Двое лауреатов Нобелевской премии по физике 2021 года отмечены за физическое моделирование климата Земли, количественную оценку изменчивости и надежное прогнозирование глобального потепления, сообщает сайт nobelprize.org. Согласно решению Королевской Шведской академии, премию по физике в этом году получили Сюкуро Манабэ и Клаус Хассельман. Их открытия связаны с одной из самых актуальных мировых проблем – всеобщим потеплением климата.
Метеоролог и климатолог Сюкуро Манабэ первым применил компьютеры для моделирования глобального изменения климата и естественных климатических изменений.
Хотя в решении Нобелевского комитета он назван американским ученым, Сюкуро Манабэ родился в Японии в 1931 году. Он получил степень доктора философии. из Токийского университета в 1958 году и переехал в Соединенные Штаты, чтобы работать в Отделе исследований общей циркуляции Бюро погоды США, ныне Лаборатории геофизической гидродинамики NOAA, где он продолжал работать до 1997 года.
После этого на несколько лет ученый вернулся на родину, где занимался исследований глобального потепления. В 2002 году он опять уехала в США в качестве приглашенного научного сотрудника в Программе наук об атмосфере и океане Принстонского университета. В настоящее время он работает старшим метеорологом в университете. Сюкуро Манабе – член Национальной академии наук США и иностранный член Японской академии, Academia Europaea и Королевского общества Канады.
В 1967 году он вместе с Ричардом Везералдом показал, что концентрация парниковых газов в атмосфере может влиять на температуру. Опубликованная в том же году Сюкуро Манабе в Journal of Atmospheric Sciences статья об упрощённой модели климата Земли была признана крупным прорывом в геофизике и метеорологии
Ровесник американско-японского ученого немецкий океанограф и разработчик климатических моделей, уроженец Гамбурга Клаус Хассельманн более всего известен разработкой «модели изменчивости климата Хассельмана». Он считается вторым наиболее цитируемым учёный в области глобального потепления за период с 1991 по 2001 год.
Компанию этому ученому дуэту составил итальянский ученый Джорджио Паризи из Римского университета Ла Сапиенца – «за открытие взаимодействия беспорядка и флуктуаций в физических системах от атомных до планетарных масштабов».
Лауреат множества престижных научных наград 78-летний физик-теоретик профессор Паризи известен прежде всего трудами, посвященными квантовой теории поля, статистической механике и сложным системам.
«Сюкуро Манабе и Клаус Хассельманн заложили фундамент наших знаний о климате Земли и о том, как человечество влияет на него, – говорится в решении Нобелевского комитета. – Джорджио Паризи награжден за его революционный вклад в теорию неупорядоченных материалов и случайных процессов».
Как поясняется, сложные системы характеризуются хаотичностью и беспорядком, и их трудно понять. Премия этого года отмечает новые методы их описания и прогнозирования их поведения в долгосрочной перспективе.
Одной из сложных систем, имеющих жизненно важное значение для человечества, является климат Земли. Сюкуро Манабэ продемонстрировал, как повышенный уровень углекислого газа в атмосфере приводит к повышению температуры на поверхности Земли. В 1960-х годах он руководил разработкой физических моделей климата нашей планеты и был первым человеком, исследовавшим взаимодействие между радиационным балансом и вертикальным переносом воздушных масс. Его труды заложили основу для разработки современных климатических моделей.
Примерно десять лет спустя Клаус Хассельманн создал модель, которая связывает воедино погоду и климат, тем самым отвечая на вопрос, почему климатические модели могут быть надежными, несмотря на то, что погода изменчива и хаотична. Немецкий ученый также разработал методы идентификации конкретных сигналов, которые отражаются на климате в результате как природных явлений, так и деятельности человека. Его методы были использованы, чтобы доказать, что повышение температуры в атмосфере вызвано выбросами углекислого газа вследствие человеческой деятельности.
Примерно в 1980 году Джорджио Паризи обнаружил скрытые узоры в неупорядоченных сложных материалах. Его открытия стали одним из самых важных вкладов в теорию сложных систем. Они позволяют понять и описать множество различных и очевидно совершенно случайных материалов и явлений не только в физике, но и в других областях, таких как математика, биология, нейробиология и машинное обучение.
