За что присудили нобелевскую премию по физике 2020
Обновлено: 03.05.2024
Нобелевский комитет в этом году дал премию по физике за работы, посвященные черным дырам. Половина премии ушла современному классику общей теории относительности Роджеру Пенроузу (Roger Penrose) с формулировкой «за открытие, что образование черных дыр является строгим следствием общей теории относительности». Вторую половину премии поделили между собой астрофизики Райнхард Генцель (Reinhard Genzel) и Андреа Гэз (Andrea Ghez) — «за открытие сверхмассивного компактного объекта в центре Галактики».
Фактически, Нобелевский комитет поделил премию между теоретическим описанием черных дыр (строгое математическое доказательство существования сингулярности в центре дыр и исследование процесса их образования) и экспериментальным подтверждением существования такого объекта в центре Млечного Пути.
Черные дыры
Изначально черная дыра — чисто теоретическая концепция, существовавшая исключительно в рамках общей теории относительности. Это область пространства-времени, которую ни материя ни свет не могут покинуть из-за слишком сильного гравитационного притяжения. То, что подобные объекты возможны, стало ясно сразу же после того, как в 1915 году были сформулированы уравнения Эйнштейна.
Уже в январе 1916 года Карл Шварцшильд предложил точное решение уравнений, которое описывает кривизну пространства-времени вокруг невращающегося сферически-симметричного массивного объекта. Это решение допускает возможность существования черных дыр и фактически вводит понятие горизонта событий — поверхности, расположенной на определенном расстоянии (которое называют радиусом Шварцшильда) от центра объекта и разделяющей две области пространства-времени. Снаружи от горизонта любые две точки пространства-времени можно соединить светоподобными линиями (то есть два события можно связать друг с другом лучом света), а вот с точкой под горизонтом событий никакую точку за его пределами так связать нельзя. Это фактически и означает, что свет или вещество, попавшие внутрь черной дыры (то есть преодолев горизонт событий), уже не могут ее покинуть.
Сингулярность внутри черной дыры
По этой же причине любая информация о том, что происходит со светом или веществом внутри черной дыры, недоступна для наблюдателя: информационные сигналы из черной дыры просто не могут вырваться наружу. Единственный способ «общения» черной дыры с абстрактным наблюдателем — с помощью гравитационного поля и искривления пространства-времени.
Сингулярности внутри
В 1939 году Роберт Оппенгеймер и Хартланд Снайдер предположили, что в геометрии Шварцшильда в результате гравитационного коллапса сферического пылевого облака должны возникать сингулярности — точки, где кривизна пространства и плотность становятся бесконечными. Гравитационные и квантовые эффекты при приближении к центру объекта искривляют пространство-время и разрушают изначальную геометрию. Пенроуз расширил рассмотрение подобных объектов на общий случай и в 1965 году опубликовал работу, за которую сейчас фактически и получил Нобелевскую премию.
Ученый сформулировал теорему о сингулярностях. Он рассмотрел эволюцию объектов с горизонтом событий (то есть фактически черных дыр) и показал, что внутри таких объектов возникновение сингулярностей неизбежно. При этом плотность материи в момент формирования горизонта событий еще может быть и не слишком большой — не больше плотности Земли или Солнца. Фактически эта работа — строгое математическое доказательство с помощью метода конформного преобразования, что ничто в черной дыре не может предотвратить гравитационный коллапс и появление сингулярности.
«Сформулировать теорему Пенроуза можно так, — объясняет академик РАН Валерий Рубаков. — Если у вас получилась поверхность типа горизонта событий (то есть область, из которой световые лучи не могут выйти наружу), то в будущем обязательно сформируется сингулярность — область с бесконечной плотностью энергии и бесконечной кривизной пространства. А значит, в любой черной дыре обязательно образуется сингулярность. Пенроуз доказал, что это не просто свойство конкретного решения, а общая ситуация».
К решению Нобелевского комитета Рубаков относится неоднозначно: «Решение дать премию Пенроузу мне кажется странноватым, потому что сингулярность никто не видел, и никто ее не увидит. Поэтому прав он или нет — это неизвестно, экспериментально это не доказано, и не будет доказано. А обычно премию давали за нечто, что доказано в эксперименте».
Несколькими годами позже Пенроуз вместе со Стивеном Хокингом показали, что аналогичные результаты верны не только для сингулярности внутри черной дыры, но и для космологической сингулярности — аналогичного состояния пространства-времени на определенном этапе развития Вселенной.
