ИЗ ИСТОРИИ НАУКИ
Нобелиада-21
Л.БЕЛОПУХОВ
ИПО ФИЗИОЛОГИИ И МЕДИЦИне, и по химии, и по экономике премии этого года хорошо соответствуют завещанию Нобеля – «ежегодное награждение тех лиц, которые в течение предшествующего года сумели принести наибольшую пользу человечеству». Правда, уже давно речь идет не о предшествующем годе, а о предшествующем времени, иногда довольно значительном. Впечатляет награда по физиологии и медицине. Найдена разгадка реакции нервной ткани человека не только на такое явление, как боль, но и на гораздо более интимные чувства – тепло, холод и прикосновение. Может быть, недалека и разгадка такого прикосновения, как нежность и ласка. Недаром статья об этой премии в журнале «Наука и жизнь» названа автором «Разгадка теплых объятий». Так и хочется назвать награду этого года медицинско-поэтической. Необычной, «инверсной» хочется назвать работу, удостоенную премии по химии. Обычный путь каталитического синтеза асимметричных молекул дан природой на клеточном уровне А теперь для ряда реакций найден путь каталитического синтеза таких молекул без участия биологического клеточного механизма – как говорят биохимики, «in vitro», т.е. в стекле, в пробирке, а не «in vivo», т.е. в живом организме. Это открывает (и уже открыло) широкие возможности для синтеза лекарств направленного действия, особенно для наследственных болезней. Несколько особняком стоит премия по физике. Общее ее название: «За новаторский вклад в наше понимание сложности физических проблем». Другими .словами, это премия за уточнение понимания слож-
DOI: https://doi.org/10.4213/kvant20220202
ности. Вообще говоря, «сложность системы» – понятие скорее математическое, нежели физическое. Но премия 2021 года придает важность не абстрактно-математической стороне понятия «сложность», а совершенно конкретным физическим исследованиям и математическим теоретикофизическим работам, доведенным в ряде случаев до сравнения с многолетними эмпирическими наблюдениями и измерениями. В качестве плацдарма исследований, где проявляется особая сложность явлений, Нобелевский комитет избрал одну из актуальнейших научных проблем – проблему глобального потепления земного климата. Эта проблема понятна всем жителям Земли, она обсуждается в научных и научнопопулярных журналах, на политических и экономических форумах и просто в людских беседах. Особенно актуальной эта тема стала в прибрежных городах и приморских странах (например, в Голландии). Ведь повышение температуры на Земле означает частичное таяние ледников и повышение уровня мирового океана, что грозит затоплению местностей, невысоко расположенных над берегом. Когда стали подсчитывать возможные сроки затопления и изменения в мировой флоре и фауне, которые могут происходить при этом, то у разных футурологов получались сроки грядущих катаклизмов, отличающиеся в десятки раз. Причина потепления – в поглощении солнечного тепла так называемыми парниковыми газами и прежде всего углекислым газом. Это потепление стали называть парниковым эффектом. Наметился даже раскол в отношении к этой проблеме. Часть ученых-климатологов, геологов, астрофизиков утверждала, что потепление – следствие естественных природных процессов, прежде всего связанных с Солнцем и процессами, на нем
23
ИЗ
ИСТОРИИ
происходящими. Но еще в 1896 году знаменитый шведский химик Сванте Аррениус высказал идею, что главная причина потепления – увеличение концентрации углекислого газа в земной атмосфере. Ведь на Венере, например, большая концентрация углекислоты в атмосфере – главная причина высокой средней температуры на этой планете (выше 400 q С ). Но в XX веке значительная часть ученых, а кроме того, экономистов, технологов, политиков утверждали, что глобальное потепление – антропогенный фактор, связанный с резким увеличением потребления углеродных топлив для автотранспорта и тепловых электростанций, происшедшем на рубеже 60-х годов прошлого столетия. Эта тема была очень выгодной для обсуждения и создания определенного имиджа у политических деятелей и получения грантов на исследования в научных лабораториях. Но