Новости физики и космоса. 

Выпуск 22 (46) 1 - 13 октября

Лауреатами Нобелевской премии по физике стали Рой Глаубер, Джон Холл и Теодор Хэнш

Лауреатами Нобелевской премии по физике стали американские физики Рой Глаубер и Джон Холл, а также немецкий исследователь Теодор Хэнш. Первому из них премия присуждена с формулировкой "за вклад в квантовую теорию оптической когерентности", двум остальным - "за развитие прецизионной лазерной спектроскопии, в частности - за методы комбинационной лазерной спектроскопии в оптическом диапазоне".

По мнению экспертов, методы новых лауреатов применимы для самых точных из возможных физических измерений. Так, с их помощью можно генерировать "самые монохроматические" электромагнитные волны, а также следить за тем, не изменяются ли фундаментальные физические постоянные с течением времени.

Медали за безукоризненную точность

Люди и институты, которые предсказывали сегодняшних нобелевских лауреатов-физиков, снова ничего не угадали: в декабре в Стокгольм за наградой отправятся немецкий и американские ученые, не слишком известные публике. Около 40 лет назад профессор Рой Глаубер прояснил квантовую природу света, благодаря чему Джон Холл и Теодор Хэнш смогли создать сверхточные инструменты, позволяющие проследить за изменением фундаментальных констант. Если вдуматься, в том, что за попытку попробовать мир на прочность присуждена Нобелевская премия, ничего удивительного нет.

Глаубер, Холл и Хэнш - специалисты по квантовой оптике. Эта отвлеченная дисциплина возникла одновременно с лазерами - источниками когерентного монохроматического света. До того, как они были изобретены, физики сталкивались только с излучением нагретых тел - беспорядочным и "несогласованным" потоком волн разной длины. Лазеры сразу сделались универсальным инструментом для решения разнообразных физических проблем: намного проще предсказать поведение когерентного светового пучка, чем света от обычной лампы накаливания. Особенно если речь идет о явлениях микромира: лампа посылает к микрообъекту не "усредненный" ровный свет, а "случайные" фотоны с неодинаковой энергией. Напротив, идеальный лазер светит всегда одинаково.

Работы Роя Глаубера были посвящены как раз тому, что происходит в случае "плохих" - слабых и некогерентных - источников излучения. Инструменты обычной квантовой механики не годились, чтобы точно описать действие небольших количеств света. Глаубер заметил, что отклонения от ожидаемых результатов связаны с фотоэлектронным эффектом внутри приемника - электромагнитные явления в нем оказываются для наблюдателя единственным источником знаний о свете. (Если, например, приемник - фотопленка, то ее почернение вызвано тем, что поглощенный фотон отрывает электрон от какого-нибудь отрицательного иона и "возвращает" его иону серебра). Ученый объяснил это в 1963 году с помощью квантовой электродинамики - теории, возникшей при "смешении" старой квантовой теории с эйнштейновским релятивизмом. Было показано, что рассмотрение когерентности и некогерентности должно основываться на "коллективном поведении" фотонов. При этом отклонения от идеального случая не подчиняются привычной статистике. В предложенном альтернативном распределении фигурировали, например, отрицательные вероятности.

Когда революционная статья была написана, лазеры были еще весьма далеки от совершенства. Однако у Глаубера весьма скоро нашлись вдумчивые читатели, которым захотелось изменить эту ситуацию. Зная, как выглядят отклонения, они нашли способ их минимизировать. После этого лазеры стали пригодны для передачи сверхслабых сигналов отдельными фотонами.

Позже новая теория когерентности оказалась востребована математиками. Авторы квантовой криптографии и квантовых вычислений предложили использовать в качестве единицы информации двухуровневую квантовую систему - кубит. В отличие от обычного бита, такая система может принимать бесконечное число состояний, которые являются комбинациями исходных двух. Лучшим переносчиком кубита является фотон поляризованного света (два уровня отвечают различным направлениям поляризации). С помощью лазера нужную частицу легко сгенерировать и отправить вдоль оптического волокна, зная, что с ней случится за время пути. Очевидно, что подобный способ передачи информации безопасен - при любой попытке "подслушать" злоумышленник изменит состояние фотона, и утечка данных не останется незамеченной. Впрочем, математические последствия глауберовского открытия давно стали самостоятельной наукой, развивающейся независимо от физики.