В более поздних исследованиях Пенроуз поставил вопрос невозможности наблюдения сингулярности внутри черной дыры. В 1969 году он сформулировал принцип космической цензуры, который постулирует, что сингулярность может проявляться только в тех областях пространства-времени, которые недоступны для наблюдателя (в том числе под горизонтом событий черной дыры). После Пенроуза физики-теоретики опровергали эту гипотезу и оправдывали ее вновь, но так или иначе, она все равно не решает проблемы существования точек сингулярности с бесконечной кривизной и бесконечной плотностью, что и вызывает определенный скепсис некоторых ученых.
Например, профессор Сколтеха Анатолий Дымарский также не очень понимает решение Нобелевского комитета:
«Это очень странное, необычное решение. Результат Пенроуза важен, но важен наравне с сотнями — не с десятками, а с сотнями! — других настолько же важных работ. Нобелевскую премию ему дали за математический результат, за доказательство существования решения общей теории относительности, которое приводит к [гравитационному] коллапсу и формированию черной дыры. Вообще говоря, удивительно: эта работа очень теоретическая, можно даже сказать математическая, где теория относительности выступает как некий раздел римановой геометрии. Я не могу припомнить ни одного другого случая, когда за чисто теоретический результат, тем более математический, давали бы Нобелевскую премию по физике».
«Если бы работа Пенроуза предсказывала существование массивных черных дыр в центре Галактики, это был бы другой вопрос, — продолжает Дымарский. — Но работа Пенроуза не предсказывала, она говорила о принципиальной возможности существования таких объектов. Есть разница между принципиальной возможностью и предсказанием существования таких объектов, скажем, в центре нашей Галактики».
Эргосфера
Помимо вопросов, связанных с сингулярностями, Роджер Пенроуз занимался и другими особенностями структуры пространства-времени вблизи вращающейся черной дыры. Например, он исследовал эргосферу — область вокруг черной дыры, находясь в которой объекты вращаются вместе с дырой и не могут противостоять этому вращению. Пенроуз показал, что эргосферу можно использовать в качестве источника энергии. Так, если в эргосферу попадает объект с определенной энергией, то он может расколоться пополам: одна половина останется в эргосфере вращаться вокруг черной дыры, а вторая — может покинуть область вращения с энергией большей, чем у начального объекта, то есть фактически украв часть энергии у черной дыры.
СТОКГОЛЬМ, 6 октября. /ТАСС/. Нобелевскими лауреатами по физике 2020 года стали английский физик Роджер Пенроуз, немецкий астрофизик Райнхард Генцель и американский астроном Андреа Гез. Пенроузу премию присудили за открытие того, что образование черных дыр служит надежным предсказанием общей теории относительности, а Генцелю и Гез – за открытие супермассивного компактного объекта в центре Млечного Пути, рассказал официальный представитель Нобелевского комитета. Трансляцию церемонии идет на Youtube-канале Нобелевского фонда.
За что присудили премию
Общая теория относительности предсказывает, что черные дыры – космические объекты с огромным гравитационным притяжением – действительно существуют. Однако даже создатель этой теории – Альберт Эйнштейн – не верил в это. В 1965 году будущий нобелиат Роджер Пенроуз доказал, что черные дыры действительно существуют и детально описал их строение.
Научные достижения двух других лауреатов – Андреа Гез и Райнхарда Генцеля – связаны со сверхмассивным объектом в центре нашей Галактики – который астрономы называют Стрелец А* (стрелец а со звездочкой). Этот объект представляет собой черную дыру, которая тяжелее Солнца более чем в 4 млн раз, ее окружает облако из раскаленного газа.
Для оптических телескопов Стрелец А* невидим, о его существовании ученые узнали по очень "яркому" радиоизлучению, а затем подтвердили его существование, зафиксировав излучение и в других спектрах. Научные группы, которые возглавляли Гез и Генцель, придумали, как можно разглядеть этот объект сквозь облака газа.
Биографии лауреатов
Роджер Пенроуз родился в Колчестере (Великобритания) в 1931 году. В 1957 году он получил докторскую степень в Кембриджском университете, а затем работал в британских и американских университетах. В 1994 году его посвятили в рыцари Британской империи за заслуги перед наукой. Пенроуз – обладатель множества наград, в том числе медалей Копли и Вольфа.