«Открытия, признанные в этом году, демонстрируют, что наши знания о климате опираются на прочную научную основу, основанную на строгом анализе наблюдений. Все лауреаты этого года внесли свой вклад в более глубокое понимание свойств и эволюции сложных физических систем», - заявил Торс Ханс Ханссон, председатель Нобелевского комитета по физике.
В прошлом году премию по физике получили трое ученых сэр Роджер Пенроуз, Райнхард Генцель и Андреа Гец. Пенроуз получил награду «за открытие того, что образование черной дыры является надежным предсказанием общей теории относительности». А Генцель и Гец получили премию «за открытие сверхмассивного компактного объекта в центре нашей галактики».
В преддверии оглашения имен лауреатов издание Inside Science выступило с прогнозами о «нобелевцах» по физике в 2021 году. В частности, были названы в качестве потенциальных лауреатов ученые Ален Аспект (французский физик, специалист по квантовой оптике, теории скрытых параметров и квантовой запутанности), американский специалист по квантовой механике Джон Клаузер и австрийский физик Антон Цайлингер из Венского университета.
Как отмечает Inside Science, в наши дни вокруг квантовых информационных технологий наблюдается ажиотаж, и многие эксперты предсказывают, что именно эта область находится на пороге больших и захватывающих событий. Это может означать квантовый компьютер, который, наконец, сумеет решать реальные прикладные задачи быстрее, чем когда-либо мог бы это сделать обычный компьютер. Но концепции, лежащие в основе новой квантовой технологии, могут также привести к созданию более чувствительных медицинских диагностических инструментов или более широко распространенных безопасных сетей связи.
Ален Аспект, Джон Клаузер и Антон Цайлингер, как отмечает Inside Science, первыми провели эксперименты, которые показали, что квантовые частицы могут быть связаны или запутаны, так что случайное поведение одной связано с поведением других гораздо сильнее, чем это кажется интуитивно возможным. Квантовая запутанность лежит в основе многих последних достижений квантовой технологии, так что в этом году Нобелевскому комитету стоило бы обратить на нее внимание.
Среди других квантовых исследователей, достойных Нобелевской премии, был упомянут математик Питер Шор, который в 1994 году показал, как квантовый компьютер может нарушить стандартный метод шифрования, а также Жиль Брассар и Чарльз Беннет, чьи исследования квантового шифрования могут помочь спасти положение. если когда-нибудь появится квантовый компьютер, взламывающий шифрование.
По мнению авторов Inside Science, заслуживают нобелевского признания и работы в области метаматериалов. В этой связи были названы ученые Джон Пендри из Имперского колледжа Лондона, и Дэвид Смит из Университета Дьюка.
Объясняя значение их работ, Inside Science рассказывает: «Кусок золота обладает определенными признаками и свойствами, в том числе сиянием и золотистым оттенком. Но оказывается, эти черты можно изменить. Если ученые расположат атомы золота в особом порядке, они могут придать металлу красный или зеленый цвет или иным образом взаимодействовать со светом так, как этого не происходит в природе. Золото становится примером метаматериала - материала с необычными и искусственно созданными свойствами».
Одним из главных кандидатов на «Нобеля» в этой сфере мог бы также стать Джон Пендри, который предположил, что метаматериалы могут создавать реальные «плащи-невидимки». «Но потенциальные возможности использования метаматериалов выходят далеко за рамки приложений в духе Гарри Поттера. Они могут, например, помочь в дальнейшей миниатюризации электрических и оптических устройств или позволить инженерам разработать более эффективные способы получения солнечной энергии. Метаматериалы также могут взаимодействовать со звуком или теплом, казалось бы, невозможными способами».
Дэвид Смит — тоже был назван одним из главных претендентов на премию за исследования в области метаматериалов. Одна из его первых статей на эту тему в 2000 году была первоначально отклонена журналом Physical Review Letters, редакторы тогда нашли ее недостаточно важной для публикации. Но в последующие десятилетия многое изменилось: «Нобелевская премия могла бы стать подходящим напоминанием о том, насколько изменилось восприятие этих новых материалов».
Оказалась среди кандидатов на физического «Нобеля» и женщина-ученая Лене Хау из Гарвардского университета, ведущий физик, чьи команды замедлили скорость света примерно до 40 миль в час и даже полностью остановили его. В этом процессе используются газы из сверххолодных атомов натрия и пара лазеров, один из которых посылает световой импульс через газ, а другой контролирует взаимодействие газа со светом. В одном случае исследователям удалось остановить свет и сохранить информацию, которой он обладал, в атомах натрия. Позже они смогли преобразовать информацию обратно в свет. Возможность передавать информацию от света к материи и обратно может быть полезна в области квантовой информационной технологии.
Как бы то ни было, в этом году прогнозы Inside Science не сбылись. В конц концов, отбор лауреатов – дело крайне непростое и предполагающее высокий уровень секретности.
Выдвижение на соискание Нобелевской премии по физике возможно только по приглашению. Имена номинантов и другая информация о номинациях держатся в тайне и могут быть раскрыты только через 50 лет. Процесс номинации и отбора начинается с того, что Нобелевский комитет по физике рассылает конфиденциальные формы лицам, которые компетентны и квалифицированы для номинации. Правом подачи предложений о присуждении Нобелевской премии по физике по закону пользуются: шведские и иностранные члены Шведской королевской академии наук; члены Нобелевского комитета по физике; лауреаты Нобелевской премии по физике; штатные профессора физических наук в университетах и технологических институтах скандинавских стран, а также Каролинского института (Стокгольм) и т.д.
За отбор лауреатов премии по физике отвечает Шведская королевская академия наук, которая назначает рабочий орган, Нобелевский комитет по физике, который проверяет номинации и представляет предложения для определения окончательных кандидатов. Комитет номинально состоит из пяти членов с правом голоса, но фактически он также включает в себя дополнительных членов.
Всего с 1901 по 2020 год Нобелевская премия по физике присуждалась 114 раз, причем только в 47 случаях награда доставалась единственному лауреату, в остальных же случаях ее делили между несколькими учеными. Таким образом за все это время премию получили 215 человек – среди них американский ученый Джон Бардин, который оказался единственным в истории нобелевским лауреатом по физике дважды (в первый раз он получил премию вместе с Уильямом Брэдфордом Шокли и Уолтером Браттейном в 1956 году, а во второй – в 1972 г. – наряду с Леоном Нилом Купером и Джоном Робертом Шриффером за основополагающую теорию обычных сверхпроводников).
Лауреатами премии по физике стали лишь четыре женщины. Последней награжденной представительницей прекрасного пола стала в прошлом году Андреа Гец. До нее «Нобеля» в этой номинации удостоились Мари Кюри (она, к слову, получила не только премию по физике в 1903 году, но еще и награду по химии в 1911 г.). Мария Гёпперт-Майер, награжденная совместно с Хансом Йенсеном в 1963 г. «за открытия касающиеся оболочечной структуры ядра», а также Донна Стрикленд из Канады (2018 год – за «поворотные изобретения в сфере лазерной физики»).
Средний возраст «нобелевцев» по физике составляет 55 лет. При этом самым молодым лауреатом в этой номинации уже более столетия остается Лоуренс Брэгг из Австралии, получивший премию в 1915 году в возрасте 25 лет вместе со своим отцом Уильямом Генри Брэггом за заслуги в исследовании кристаллов с помощью рентгеновских лучей.
Самым же пожилым из нобелевских лауреатов по физике – в 2018 году оказался 96-летний Артур Ашкин.
Еще одна любопытная статистика: из 215 лауреатов Нобелевской премии по физике 56 (то есть чуть более четверти) являются иммигрантами – то есть теми, кто умер или в настоящее время проживает не в стране своего рождения.
Ряд физиков из нашей страны получили Нобелевскую премию по физике в прошлом. В 1958 г. были награждены трое советских ученых – Павел Черенков, Илья Франк и Игорь Тамм, в 1962 г. премию получил Лев Ландау, а в 1964-м – Николай Басов и Александр Прохоров. В 1978 г. Нобелевскую премию по физике присудили Петру Капице. В 2000 г. нобелевским лауреатом по физике выбрали российского ученого Жореса Алферова. В 2003 г. лауреатами стали Алексей Абрикосов и Виталий Гинзбург. В 2010 г. награду получили Андрей Гейм и Константин Новосёлов.
