Цивилизация
2007 год для физики стал во многом годом потерь и надежд одновременно. Надежды связываются как с традиционными обещаниями теории, так и с постепенным – и пока успешным – завершением подготовки к запуску Большого адронного коллайдера (Large Hadron Collider, LHC) на границе Швейцарии и Франции в ЦЕРНе, намеченному на середину следующего года. Здесь уже установлены основные детекторы и даже началось охлаждение некоторых систем гигантской установки, которой предстоит работать при температуре ниже, чем холод межзвёздного пространства.
Потери же стали особенно очевидны в последние предновогодние недели и касаются учёных страны с самой сильной ныне наукой – Соединённых Штатов, парламент которых неожиданно принял бюджет, ничуть не расширяющий, даже в абсолютном выражении, а в некоторых областях и сокращающий ассигнования на науку. Пока Конгресс и президент США Джордж Буш, подписавший закон, публично сваливают вину друг на друга, множество научных программ оказались под угрозой сокращения, а то и вовсе закрытия.
В частности, невозможным стало участие США в программе создания Международного экспериментального термоядерного реактора (ITER), к которой США присоединились лишь два года назад, когда после десятка лет препирательств участники консорциума определились с местом постройки установки; она будет расположена во Франции.
А именно исследования в области управляемого термоядерного синтеза дали первую научную сенсацию уходящего года.
В январе китайское информационное агентство «Синьхуа» сообщило, что физикам Поднебесной удалось получить при термоядерном синтезе больше энергии, чем было потрачено на удержание плазмы. На каждые 4 кВт-часа полученного из энергосистемы Китая электричества токамак EAST в китайской провинции Аньхой выдавал 5 кВт-часов энергии. Правда, о часах здесь говорить не стоит: плазма температурой около 100 миллионов градусов (это в семь раз горячее, чем в центре Солнца) жила не более пяти секунд, однако и мощность установки измеряется не в киловаттах, а существенно больших единицах.
Пока ЦЕРН готовится к запуску LHC, работа в крупнейшей научной организации не прекращается – в июне было объявлено об открытии частицы, состоящей из трёх кварков разных семейств – двух экзотических (странного (s) и прелестного, или нижнего (b)) и одного обычного (d – это, впрочем, не от слов dull, а от down), входящего в состав протонов и нейтронов всего вещества. Раньше эта частица была известна лишь теоретически, занимая важное место на одном из этажей барионной пирамиды.
Физики-теоретики – или математики, называйте, как вам больше нравится, — не забывали делать новые предсказания.
В сентябре текущего года им удалось получить самое сложное из «простых» представление группы симметрий E8, связанной с одноименной исключительной алгеброй Ли – самой сложной из конечномерных алгебр En. Соответствующая группа описывает симметрии в пространстве 248 измерений, а представление, которое получили математики и программисты, представляет собой матрицу размером 453 060 на 453 060 элементов – наверное, самый сложный аналитический объект, посчитанный математиками.
Немногим более полугода понадобилось сёрферу, горнолыжнику и физику-теоретику Гаррету Лизи, давно оставившему факультетский пост, чтобы на основе этой группы предложить «Исключительно простую теорию всего». Как показал Лизи, проекции одного из представлений этой группы в восьмимерном пространстве совпадают с «групповыми портретами» всех четырёх фундаментальных взаимодействий – сильного, слабого, электромагнитного и гравитационного.
Статья, правда, не принята к печати в каком-либо научном журнале, а для полного сходства своих выкладок с реальностью физкультурнику понадобилось постулировать существование ещё 20 частиц в дополнение ко всем известным. Сам самодеятельный теоретик позиционирует теорию как альтернативу теории суперструн, однако, по мнению некоторых «струнников», как раз из объекта их пристального внимания иногда естественным образом вырастает E8.
Впрочем, современные фундаментальные теории настолько сложны, что даже обладая полной информацией об относительно простой системе из нескольких частиц, непосредственно вычислить её поведение может быть очень сложно. Здесь отличились японские учёные под руководством Норийоси Исии, которым удалось, что называется, «из первых принципов» квантовой хромодинамики – науки о взаимодействии кварков – вычислить силу взаимодействия между состоящими из них протонами и нейтронами.
Учёные использовали особую форму приблизительных вычислений – так называемые вычисления на решётке. Использование четырёхмерного объекта с 32 узлами по каждой оси в качестве модели волновых функций впервые позволило подсчитать силу взаимодействия между частицами так, чтобы результат сошёлся с хорошо известными экспериментальными данными. Это должно убедить последних противников красивой теории, постоянно пенявших её адептам на невозможность прикладных вычислений с её помощью.
В астрономии самым важным достижением, наверное, стало открытие анизотропии космических лучей сверхвысоких энергий.
