Кому присудили нобелевскую премию по физике в 2021 году

Обновлено: 07.07.2024

5 октября были объявлены имена лауреатов Нобелевской премии по физике в 2021 году. Половину призовой суммы в 10 млн шведских крон (около $1,14 млн) разделят между собой американский ученый японского происхождения Сюкуро Манабе и германский исследователь Клаус Хассельман. Согласно официальной формулировке, они удостоены награды за физическое моделирование климата Земли, количественную оценку его изменчивости и надежное прогнозирование глобального потепления. Вторая половина премии достанется итальянскому физику Джорджо Паризи за открытие взаимодействия беспорядка и флуктуаций в физических системах от атомных до планетарных масштабов.

Погода в доме

Сегодня практически все профессиональные климатологи согласны с тем, что на планете идет глобальное потепление и причина его — выбросы углекислого газа из-за сжигания ископаемого топлива. Но путь к этому знанию был долгим и трудным. Климат — сложная система с множеством влияющих друг на друга факторов. Моделировать его очень непросто. Сюкуро Манабе — один из пионеров этих исследований.

В начале 1960-х годов Манабе разработал модель, которая связывала количество солнечных лучей с конвекцией в атмосфере Земли. Что это такое? Воздух очень прозрачен, поэтому солнечные лучи проходят сквозь него, практически не нагревая. Зато они нагревают поверхность Земли, а уж от контакта с ней нагреваются воздушные массы. Теплый воздух легче холодного и поэтому поднимается вверх, вытесняя с большой высоты прохладный воздух. Тот опускается к поверхности Земли и в свою очередь нагревается от нее. В то же время ранее нагретый воздух, поднявшийся высоко над Землей, успевает остыть. Получается круговорот, в котором воздушные массы движутся вверх и вниз. Он и называется конвекцией.

Тогда же Манабе исследовал роль парниковых газов — углекислого газа, метана и озона. Физик продемонстрировал, что атмосфера должна разогреваться парниковым эффектом. Нагретая Солнцем поверхность Земли испускает инфракрасные волны, которые легко проходят через обычный воздух, но поглощаются парниковыми газами. Те передают поглощенное тепло окружающему воздуху и тем самым нагревают его.

Клаус Хассельман также занимался исследованиями климата. Он ответил на два вопроса, которые и поныне задают скептически настроенные непрофессионалы, не подозревая, что климатологам давно известен ответ. Во-первых, как можно предсказывать поведение климата на сотни лет вперед, когда и прогноз погоды на ближайшую неделю не всегда оказывается точным? Во-вторых, почему мы возлагаем вину за глобальное потепление на человечество, если климат нашей планеты много раз менялся задолго до появления человека?

Как правило, малая погрешность в исходных данных дает малую же погрешность в результате. Измерив скорость автомобиля с точностью до 0,5 км/ч, можно смело планировать поездку: вряд ли кого-то смутит опоздание на минуту-другую. Но так бывает не всегда. Есть процессы (они называются хаотическими), которые накапливают погрешность со временем, причем очень быстро (по экспоненте). В результате малейшая неточность в знании начальных условий приводит к тому, что через некоторое время мы вообще не имеем представления, где находится этот условный автомобиль.

Формирование погоды — это хаотический процесс. Вот почему прогноз на один-два дня обычно сбывается (погрешность еще не успела накопиться), а прогноз на месяц мало чем отличается от гадания на кофейной гуще. Но климат — это погода, усредненная за сотни, тысячи или даже миллионы лет. Хассельман показал, что на таких масштабах поведение атмосферы становится гораздо более предсказуемым. Климат на ближайшее столетие действительно легче спрогнозировать, чем погоду на неделю.

Также Хассельман разработал методы, которые позволяют отличить воздействие на климат природных процессов и человека. Благодаря этим инструментам мы точно знаем, что нынешнее глобальное потепление носит рукотворный характер.

Язык сложности

Джорджо Паризи известен широтой научных интересов — они простираются от квантовой теории поля до поведения птиц в стаях. Дело в том, что на самом деле лауреата интересует вопрос, выходящий за рамки физики, биологии и других специализированных наук: взаимодействие порядка и хаоса в сложных системах.