В 1969 году вместе с астрофизиком Стивеном Хокингом Пенроуз доказал, что вещество в черной дыре сжимается до состояния сингулярности, когда масса достигает бесконечной плотности и нулевого объема. Также Пенроуз разработал метод картирования областей пространства – времени, которые окружают черную дыру, – так называемую диаграмму Пенроуза.
Райнхард Генцель родился в 1952 году в Бад-Хомбурге (ФРГ). Изучал физику во Фрайбургском и Боннском университетах, в 1978 году защитил сразу две докторские диссертации. В 1981 году уехал в США для работы в Калифорнийском университете в Беркли, однако через пять лет вернулся в Германию.
В середине 1990-х годов научная группа под его руководством заметила, что звезды вращаются вокруг определенной области в Млечном Пути. Исходя из этого ученые предположили, что в этой области может находиться сверхмассивная черная дыра. Сейчас Райнхард работает одним из руководителей Института внеземной физики Общества имени Макса Планка и отвечает за инфракрасную и субмиллиметровую астрономию.
Андреа Гез родилась в 1965 году в Нью-Йорке. В 1992 году она получила степень доктора наук в Калифорнийском технологическом институте. Сейчас Гез работает в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. Она лауреат многих престижных премий, в том числе премии Крафорда, которую ей вручили в 2012 году вместе с Райнхардом Генцелем за работы по наблюдению за звездами, которые вращаются вокруг центра нашей Галактики.
В 2020 году церемонии вручения премии не будет: медали и дипломы лауреатам передадут либо сотрудники посольств Швеции в разных странах, либо обладатели премий прошлых лет. Кроме этого лауреатам выплатят сумму в 10 млн крон (около 87,7 млн рублей).
В прошлом году премию получили канадский космолог Джеймс Пиблз – "за теоретические открытия в физической космологии", а также астрофизик Мишель Майор и астроном Дидье Кело – "за открытие экзопланеты на орбите солнцеподобной звезды".
ТАСС, 6 октября. Присуждение второй подряд Нобелевской премии за астрофизические открытия говорит о передовой роли астрономических исследований в современной физике. Об этом ТАСС рассказал профессор МФТИ и заместитель директора Института космических исследований (ИКИ) РАН Александр Лутовинов.
"Очень здорово, что второй год присуждается премия за открытия в области астрофизики. Сейчас она находится на переднем крае, и космос предоставляет нам уникальные возможности для изучения природы и совершения больших открытий, таких как обнаружение гравитационных волн, сверхмассивных черных дыр и экзопланет", – отметил Лутовинов.
Нобелевскую премию по физике 2020 года присудили британцу Роджеру Пенроузу, немецкому астроному Райнхарду Генцелю и американскому астрофизику Андреа Гез за исследования, связанные с черными дырами. В прошлом году премию получили канадский космолог Джеймс Пиблз – "за теоретические открытия в физической космологии", а также астрофизик Мишель Майор и астроном Дидье Кело – "за открытие экзопланеты на орбите солнцеподобной звезды".
Пенроуз был удостоен премии за разработку теорий, которые описывают процесс формирования черной дыры из-за гравитационного коллапса звезд и других массивных объектов. Британский физик и математик первым описал природу и облик горизонта событий – условной границы черной дыры, внутри которой ее притяжение становится настолько большим, что ее пределы не могут покинуть даже самые высокоэнергетические частицы света.
Вторую половину премии Генцель и Гез получили за очень долгую и сложную серию наблюдений за звездами в ядре нашей Галактики. Во время этой работы астрономы доказали, что в центральной области Млечного Пути размером с Солнечную систему находится невидимый, очень компактный и при этом сверхтяжелый объект – черная дыра Sgr A*.
"Райнхард Генцель и Андреа Гез получили удивительные результаты в ходе очень долгих и сложных наблюдений. Несколько лет назад, когда они впервые показали эти изображения, меня потрясло то, что звезда всего за несколько лет сделала оборот вокруг очень массивного и невидимого объекта в центре Галактики (речь о Млечном Пути, – прим. ТАСС). Эти наблюдения стали первым прямым доказательством того, что там существует сверхмассивная черная дыра. Открытие Гез и Генцеля вполне заслуживает Нобелевской премии", – подытожил Лутовинов.