Учёные из обсерватории имени Пьера Оже уверены, что им удалось показать: эти частицы прилетают из окрестностей сверхмассивных чёрных дыр в центрах ближайших активных галактик, что снимает загадку их происхождения, мучавшую астрофизиков почти полвека. Впрочем, ещё шесть лет назад российско-швейцарские физики Пётр Тиняков и Игорь Ткачёв пришли к аналогичным выводам на основе других данных, но их работа принята не была – в основном, из-за отсутствия подтверждения со стороны американских коллег. Кстати, американские коллеги не смогли увидеть анизотропии космических лучей, найденной специалистами Обсерватории имени Оже, и на этот раз.
Другое важное достижение, которое, казалось, окончательно снимет вопрос о существовании загадочной «тёмной материи», составляющей большую часть массы Вселенной, на самом деле дало аргумент сторонникам маргинальных, с точки зрения физиков, альтернативных теорий гравитации. Авторы исследования заявили, что нашли «гигантское кольцо» тёмной материи в скоплении Cl 0024+17 (ZwCl 0024+1652), сформировавшееся при столкновении двух групп галактик.
Авторы уверены, что им удалось повторить прошлогоднее достижение другой исследовательской группы – тогда, анализируя крохотные искажения формы далёких галактик за счёт эффекта гравитационного линзирования, астрономы показали, что большая часть массы двойного скопления 1E 0657-558 находится совсем не там, где расположено вещество. Они сделали вывод, что облака газа в этом скоплении столкнулись, а вот скопления тёмной материи, почти не взаимодействующие ни меж собой, ни с обычным веществом, этого столкновения не заметили, пролетев друг сквозь друга.
В случае Cl 0024+17, утверждают авторы исследования, мы имеем дело с той же ситуацией столкновения двух скоплений, но видим её анфас, а тёмное кольцо – своего рода «круги на воде», расходящиеся после такого столкновения. Однако многие учёные отмечают, что выводы эти были сделаны на основе вычитания стандартной модели распределения вещества в скопления из полученного методами гравитационного линзирования профиля плотности, и небольшие ошибки при таких манипуляциях как раз и должны приводить к формированию «кольца». А адепты «модифицированной ньютоновой динамики» — главной альтернативной теории – и вовсе уверены, что появление кольца при попытке объяснить наблюдаемую картину наличием тёмной материи – естественное следствие их теории.
Как обычно, немало шума наделали исследования внесолнечных планет.
Последних сейчас известно уже почти три сотни, однако некоторые привлекают особое внимание. Например, в апреле команда европейских астрономов показала, что на второй планете в системе красного карлика Gliese 581 возможно существование воды в жидкой форме, а значит – и жизнь. Впрочем, более детальные расчёты показывают, что жизнь там если и возможна, то очень непохожая на земную: планета постоянно повёрнута к своему солнцу одной стороной, а значит подсолнечная половина намного горячее полушария, над которым светило никогда не восходит. Это должно приводить к формированию сильнейших ветров, по сравнению с которыми наши ураганы – лёгкое дуновение.
Другой любимчик экзопланетологов – планета, обращающаяся вокруг звезды HD189733 на расстоянии 63 световых года в созвездии Лисички. Она на Землю совсем не похожа – это так называемый «горячий юпитер», расположенный очень близко к своей центральной звезде, однако уж очень удобно её исследовать: время от времени планета проходит по диску звезды, и по особенностям изменения блеска и спектра в такие моменты можно узнать много интересного о составе атмосферы планеты. В частности, учёным удалось найти следы воды в её спектре, а также присутствие загадочной дымки в верхних её слоях. Кроме того, этот горячий юпитер оказался первой внесолнечной планетой, для которой была составлена очень грубая «карта» поверхности в инфракрасном диапазоне, а также первой экзопланетой, отражённый свет которой удалось зафиксировать земным астрономам.
Исследователи нашей родной планетной системы также не ударили в грязь лицом.
Полувековой юбилей начала космической эры учёные отметили запуском двух автоматических станций к Луне – японской «Кагуя» и китайской «Чанъэ», а также уникального космического аппарата Dawn, отправившегося навстречу сразу двум объектам пояса астероидов.
Российские учёные не остались в стороне, после долгого перерыва запустившие в космос спутник для биологических исследований «Фотон-М3», который успешно выполнил свою программу и вернулся на Землю даже с большим количеством живых существ, чем с неё были отправлены. К сожалению, общеевропейский проект тестирования нового дешёвого метода возвращения грузов с орбиты закончился неудачей, однако инженеры уверены, что за этим методом всё равно будущее.
В следующем году основных открытий физики-экспериментаторы ждут от уже не раз упомянутого Большого адронного коллайдера, который может приоткрыть дверь за пределы «Стандартной модели» элементарных частиц — если за этими пределами что-то есть. Астрономы-наблюдатели уповают на многочисленные телескопы, в том числе и Космический телескоп имени Хаббла, к которому 7 августа должна отправиться очередная и, скорее всего, последняя, ремонтная миссия: отказ Улучшенной камеры для обзоров год назад не оставил в этом году без потерь и астрономов.
Ну а теоретики разного сорта, как всегда, ждут новых свершений от бумаги, ручки, карандаша и мозгов – как своих, так и электронных. Всех с Новым годом!