Текст книги "На стыке двух тысячелетий. Научная публицистика дипломата"

В одном шаге от квантовой биологии

Учёные проследили сложный путь превращения фотонов в живой клетке.

Предположение о том, что растения для превращения солнечной энергии в химическую, возможно, используют законы квантовой физики, получило убедительное подтверждение в ходе экспериментов с пурпурными бактериями. Эти исследования были проведены в Научно-исследовательском институте фотосинтеза в испанском городке Кастелдефелс. Результаты опытов опубликованы в одном из последних номеров журнала «Science».

Здесь необходимо отметить, что пурпурные бактерии вошли в древнейшую историю нашей планеты как главные «виновники» появления первых растений сначала в водоёмах и затем на суше. Эти процессы происходили сотни миллионов лет тому назад.

Раньше считалось, что процесс фотосинтеза охватывает сравнительно большие участки растения. Эксперименты же испанских учёных подтверждают так называемую концепцию «сцепления» (coherence): фотоны «работают» в клетках растений на молекулярном уровне.

Как отмечается в «Science», эксперименты были проведены с большой тщательностью, чтобы зафиксировать тонкие механизмы фотосинтеза в клетках растений на молекулярном уровне. Руководитель проекта профессор Ниек Ван Халст отметил, что при воздействии лазерным лучом на одну из клеток они наблюдали вспышку люминесценции в соседней клетке. Отсюда вывод: фотоны имеют много возможных путей для передачи своей энергии и ищут позицию, которая даёт возможность распорядиться этой энергией, если так можно выразиться, с максимальным КПД.

Учёные были потрясены этим явлением, поскольку оно, по их мнению, подтверждает один из постулатов квантовой механики, а именно феномен суперпозиции: когда элементарная частица (в данном случае фотон) одновременно находится в различных местах и ищет наиболее выгодную позицию для своей максимальной реализации. Иначе говоря, мы наблюдаем в растениях квантовый процесс, что может вывести нас к появлению новой отрасли науки – квантовой биологии.

Комментируя эксперименты испанских учёных, профессор Даниэль Тернер, занимающийся изучением фотосинтеза в Университете Торонто, отметил, что многие проблемы в этой сфере науки требуют дальнейших исследований. Так, например, упомянутый в опытах эффект люминесценции не обязательно связан с процессом фотосинтеза в растениях.

Как бы то ни было, появление термина «квантовая биология» может серьёзно заинтриговать нынешнее поколение биологов. Наши познания в области молекулярных основ биологии свидетельствуют, что биологические процессы подчиняются законам физики и химии. И вот теперь квантовое требование к биологии. Не исключено, что создание целостной теории квантовой биологии окажется таким же сложным делом, как многолетние попытки учёного сообщества по созданию квантовой теории гравитации.

Конечно, квантовая модель природы содержит в себе принципы, противоречащие нашему опыту и интуитивному пониманию окружающей реальности. Тут невольно приходится сделать небольшой экскурс в историю создания квантовой механики, осуществлённый именно выдающейся когортой европейских физиков.

Бурное «наступление» физиков на классическую механику Ньютона стартовало незадолго до начала XX в. в двух точках старой Европы – в Париже, где французский физик Антуан Беккерель случайно открыл явление естественной радиоактивности (1896), и в Лондоне, когда кембриджский профессор Джозеф Джон Томсон сообщил об открытии электрона (1897). Как полагают историки науки, эти открытия возвестили новую эпоху в естествознании.

Затем, в 1900 г., на заседании Немецкого физического общества в Берлине профессор Макс Планк впервые произнёс странное, но изящное слово «квант», подчеркнув при этом вынужденное введение этого понятия для обозначения порционной энергии излучения и поглощения. Свет отпускается порциями в виде потока квантов. Это прозвучало как вызов классическим принципам непрерывности в развитии физических процессов и событий.

26-летний Альберт Эйнштейн поспешил поддержать Планка: провозгласил физическую реальность квантов и призвал смело шагать в этом направлении. Трудно предполагать, что они уже тогда осознали, что, по существу, открывают новую эру в мировой науке: эпоху квантовой механики. Знаменитое уравнение E = mc² создателя теории относительности Альберта Эйнштейна (1905) и планетарная модель атома, предложенная Эрнстом Резерфордом (1911), дали мощный импульс «заговорщикам» квантовой революции.