За что дали Нобелевку по физике 2019 года
Астрофизик Джеймс Пиблз занимался исследованиями темной материи, первичным нуклеосинтезом – то есть моделированием природных процессов времен Большого взрыва, в ходе которых образуются ядра химических элементов тяжелее водорода, а также вопросами образования галактик и скопления галактик и космического микроволнового фона. Благодаря теоретическим построениям Пиблза ученые смогли интерпретировать данные о первых эпохах существования Вселенной и открыть новые физические процессы.
Заслуги Мишеля Майора и Дидье Кело состоят в том, что в октябре 1995 года они стали первыми, кто открыл экзопланету, то есть планету вне Солнечной системы. Небесное тело, известное как 51 Пегаса b, вращается вокруг похожей на Солнце планеты и располагается в 50 световых годах от Земли. С тех пор астрономы открыли более 4000 экзопланет.
Лауреатами Нобелевской премии по физике 2021 года стали Сюкуро Манабе (Syukuro Manabe) и Клаус Хассельман (Klaus Hasselmann) за физическое моделирование климата Земли, а также Джорджо Паризи (Giorgio Parisi) — за открытие взаимодействия между беспорядком и флуктуациями в физических системах. За церемонией объявления победителей можно следить в прямом эфире на сайте Нобелевского комитета. Подробнее об исследованиях ученых и их заслугах можно прочитать в официальном пресс-релизе.
Вручение премий состоится 10 декабря. Традиционно награждение проводилось на официальной церемонии в Стокгольме в декабре, но из-за пандемии в этом году, как и в прошлом, ее проведут в онлайн-формате.
Первую половину премии поделят между собой Сюкуро Манабе и Клаус Хассельман — «за физическое моделирование климата Земли, количественное описание климатических изменений и предсказание глобального потепления». Манабе был первым ученым, который связал баланс нисходящего и восходящего излучения в атмосфере с вертикальным переносом воздушных масс и показал, почему увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере может привести к росту ее температуры. Именно эти работы 1960-х годов легли в основу современных климатических моделей.
Хассельман построил физические модели, которые связывают погоду и климат. А также разработал метрики, по которым можно определить влияние естественных и антропогенных факторов (в частности, изменение концентрации углекислого газа) на изменения глобального климата.
Вторая половина премии достанется Джорджо Паризи — «за открытие взаимодействия между беспорядком и флуктуациями в физических системах — от атомных до планетарных масштабов». Нобелевский комитет отметил его работы, где физик исследовал закономерности, которые можно найти в неупорядоченных материалах. Закономерности, открытые Паризи, подходят не только для описания сложных материалов с неупорядоченной структурой, но и для других сложных систем — не только физических, но также связанных с математикой, биологией или машинным обучением.
В этом году впервые сбылся прогноз компании Clarivate Analytics, основанный на показателях цитируемости, которая назвала Паризи одним из трех наиболее вероятных кандидатов на премию по физике. Двумя другими фаворитами прогнозисты считали Алексея Китаева — за теоретические работы, связанные с квантовыми вычислениями с топологической защитой, и Марка Ньюмана — за моделирование сложных сетей, которые описывают разнообразные естественные системы, от лесных пожаров до научных коллабораций. До этого у Clarivate Analytics уже были успешные прогнозы, но сбывались они не в тот же год.
Два предыдущих года Нобелевскую премию присуждали за работы, так или иначе связанные с космосом. Прошлогоднюю премию получили ученые, которые занимались исследованием черных дыр. Первая половина премии досталась Роджеру Пенроузу, который показал, что образование черных дыр — это строгое следствие общей теории относительности. Вторую половину премии поделили Райнхард Генцель и Андреа Гэз — они открыли сверхмассивный компактный объект в центре Млечного Пути. Про работы лауреатов 2020 года вы можете прочитать в материале «И все-таки они существуют».
В 2019 году Нобелевскими лауреатами стали Джеймс Пиблс — за теоретические открытия в области космологии, а также Мишель Майор и Дидье Кело — за открытие экзопланеты на орбите вокруг солнцеподобной звезды. Подробнее про открытия, которые «позволили по-новому взглянуть на место человека во Вселенной», — в нашем материале «Место во Вселенной».
Роджер Пенроуз доказал, что чёрные дыры образуются из остатков массивных звёзд. Райнхард Генцель и Андреа Гез выяснили, что центральный объект Галактики представляет собой сверхмассивную чёрную дыру.
Иллюстрация NASA/SOFIA/Lynette Cook.