постепенно ажиотаж вокруг этой проблемы стал затихать, все возможные гранты были получены и истрачены. И начались серьезные научные исследования. Их результаты тогда не получали широкого освещения в научной и околонаучной литературе, они не выходили за пределы узкоспециализированных научных журналов. Исследователи понимали, что нужно время для уверенного получения надежных результатов. И вот наконец эти работы получили высокую оценку – Нобелевскую премию по физике. Работы имели не только узко направленный характер – разобраться в проблеме глобального потепления. У исследователей было ясное понимание сложности вопроса, поэтому он и решался как частный случай исследования физически сложной системы. Вообще говоря, это – не первая нобелевская награда за работы, изучающие изменения климата и его последствия. В 2007 году Нобелевская премия мира была присуждена Межправительственной группе экспертов ООН по изменению климата (МГЭИК) и бывшему вице-президенту США Альберту Гору «за их усилия по распространению знаний об антропогенном воздействии на изменение климата и определению основных принципов, кото-
НАУКИ
рые необходимо выработать для противодействия таким изменениям». Эти работы группой экспертов ООН продолжаются и по сей день. Нобелевская премия мира была присуждена за их четвертый доклад ООН. А недавно, 9 августа 2021 года, состоялся шестой доклад. Нобелевская премия по экономике была в 2018 году присуждена Полу Ромеру и Уильяму Нордхаусу (США) «за интеграцию проблемы изменения климата и технологических инноваций в долгосрочный макроэкономический анализ». Но эти премии не были наградой за исследовательские научные работы. Они лишь фиксировали работы по обобщению имеющихся данных. Двенадцать раз (с 1924 по 1945 г.) номинировалась на Нобелевскую премию по физике работа норвежского физика Вильгельма Бьеркнеса «Прогноз погоды как физическая задача». Но Нобелевский комитет по физике так и не посчитал эту работу достойной высокой награды. И, наконец, в этом году Нобелевский комитет по физике принял решение наградить непосредственно тех ученых, которые заложили основы нашего современного понимания процессов изменения планетарного климата. Это решение было давно ожидаемым и восстанавливающим справедливость. Половина премии (5 миллионов шведских крон, что соответствует примерно 500000 евро или 40 миллионам рублей) присуждена климатологам Сюкуро Манабэ (Syukuro Manabe, Япония) и Клаусу Хассельману (Claus Hasselmann, Германия) «за моделирование климата Земли, математическое описание изменчивых систем и точное предсказание глобального потепления». Как ясно из этой мотивировки, премия дана за математически точное предсказание глобального потепления в отличие от многочисленных спекулятивных работ и рассуждений на эту тему. Вторую половину премии получил итальянский ученый Джорджо Паризи (Giordgio Parisi, Италия) «за открытие взаимодействий в хаосе и флуктуациях в физических системах от атомарных до планетарных масштабов».
24
КВАНТ 2022/№2
Сюкуро Манабэ
Сюкуро Манабэ в 26-летнем возрасте получил докторскую степень по метеорологии в одном из японских университетов, после чего в 1957 году уехал в США, где занялся изучением физики атмосферы и стал тогда одним из первых в мире искать взаимосвязь между растущей концентрацией углекислого газа в атмосфере и ростом глобальной температуры. Он не только фиксировал эту взаимосвязь, но и, главное, строил физические модели для ее объяснения. В моделях Манабэ учитывалась вертикальная конвекция воздушных масс и тепловой вклад глобального круговорота воды в природе – отдача тепла при конденсации влаги. Вначале он не побоялся сделать одномерное приближение – поведение вертикальной колонны углекислого газа высотой 40 км. Дальнейшие его работы были значительно усложнены переходом к трехмерной модели и учетом движения других газов атмосферы. Оказалось, что концентрации азота и кислорода практически не влияют на атмосферную температуру, тогда как удвоение концентрации углекислого газа (от 0,02% до 0,04%) повышает температуру на 2 К. А это очень много!
