Валерий Чолаков - Нобелевские премии. Ученые и открытия
В 1970 г. Нобелевская премия по физике была присуждена еще одному ученому, который, не будучи астрономом, внес большой вклад в понимание астрофизических явлений. Это был Ханнес Альфвен, основоположник магнитной гидродинамики.
Этот раздел физики занимается изучением движения токопроводящих жидкостей и ионизированных газов в магнитных полях. Исследование этих процессов имеет большое практическое значение, в частности для конструирования термоядерных реакторов типа «Токамак», а также магнитогидродинамических генераторов, преобразующих тепловую энергию плазмы в электричество. Но самое большое применение вновь созданная наука получила в астрофизике, поскольку почти все вещество Вселенной ионизовано и находится под воздействием магнитных полей.
Исходя из своей теории, Альфвен выдвинул ряд гипотез для объяснения таких явлений, как образование протуберанцев и солнечных пятен. Ученый исследовал солнечный ветер (поток частиц, испускаемых солнечной короной) и его воздействие на Землю, где он вызывает
магнитные бури и северное сияние. В межзвездном масштабе магнитная гидродинамика оказалась великой силой. Галактические магнитные поля управляют движением межзвездных облаков. Согласно одной из теорий, это ведет к нарушению однородности распределения межзвездного вещества и его локальным конденсациям, которые служат зародышами новых звезд.
Все сказанное свидетельствует о том, сколько обширной, и результативной оказалась работа Ханнеса Альфвена. Действительно, немногим выпадает такая счастливая судьба — положить начало новой науке. Однако долгие годы ученые не принимали магнитной гидродинамики. Шведский исследователь вынужден был публиковать свои работы во второстепенных журналах. Прошло немало времени, прежде чем научная общественность оценила его идеи. В конце концов истина восторжествовала — и Ханнес Альфвен стал известным ученым. В 1970 г. ему была присуждена Нобелевская премия по физике.
Длительное время астрономы были для широкой публики чем-то вроде древних звездочетов — людей, оторванных от действительности, которые исследуют далекие миры и не имеют ничего общего с повседневной жизнью человека. По этой причине науки о космосе выпали из поля зрения Нобелевского комитета по физике, и лишь в последние 20 лет положение стало меняться. Это ознаменовало понимание того факта, что современная астрофизика выдвинулась на передние рубежи физической науки, став источником новых результатов и идей.
Теоретические выводы Бете и других исследователей, занимающихся звездной энергетикой, нуждались в подтверждении и уточнении. Но информацию о процессах, происходящих в недрах звезд, можно получать лишь косвенным путем — изучая световое излучение их поверхности. Ученым оставался единственный путь исследования — моделировать термоядерные реакции, происходящие в звездах, в лабораторных условиях. Этой работой и занялся в 1947 г. профессор Калифорнийского технологического института Уильям Фаулер. Имея богатый опыт работы на ускорителях элементарных частиц, он приступил к изучению различных реакций, которые, как предполагалось, могли бы происходить в недрах звезд. Работу Фаулера по праву можно считать началом экспериментальной ядерной астрофизики.
В начале 50-х годов в Калифорнийский технологический институт прибыл английский физик-теоретик Фред Хойл, который интересовался экспериментальной проверкой возможности синтеза из ядер гелия более тяжелых элементов. В то же самое время супруги Маргарет и Джефри Бербедж обратились к Фаулеру с просьбой помочь им в интерпретации результатов наблюдений, которые показывали аномально высокое содержание тяжелых элементов в некоторых звездах. Основы теории синтеза химических элементов в звездах были изложены ими в статье, опубликованной в 1957 г.; происхождение всех наблюдаемых в природе атомов объяснялось там с помощью ядерных процессов восьми типов.
Фаулер продолжил работу с Хойлом, и в 1980 г. они опубликовали новый труд, в котором рассматривались процессы образования химических элементов при взрывах сверхновых. Эти грандиозные процессы обогащают межзвездную среду тяжелыми элементами, которые входят в состав новых звезд и планет. Можно сказать, что все мы созданы из «пепла сверхновых».