В отличие от Роя Глаубера, Джон Холл и Теодор Хэнш занимались "инженерной" стороной усовершенствования лазера. А именно, они пытались добиться максимальной когерентности и монохроматичности - и добились. Хотя способность генерировать свет с точной длиной волны считается главным свойством лазера, большинство реальных излучателей отклоняется от такого поведения. Пучок обычно состоит из "смеси" волн близкой длины, что чаще всего объясняют эффектом Допплера. Эффект, заключающийся в том, что движущееся тело меняет цвет, помог астрофизикам узнать о расширении Вселенной, но долгое время был головной болью оптиков. Атомы внутри рабочего тела лазера движутся с неодинаковыми скоростями, отчего цвет луча непостоянен. Это непостоянство мало и незаметно, пока речь не идет о сверхточных измерениях - а они требуют привлечения лазеров весьма часто.

Идея отказаться от старых эталонов физических величин возникла в середине двадцатого века. Выяснилось, что платиново-иридиевые бруски, представляющие килограмм и метр в Парижской палате мер и весов, не слишком точно справляются со своей задачей. То же можно было сказать и о секунде, которую определяли как фиксированную часть астрономических суток. Предполагалось связать фундаментальные единицы с каким-нибудь не менее фундаментальным процессом. На такую роль вполне подходило распространение света в вакууме - и с его помощью решили переопределить одновременно единицы времени и расстояния. С 1967 года метром называют путь, который проходит свет, испущенный при определенных обстоятельствах атомом цезия-133, за 9192631770 колебаний, а секундой - интервал, за который свет преодолеет 299792458 метров. Сложность, с которой столкнулись исследователи, была до обидного банальной - не существовало подходящих измерительных приборов, чтобы зафиксировать "старт" и "финиш" светового пучка.

Решение было найдено Холлом и Хэншем, изготовившими лазеры с жестко зафиксированной длиной волны. Как и предписывает стандарт, с их помощью измеряли переход между энергетическими уровнями в атоме цезия. С целью проверки тем же способом оценили переходы в водороде - это единственный атом, для уровней которого есть явные формулы. Таким образом, теперь лазеры можно использовать как часы, сообщающие время с точностью до 18 знаков после запятой.

Однако за часы, пусть даже самые точные в мире, редко награждают Нобелевской премией. Разгадка в том, что прецизионные приборы позволяют оценивать и сравнивать самые главные физические постоянные - константы, обеспечивающие привычную нам структуру Вселенной. Некоторое время назад астрономы усомнились в постоянной тонкой структуры a, небольшого изменения которой было бы достаточно, чтобы прекратился нуклеосинтез звезд. Наблюдая удаленные галактики, ученые пришли к выводу (с которым согласны далеко не все), что a изменяется на миллионные доли за несколько миллиардов лет. Точность "лазерного" метода дает возможность проверить это утверждение на Земле за куда меньшее время.

Согласно решению шведских академиков, Рою Глауберу достанется половина премии, Джону Холлу и Теодору Хэншу - по одной четвертой. 8 декабря 2005 года ученые выступят в Стокгольмском университете с нобелевскими лекциями. Если каждая продлится час, свет пройдет за это время в вакууме 3 миллиарда 237 миллионов 758 тысяч 546 метров 40 сантиметров. 

Борислав Козловский

Японцы испытали пассажирский самолет будущего

Японское агентство по аэронавтике (JAXA) провело успешные испытания прототипа сверхзвукового пассажирского самолета, который может прийти на смену "Конкордам".

11-метровая модель лайнера была запущена ракетой с полигона в австралийской пустыне. Самолет отделился от ракеты на высоте 7500 метров, разогнался до скорости, примерно вдвое превышающей скорость звука, и опустился на землю на парашюте. Полет продолжался около 15 минут, сообщается на сайте JAXA.