Так начался период интенсивных научных исследований, драма столкновений идей и страстей, продолжившийся в течение трёх десятилетий XX в. В 1927 г. на V Конгрессе Сольвея был подведён окончательный итог: квантовая революция в науке совершилась. На Конгрессе присутствовали около 30 делегатов. Но какая когорта выдающихся учёных: Макс Планк, Альберт Эйнштейн, Нильс Бор, Луи де Бройль, Вернер Гейзенберг, Эрвин Шредингер, Вольфганг Паули, Поль Дирак… Исследования по квантовой механике были столь значимы в истории науки XX в., что все вышеупомянутые физики, внёсшие весомый вклад в становление новой картины мира, получили Нобелевские премии.

Оставалось лишь добавить несколько уверенных мазков в чудеснейшую картину вероятностного мира в глубинах материи. Но кто знал, что это бесконечное движение не имеет ни начала, ни конца?

В истории развития физики в течение последних веков было немало революционных открытий, изменявших взгляды учёных на методы познания и устройство Вселенной. Но то, что произошло в первой половине XX в., буквально перевернуло все наши представления об окружающем мире. Квантовая механика предложила принципиально иную систему законов, управляющих миром. Дальнейшее изучение «порционного» микромира – атомов, электронов и фотонов, категорически не желавших вести себя как классические объекты, – заставило физиков кардинально изменить методы описания всех природных явлений. Ранее предсказуемый мир с появлением квантовой механики стал случайным, вероятностным, тем самым невероятно осложнив все наши подходы к изучению окружающего мира. Классическая механика Ньютона, царившая три века, была заменена квантовой механикой в течение кратчайшего периода – трёх десятков лет в первой четверти истекшего века.

Во второй половине XX в. квантовая физика шаг за шагом охватывала весь видимый мир, непрерывно ветвилась на множество самостоятельных научных дисциплин, хотя и заметно разделённых между собой, но связанных единой нитью. От квантовой теории поля, возникшей одновременно с самой квантовой механикой, до квантовой теории процессов сознания, угрожая философам отнять у них последний «кусок» творческой деятельности. Диапазон применения квантовой механики в современной механике чрезвычайно широк. Законам квантовой физики подчиняется огромное число явлений и процессов – деление атомных ядер и образование нейтронных звёзд, формулы химических соединений и структура спирали ДНК, работа полупроводниковых диодов, транзисторов и лазеров.

Вот теперь очередь дошла и до квантовой биологии, затем, возможно, и до квантовой медицины доберёмся, etc.

Впервые опубликовано в «НГ – Наука» 22.01.2014

Как вас теперь называть, бозон Хиггса?

Законы Стандартной модели распространяются лишь на четыре процента массы Вселенной

Стандартная модель и тёмная энергия – эти два, пожалуй, самых актуальных направления современной фундаментальной науки – за последние годы приобрели своеобразную форму научного соперничества между ядерными физиками и астрофизиками.

Наглядное свидетельство такому международному сотрудничеству – Большой адронный коллайдер (БАК) и Альфа-магнитный спектрометр (АМС), находящийся на борту Международной космической станции (МКС). Напомню примерную стоимость упомянутых трёх научных «объектов», в деятельность которых вовлечены не менее 10 тыс. представителей мировой научной и инженерно-технической элиты. БАК – 10 млрд долларов, АМС – 2 млрд долларов, а ежегодный бюджет МКС составляет порядка 6 млрд долларов, в том числе для российских налогоплательщиков обходится не менее 1 млрд долларов.

Кстати, АМС – огромная космическая лаборатория весом около 7 тонн, состоящая из семи новейших специально разработанных приборов, регистрирующих основные параметры космических лучей – скорость, энергию и направленность. В создании этого проекта приняли участие 56 институтов и научных центров из 16 стран.

Небезынтересно, что накануне первой годовщины со дня официального заявления руководством Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН) об открытии бозона Хиггса (4 июля 2012 г.) среди европейских и американских учёных вновь оживились дискуссии вокруг этой тематики по нескольким направлениям. Безусловно, что экспериментальное подтверждение существования бозона, отвечающего за возникновение массы всех остальных частиц, является успешным завершением почти полувековых усилий физиков по созданию убедительной картины окружающего нас мира на уровне атомных и субатомных частиц.

После длительного молчания к обсуждению этой темы недавно подключились американские учёные из лаборатории Ферми, работавшие около 10 лет на известном коллайдере «Теватрон» (закрыт полтора года назад из-за отсутствия финансирования). Физики из США утверждают, что при многократном сталкивании пучков протонов и антипротонов они зафиксировали распад бозона Хиггса на кварки. Поскольку уровень достоверности этого явления был ниже, чем у их коллег, работавших на БАКе, они не могли об этом заявить для официальной регистрации события, как это было сделано в ЦЕРНе.