Следует, однако, заметить, что крупные открытия в этой области были сделаны еще более полувека назад. Так, в 1926 г. стала известна природа звезд типа белых карликов. Первым объектом такого рода оказался спутник звезды Сириус. Наблюдения, осуществленные в 1912—1914 гг., показали, что этот слабосветящийся спутник, Сириус В, при массе, равной массе Солнца, по своим размерам сравним с Землей. Отсюда следовало, что плотность вещества Сириуса В чудовищно высока — она в миллион раз превышает плотность воды. Было высказано предположение, что это остатки сгоревших звезд, т. е. звезд, в которых уже прекратились термоядерные процессы. Эти слабосветящиеся тела, поддерживаемые в равновесии различными квантовыми эффектами, в частности так называемым давлением вырожденного электронного газа (это состояние вещества возникает при сверхвысоких плотностях, когда электроны уже не связаны с отдельными ядрами, а свободно движутся относительно них), медленно остывают. Теперь ученые знали не только, как рождаются и горят звезды, но и как они умирают. Всю сложность этих процессов первым понял Субраманьян Чандрасекар.
В 1930 г., окончив Президентский колледж в Мадрасе, Чандрасекар отправился на корабле в Англию, чтобы продолжить там свое образование. Во время длительного путешествия 20-летний индиец из Лахора произвел вычисления и, введя релятивистские представления в существовавшую тогда теорию белых карликов, показал, что существование последних возможно лишь при условии, что их масса не превышает определенного предела (предел Чандрасекара). В Кембридже он закончил свою работу, которая вышла в свет в 1931 г. В ней указывалось, что массивные звезды должны завершать свою жизнь в процессе катастрофического сжатия — коллапса.
Сегодня известно, что звезды массой, примерно в 1,5 раза превышающей массу Солнца, превращаются в конечном счете в нейтронные звезды или черные дыры. В те годы выводы молодого индийца вызвали недоверие астрономов. И только в начале 60-х годов идеи Чандрасекара получили более широкое распространение. Особенно веским аргументом в их поддержку явилось открытие пульсаров Энтони Хьюишем и его сотрудниками. Наблюдения с помощью самых совершенных современных астрономических инструментов позволили уточнить численное значение предела Чандрасекара. Ныне теоретические разработки, сделанные этим ученым, взяты астрофизиками на вооружение. В 1983 г. Чандрасекар получил Нобелевскую премию по физике за исследование строения и эволюции звезд. Вместе с ним был награжден и Уильям Фаулер за изучение ядерных реакций в звездах и создание теории образования химических элементов во Вселенной.
VI. ОПТИКА И ГОЛОГРАФИЯ
Оптика — один из старейших разделов физики, в котором исследуются процессы излучения света, его распространения в различных средах и взаимодействие света с веществом. Еще в древние времена многие известные философы интересовались оптическими явлениями и размышляли о них в своих сочинениях. Однако основы современной оптики были заложены лишь в XVII в. благодаря исследованиям И. Ньютона, Р. Гука, Ф. Гримальди и X. Гюйгенса.
Работы старых исследователей содержали немало рациональных элементов, но были недостаточно совершенны, и только в начале XIX в. оптика обрела более строгий, научный облик. Убедительными экспериментами Томас Юнг и Огюстен Жан Френель доказали волновую природу света. В своей знаменитой теории электромагнитного поля Максвелл выдвинул идею электромагнитной природы света и установил связь между оптическими и электромагнитными явлениями. К концу XIX в. в результате исследований процессов излучения и поглощения сложилось представление о двойственной природе света было обнаружено, что в одних случаях он ведет себя как поток частиц, а в других — как волна.
За последнее столетие ученые, используя свойства света, поставили немало экспериментов и создали приборы, которыми существенно обогатили различные области науки. Некоторые из ученых-оптиков за свои заслуги были удостоены Нобелевской премии. Первым из них был Альберт Абрахам Майкельсон. Будучи типичным представителем науки XIX в., он считал, что в физике уже почти все открыто и достичь новых результатов можно, только повысив точность экспериментальных измерений — «выше шестого десятичного знака».
Одним из важных вопросов в науке того времени была проблема так называемого эфира. Физики считали, что это неподвижная среда, заполняющая всю Вселенную, в которой свет распространяется так же, как звук в воздухе. Согласно существовавшим тогда теориям, эфир должен был непременно обнаружиться в некоторых явлениях, и поэтому для доказательства его существования ставились различные опыты. Так, при наличии эфира скорость света должна была зависеть от движения Земли относительно неподвижного эфира.
