За что дали нобелевские премии по химии и физике: 17 очень простых пунктов о трех сложных открытиях, которые изменят нашу жизнь и место во вселенной

Лирическое введение в физику конденсированных сред

Объяснить доступными словами суть и важность работ, за которые был присужден физический Нобель-2016, — задача не из простых. Мало того, что сами явления сложные и вдобавок квантовые, так они еще и разнообразные

Премия была присуждена не за одно конкретное открытие, а за целый список пионерских работ, которые в 1970–1980-е годы стимулировали развитие нового направления в физике конденсированных сред. В этой новости я попробую достичь более скромной цели: объяснить на паре примеров суть того, что такое топологический фазовый переход, и передать ощущение, что это действительно красивый и важный физический эффект. Рассказ будет лишь про одну половину премии, ту, в которой проявили себя Костерлиц и Таулесс. Работы Холдейна столь же завораживающие, но они еще менее наглядные, и для их объяснения потребовался бы совсем уж длинный рассказ.

Начнем с блиц-введения в самый богатый на явления раздел физики — физику конденсированных сред.

Конденсированная среда — это, на житейском языке, когда много однотипных частиц собрались вместе и сильно воздействуют друг на друга. Почти каждое слово здесь — ключевое. Сами частицы и закон взаимодействия между ними — должны быть однотипными. Можно взять несколько разных атомов, пожалуйста, но главное, что дальше этот фиксированный набор повторяется снова и снова. Частиц должно быть очень много; десяток-другой — это еще не конденсированная среда. И, наконец, влиять они друг на друга должны сильно: толкать, тянуть, мешать друг другу, может быть обмениваться друг с другом чем-то. Разреженный газ конденсированной средой не считается.

Главное откровение физики конденсированных сред: при таких очень простых «правилах игры» в ней обнаружилось нескончаемое богатство явлений и эффектов. Такое многообразие явлений возникает вовсе не из-за пестрого состава — частицы-то однотипные, — а самопроизвольно, динамически, как результат коллективных эффектов. В самом деле, раз взаимодействие сильное, нет смысла смотреть на движение каждого отдельного атома или электрона, ведь оно тут же сказывается на поведении всех ближайших соседей, а может быть, даже и далеких частиц. Когда вы читаете книгу, она «говорит» с вами не россыпью отдельных букв, а набором связанных друг с другом слов, она передает вам мысль в форме «коллективного эффекта» букв. Так же и конденсированная среда «говорит» на языке синхронных коллективных движений, а вовсе не отдельных частиц. И вот этих коллективных движений, оказывается, огромное разнообразие.

Нынешняя Нобелевская премия отмечает работы теоретиков по расшифровке еще одного «языка», на котором могут «разговаривать» конденсированные среды, — языка топологически нетривиальных возбуждений (что это такое — чуть ниже). Конкретных физических систем, в которых возникают такие возбуждения, найдено уже немало, и ко многим из них приложили руку лауреаты. Но самое существенное здесь — не конкретные примеры, а сам факт того, что такое в природе тоже бывает.

Многие топологические явления в конденсированных средах были вначале выдуманы теоретиками и казались просто математической шалостью, не относящейся к нашему миру. Но потом экспериментаторы обнаруживали реальные среды, в которых эти явления наблюдаются, — и математическая шалость вдруг порождала новый класс материалов с экзотическими свойствами. Экспериментальная сторона этого раздела физики сейчас на подъеме, и это бурное развитие будет продолжаться и в будущем, обещая нам новые материалы с запрограммированными свойствами и устройства на их основе.

Фонд Нобеля

Фонд Нобеля был создан в 1900 году как частная независимая неправительственная организация, с начальным капиталом 31,6 млн шведских крон (в нынешних ценах эта сумма эквивалентна примерно 1,65 млрд крон). Премии лауреатам выплачивались из процентов от сделок с ценными бумагами. Главной задачей Фонда является управление богатством Альфреда Нобеля, большую часть которого он приобрел в Азербайджане, в частности, с нефтяных месторождений в Баку. Бакинские предприятия были основной производственной базой для впечатляющих финансовых результатов компании и во многом способствовали созданию Фонда Нобелевской премии после смерти Альфреда Нобеля. Поскольку к моменту создания призового фонда умершее состояние Альфреда Нобеля составило 31 миллион шведских крон, соответственно более 12 % этой огромной суммы было получено трудом ее бакинских сотрудников.