В то же время учёные, в том числе участники упомянутых экспериментов в БАКе и «Теватроне», не скрывают того факта, что, хотя теория Стандартной модели великолепно объясняет видимый мир вокруг нас, этого совершенно недостаточно для понимания фундаментальных основ и «поведения» Вселенной. Ведь законы Стандартной модели распространяются лишь на атомную структуру, составляющую всего 4 % массы Вселенной.

В этой связи внимание учёных привлекла обнародованная в марте нынешнего года Европейским космическим агентством «древнейшая» карта Вселенной. На ней фактически восстановлен уровень реликтового излучения, который был примерно 380–400 тыс. лет после Большого взрыва. Работа эта выполнена с помощью орбитального телескопа Планк. Сам Большой взрыв, напомним, произошёл 13,82 млрд лет тому назад. Предположительно через 380 тыс. лет после Большого взрыва температура упала до 2,7 градуса выше абсолютного нуля и началось формирование атомов водорода. Это стало «поводом» для запуска космического пространства.

По мнению лауреата Нобелевской премии Джона Мэтера, реликтовая температурная карта ранней Вселенной, выполненная на основе данных орбитального телескопа Планк, поднимает научный престиж ЕКА на самую высокую планку.

Что касается дальнейших шагов ЦЕРНа, об этом довольно интересно пишет научный обозреватель Би-би-си Паллаб Гхош, инженер-ядерщик по образованию, недавно посетивший основные «узлы» БАКа после его остановки. Он опубликовал серию очерков, в одном из которых утверждает, что после возобновления работы БАКа с удвоенной мощностью в 2015 г. учёные полны решимости удивить мир открытием многих других новых частиц, способных коренным образом изменить наши представления о Вселенной.

При этом Гхош приводит следующие высказывания одного из ведущих учёных ЦЕРНа Уэллса: «БАК ни в коем случае не является объектом исследования только одного направления, связанного с бозоном Хиггса, как обычно преподносят средства массовой информации; мы ещё удивим мир неожиданными открытиями и, возможно, доберёмся и до тёмного вещества, о котором сейчас много говорят».

Отвечая на вопрос Гхоша, намерена ли коллаборация БАКа осуществить поиски так называемых суперсимметричных частиц, масса которых, как полагают, значительно больше, чем у частиц, представленных в Стандарт– ной модели, доктор Уэллс заявил: «Одна из концепций теории суперсимметрии предполагает возможность существования пяти разновидностей бозона Хиггса, незначительно отличающихся друг от друга. Поэтому одним из первых шагов деятельности коллайдера после возобновления его работы будет уточнение параметров бозона Хиггса, в том числе проверка упомянутых предпосылок теории суперсимметрии».

В этой связи не удивительно, что в научных кругах США и Западной Европы заговорили о необходимости переименования названия бозона Хиггса. Приведу два наиболее ярких высказывания по этому поводу. Известный американский учёный, профессор Карл Хаген из университета Рочестер в Нью-Йорке, отметил: «Питер Хиггс постоянно упоминается почти как суперзвезда рок-музыки, в то время как все мы остальные, занимающиеся этой проблематикой, находимся в тени. Хотя вполне понятно, что Хиггс здесь является доминирующей фигурой, поэтому его имя ассоциируется с бозоном».

Профессор Империал-колледжа Лондонского университета доктор Иордан Нэш высказался гораздо жёстче: «Общепринято, что предполагаемые или открытые частицы получают соответствующие названия, но присвоение им одного из имён первооткрывателей сильно занижает заслуги других учёных, внёсших соответствующий вклад в развитие этой теории».

Оживление дискуссии вокруг названия бозона Хиггса Гхош напрямую связывает с тем обстоятельством, что в 2013 г. именно это событие может стать главным претендентом на присвоение Нобелевской премии по физике. В группу теоретиков, внёсших заметный вклад в разработку теории бозона Хиггса в 70–80-х гг., входят шесть крупных учёных – Франсуа Энглерт, Питер Хиггс, Джеральд Гугалние, Том Киббле, Карл Хаген и недавно скончавшийся Роберт Броут. И… многочисленная коллаборация экспериментаторов ЦЕРНа!

Всё это в известной степени можно рассматривать как своеобразное давление заинтересованных учёных на Нобелевский комитет, правда, уважаемые члены комитета редко поддаются на подобные действия. Учитывая колоссальное научное значение этого открытия и окончательную незавершённость экспериментов в БАКе, нельзя исключать и такой вариант решения комитета: в один год премия присуждается группе теоретиков из трёх человек, а в другой год – экспериментаторам ЦЕРНа. По моим наблюдениям, аналогичный подход Нобелевский комитет демонстрировал на стыке 70–80-х гг. истекшего столетия и блестяще вышел из создавшегося положения.