Сегодня 90-летний ученый продолжает активно работать в должности старшего метеоролога Принстонского университета США, одного из самых знаменитых научных учреждений в мире (именно в этом университете работал Альберт Эйнштейн последние 20 лет своей жизни). Не правда ли, интересная должность – «старший метеоролог университета»? Сюкуро Манабэ и сейчас – страстный проповедник идеи глобального потепления, вызванного человеческой деятельностью, так называемой антропогенной природой глобального потепления. Он говорит, что наличие в ученом мире людей, которые в это не верят, для него является самой большой загадкой, «понять которую в миллион раз труднее, чем понимать причины изменения климата». Клаус Хассельман – ровесник Манабэ, ему тоже 90 лет. Он стал доктором наук по гидродинамике в Геттингенском университете и после этого занимался построением математических моделей волновых процессов в океанах и течениях, заняв долж-
Клаус Хассельман
25
ИЗ
ИСТОРИИ
Кривая Килинга ность океанолога в университете океанологии в Калифорнии. В это время его друг Чарльз Дэвид Килинг, большой любитель горных путешествий, в погодной высокогорной обсерватории на гавайских островах на вершине горы Мауна Лоа проводил многолетние измерения концентрации в местности, далекой от цивилизации, где должны были усредняться все антропогенные влияния на атмосферу. Именно Килингом были получены надежные данные об изменении концентрации углекислого газа от 3,15 промилле (1 промилле 0,1%, обозначается 1) в 1958 году до 3,8 в 2005 году, когда Килинг умер от сердечного приступа. Но работы в этой обсерватории продолжаются и сейчас, и для 2020 года они дали уже значение концентрации углекислого газа 4,15 . «Кривая Килинга» и сейчас является самым надежным опытным обоснованием для всех работ по глобальному потеплению. Недаром она высечена на стене здания Национальной академии наук в Ва-
НАУКИ
шингтоне. И, конечно, Чарльз Килинг был бы сейчас заслуженным номинантом на Нобелевскую премию 2021 года. И присуждение премии его другу и научному соратнику Хассельману увековечивает научные достижения обоих друзей. В тандеме Килинг–Хассельман первый был «добытчиком» фактов, а второй – их тщательным анализатором. Он применил ряд математических методов анализа информации, получивших образные названия «случайные блуждания» и «отпечатки пальцев». Основное внимание Хассельман уделил нахождению стандартных отклонений от средних значений, вызываемых сезонными изменениями содержания углекислого газа в атмосфере, связи самых высоких и самых низких отклонений с конкретными погодными условиями в эти годы, т.е. попыткам связать погоду и климат и сделать предсказания погоды более надежными. При этом он достоверно показал, что если бы не было увеличения концентрации углекислого газа в атмосфере, совпавшего по времени с резким увеличением количества тепловых электростанций и другими антропогенными факторами, то положение с температурой атмосферы вовсе не было бы таким критическим, она практически больше бы почти не возрастала. Хассельманн еще в 1975 году вернулся в родную Германию, основал институт Макса Планка по метеорологии и до 1989 года был одним из ее директоров, сейчас продолжает занимать профессорскую должность в этом институте. Джорджо Паризи – итальянский физик-теоретик. Он защитил докторскую диссертацию в родном римском универси-
26
Джорджо Паризи
КВАНТ 2022/№2
тете «Сапиенум», там же и работает сейчас в профессорской должности. В Италии он хорошо известен своей общественно-политической деятельностью – неистовой публичной критикой недостаточного финансирования итальянской науки. Еще в 1977 году бельгийский химикофизик Илья Пригожин стал Нобелевским лауреатом по химии «за работы по термодинамике необратимых процессов и их использование в химии и биологии». Пригожиным было постулировано существование неравновесных термодинамических систем, которые при определенных условиях поглощая энергию и вещество из окружающего пространства, могут совершать качественные скачки с переходом системы из одного состояния в другое, и эти скачки – непредсказуемы. В системе происходит самоорганизация. Научное направление, которым стал заниматься Пригожин, а вслед за ним и его многочисленные последователи, получило название синергетики. Сам Пригожин изучал вопрос, как ведет себя при этом во времени и пространстве такая важная функция состояния системы, как энтропия – количественная мера хаоса. Типичным примером возникновения порядка из хаоса являются фазовые переходы. Многие исследователи стали заниматься анализом фазовых переходов с позиций синергетики. Однако оказалось,