Размер Нобелевской премии

Первые премии составляли 150 000 крон (7,87 млн крон в ценах 2009 года). В 1980-х годах премии составляли около 880 000 крон (в пересчёте на курс начала 2010-х годов — около 350 000 долларов США). В 1990-х годах размер премии существенно вырос. По состоянию на декабрь 2015 года капитал фонда был равен 4,065 млрд шведских крон, а размер премии составлял 8 млн шведских крон, что примерно эквивалентно 1,1 млн долларов США.

• В 1992 году — 1,04 млн $ США
• В 2000 году — 0,9 млн $ США
• В 2003 году — 1,34 млн $ США
• В 2004 году — 1,46 млн $ США
• В 2005 году — 1,25 млн $ США
• В 2006 году — 1,45 млн $ США
• В 2007 году — 1,56 млн $ США
• В 2008 году — 1,25 млн $ США
• В 2009 году — 1,45 млн $ США
• В 2010 году — 1,5 млн $ США
• В 2011 году — 1,4 млн $ США
• В 2016 году — 1,1 млн $ США
• В 2017 году — 1,118 млн $ США.

В 2012 году размер Нобелевской премии уменьшился на 20 процентов — до 1,1 млн долларов. Такое решение было принято в июне 2012 года на совещании совета директоров Нобелевского фонда. По мнению руководства фонда, данная мера поможет избежать сокращения капитала организации в долгосрочной перспективе. Как говорится в заявлении фонда, управление капиталом «должно осуществляться таким образом, чтобы премию можно было вручать бесконечно». «Нобелевский фонд несёт ответственность за то, чтобы размер премии мог оставаться на высоком уровне длительное время», — отметил исполнительный директор фонда Ларс Хайкенстен. В последние годы доходов, получаемых от использования капитала, не хватало даже на выплату денежной составляющей премии, возмещение затрат на церемонию вручения, а также на содержание административного аппарата. Для оптимизации расходов в фонде, помимо урезания размера премии, также обещают принять другие меры экономии.

Нобелевская премия по химии за 2017 г. за развитие криоэлектронной микроскопии

Была присуждена швейцарцу Жаку Дюбоше (Jacques Dubochet) из университета Лозанны, американцу Иоахиму Франку (Joachim Frank) из Колумбийского университета и британцу Ричарду Хендерсону (Richard Henderson) из Кембриджа.

Нобелевские лауреаты 2017 года: Жак Дюбоше, Иоахим Франк и Ричард Хендерсон («Химия»)

Несмотря на то, что они работают в разных организациях, ученые кооперировались друг с другом. В результате им удалось добиться небывало высокого разрешения изображений биомолекул, для чего они использовали особые растворы. Суть метода криомикроскопии заключается в быстром замораживании исследуемого биоматериала в жидком азоте или этане без его кристаллизации. Это позволяет увидеть вирус, митохондрию, рибосому или отдельный белок именно такими, какими они есть на самом деле. Используя электронные микроскопы и специальную методику визуализации, ученые создали карты целого ряда белков в разрешении порядка 2 Ангстрем (2 мкм).

Наглядная иллюстрация различий в изображениях, сделанных обычным путем и посредством криомикроскопии

На полученных изображениях можно различить отдельные атомы углерода или кислорода, входящие в состав белков и ферментных комплексов. Данное достижение невозможно переоценить, поскольку оно предоставляет биохимикам великолепный инструмент для исследований.