Вот о чём идёт речь. В конце 1960-х гг. Абдус Салам, пакистанский теоретик из Лондонского Империал-колледжа, и американец Стивен Вайнберг из Гарвардского университета независимо друг от друга выдвинули теорию объединения слабого ядерного взаимодействия с электромагнитным и высказали предположение о существовании трёх тяжёлых бозонов – переносчиков слабого взаимодействия с массой порядка 100 ГэВ (миллиард электрон-вольт). Тогда мало кто верил в эту теорию, а на маломощных ускорителях тех времён невозможно было достичь энергии в 100 ГэВ, необходимой для рождения реальных тяжёлых бозонов.

Однако через 10 лет все предсказания теории Вайнберга – Салама с удивительной точностью подтвердились, что Саламу и Вайнбергу была присуждена Нобелевская премия 1979 г. совместно с Глэшоу из Гарварда, который предложил похожую теорию взаимодействия.

Нобелевский комитет проявил в этом вопросе высокую прозорливость и был избавлен от неприятностей, которые могли бы возникнуть, если бы сотрудники ЦЕРНа в 1983 г. открытием трёх тяжёлых бозонов с правильными значениями массы и другими предсказанными характеристиками не подтвердили упомянутую теорию. В 1984 г. экспериментаторы ЦЕРНа во главе с итальянским учёным Карло Руббиа тоже получили Нобелевскую премию. Эти бозоны вошли в анналы ядерной физики под очень простыми названиями – W-, W+ и Zo. Тогда никому в голову не пришло назвать их именами первооткрывателей.

Впервые опубликовано в «НГ – Наука» 26.06.2013

Стандартная модель выдержала испытание

На международной конференции физиков, состоявшейся в Киото в ноябре, учёные из Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН) преподнесли очередной сюрприз своим коллегам физикам-теоретикам. Они сообщили, что один из детекторов Большого адронного коллайдера (LHC) зафиксировал редчайшее явление в природе – распад так называемого очаровательного мезона на две частицы – мюон и антимюон. Такое, по расчётам физиков, может происходить не более трёх раз из миллиарда случаев распада «очаровательного» мезона. Параметры этого события практически совпадают с предсказаниями общепринятой физической теории – Стандартной модели, но резко расходятся с постулатами теории суперсимметрии.

Стандартная модель – выдающееся достижение мировой науки истекшего столетия, которая описывает природную сущность трёх фундаментальных сил – электромагнетизма, слабого и сильного ядерного взаимодействия. За исключением четвёртой силы – гравитации. К концу ХХ в. все предсказания Стандартной модели подтвердились экспериментально, причём с очень высокой точностью. (Кроме бозона Хиггса, но и эта «частица Бога», как её называют, кажется, была обнаружена в экспериментах на LHC летом нынешнего года.)

На стыке двух тысячелетий учёные обнаружили такое «сверхъявление», как ускоренное расширение Вселенной (инфляцию Вселенной), суть которого оказалась далеко за пределами теоретического постулата Стандартной модели. Более того, безупречно ложащиеся в эту модель атомы, оказывается, составляют лишь 6 % массы Вселенной, а всё остальное – «тёмная материя» (22 %) и «тёмная энергия» (74 %). Сущность и параметры последних двух феноменов пока никак не поддаются расшифровке.

Вот тут-то на первый план выдвинулись различные новые модели теории суперсимметрии, возникшей ещё в конце 1980-х гг. и ставшей затем как бы фундаментом «новой физики».

К суперсимметрии в начальной стадии проявляли интерес многие крупные физики-теоретики, в частности нобелевские лауреаты Лев Ландау и Андрей Сахаров, Абдус Салам и Стивен Вайнберг.

Теория суперсимметрии предполагает, что у всех известных элементарных частиц существуют симметричные суперпартнёры (речь не идёт об античастицах), которые зародились одновременно с обычными частицами в момент Большого взрыва (около 14 млрд лет назад). Затем по ряду причин эти суперсимметричные частицы стали намного тяжелее обычных и распались, а их остатки как раз образовали «тёмное вещество», объяснение существования которого отсутствует в Стандартной модели.

Экспериментаторы, работающие на LHC, в своей критике в адрес сторонников теории суперсимметрии исходят главным образом из предположения, что если у обычных частиц действительно существовали бы параметры – суперчастицы, то распадов мезона было бы многократно больше, чем это наблюдалось в детекторе на коллайдере. Не удалось также пока обнаружить никаких признаков существования и самих суперчастиц, на что сторонники «новой физики», безусловно, возлагали определённые надежды.