Японский сверхзвуковой пассажирский самолет получил рабочее название NEXST. Согласно проекту, он будет принимать на борт 300 пассажиров. Полет из Токио в Нью-Йорк на новом лайнере займет менее шести часов. Планируется, что самолет станет одним из наименее шумных в мировой авиации.

По словам исполнительного директора JAXA Кимио Сакаты, чтобы довести NEXST до коммерческой эксплуатации, потребуется около 15 лет, передает агентство Reuters. Разработчикам еще предстоит решить целый ряд задач, включая повышение КПД топлива и снижение уровня шума.

Астрономы обнаружили у "десятой планеты" луну

Астрономы, утверждающие, что им удалось открыть десятую планету Солнечной системы, обнаружили вращающуюся вокруг этого небесного тела луну, сообщает AP.

Группа астрономов под руководством Майкла Брауна (Michael Brown) объявила, что в районе астероидного пояса Койпера обнаружено небесное тело, диаметр которого около 2700 километров. Его размеры превышают Плутон, а находится оно в два раза дальше от Солнца, чем самая далекая планета Солнечной системы.

Открытый объект получил временное официальное название 2003 UB313, а неофициальное - "Зена", в честь героини популярного телесериала "Зена - королева воинов".

Продолжив наблюдение за Зеной, астрономы обнаружили обращающееся вокруг нее малое небесное тело. Луна получила название Габриэлла - в честь спутницы Зены. Ее диаметр составляет около 248 километров.

Открытие спутника Зены считают астрономы, позволит им более точно определить массу "десятой планеты".

Китай запустил "шестую космическую лодку"

В среду 12.10.05 в 9:00 по пекинскому времени (5:00 мск) с космодрома Цзюцюань на северо-западе Китая успешно стартовал пилотируемый космический корабль "Шеньчжоу VI", сообщает агентство "Синьхуа".

На борту китайского корабля находятся космонавты Фэй Цзюньлун (Fei Junlong) и Не Хайшэн (Nie Haisheng). Они проведут на орбите пять дней и поставят несколько научных экспериментов.

Окончательный выбор экипажа для второй пилотируемой космической миссии Китая был сделан в среду рано утром. Всего подготовку к этому полету проходили шестеро космонавтов.

Первый китайский космонавт ("тайконавт"), 38-летний Ян Ливэй, побывал на орбите в октябре 2003 года. Полет продолжался 21 час, причем корабль "Шеньчжоу V" успел сделать 14 витков вокруг Земли.

Китай стал третьим (после Советского Союза и США) государством, которое самостоятельно вывело человека в космос. В стране уже расписана космическая программа на многие годы вперед.

Поразительные детали раскрывает самое четкой изображение пятна на Солнце

Фобос, Венера и черные дыры

Основные этапы российской космической программы на ближайшие 10 лет

Информационные агентства наперебой сообщают об успехах космических аппаратов из США, Европы и Японии. Но есть ли самостоятельные достижения в космической науке у нашей страны, которая когда-то лидировала на этом фронте, но сейчас, кажется, довольствуется ролью космического перевозчика на международную станцию? Вопрос тем более актуальный на этой неделе, когда отмечается годовщина запуска первого искусственного спутника Земли, который стартовал с нашего космодрома 4 октября 1957 года.

Самым, как сказали бы американцы, амбициозным нашим проектом является программа "Фобос-Грунт". Это пока единственный национальный проект по исследованию тел Солнечной системы, включенный в Федеральную космическую программу (ФКП) с датой запуска в 2009 г. К марсианскому спутнику Фобос уже летали российские аппараты, но не слишком удачно. Нынешний проект предполагает высадку на спутник и первую доставку его грунта на Землю. На Фобосе останется автоматическая станция, которая займется изучением спутника и околопланетного пространства, мониторингом Марса. Интерес к Фобосу объясняется тем, что малые небесные тела, где нет тектонических процессов, сохранили в первозданном виде протовещество, из которого образовалась Солнечная система и Земля.