Теперь структуру ДНК можно визуализировать не схематически, а иметь реалистичную картинку «as is», что наверняка поможет в достижении самых разных целей. Например, открываются отличные перспективы в оценивании воздействия лекарств на самые тонкие структуры организма, а также в генном модифицировании. Как ожидается, новые методы криоэлектронной микроскопии позволят сделать, возможно, решающий шаг в разработке лекарства от рака.

Нобелевская премия Мира за 2017 г. за борьбу против ядерного оружия

Была вручена организации, которая называется «Международная кампания за запрет ядерного оружия» — в английской аббревиатуре ICAN.

Нобелевская премия мира за 2017 г. была присуждена организации ICAN

Этот результат стал для многих неожиданным, поскольку ожидалось, что нобелевским лауреатом-2017 в области борьбы за мир станет папа римский Франциск или же канцлер Германии Ангела Меркель. Нобелевский комитет сумел удивить наблюдателей, в последний момент сделав выбор в пользу ICAN. Данная организация объединяет политиков, общественных деятелей, а также простых людей из 101-й страны мира и ставит целью полный запрет ядерного оружия на Земле.

Одна из акций, проведенных организацией ICAN, обращающая внимание на опасное ядерное противостояние между США и КНДР

Нобелевская премия по физиологии за 2017 г. за исследование биологических ритмов

Досталась американским генетикам Джефри Холлу (Jeffrey Hall), Майклу Росбашу (Michael Rosbash) и Майклу Янгу (Michael Young).

Нобелевские лауреаты 2017 года: Джефри Холл, Майкл Росбаш и Майкл Янг («Физиология»)

Этим ученым удалось осуществить прорывное исследование в области т.н. «циркадных» циклов, отвечающих за периоды сна и бодрствования у всех живых существ на планете. В отличие от предшественников (а изучение биоритмов ведется еще с 18-го века), нобелевские лауреаты обнаружили особый ген, контролирующий биологические часы. В качестве объектов исследования были выбраны обыкновенные плодовые мушки, поколения которых сменяются всего за несколько суток, что очень удобно.

Ученые тщательно проанализировали, как это происходит у дрозофил, а затем экстраполировали полученные данные на более сложные организмы, включая человека. Как выяснилось, биологические часы работают примерно одинаково у всех живых существ, регулируя целый ряд функций организма – температуру, давление, гормональный фон и в конечном итоге – циклы сна.

Примерный циркадный ритм человека и его воздействие на различные системы организма

Полученные результаты обещают окончательное решение проблемы бессонницы, которая мучает десятки миллионов людей. Причем, средством против расстройств сна уже в скором времени будет не вредная химия, а абсолютно естественный для человека белок (если нужно бодрствовать) или его разрушитель (когда необходимо заснуть). Кроме того, открытие нобелевских лауреатов в недалеком будущем наверняка улучшит качество жизни людей, работающих в ночную смену или имеющих скользящий график.

Макс Борн

Немецкий физик, лауреат Нобелевской премии, теоретик и создатель квантовой механики родился в 1882 году. Будущий автор важнейших работ по теории относительности, электродинамике, философским вопросам, кинетике жидкости и многим другим трудился в Британии и на родине. Первое обучение получил в гимназии с языковым уклоном. После школы поступил в Бреславский университет. В процессе учебы посещал лекции известнейших математиков того времени – Феликса Клейна, Давида Гильберта и Германа Минковского. В 1912 году получил в Геттингене место приват-доцента, а в 1914-м отправился в Берлин. С 1919 года трудился во Франкфурте в качестве профессора. В числе его коллег был и Отто Штерн, будущий лауреат Нобелевской премии, о котором мы уже рассказали. В своих работах Борн описывал твердые тела и квантовую теорию. Пришел к необходимости особенного истолкования корпускулярно-волновой природы материи. Он доказал, что законы физики микромира можно назвать статистическими и что волновую функцию необходимо толковать как комплексную величину. После прихода к власти фашистов переехал в Кембридж. Вернулся в Германию только в 1953 году, а премию Нобеля получил в 1954-м. Навсегда остался в истории физики как один из самых влиятельных теоретиков двадцатого века.

