Всё наше понимание процессов, происходящих во Вселенной, представления о ее структуре сложились на основе изучения электромагнитного излучения, другими словами — фотонов всех возможных энергий, доходящих до наших приборов из глубин космоса. Но фотонные наблюдения имеют свои ограничения: электромагнитные волны даже самых высоких энергий не доходят до нас из слишком далёких областей космоса.

Есть и другие формы излучения — потоки нейтрино и гравитационные волны. Они могут рассказать о том, чего никогда не увидят приборы, регистрирующие электромагнитные волны. Для того, чтобы «увидеть» нейтрино и гравитационные волны, нужны принципиально новые приборы. За создание детектора гравитационных волн и экспериментальное доказательство их существование в этом году удостоились Нобелевской премии по физике трое американских физиков — Райнер Вайс, Кип Торн и Барри Бэрриш.

Слева направо: Райнер Вайсс, Бэрри Бэрриш и Кип Торн.

Существование гравитационных волн предусмотрено общей теорией относительности и было предсказано Эйнштейном еще в 1915 году. Они возникают, когда очень массивные объекты сталкиваются друг с другом и порождают возмущения пространства-времени, расходящиесясо скоростью света во все стороны от места зарождения.

Даже если событие, породившее волну, огромно — например, столкнулись две чёрные дыры — воздействие, которое волна оказывает на пространство-время крайне мал, поэтому зарегистрировать его сложно, для этого нужны очень чувствительные приборы. Сам Эйнштейн считал, что гравиволна, проходя через материю, влияет на нее так мало, что не поддаётся наблюдению. Действительно, самый эффект, который волна оказывает на материю, уловить довольно сложно, зато можно зарегистрировать косвенные эффекты. Именно это сделали в 1974 году американские астрофизики Джозеф Тейлор и Рассел Халс, измерившие излучение двойной звезды-пульсара PSR 1913+16 и доказавшие, что отклонение периода ее пульсации от расчётного объясняется потерей энергии, унесенной гравитационной волной. За это они получили Нобелевскую премию по физике в 1993 году.

14 сентября 2015 года LIGO — лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория — впервые напрямую зарегистрировала гравитационную волну. К тому моменту, когда волна достигла Земли, она очень ослабела, но даже этот слабый сигнал означал революцию в физике. Для того, чтобы это стало возможным, потребовался труд тысячи учёных из двадцати стран, построивших LIGO.

На то, чтобы проверить результаты пятнадцатого года, ушло несколько месяцев, поэтому обнародованы они были только в феврале 2016 года. Кроме главного открытия — подтверждения существования гравиволн — в результатах скрывалось еще несколько: первое свидетельство существования чёрных дыр средней массы (20−60 солнечных) и первое доказательство того, что они могут сливаться.

Чтобы добраться до Земли, гравиволне потребовалось больше миллиарда лет Далеко-далеко, за пределами нашей галактики две чёрных дыры врезались друг в друга, прошло 1,3 миллиарда лет — и LIGO сообщил нам об этом событии.

Энергия гравитационной волны огромна, но амплитуда невероятна мала. Почувствовать ее — всё равно что измерить расстояние до далёкой звезды с точностью до десятых долей миллиметра. LIGO на это способен. Концепцию разработал Вайсс: еще в 70-е он подсчитал, какие земные явления могут исказить результаты наблюдений, и как от них избавиться. LIGO — это две обсерватории, расстояние между которым — 3002 километра. Гравитационная волна проходит это расстояние за 7 миллисекунд, поэтому два интерферометра во время прохождения волны уточняют показатели друг друга.

Две обсерватории LIGO, в Ливингстоне (штат Луизиана) и в Хэнфорде (штат Вашингтон) находятся на расстоянии 3002 км друг от друга.

У каждой обсерватории есть два четырехкилометровых плеча, исходящие из одной точки под прямым углом друг к другу. Внутри у них — почти идеальный вакуум. В начале и в конце каждого плеча — сложная система зеркал. Проходя через нашу планету, гравитационная волна чуть-чуть сжимает пространство там, где проложен один рукав, и растягивает второй (без волны длина рукавов строго одинакова). Из перекрестья плечей выпускают луч лазера, разделяют его надвое и пускают отражаться по зеркалам; пройдя свою дистанцию, лучи встречаются в перекрестье. Если это происходит одновременно, значит, пространство-время спокойно. А если одному из лучей потребовалось на прохождение плеча больше времени, чем другому — значит, гравитационная волна удлинила его путь и сократила путь второго луча.

Схема работы обсерватории LIGO.

LIGO разработал Вайсс (и, конечно, его коллеги), Кип Торн — ведущий мировой эксперт в теории относительности — выполнил теоретические расчёты, Барри Бэриш присоединился к команде LIGO в 1994 году и превратил небольшую — всего из 40 человек — группу энтузиастов в огромную международную коллаборацию LIGO/VIRGO, благодаря слаженной работе участников которой и стал возможен фундаментальный пропыв, осуществлённый двадцать лет спустя.