Самая знаменитая работа Паризи посвящена изучению спиновых стекол. Так называются твердые немагнитные материалы, по которым редко и хаотично разбросаны магнитные атомы.

Впрочем, исследовать даже эту простейшую из сложных систем — отнюдь не простое дело. В 1970-х годах физики изучали порядок, возникающий в спиновых стеклах при очень низких температурах, но получали противоречивые результаты. Паризи разработал новый и очень необычный математический аппарат, который позволил решить проблему. Это главный, хотя и далеко не единственный вклад лауреата в теорию сложных систем.

В дальнейшем оказалось, что разработанный Паризи математический язык позволяет понять и описать множество сложных явлений в таких на первый взгляд далеких друг от друга областях, как математика, биология, нейробиология и машинное обучение.

Двум из трех лауреатов Нобелевской премии по физике 2021 года – Сюкуро Манабэ и Клаусу Хассельману – по 90 лет. Присуждение премии "патриархам" изучения климата напоминает миру о том, что изменение климата – это не политический слоган: серьезные ученые знают и говорят о нем уже более полувека.

По традиции результаты Нобелевской премии по физики объявляются не только по-шведски и по-английски, а еще на трех языках: немецком, французском и русском. Поэтому места для интерпретаций при переводе нет – Нобелевскую премию по физике 2021 года получили:

(половина приза) Сюкуро Манабэ и Клаус Хассельман за физическое моделирование климата Земли, количественный анализ вариаций и надежный прогноз глобального потепления;
(вторая половина приза) Джорджо Паризи за открытие того, как беспорядок и флуктуации взаимодействуют в физических системах от атомных до планетарных размеров.

Рассказываем о вкладе каждого из них и о том, почему именно сейчас Нобелевский комитет решил напомнить, что изменение климата – это не политика, а наука.

Сюкуро Манабэ. Самая влиятельная работа в истории

Сюкуро Манабэ родился в Японии, но переехал в США заниматься наукой сразу после кандидатской. Еще в 60-е годы XX века он впервые показал, как растущее содержание углекислого газа в атмосфере ведет к росту температуры у поверхности Земли. Для этого Манабэ разработал физические модели климата Земли – он был первым, кто связал вертикальный перенос воздушных масс с балансом солнечного излучения. Его работа легла в основу современных климатических моделей, но сама она отличалась миниатюрным изяществом. Сейчас в модели климата можно заложить гигантское количество параметров, их обсчитывают гигантские сверхмощные суперкомпьютеры, но что было в 60-е годы? Чтоб сделать задачу моделирования посильной, Манабэ фактически оставил только один параметр – высоту столба воздуха – и все равно получил осмысленный правильный результат.

"Сюкуро Манабэ – настоящий "патриарх" современной климатической науки, он стоял у истоков климатического моделирования в те времена, когда только появился язык программирования Fortran. Статья Манабэ и его покойного соавтора Ричарда Везеролда 1967 года с результатами первых попыток такого моделирования до сих пор считается самой влиятельной работой по теме климата в истории", – говорит Ольга Добровидова, научный журналист, президент Ассоциации коммуникаторов в сфере образования и науки (АКСОН) и один из ветеранов климатической журналистики в России.

Клаус Хассельман. Климат, погода и влияние человека

Клаус Хассельман родился в Гамбурге и строил свою научную карьеру практически не покидая родного города, где он в итоге стал директором института. Через десять лет после прорывной работы Манабэ он создал модель, которая связывает климат и погоду (никогда не следует путать эти два понятия!) – и так показал, что климатические модели могут быть надежными, хотя погода как феномен изменчива и хаотична.

"Клаус Хассельман, суперзвезда не меньшего масштаба, помимо прочего, показал, как можно детектировать антропогенный сигнал в климатических данных. Когда в 2013 году МГЭИК (Межправительственная группа экспертов по изменению климата), лауреаты Нобелевской премии мира, написали, что "крайне вероятно", что влияние человека было доминирующим фактором наблюдаемого с середины XX века потепления, они опирались на десятилетия исследований, дорогу которым открыл Хассельман", – напоминает Добровидова.

Клаус Хассельман поднимает бокал шампанского на встрече с коллегами и журналистами после объявления его лауреатом Нобелевской премии, 5 октября 2021 года. Фото: Reuters

С фундаментальной научной ролью работ Хассельмана согласен и математик Константин Кноп из проекта Euclidea.xyz.