Нобелевская премия в области медицины и физиологии

5 октября 2015 года Нобелевская премия года в области физиологии и медицины была присуждена Уильяму Кэмпбеллу (Ирландия), Сатоси Омуре (Япония) «за разработку новой терапии против инфекций, вызываемых червями-паразитами», а также Ту Юю (Китай) за «разработку новой антималярийной терапии».

Согласно завещанию Альфреда Нобеля, премией по физиологии и медицине награждается тот, «кто сделает важное открытие» в этой области. За присуждение премии отвечает Нобелевская ассамблея Каролинского института, расположенного в Стокгольме

Ассамблея состоит из 50 профессоров института. Ее рабочий орган — Нобелевский комитет. В него входят пять человек, избираемых ассамблеей из своих членов на три года. Ассамблея собирается несколько раз в год для обсуждения претендентов, отобранных комитетом, а в первый понедельник октября большинством голосов избирает лауреата.

Правом номинировать на премию обладают ученые разных стран, в том числе члены Нобелевской ассамблеи Каролинского института и обладатели Нобелевских премий по медицине и физиологии и по химии, которые получили специальные приглашения от Нобелевского комитета. Предлагать кандидатов можно с сентября до 31 января следующего года.

Премия присуждается с 1901 г. Первым лауреатом стал немецкий врач, микробиолог и иммунолог Эмиль Адольф фон Беринг, разработавший способ иммунизации против дифтерии. В 1902 г. награду получил изучавший малярию Роналд Росс (Великобритания); в 1905 г. — исследовавший возбудителей туберкулеза Роберт Кох (Германия); в 1923 г. — открывшие инсулин Фредерик Бантинг (Канада) и Джон Маклеод (Великобритания); в 1924 г. — основоположник электрокардиографии Виллем Эйнтховен (Голландия); в 2003 г. — разработавшие метод магнитно-резонансной томографии Пол Лотербур (США) и Питер Мэнсфилд (Великобритания).

По оценке Нобелевского комитета Каролинского института, до сих пор самой известной остается премия 1945 г., присужденная Александеру Флемингу, Эрнесту Чейну и Говарду Флори /Великобритания/, открывшим пенициллин. Некоторые открытия с течением времени утратили свое значение. Среди них метод лоботомии, применявшийся при лечении психических заболеваний. За его разработку в 1949 г. премию получил португалец Антониу Эгаш-Мониш.

В 2014 г. лауреатами стали Джон О’Киф (США/Великобритания) и супруги Май-Бритт и Эдвард Мозер /Норвегия/ за «открытие клеток, отвечающих за систему позиционирования в мозге».

Согласно данным нобелевского сайта, на сегодняшний день в списке лауреатов премии 207 человек, в том числе 11 женщин. Среди лауреатов два наших соотечественника: физиолог Иван Павлов (1904; за работы в области физиологии пищеварения) и биолог и патолог Илья Мечников (1908; за исследование иммунитета).

В 1901-2014 гг. премия по физиологии и медицине присуждалась 105 раз (в 1915-1918, 1921, 1925, 1940-1942 гг. Нобелевская ассамблея Каролинского института не смогла выбрать лауреата). 32 раза премия была поделена между двумя лауреатами и 35 — между тремя. Средний возраст лауреатов 58 лет. Самым молодым является канадец Фредерик Бантинг, получивший премию в 1923 г. в возрасте 32 лет, самым пожилым — 87-летний американец Фрэнсис Пейтон Роус (1966).

Обычно престижная награда находит исследователей в конце их карьеры в преклонном возрасте. Новосёлову 36 лет, а Гейму 51 год.

Двое русских ученых  Андрей Гейм и Константин Новосёлов  сегодня стали лауреатами Нобелевской премии по физике. Исследователи, работающие сейчас в Великобритании, получили награду за обнаружение и изучение графена  тончайшего углеродного материала.

Корреспондент НТВ Евгений Ксензенко  о русских лауреатах.