Работа на детекторах гравитационных волн продолжается. За первой зарегистрированной волной последовали вторая, третья и четвертая ; последнюю «поймали» не только детекторы LIGO, но и недавно запущенный европейский VIRGO. Четвертая гравитационная волна, в отличие от трёх предыдущих, родилась не в абсолютной тьме (в результате слияния чёрных дыр), а при полной иллюминации — при взрыве нейтронной звезды; космические и наземные телескопы зарегистрировали и оптический источник излучения в том районе, откуда пришла волна гравитационная.

Райнер Вайсс, Барри Бэриш и Кип Торн

Шведская королевская академия наук объявила лауреатов Нобелевской премии по физике 2017 года. Премия будет вручена Райнеру Вайссу (половина премии), Барри Бэришу и Кипу Торну с формулировкой «за решающий вклад в детектор LIGO и за наблюдение гравитационных волн». Официальное вручение премий и медалей состоится в декабре, после прочтения традиционных лекций. Прямая трансляция объявления победителя велась на сайте Нобелевского комитета.

Вайсс, Торн и Бэриш считались одними из самых вероятных кандидатов на Нобелевскую премию по физике с 2016 года, когда коллаборации LIGO и VIRGO об обнаружении гравитационных волн от слияния двух черных дыр.

Райнер Вайсс сыграл ключевую роль в разработке детектора - огромного интерферометра с чрезвычайно низким уровнем шумов. Соответствующие работы физик начал еще в 1970-х годах, создав небольшие прототипы систем на базе Массачусетского технологического института. Несколькими годами позже прототипы интерферометров были созданы и в Калтехе - под руководством Кипа Торна. Позднее физики объединили свои усилия.

Схема гравитационной обсерватории LIGO

Барри Бэриш превратил небольшую коллаборацию между MIT и Калтехом в огромный международный проект - LIGO. Ученый руководил развитием проекта и созданием детекторов с середины 1990-х годов.

LIGO представляет собой две гравитационные обсерватории, расположенные в 3000 километров друг от друга. Каждый из них представляет собой Г-образный интерферометр Майкельсона. Он состоит из двух 4-километровых вакуумированных оптических плеч. Луч лазера расщепляют на две составляющие, которые проходят по трубам, отражаются от их концов и объединяются вновь. В случае если длина плеча изменилась, изменяется характер интерференции между лучами, что фиксируется детекторами. Большое расстояние между обсерваториями позволяет увидеть разность во времени прибытия гравитационных волн - из предположения о том, что последние распространяются со скоростью света, разница времени прибытия достигает 10 миллисекунд.

Два детектора LIGO

Подробнее о гравитационно-волновой астрономии и ее будущем можно прочитать в нашем материале « ».

В 2017 году размер Нобелевской премии был увеличен на один миллион шведских крон - сразу на 12,5 процентов. Теперь он составляет 9 миллионов крон или 64 миллиона рублей.

Лауреатами Нобелевской премии по физике в 2016 году стали теоретики Дункан Халдейн, Дэвид Таулесс и Майкл Костерлиц . К этим явлениям относится, например, целочисленный эффект Холла: тонкий слой вещества изменяет свое сопротивление ступенчато с ростом индукции приложенного к нему магнитного поля. Кроме того, теория помогает описывать сверхпроводимость, сверхтекучесть и магнитное упорядочение в тонких слоях материалов. Интересно, что основа теории была заложена еще советским физиком Вадимом Березинским, но до вручения премии он, увы, не дожил. Подробнее об этом можно прочитать в нашем материале « ».

Владимир Королёв

В средствах массовой информации в преддверии оглашения лауреатов-2017 обсуждались различные кандидатуры, и те, кто в итоге получил премию, входили в число фаворитов.

Барри Бариш, является ведущим экспертом по гравитационным волнам и одним из руководителей лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, расположена в США).

А Райнер Вайсс и Кип Торн стояли у истоков этого проекта и продолжают работу в LIGO.

Сильным кандидатом СМИ считали и британку Николу Спалдин (Nicola Spaldin), долгое время проработавшую исследователем материальной теории в Швейцарском федеральном институте технологии в Цюрихе. Ей ставят в заслугу открытие мультиферроиков, материала с уникальным сочетанием электрических и магнитных свойств, которые сосуществуют одновременно. Это делает материалы идеальными для создания быстродействующих и энергосберегающих компьютеров.

В этом году среди возможных кандидатов на получение Нобелевской премии зарубежные СМИ называли и российских ученых.

В частности, в прессе прозвучало имя астрофизика академика РАН Рашида Сюняева, являющегося директором Института астрофизики общества Макса Планка в Гархинге (Германия).

