все следы предыдущей Вселенной. Такая цикличность, по словам Дикке и его соавторов, «освобождает нас от необходимости обсуждать происхождение материи в какой-либо конечный момент времени в прошлом… пепел от предыдущего цикла перерабатывается обратно в водород, необходимый для формирования звезд в следующем цикле»[69]69
  Дикке и соавторы указывали на то, что, даже если предположить, что Вселенная имела сингулярное происхождение (т. е. возникла в результате Большого взрыва), «на ранних этапах она также могла быть чрезвычайно горячей».


[Закрыть]. Циклична Вселенная или нет, было ясно одно: с моделью стационарного состояния покончено.

Рассказ очевидца

На что могло походить горнило творения? В течение примерно 20 минут после Большого взрыва или после Большого сжатия в конце предыдущего цикла (в циклической модели) картина была, вероятно, поистине захватывающей: вся Вселенная превратилась в термоядерный реактор, в котором за короткое время была синтезирована бо́льшая часть всех существующих ныне ядер гелия. Наблюдатель, который сумел бы выжить в этом вселенском инферно, увидел бы вокруг себя бурлящее варево из заряженных частиц (протонов и электронов), непрерывно бомбардируемых стремительными фотонами. После этого все стало довольно скучно.

Однообразие закончилось спустя 380 000 лет. В этом нежном возрасте Вселенная расширилась достаточно, чтобы остыть ниже магической температуры в 3000 кельвинов и заполниться интенсивным инфракрасным излучением. Чтобы понять, как измерение сегодняшней температуры CMB помогает космологам оценить свойства Вселенной, какой она была почти 14 млрд лет назад (таков ее возраст по современным оценкам), обратимся к простой аналогии. Представьте, что вы – Роберт Фолкон Скотт, который в далеком 1911 году отправился со своей экспедицией к Южному полюсу. Как истинный англичанин, вы решаете приготовить себе чашку чая. Для этого в своей холодной палатке кипятите воду.

Когда вода в чайнике закипает, палатка наполняется паром. Пар настолько густой, что не видно ничего на расстоянии вытянутой руки. Внезапно снаружи слышится попискивание пингвина. Зная, что в пингвиньем мясе идеально сочетаются вкус курицы и вкус рыбы, вы выбегаете с ружьем, чтобы схватить добычу и сделать себе сэндвич к чаю. Пока вы охотитесь, пламя гаснет и вода в чайнике остывает. Водяной пар конденсируется в воду при температуре ниже 100 °C. Когда вы возвращаетесь с трофеем в палатку, то обнаруживаете, что туман исчез. Сколько же времени потрачено на охоту? Зная температуру оставшейся в чайнике воды, а также физические свойства воды, в том числе температуру, с которой началось охлаждение (100 °C), вы можете легко рассчитать это время.

Температура в 3000 кельвинов – точка ионизации водорода – аналогична температуре кипения воды в 100 °C: обе величины известны. Знаем мы и физические свойства водорода. Исходя из известной нам точки ионизации водорода и нынешней температуры реликтового излучения, 3 кельвина, мы полагаем, что с того времени, когда Вселенной было 380 000 лет, она расширилась в тысячу раз во всех направлениях. Помните о красном смещении в спектре удаляющихся от нас источников света? Так вот, в модели Большого взрыва, когда Вселенная расширилась в тысячу раз, длина всех электромагнитных волн также увеличилась в тысячу раз. Длина волны инфракрасного излучения, заполнившего Вселенную при образовании водорода, растянулась с примерно одного микрона до нескольких миллиметров, и излучение перешло в микроволновый диапазон.

Когда протоны и электроны остыли ниже 3000 кельвинов, плазма «конденсировалась», только не в воду, а в водород. Водородный газ нейтрален и проницаем как для световых волн, так и для микроволн, поэтому начиная с этого момента (380 000 лет) вся Вселенная стала прозрачной, как воздух в вашей гипотетической палатке после охлаждения и конденсации водяного пара. Благодаря конденсации плазмы в водород мы можем заглянуть назад в то время, когда образовалось фоновое излучение. Эта эпоха продлилась всего 100 000 лет – крошечный период по сравнению с возрастом Вселенной в 13,8 млрд лет. На самом деле это время было настолько коротким, что об эпохе, когда плазма конденсировалась в водород, космологи говорят как о воображаемой оболочке «толщиной» в 100 000 световых лет, известной как «поверхность последнего рассеяния». Поверхность последнего рассеяния окружает нас и представляет собой сферическую оболочку – именно из нее фотоны, которые мы видим сегодня как реликтовое микроволновое излучение, начали свое путешествие почти 14 млрд лет назад.