Интересна первая реакция физиков. Константин Новосёлов сказал, что он в шоке, а Андрей Гейм выпил бокал шампанского и ушел в свой кабинет  работать над научной статьей. По словам Андрея Гейма, он прекрасно спал этой ночью, так как и не надеялся получить Нобелевскую премию.

И это действительно большой сюрприз. Обычно престижная награда находит исследователей в конце их карьеры  в преклонном возрасте. Новосёлову  36 лет, а Гейму  51 год. Они просто студенты по меркам Нобелевской премии.

Андрей Гейм, лауреат Нобелевской премии по физике за 2010 год: «На самом деле мы открыли совершенно новый материал и еще не знаем наверняка, каким будет масштаб его применения. Пока наши ожидания очень высоки, но какие из них сбудутся, станет ясно только через несколько лет».

Константин Новосёлов, лауреат Нобелевской премии по физике за 2010 год: «Я старался избегать разговоров на тему Нобелевской премии  не хотел отвлекаться от работы и совершенно не думал об этом. Поэтому это стало для меня настоящим сюрпризом».

На объявление победителя принесли увеличенную копию графена. Невооруженным глазом его не увидеть  материал почти прозрачный, толщиной в атом. Но при этом он считается самым прочным на земле  например, он в разы прочнее железа,  отличается эластичностью и прекрасной электропроводимостью.

Ученые получили премию не за открытие графена  о нем известно давно, а за то, что смогли заставить графит отдать двумерный слой атомов углерода. Его графически представляют в виде листа, и он в 500 тысяч раз тоньше человеческого волоса. Новосёлов и Гейм сделали то, что 60 лет было не под силу другим ученым. Они наклеили скотч на графит, а затем оторвали его  на полоске остались частицы. С помощью мощных микроскопов ученые и увидели графен.

За гениальную простоту открытия физиков даже прозвали «мусорными учеными», потому что они исследовали скотч, который выбрасывали после других экспериментов с графитом. Возможно, завистники теперь и сами не прочь порыться в мусоре  ведь о них никто не знает. А вот о достижении российского научного дуэта, и, главное, о дальнейшем применении графена говорит без преувеличения весь мир. Сами же лауреаты скромно принимают поздравления.

Андрей Гейм, лауреат Нобелевской премии по физике за 2010 год: «Получив Нобелевскую премию, люди обычно начинают считать себя гениями, практически сходят с ума. Часто они перестают серьезно заниматься наукой. Надеюсь, с нами этого не случится».

За графеном компании видят будущее  с его помощью техника сможет еще раз кардинально похудеть, поумнеть и стать эффективнее. Например, появятся дисплеи тонкие, как пленка. Графеновая революция ориентирована на нанотехнологии.

Анатолий Чубайс, генеральный директор Российской корпорации нанотехнологий: «В нанотехнологиях есть три великих вещества, три великих субстанции  это углеродные нанотрубки, фуллерен и графен. Нанотрубки открыл, как известно, американец Смоли, фуллерен  японец, а вот графен, как теперь уже признано миром,  это российское открытие».

Любопытно, что Андрей Гейм десять лет назад получил Шнобелевскую премию  антипод Нобелевской. Ученый пытался с помощью магнитов поддержать лягушек в состоянии левитации. Если раньше над этим смеялись, то теперь левитация лягушек  это еще и пример нестандартного мышления. И еще о нестандартных ходах Андрея Гейма. Профессор сделал соавтором одной из своих научных работ хомяка Тишу за «деятельное участие в опытах».

Новости СМИ2

Нобелевская премия по экономике за 2017 г. за изучение «поведенческой экономики»

Досталась американскому экономисту Ричарду Талеру (Richard Thaler) за разработку целого раздела экономической теории, который получил неофициальное название — «экономика с человеческим лицом».

Нобелевский лауреат 2017 года: Ричард Талер («Экономика»)

Эта дисциплина изучает нерациональное поведение людей и целых организаций, выбирающих товары и услуги. Давно известно, что факторами такого выбора являются не только прямая выгода, но и социальные, эмоциональные, когнитивные и даже религиозные аспекты. Все это не учитывается большинством современных экономических теорий, которые исходят из того, что в основе экономики лежит исключительно прямая выгода. Нобелевский лауреат 2017 г. убедительно обосновал ущербность такого подхода, а также доказал, что «полезность» может лежать не только в материальной плоскости, но и в области чувств.