Как известно, ряд отечественных ученых ранее стали лауреатами Нобелевской премии по физике. В 1958 г. ее получили трое советских ученых – Павел Черенков, Илья Франк и Игорь Тамм; в 1962 г. – Лев Ландау, а в 1964 году – Николай Басов и Александр Прохоров. В 1978 г. лауреатом Нобелевской премии по физике стал Петр Капица. В 2000 г. награду присудили российскому ученому Жоресу Алферову, а в 2003 г. – Алексею Абрикосову и Виталию Гинзбургу. В 2010 г. награда досталась работающим на Западе Андрею Гейму и Константину Новосёлову.

Всего с 1901 по 2016 год Нобелевская премия по физике присуждалась 110 раз, при этом только в 47 случаях награда доставалась единственному лауреату, в других же случаях ее делили между несколькими учеными. Таким образом за прошедшие 115 лет премию получили 203 человека – в том числе американский ученый Джон Бардин, который стал нобелевским лауреатом по физике дважды – единственный в истории награды. Первый раз он получил премию совместно с Уильямом Брэдфордом Шокли и Уолтером Браттейном в 1956 году. А в 1972 г. Бардин был награжден второй раз – за основополагающую теорию обычных сверхпроводников вместе с Леоном Нилом Купером и Джоном Робертом Шриффером.

Среди двух сотен лауреатов нобелевской награды по физике были только две женщины. Одна из них, Мари Кюри получила помимо физической премии в 1903 году еще и Нобелевскую награду по химии в 1911-м. Другой была Мария Гёпперт-Майер, ставшая лауреатом в 1963 г. совместно с Хансом Йенсеном «за открытия касающиеся оболочечной структуры ядра».

Чаще всего Нобелевская премия вручалась исследователям в области физики элементарных частиц.

Средний возраст лауреатов Нобелевской премии по физике – 55 лет. Самым молодым лауреатом в этой номинации остается 25-летний Лоуренс Брэгг из Австралии: он получил премию в 1915 году вместе со своим отцом Уильямом Генри Брэггом за заслуги в исследовании кристаллов с помощью рентгеновских лучей. Самым же пожилым остается 88-летний Раймонд Дэвис-младший, отмеченный в 2002 году премией «за создание нейтринной астрономии». К слову, Нобелевскую награду по физике делили не только отец и сын Брэгги, а также муж и жена Мари и Поль Кюри. В разное время лауреатами становились отцы и дети – Нильс Бор (1922 г.) и его сын Оге Бор (1975), Манне Сигбан (1924 г.) и Кай M. Сигбан (1981 г.), Дж Дж. Томсон (1906 г.) и Джордж Пейджет Томсон (1937 г.).

Альберт ЭЙНШТЕЙН . Нобелевская премия по физике, 1921 г.

Самый знаменитый из ученых XX в. и один из величайших ученых всех времен, Эйнштейн обогатил физику с присущей только ему силой прозрения и непревзойденной игрой воображения. Он стремился к поиску объяснения природы с помощью системы уравнений, которая обладала бы большой красотой и простотой. Был удостоен премии за открытие закона фотоэлектрического эффекта.

Эдуард ЭПЛТОН . Нобелевская премия по физике, 1947 г.

Эдуард Эплтон удостоен премии за исследования физики верхних слоев атмосферы, в особенности за открытие так называемого слоя Эплтона. Измерив высоту ионосферы Эплтон открыл второй непроводящий слой, сопротивление которого позволяет отражать коротковолновые радиосигналы. Этим открытием Эплтон установил возможность прямого радиовещания на весь мир.

Лео ЭСАКИ . Нобелевская премия по физике, 1973 г.

Лео Эсаки получил премию вместе с Айвором Джайевером за экспериментальные открытия туннельных явлений в полупроводниках и сверхпроводниках. Эффект туннелирования позволил достичь более глубокого понимания поведения электронов в полупроводниках и сверхпроводниках, макроскопических квантовых явлений в сверхпроводниках.

Хидэки ЮКАВА . Нобелевская премия по физике, 1949 г.

Хидэки Юкава за предсказание существования мезонов на основе теоретической работы по ядерным силам был удостоен премии. Частица Юкавы стала известна как пи-мезон, затем просто пион. Гипотеза Юкавы была принята, когда Сесил Ф. Пауэлл обнаружил частицу Ю. с помощью ионизационной камеры, помещенной на больших высотах, затем мезоны были искусственно получены в лаборатории.

Чжэньнин ЯНГ . Нобелевская премия по физике, 1957 г.

За предвидение при изучении так называемых законов четности, которое привело к важным открытиям в области элементарных частиц Чжэньнин Янг получил премию. Решена была наиболее тупиковая проблема в области физики элементарных частиц, после чего экспериментальная и теоретическая работа забила ключом.