В модели Дикке и его команды фактический возраст Вселенной не имел значения. Разница между фактическим возрастом Вселенной (если у нее действительно было начало несколько миллиардов лет назад) и возрастом в 380 000 лет, когда произошла рекомбинация водорода, – ничто в сравнении с «вечностью». Так или иначе Вселенная в далеком прошлом была намного горячее и плотнее, чем сегодня, возможно бесконечно горячей, если был Большой взрыв (рис. 18). Независимо от того, какая модель верна – Большой взрыв или стационарное состояние Вселенной, обе предусматривают космическое микроволновое фоновое излучение.

Не уверенные в космологической интерпретации своего открытия, Пензиас и Уилсон осторожно назвали статью, опубликованную в июне 1965 года, «Измерение избыточной антенной температуры на частоте 4080 МГц». За этим скромным названием скрывалось «самое важное открытие всех времен», которое принесло космологии первую Нобелевскую премию. В достойном похвалы жесте благодарности и благородства Пензиас предложил Дикке стать третьим автором статьи об открытии реликтового излучения. В конце концов, только благодаря совместной работе двух команд космология сумела окончательно возвыситься до статуса «точной науки».

Но Дикке отказался со словами, что это заслуга двух авторов открытия, исключив себя тем самым из списка претендентов на первую Нобелевскую премию за исследования в области космологии. Пензиас и Уилсон получили в 1978 году премию по физике «за открытие космического микроволнового фонового излучения»[70]70
  См.: http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1978/inde.html.


[Закрыть].

В 1988 году радиотелескоп в Холмделе стал Национальным историческим памятником США. Эта причудливая конструкция в виде огромного алюминиевого рупора, вращающаяся на платформе вокруг своей оси, – своего рода Стоунхендж XX века. Он символизирует собой триумф благородства над завистью, смелости над страхом, упорства над человеческими слабостями. Для меня Холмдел – священная земля: самый осязаемый памятник, воздвигнутый человечеством в своем стремлении постичь Вселенную и самих себя.

Глава 5
Разбитая линза Нобелевской премии № 1:
проблема признания заслуг

Я готов простить Альфреду Нобелю изобретение динамита, но только дьявол в людском обличье мог выдумать Нобелевскую премию.

ДЖОРДЖ БЕРНАРД ШОУ, ЛАУРЕАТ НОБЕЛЕВСКОЙ ПРЕМИИ ПО ЛИТЕРАТУРЕ 1925 ГОДА

Альфред Нобель вовсе не был дьяволом. Он был идеалистом, желавшим оставить после себя наследие, которое послужит на благо человечества. Но в мире физики его престижная премия вымостила дорогу в ад.

Это первая из трех глав о том, что я называю «разбитыми линзами» Нобелевской премии: об отступлениях от воли Альфреда Нобеля, которые искажают его ви́дение научных открытий, способных улучшить мир. В этой главе мы поговорим о проблеме признания заслуг в науке и о механизме Нобелевской премии как наивысшей награды в научном мире. В следующих двух главах мы рассмотрим, как Нобелевская премия по физике влияет на распределение научных ресурсов, включая человеческий и финансовый капитал. Такие отклонения деформируют отношение современных физиков к своему делу. К счастью, достаточно простых реформ, которые можно осуществить немедленно, чтобы вернуть Нобелевской премии ее благородное предназначение.

Признание с опозданием

В истории Нобелевской премии вряд ли кто-то ждал признания своих заслуг дольше, чем ученые-физики Франсуа Энглер и Питер Хиггс. Они были награждены в 2013 году «за теоретическое открытие механизма, который помогает нам понять происхождение масс субатомных частиц и который был недавно подтвержден благодаря открытию предсказанной элементарной частицы в ходе экспериментов ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере в CERN»[71]71
  См.: https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2013/press.html.


[Закрыть]. Эта частица больше известна нам как бозон Хиггса.

Об открытии бозона Хиггса в рамках экспериментов на Большом адронном коллайдере было объявлено в июле 2012 года. Между открытием и присуждением нобелевского золота прошел всего год, что прекрасно согласуется с волей Альфреда Нобеля, не так ли?

Отнюдь нет. Энглер и Хиггс сделали свои теоретические предсказания не в 2012-м, а в далеком 1964 году, т. е. за 48 лет до присуждения им премии. Никто не сомневается том, что они заслуживают этой высокой научной награды. Однако, когда никого из тех, кто действительно обнаружил эту «предсказанную элементарную частицу» среди петабайт экспериментальных данных, не включили в список лауреатов, многие физики были деморализованы. Хотя масштаб затрат на коллайдер – около 10 млрд долларов на его конструирование и сооружение – кажется астрономическим, если подумать о том, что благодаря ему удалось заглянуть в самые удивительные глубины истории, цена кажется справедливой.