Почему дорогие «айфоны» успешно конкурируют на мировом рынке с объективно не менее качественными, но дешевыми «самсунгами»? В т.ч. и на этот вопрос отвечает поведенческая экономика Ричарда Талера

В рамках поведенческой экономики Ричард Талер подробно исследовал такие моменты, как эвристика доступности, влияние толпы (ввел понятие «информационные каскады»), феномен избыточной уверенности, который заставляет людей делать объективно ошибочный выбор товара или услуги. Есть надежда, что новая экономическая теория «с человеческим лицом» позволит точнее прогнозировать развитие потребительских рынков и экономики в целом.

Лауреаты

Первым премию в 1901 году получил Вильям Рентген (Германия) за открытие излучения, названного его именем. В числе наиболее известных лауреатов Джозеф Томсон (Великобритания), отмеченный в 1906 году за исследования прохождения электричества через газы; Альберт Эйнштейн (Германия), получивший премию в 1921 году за открытие закона фотоэффекта; Нильс Бор (Дания), награжденный в 1922 году за исследования атома; Джон Бардин (США), двукратный обладатель премии (1956 год — за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта и 1972 год — за создание теории сверхпроводимости).

На сегодняшний день в списке награжденных 203 человека (с учетом Джона Бардина, награжденного дважды). Всего две женщины были отмечены этой премией: в 1903 году Мария Кюри разделила ее со своим мужем Пьером Кюри и Антуаном Анри Беккерелем (за изучение явления радиоактивности), а в 1963 году Мария Гопперт-Майер (США) получила награду вместе с Юджином Вигнером (США) и Хансом Йенсеном (ФРГ) за работы в области структуры атомного ядра.

Среди лауреатов 12 советских и российских физиков, а также ученых, родившихся и получивших образование в СССР и принявших второе гражданство. В 1958 году премию получили Павел Черенков, Илья Франк и Игорь Тамм за открытие излучения заряженных частиц, движущихся со сверхсветовой скоростью. Лев Ландау в 1962 году стал лауреатом за теории конденсированных сред и жидкого гелия. Так как Ландау находился в больнице после тяжелых травм, полученных в автокатастрофе, премия была вручена ему в Москве послом Швеции в СССР.

Николай Басов и Александр Прохоров были удостоены премии в 1964 году за создание мазера (квантового усилителя). Их работы в этой области впервые были опубликованы в 1954 году. В том же году американский ученый Чарлз Таунс независимо от них пришел к аналогичным результатам, в итоге Нобелевскую премию получили все трое.

В 1978 году Петр Капица был награжден за открытие в физике низких температур (этим направлением ученый начал заниматься в 1930-х годах). В 2000 году лауреатом стал Жорес Алфёров за разработки в полупроводниковой технике (разделил награду с немецким физиком Гербертом Кремером). В 2003 году Виталий Гинзбург и Алексей Абрикосов, принявший американское гражданство в 1999 году, были отмечены премией за основополагающие работы по теории сверхпроводников и сверхтекучих жидкостей (вместе с ними награду разделил британо-американский физик Энтони Леггетт).

В 2010 году премию получили Андре Гейм и Константин Новосёлов, которые проводили эксперименты с двумерным материалом графеном. Технология получения графена была разработана ими в 2004 году. Гейм родился в 1958 году в Сочи, а в 1990 году покинул СССР, впоследствии получил гражданство Нидерландов. Константин Новосёлов родился в 1974 году в Нижнем Тагиле, в 1999 году уехал в Нидерланды, где начал работать с Геймом, позже ему было предоставлено гражданство Великобритании.

В 2016 году премия была присуждена британским физикам, работающим в США: Дэвиду Таулесу, Данкану Холдейну и Майклу Костерлицу «за теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз вещества».