что математических методов Пригожина и его последователей недостаточно для предсказания поведения сложных систем. Занявшись этой проблемой, Джорджо Паризи достиг успеха именно в математическом обосновании закономерности появления тех гигантских флуктуаций на микроуровне, которые приводят к качественно новым явлениям на макроуровне. Паризи с сотрудниками изучал такие явления, как фронты горения (фронты языков пламени), смачивание, кристаллизация, границы турбулентных зон в жидких кристаллах, в самой современной физике – глубокое неупругое рассеяние в квантовой хромодинамике (появление неожиданных сложных кварковых структур) и такую неожиданную для физика проблему, как распределение транспортных потоков. В этот перечень надо добавить поиски выбросов на кривой Лизинга – флуктуации климатических изменений. Вызывает восхищение и интерес разнообразие этих увлечений Паризи. Но все дело в том, что все эти разнообразные задачи были объединены одной общей чертой. Степень их сложности очень большая. В каждой из них – огромное число различных воздействий, и даже самые современные суперкомпьютеры не могут справиться с решением таких задач «в лоб». Математические методы Паризи позволяют самой математике выделять те воздействия, которые приводят к гигантским флуктуациям поведения системы. В конечном счете его методика сводится к нахождению определенного числа энергетически выгодных (с меньшей энергией) состояний системы, а применяемая математика похожа в разных задачах. Сам Паризи еще в 1980-е годы открыл теоретически ряд закономерностей возможного поведения некоторых материалов, казавшихся полностью неупорядоченными, и создал математический аппарат. Наиболее полное решение было получено Паризи для рассмотрения возможных состояний так называемых «спиновых стекол». Успешное использование решений Паризи для спиновых стекол позволяет сейчас ставить вопрос о рожде-
27
ИЗ
ИСТОРИИ
нии целой отрасли получения совершенно новых материалов. Математически постановка обеих задач – поведение спиновых стекол при изменении их состава и поведение климата Земли при изменении состояния земной атмосферы – оказывается очень похожей. И этот факт дал возможность обоснования присуждения Паризи Нобелевской премии за общность его решений для хаоса и для флуктуаций в широком спектре физических систем – от атомарных до планетарных, от взаимодействий кварков до глобального потепления климата. В самом решении Нобелевского комитета нет ни слова о спиновых стеклах. Это комментаторы после известия о присуждении Паризи Нобелевской премии бросились перерывать работы Паризи. Быстро выяснилось, что если про спиновые стекла еще хоть что-нибудь понятно, да и сами эти слова «спин» и «стекло» хорошо известны, то о кварках или жидких кристаллах у «нормальных» людей нет никакого представления. Надо сказать, что спиновые
НАУКИ
стекла – это вовсе не стекла в нашем обычном понимании. Со стеклами их роднит только тот факт, что они не кристаллические, а аморфные тела. Но представляют они собой не соединения из окислов кремния, натрия и кальция (как обычные стекла), а сплавы двух металлов, например меди и марганца, золота и железа, серебра и марганца, меди и неодима, в соотношении примерно 10:1. И, конечно, они совершенно не прозрачны. Один атом спинового стекла при этом – немагнитный, а другой (железо, марганец, неодим) представляет собой так называемый ферромагнетик. К сожалению, школьные (да и вузовские) учебники по физике не объясняют природу ферромагнетизма, ферримагнетизма и антиферромагнетизма. Говорится лишь, что для ее понимания необходимо хотя бы минимальное знание квантовой механики. Нужно понять, в частности, что такое спин и что такое обменное взаимодействие. Но попытка разобраться в этом не наказуема.
НЕИСЧЕРПАЕМЫЙ
(Начало см. на 2-й с. обложки) Интересно найти все выпуклые сеточные фигуры из танов. Напомним три определения выпуклого многоугольника (они эквивалентны): 1) если многоугольник лежит в одной полуплоскости относительно каждой прямой, содержащей его сторону; 2) если все внутренние углы многоугольника меньше развернутого; 3) если для любых двух точек внутри многоугольника отрезок с концами в этих точках лежит целиком внутри многоугольника. Из полного набора элементов танграма можно сложить 13 разных выпуклых сеточных многоугольников. Среди них ровно один треугольник, шесть четырехугольников, два пятиугольника и четыре шестиугольника. Попробуйте объяснить, почему треугольник единственный, а многоугольников с 9 и более сторонами не бывает. Семиугольников и восьмиугольников тоже не бывает, но доказать это сложнее, поскольку придется оценивать минимальную площадь таких фигур из танов на сетке. Постарайтесь сложить все эти 13 фигур. Красным цветом нарисованы те, сложить которые труднее. Желаем успехов! А.Ковальджи