Команда экспериментаторов из ЦЕРНа впервые представила свой доклад по проблемам распада «очаровательного» мезона на Международной конференции, посвящённой изучению взаимодействия лептон-фотонов, состоявшейся в Мумбаи (Индия) в августе 2011 г. Участвовавший в ра– боте этой конференции научный обозреватель Би-би-си, доктор П. Гхош, ядерщик по образованию, выступил с обзором, в котором пришёл к выводу, что теория суперсимметрии находится в тупиковой ситуации. При этом Гхош ссылался на предварительные выводы и наблюдения экспериментаторов из ЦЕРНа. Одновременно Гхош приводил и высказывания американских учёных, работавших тогда на ускорителе Теватрон: распад мезонов, дескать, должен происходить под воздействием суперсимметричных частиц. В экспериментах ЦЕРНа это не подтвердилось.

По мнению опытного аналитика Гхоша, предварительные сообщения о распадах B-мезона были сделаны европейскими учёными как раз накануне международной конференции сторонников «новой физики», состоявшейся в конце августа прошлого года в окрестностях Лос-Анджелеса. Один из организаторов этого форума, профессор Джосеф Ликкен из ядерной лаборатории Ферми заявил в связи с этим, что суперсимметрия сама по себе прекрасная идея, которая объясняет сущность «тёмной материи», бозона Хиггса, а также ряд аспектов современной космологии, хотя мы ни в коем случае не претендуем на абсолютную истину. «Возможно, в этой концепции имеются некоторые базисные пробелы, и мы должны двигаться вперёд в поисках новых подходов», – подчеркнул он.

И вот теперь, спустя полтора года, на Киотском симпозиуме европейские учёные из ЦЕРНа вновь в очень жёстких выражениях «ополчились» на сторонников теории суперсимметрии. Так, профессор Крис Паркес заявил, что «суперсимметрия как теория, возможно, ещё окончательно не умерла, но результаты последних исследований показывают, что она тяжело больна». Профессор Вал Гибсон из Кембриджского университета подчеркнул, что «почти двухгодичные эксперименты на коллайдере наших коллег – сторонников суперсимметрии – практически, положили на обе лопатки». В общем, если даже «новая физика» существует, то она прячется глубоко в пространстве Стандартной модели.

Однако весьма любопытно, что один из сторонников теории суперсимметрии профессор Лондонского университета Джон Эллис отметил, что изложенные на Киотском форуме результаты экспериментов в ЦЕРН по распаду «очаровательного» мезона вполне соответствуют теоретическим постулатам суперсимметрии. Более того, некоторые модели теории заранее предсказали вероятность такого варианта. «Так что я никак не лишусь спокойного сна и буду продолжать свои поиски в рамках этой теории», – подчеркнул Эллис.

Некоторые российские специалисты по квантовой механике, к которым я обратился за комментарием по этой оживлённой научной дискуссии, ответили в том смысле, что это вполне приемлемая и весьма полезная научная полемика. Она должна подтолкнуть сторонников обоих направлений – Стандартной модели и теории суперсимметрии – к новым размышлениям и поискам более фундаментальных подходов к данной проблеме. К тому же при полном доверии к докладам экспериментаторов ЦЕРНа, нужно отметить и то обстоятельство, что как обнаружение частицы, похожей на бозон Хиггса, так и результаты распада «очаровательного» мезона на две частицы, никто окончательно не объявил открытием. «Пока результаты эксперимента не достигли требуемого для такого утверждения уровня Sigma 5», – отметили эксперты.

В заключение мне хочется привести (думаю, здесь это будет весьма уместно) высказывания профессора Абдуса Салама (1979), одного из создателей Стандартной модели: «Меня всегда изумляет и поражает до глубины души то, что нам удаётся обнаруживать на каждом последующем этапе наших исследований. А завершить я хочу свою нобелевскую лекцию пророческими высказываниями Дж. Оппенгеймера, сделанными более четверти века тому назад, которые полностью подтвердились, хотя он сам не дожил до этих дней. На фоне крупных открытий последних десятилетий в физике элементарных частиц его предсказание вселяет нам надежду на будущее: «Физика изменится гораздо больше… Если она сегодня кажется радикальной и непривычной, то в будущем, на наш взгляд, она станет ещё более странной и менее привычной, представляя пытливому человеческому уму неограниченные возможности проявить себя».

Впервые опубликовано в «НГ – Наука» 26.12.2012