Две отдельные экспериментальные группы, работающие на детекторах ATLAS и CMS, делали десятки миллионов снимков столкновений частиц в секунду. Свой удивительный подвиг ученые совершали под Землей почти на 100-метровой глубине. Столкновение частиц происходило в туннеле длиной 27 км, внутри которого обеспечивалось давление ниже, чем в космическом пространстве. Камеры БАК должны быть сверхточными, но при этом достаточно надежными, чтобы останавливать пучки частиц, проносящихся по туннелю с мощью товарного поезда по 3 трлн раз в день. Десятилетия ушли на строительство. Потребовались годы, чтобы проанализировать данные. Кульминацией стало открытие бозона Хиггса – едва ли мгновенный успех, которого, похоже, требует завещание Альфреда.

Но не это удручало меня в Нобелевской премии по физике 2013 года. Я не мог смириться с тем, что признание досталось только Энглеру и Хиггсу. По правилам Нобелевского комитета премия может присуждаться не более чем трем ученым (еще одна «разбитая линза», о которой мы подробнее поговорим в 13-й главе). Однако в этих двух экспериментах участвовало около 6000 ученых. И даже при ограничении «не больше трех» премия 2013 года была присуждена только двоим, хотя на тот момент в живых оставалось как минимум еще три физика, внесших значительный вклад в это открытие.

Одним из этих проигнорированных ученых был Джеральд Гуральник, один из моих наставников в Университете Брауна, где он преподавал нам расширенный курс квантовой механики. Но я научился у него гораздо большему, и прежде всего тому, как правильно руководить молодыми учеными.

Джерри был блестящим ученым и замечательным человеком. Его статья, написанная в соавторстве с Робертом Хагеном и Томом Кибблом, была опубликована в том же номере Physical Review Letters за 1964 год, что и статья Энглера и Роберта Браута. Многие физики считали работу Гуральника, Хагена и Киббла по крайней мере столь же значимой, что и работы Энглера, Браута и Хиггса. Из всех работ, которые могли претендовать на пальму первенства в теоретическом прогнозировании бозона, именно в работе Гуральника и его соавторов была действительно решена проблема надоедливых голдстоунских бозонов[72]72
  G. S. Guralnik and C. R. Hagen, “Where Have All the Goldstone Bosons Gone?” https://arxiv.org/pdf/1401.6924.pdf.


[Закрыть]. Но Джерри, казалось, не испытывал никакой горечи по поводу того, что Нобелевский комитет обошел его стороной. После того как Энглер и Хиггс получили награду, Джерри сказал: «Я испытываю потрясающее чувство удовлетворения и воодушевления. Мы взялись за решение интересной и сложной абстрактной проблемы – и полученный нами ответ поистине поразителен»[73]73
  . “Gerald S. Guralnik, Chancellor’s Professor of Physics,” obituary, Brown University website, https://news.brown.edu/articles/2014/04/guralnik.


[Закрыть].

В отличие от него, я не был столь невозмутим. Я намеревался исправить несправедливость и выдвинуть кандидатуру Джерри, если у меня будет право номинировать лауреатов. Но я не успел: Джеральд Гуральник умер в 2014 году в возрасте 77 лет, за год до того, как я получил заветное письмо-приглашение.

Королева тьмы

Получив приглашение стать номинантором, первым делом я подумал о Вере Рубин. У нее были все шансы: по слухам, ее номинировали на Нобелевскую премию на протяжении нескольких десятилетий. Она собрала в своей копилке почти все существующие научные награды и почести. Она стала второй женщиной-астрономом после Маргарет Бербидж, выбранной членом Национальной академии наук. Путь Веры Рубин в пантеон астрономии начался в Калифорнийском университете в Сан-Диего в 1963 году, где ее наставниками были талантливые супруги Бербидж (помните первые два Б в статье ББФХ, посвященной звездному нуклеосинтезу?)[74]74
  Margaret Burbidge, “Watcher of the Skies,” Annual Reviews of Astronomy and Astrophysics 32 (1994): 1, http://adsbit.harvard.edu/cgi-bin/nph-iarticle_query?bibcode=1994ARA%26A..32….1B.


[Закрыть].

Рубин была причастна к открытию темной материи[75]75
  Не умаляя вклад Веры Рубин во внегалактическую астрономию, хочу уточнить, что речь идет не о собственно открытии темного вещества, а об обнаружении аномалий во вращении некоторых галактик. – Прим. науч. ред.