В Стокгольме объявили лауреатов Нобелевской премии по физике 2020 года. Половину призовой суммы получит Роджер Пенроуз (Roger Penrose) из Великобритании. Премия присуждена ему за открытие, что образование чёрной дыры является надёжным предсказанием общей теории относительности. Оставшуюся половину разделят между собой Райнхард Генцель (Reinhard Genzel) из Германии и Андреа Гез (Andrea Mia Ghez) из США за открытие сверхмассивного компактного объекта в центре нашей галактики.
В Стокгольме объявили лауреатов Нобелевской премии по физике 2020 года.
Половину призовой суммы получит Роджер Пенроуз (Roger Penrose) из Великобритании. Премия присуждена ему за открытие, что образование чёрной дыры является надёжным предсказанием общей теории относительности. Оставшуюся половину разделят между собой Райнхард Генцель (Reinhard Genzel) из Германии и Андреа Гез (Andrea Ghez) из США за открытие сверхмассивного компактного объекта в центре нашей галактики. На сегодняшний день общепризнанно, что упомянутый объект – чёрная дыра.
Роджер Пенроуз: открытие на кончике пера
Чёрные дыры – это тела с невероятно мощной гравитацией. Из-за этого тяготения ничто, даже свет, не может покинуть так называемый горизонт событий (образно говоря, поверхность чёрной дыры).
Существование таких объектов следует из общей теории относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна. Напомним, что это господствующая в современной науке теория пространства, времени и гравитации. На сегодняшний день она проверена многократно и самыми разными способами.
Сам Эйнштейн сомневался в существовании чёрных дыр. Однако в 1965 году, через десять лет после смерти гения, молодой тогда Роджер Пенроуз опубликовал революционную научную работу. В ней он показал, что чёрные дыры должны образовываться после смерти самых массивных звёзд.
Поясним, что уравнения ОТО чрезвычайно трудно решать. До работы Пенроуза физики концентрировались на немногочисленных случаях, когда удавалось получить точное решение.
Однако нынешний лауреат показал, что некоторые ключевые свойства пространства-времени можно выяснить, не находя полного решения головоломных уравнений. Для этого он разработал новые математические методы. Они позволили ответить на множество вопросов, в том числе и показать, как при гибели массивных звёзд образуются чёрные дыры.
Эта работа Пенроуза считается важнейшим вкладом в ОТО со времён Эйнштейна.
Заметим, что на сегодняшний день образование чёрных дыр в результате взрыва самых массивных звёзд считается общепризнанным фактом. Существование таких чёрных дыр было окончательно подтверждено после открытия гравитационных волн.
Роджер Пенроуз доказал, что чёрные дыры образуются из остатков массивных звёзд. Райнхард Генцель и Андреа Гез выяснили, что центральный объект Галактики представляет собой сверхмассивную чёрную дыру.
Райнхард Генцель и Андреа Гез: поймать монстра
Генцель и Гез возглавляли две независимые группы астрономов, пристально изучавшие объект Стрелец А*. Это компактное тело находится в самом центре Млечного Пути. Это самый мощный радиоисточник в Галактике, который ярко излучает и в других диапазонах длин волн.
Астрономы стремились выяснить его природу. А для этого прежде всего следовало установить массу и размеры небесного тела.
Учёные исследовали Стрелец А*, наблюдая обращающиеся вокруг него звёзды. Это было непростой задачей, ведь центр Млечного Пути закрыт облаками газа и пыли. Но лауреаты разработали методы, позволявшие наблюдать светила даже сквозь эту завесу.
Новаторские подходы и многолетние кропотливые наблюдения дали блестящий результат. Астрономы с большой точностью нанесли на карту орбиты звёзд, обращающихся вокруг сердца Галактики.
Результаты обеих групп оказались удивительными. В центре Млечного Пути находится объект массой в четыре миллиона солнц, который по размеру не больше Солнечной системы! Тело такой плотности может быть только чёрной дырой. Таким образом, группы Генцеля и Гез прояснили природу загадочного объекта в центре Галактики. Также эти результаты стали первым бесспорным доказательством существования чёрных дыр.
Сегодня общепризнанно, что в центре Млечного Пути обосновалась именно сверхмассивная чёрная дыра. Этот монстр окружён облаком падающей на него материи. Это раскалённое вещество и испускает мощное излучение, которым славится Стрелец А*.
На сегодняшний день наблюдатели тщательно изучили излучающее облако, окружающее чёрную дыру. Также астрономы собираются в ближайшие годы получить прямое изображение её горизонта событий.
Автор статьи
Читайте также: