НОБЕЛЕВСКИЕ ПРЕМИИ 2001-ГО ГОДА
ПО ФИЗИКЕ И ХИМИИ

Лилия Шукаева, Радио "Liberty"

Нобелевская премия 2001-го года по физике присуждена трем ученым, работавшим в американских исследовательских организациях, за получение своеобразного агрегатного состояния вещества, когда отдельные атомы как бы сливаются в единое волнообразное целое, во многих отношениях аналогичное лазерному световому лучу.

Субстанция, полученная учеными в результате так называемой конденсации Бозе-Эйнштейна, сама по себе не существует в природе, но возможность ее существования еще в 20-х годах была предсказана Альбертом Эйнштейном и индийским физиком Шатьендрантом Бозе.

С тех пор прошло 70 лет, и вот 5-го июня 1995-го года конденсация Бозе-Эйнштейна была осуществлена двумя теперешними Нобелевскими лауреатами — доктором Карлом Виманом из Колорадского университета в Боулдере и доктором Эриком Корнеллом из Национального института стандартов. А через несколько месяцев доктор Вольфганг Кеттерле, германский физик, работающий в Массачусетском Технологическом институте, Эм-Ай-Ти, в Бостоне, не только воспроизвел их результаты, но и выполнил ряд новых экспериментов, окончательно доказавших, что конденсация Бозе-Эйнштейна действительно произошла. Шведская королевская академия, присуждающая Нобелевские премии по физике, постановила, чтобы денежное вознаграждение, составляющее в этом году 950 тысяч долларов, было поровну разделено между упомянутыми тремя учеными.

Первые попытки экспериментально проверить предсказание Бозе-Эйнштейна начали предприниматься примерно в 1980-м году, и постепенно колорадская и бостонская группы физиков втянулись в научное соревнование, которое доктор Кеттерле назвал "гонкой всей жизни". В тот достопамятный день 95-го года доктор Виман и доктор Корнелл первыми пересекли финишную ленточку: они получили пятнышко субстанции Бозе-Эйнштейна, состоящее примерно из 2000 переохлажденных атомов рубидия, пятнышко, появившееся в виде крошечной темной точки на экране цифровой видеокамеры.

"Всего через час после того, как мы увидели эту картину, мы поняли, что она означает, — говорит доктор Корнелл, — и решили, что уже можем сообщить об этом всему миру".

Вскоре и доктор Кеттерле получил аналогичные результаты, а к 1997-му году ему уже удалось сформировать из новой субстанции своего рода лазерный луч, состоящий не из световых, а из частиц, обладающих массой покоя. Это окончательно убедило скептиков, что конденсация Бозе-Эйнштейна стала реальностью.

Потенциальными практическими применениями, вытекающими из этого открытия, могут стать сверхпрецизионные часы, ультраминиатюрные электронные схемы и футуристические устройства, называемые квантовыми компьютерам, обладающие невообразимым быстродействием.

"Но самое главное, — говорит доктор Андерс Барани, профессор физики в Стокгольмском университете и секретарь Нобелевского физического комитета, рекомендующего кандидатуры будущих лауреатов полному составу Шведской академии, — самое главное, что открытие Вимана, Корнелла и Кеттерле открывает нам тайны микромира квантовой физики".

Ученые-физики уже давно показали, что индивидуальные атомы в одних случаях ведут себя как частицы, а в других как волны, напоминающие по форме рябь на воде. Бозе и Эйнштейн пришли к выводу, что, согласно законам квантовой механики, эти волны в переохлажденной совокупности атомов должны как бы расшириться и слиться в единую волну, как свет в лазерном луче. В результате возникает сгусток атомов, колеблющихся в унисон, возникает какое-то странное образование, не имеющее аналогов в нашей привычной каждодневной реальности.

"Это нечто такое, что люди, выросшие и живущие в обычном макроскопическом мире, не могут себе представить, — говорит Нобелевский лауреат, профессор-физик из Станфордского университета доктор Стивен Чу. — Честно говоря, — добавляет он, — и мы, физики, выросшие в макромире, тоже не можем полностью это понять".

Чтобы получить конденсацию Бозе-Эйнштейна, экспериментаторы улавливали атомы магнитными ловушками, а затем замедляли их движение, охлаждали частой паутиной из лазерных лучей. Используя технику, похожую на обычное выпаривание, физики избавлялись от самых горячих атомов и продолжали работать с атомами в состоянии, очень близком к абсолютному нулю. Чаще всего ученые, пытавшиеся получить конденсат, работали с относительно маленькими и простыми водородными атомами, но физики Колорадской группы обнаружили, что выпариванию лучше всего поддаются более крупные атомы, например, атомы рубидия.

"Нужно выбирать самые большие, самые жирные и пушистые атомы, какие только можно найти, — говорит доктор Виман, — с ними работать лучше всего".

"Понадобилось 70 лет, чтобы подтвердить теорию конденсата, — сказал профессор Эрлинг Норби, генеральный секретарь Шведской королевской академии наук, — Эйнштейн все предсказывал именно так. Теперь мечта превратилась в реальность".

"Демонстрация того факта, что атомы могут существовать в своего рода квантовомеханическом унисонном состоянии, — говорит профессор физики из Эм-Ай-Ти доктор Даниэл Клеппнер, — окажет значительное влияние на многие разделы физического знания. Картина слияния атомных волн и реализация, так сказать, атомного лазера поразили научное воображение множество физиков," — добавил ученый.

Нобелевская премия по химии в этом году была присуждена двум американским и одному японскому ученому за разработку более эффективных химических реакций, используемых для синтеза множества лекарств, в том числе препарата Эль-допа, широко применяющегося для лечения болезни Паркинсона. Половину денежного вознаграждения, составляющего в этом году 950 тысяч долларов, получат доктор Уильям Ноулз, бывший сотрудник американской биотехнологической компании Монсанто, и доктор Риоджи Нойори, директор материаловедческого исследовательского центра Нагойского университета в Японии. Другую половину вознаграждения получит доктор Барри Шарплесс, профессор химии в Исследовательском институте Скриппса в Сан-Диего, Калифорния.

По словам профессора химии из Гарварда доктора Эрика Джекобсона, лауреаты этого года революционизировали значительный раздел химической науки. Эти трое ученых создали катализаторы, способствующие селективному синтезу одной определенной разновидности из двух возможных разновидностей молекул. А это важное условие при синтезе множества лекарственных препаратов. Катализаторы — это вещества, изменяющие скорость и повышающие химические реакции, но сами остающиеся неизменными.

Один из лауреатов, доктор Ноулз, бывший пионером в этой области химии в конце 60-х годов, сказал, что он ошеломлен и удивлен присуждением ему премии за работу, выполненную им так много лет назад.

Значительная часть химических молекул существует обычно в двух формах, одинаковых по составу и аналогичных по своей структуре, с той только разницей, что одни молекулы являются зеркальными отображениями других, точно так же как левая рука является отображением правой. Хотя они и выглядят очень похожими, левосторонние и правосторонние молекулы могут обладать совершенно разными свойствами и совершенно по-разному действовать на организм. Так, например, одна такая разновидность молекул химических веществ, так называемых терпенов, содержащихся во многих растениях, пахнет лимоном, а ее зеркальные двойники пахнут апельсинами.

Но иногда подобная разница чревата катастрофическими последствиями. Так, в известном лекарстве талидомиде молекулы одной разновидности избавляют беременных от тошноты, а зеркально отображенные молекулы, которые не были удалены производителями, вызывают врожденные уродства, от которых в 60-х годах пострадали тысячи детей, рожденных в Европе и в Канаде.

Дело в том, что в тогдашней химической технологии производства лекарств использовались реакции, приводившие к получению одинакового количества право- и левосторонних молекул. Единственным способом получения веществ с молекулами лишь одной -- право- или левосторонней разновидности была их очистка от молекул одной из этих разновидностей. Но этот процесс был трудным, дорогостоящим и давал много отходов. Правда, химики уже в 50-х годах знали, что некоторые катализаторы способствуют получению веществ с измененным соотношением количества молекул либо одной, либо другой зеркально отображенной формы, но это изменение было небольшим.

"Таким образом, общий принцип уже был известен, — поясняет доктор Эрнест Элиел, профессор химии из университета Северной Каролины, — но этот принцип не годился для практического применения".

Доктор Ноулз, бывший тогда химиком-исследователем в компании Монсанто, решил добиться лучших результатов. Он изучил катализатор, способствующий внедрению двух водородных атомов в плоскую двухмерную молекулу между двумя углеродными атомами. Такая добавка заставляет молекулу выгнуться наружу, и направление этого изгиба определяет, какая именно из двух зеркально отображенных форм станет продуктом реакции.

Доктору Ноулзу удалось так модифицировать свой катализатор, что он стал воздействовать только на одну сторону молекул, заставляя все эти молекулы изгибаться одинаковым образом. В результате продуктом реакции стали молекулы только одной из двух возможных вертикальных форм.

Свою новую технологию доктор Ноулз использовал в первую очередь для синтеза Эльдопы — лекарства, противодействующего таким симптомам болезни Паркинсона, как дрожание и тугоподвижность. Вещество, состоящее из зеркально отображенных молекул, Ди-допа, токсично. В результате реакции, разработанной доктором Ноулзом, выход Эль-допы составлял 97,5% и только 2,5% приходилось на долю нежелательной Ди-допы. Эта реакция стала основой коммерческого производства лекарства.

Вклад доктора Нойори заключается в синтезе лучших катализаторов. В 1980-м году, после шестилетних усилий, он получил катализатор, способный внедрять водородные атомы во множество разных молекул и способствовать выходу еще большего процента веществ нужной зеркальной формы. Кстати, химикам нравится простое строение этого катализатора. "Он состоит из очень изящных молекул", — говорит доктор Нойори. Катализаторы доктора Нойори используются, в частности, при получении противовоспалительного лекарства напроксена.

Примерно в те же годы третий Нобелевский лауреат доктор Шарплесс разработал катализаторы с аналогичной избирательностью для реакции другого типа, когда в молекулы внедряются кислородные атомы. Это было значительным успехом, в результате которого химики смогли сочетать с атомами кислорода и другие атомы, получая в результате более сложные соединения.

Как объяснил доктор Амос Смит, профессор химии в Пенсильванском университете, исследования доктора Шарплесса позволили осуществить одни из наиболее важных химических реакций, открытых за последние 50 лет. С помощью этих реакций получают, в частности, лекарства от сердечных болезней.