[Закрыть]. Как и Эдвин Хаббл, Вера Рубин была зачарована миром галактик и их причудливой динамикой. Но если Хаббл изучал движение системы галактик в целом, то Рубин сосредоточилась на изучении странного поведения самих галактик.

Ранее Маргарет Бербидж обнаружила, что во вращении галактики имеются некоторые необъяснимые странности, но не стала углубляться в их причины. Вскоре эти космические вертушки стали фирменным инструментарием Рубин. Под руководством Маргарет Рубин сделала первые измерения вращения галактики, используя методы спектрографии. Точные спектрограммы позволили Рубин рассчитать скорость вращения звезд в отдаленных галактиках. Анализируя небольшое красное и синее смещение в частоте вращения звезд в спиральных рукавах галактик, она обнаружила нечто удивительное: скорость их вращения не замедлялась по мере удаления от центра, чего можно было ожидать, если бы звезды в галактиках подчинялись тем же законам, что и планеты в Солнечной системе. Вместе со своим коллегой Кентом Фордом Рубин показала, что такое отсутствие замедления на периферии наблюдалось повсеместно: ни одна галактика не вела себя так, как увеличенная Солнечная система, у которой бо́льшая часть массы сосредоточена в Солнце, которое является и основным источником излучения.

На своем пути к звездам Рубин столкнулась и с другими темными силами. После долгого противостояния обструкционизму в какой-то момент она даже подумывала оставить астрономию: женщинам-астрономам запрещали работать в обсерватории под предлогом того, что там нет женских туалетов. Рубин восстановила равноправие. Вот как рассказывала об этом астроном Нета Бакалл: «Она взяла лист бумаги, вырезала из него маленькую юбку и приклеила ее на изображение человечка на двери мужского туалета. “Теперь у нас есть женский туалет”, – заявила она»[76]76
  Sarah Scoles, “How Vera Rubin confirmed dark matter,” Astronomy, October 4, 2016, http://www.astronomy.com/news/2016/10/vera-rubin.


[Закрыть].

Наставничество Маргарет и Джеффа Бербидж сыграло решающую роль в успехе Рубин. «Интерес Бербидж к моим исследованиям убедил меня в том, что я могу внести вклад в астрономическую науку», – сказала Рубин в 2002 году, подчеркивая, как важны примеры для подражания в физической науке, где представлены не все группы населения[77]77
  Charles Seife, “Troubled by Glitches, Tevatron Scrambles to Retain Its Edge,” Science 295, no. 5557 (2002): 36, http://science.sciencemag.org/content/295/5557/news-summaries.


[Закрыть].

Было много споров вокруг того, почему в 2016 году Нобелевский комитет – в который раз – не удостоил Рубин премии. Это было тем более странно, что Нобелевская премия по физике за 2011 год была присуждена за открытие темной энергии. Многие считали, что это чистой воды сексизм. Другие говорили, что Рубин «просто» сделала «открытие» – т. е. обнаружила эффект, но не дала ему научного объяснения. Но, по словам физика-теоретика Лизы Рэндалл, то же самое можно сказать и о таких открытиях, получивших нобелевское золото, как открытие космического микроволнового фона, темной энергии и высокотемпературной сверхпроводимости[78]78
  Lisa Randall, “Why Vera Rubin deserved a Nobel,” New York Times, January 4, 2017, https://www.nytimes.com/2017/ 01/04/opinion/whyvera-rubin-deserved-a-nobel.html?_r=0.


[Закрыть]. Открытие Рубин отвечало лучшим традициям точной науки. За два десятилетия исследований она практически доказала реальность темной материи. Как заметил астроном Джереми Острайкер, «благодаря работам Веры к началу 80-х годов большинство астрономов признали существование темной материи»[79]79
  Dennis Overbye, “Vera Rubin, 88, Dies; Opened Doors in Astronomy, and for Women,” New York Times, December 27, 2016, https://www.nytimes.com/2016/12/27/science/vera-rubin-astronomist-who-madethe-case-for-dark-matter-dies-at-88.html.


[Закрыть]. Хаббл мог бы гордиться.

Вере Рубин так и не позвонили из Швеции. Она умерла на Рождество 2016 года. Многие мои коллеги оплакивали ее уход не только потому, что это было огромной потерей для человечества, но и потому, что так мало осталось тех, кто был свидетелем последнего случая, когда женщина получала Нобелевскую премию за физику[80]80
  Среди женщин Нобелевской премии по физике были удостоены Мария Склодовская-Кюри (1903), Мария Гёпперт-Майер (1963) и Донна Стрикленд (2018). – Прим. ред.


[Закрыть]. Казалось бы, кто, как не Рубин?