В астрофизике главные надежды возлагаются на совместный с Европейским космическим агентством проект "Спектр-Рентген-Гамма", который также включен в ФКП. Запуск околоземной орбитальной обсерватории должен быть проведен с космодрома Куру во Французской Гвиане ракетой "Союз-2" в 2010-2011 гг. Программа наблюдений обсерватории "Спектр-РГ" рассчитана на 5 лет. Первую половину будет выполняться обзор всего неба, вторую - отдельных участков. Уровень аппаратуры, которую установят на "Спектре-РГ", обеспечит на порядок лучшие наблюдения, чем у работающих сейчас на орбите американского телескопа Chandra и европейского XMM-Newton. По оценкам, будут обнаружены скрытая популяция из 100 тысяч сверхмассивных черных дыр, 50 тысяч неизвестных галактик, проведены детальные изучения загадочных темного вещества и темной энергии, которые составляют 95% массы Вселенной.

Сейчас около Марса работает европейский аппарат "Марс-Экспресс", в экспериментах принимают участие наши ученые. Многие идеи и аппаратура заимствованы у погибшей экспедиции "Марс-96", когда российская ракета не смогла вывести аппарат на орбиту. С учетом опыта "Марс-Экспресс" подготовлена экспедиция к Венере - "Венус-Экспресс", к которой тоже привлечены наши специалисты, сделавшие 2 сложных прибора. Аппарат стартует с Байконура на "Союзе" уже в 2005 г.

Одним из главных достижений космической науки за последние годы стали данные, полученные российским нейтронным детектором ХЕНД, который установлен на американском аппарате "Марс-Одиссей". Данные прибора, который измерял нейтронное излучение Марса, позволили сделать вывод об огромных запасах воды под поверхностью планеты, а также измерить динамику сезонных отложений углекислоты на Марсе. Теперь та же команда ученых выиграла тендер в новом проекте НАСА, по которому в 2009 г. на Марс будет отправлен большой долгоживущий марсоход. В арсенале робота будет наш прибор для опытов по динамическому измерению альбедо нейтронов. Это позволит определить содержание водорода в грунте, как делал ХЕНД с орбиты, но только значительно точнее.

Российские ученые сделали интересные предложения для европейского проекта "Пастер" по поиску жизни на Марсе с помощью марсохода. Придуманы приборы и эксперименты для европейской миссии к самой близкой к Солнцу планете Меркурию "Бели Коломбо". Среди предложений - нейтронный датчик, анализатор плазмы, спектрометр для исследований тонкой атмосферы в лучах натрия.

В ФКП значится очень интересный эксперимент "Резонанс": запуск в 2008-2010 гг. двух спутников на так называемые магнитосинхронные орбиты, где 5 лет они будут проводить исследования в одной выбранной трубке силового магнитного поля Земли. По этим траекториям полет будет проведен впервые. Изучение магнитного поля Земли - серьезный вопрос фундаментальной науки, предложившей недавно концепцию магнитосферных плазменных мазаров. Но изучение магнитного поля Земли важно и для практических целей - магнитные бури влияют на погоду, самочувствие, работу приборов и летательных аппаратов.

По словам член-корреспондента РАН Льва Зеленого, директора Института космических проблем, который отмечает 40-летие, развитие космической техники привело к тому, что многие серьезные задачи сейчас могут решаться не крупными орбитальными лабораториями, как раньше, а небольшими микроспутниками. Несколько таких аппаратов разрабатываются в институтах РАН - "Колибри", "Чибис", "Клиппер". Другие перспективные проекты - многоспутниковый "Рой" для измерений в критических областях магнитосферы, "Полярно-эклиптический патруль" для глобального обзора Солнца и контроля космической погоды, "Лунная тень" для наблюдения затмений. На отдаленную перспективу рассчитан проект "Интергелиозонд" для исследований Солнца чуть не "в упор", с очень близкого расстояния в 10-12 солнечных радиусов.