"Сегодня изучение климата – это уже огромная научная область, но полвека назад это еще было не так. Мне кажется, что климатологи тогда были узкой кастой ученых, которые "варились в своем" и были мало знакомы с работами людей не из этой касты. Хассельман потому и сделал там прорывные вещи, что не был человеком изнутри: он получил хорошее общее теорфизическое образование и фактически пришел в эту песочницу из "большой науки", – объясняет он.

Джорджо Паризи. Закономерное в сложном

Третий лауреат – Джорджо Паризи – стоит в ряду лауреатов особняком. Он намного моложе и до сих пор играет заметную роль в итальянской науке (73 года по меркам Италии – не пенсия, а профессиональная зрелость). Отмеченные премией его работы относятся к началу 80-х годов: ему удалось найти закономерности в поведении неупорядоченных сложных материалов. Если говорить шире, его открытия легли в основу теории сложных систем вообще. Сложная система, выражаясь простым языком, – это система, которая состоит из множества взаимодействующих составляющих таким образом, что она приобретает новые свойства, не сводящиеся к сумме свойств ее составляющих. В работе Паризи как никогда видна верность утверждения о том, что физика – это наука обо всем. Уравнения Паризи описывают рост поверхностей, кружение стай птиц, движение элементарных частиц. Результаты его работы применяются в математике, физике, биологии, нейронауках, машинном обучении.

А что же между ними общего? Именно сложность и умение описать ее. Ведь климат Земли и есть сложная система, и ключ к ее пониманию – умение увидеть упорядоченность в видимой хаотичности погоды. Еще одно принципиально важное и непростое свойство сложных систем – то, что совсем небольшое изменение одного из параметров может привести к огромным общим сдвигам во всей системе (напоминаем определение: свойства системы не равняются сумме свойств ее частей). В этом описании вы уже наверняка узнали углекислый газ – совсем небольшое изменение его содержания оказывает огромное влияние на климат Земли в целом. И подтверждают это не слова кого-то из мировых лидеров или шведской девочки, а сложная физика, которой полвека от роду.

Чувство перца. Нобелевку по физиологии и медицине получили исследователи, открывшие рецепторы восприятия температуры и прикосновений

"Мы предупреждаем о рисках уже лет пятьдесят". Почему премии пришлось ждать так долго

"Мы предупреждаем о рисках изменения климата уже лет пятьдесят", – сказал Клаус Хассельман, отвечая на вопросы Нобелевского комитета сразу после оглашения имен лауреатов.

Большую роль этой премии в поддержании авторитета климатической науки видит и Александр Чернокульский, старший научный сотрудник Института физики атмосферы имени Обухова РАН, климатолог и один из самых авторитетных публичных экспертов в сфере климата в России.

"Нобелевская премия мира, присужденная в МГЭИК в 2007 году, – это все же больше политическая история. Нобелевская премия по экономике 2018 года Нордхаусу климат зацепила по касательной. И вот, наконец, в 2021 году заслуженная нобелевская премия по физике присуждена Сюкуро Манабэ и Клаусу Хасельману. Это вам уже не "консенсус в 97%", это настоящее признание физики климата всем научным сообществом. Кстати, именно Хассельман в 1991 году первым использовал словосочетание "климатический кризис", а не Guardian и прочие десятки лет спустя", – напоминает он.

Эксперты полагают, что как раз присуждение премии мира в 2007-м могло сыграть с учеными, в центре работ которых изучение климата, злую шутку. Возникло ощущение, что изменение климата – это какая-то политика, а не наука. Понадобилось более десяти лет – и эти изменения стали уже видимыми и очевидными для всех, после чего и научное сообщество наконец полноценно признало заслуги людей, которые предсказали происходящее более полувека назад.

Ситуация с премированием Манабэ, Хассельмана и Паризи в чем-то походит на историю Роберта Эдвардса, британского физиолога, создателя технологии ЭКО (экстракорпорального оплодотворения). Он сделал свое открытие еще в 1950-е, но политические причины (а именно религиозная оппозиция) не давали состояться научному признанию. Оно случилось только тогда, когда у первых ЭКО-детей уже родились и выросли свои, самые обычные дети. А Эдвардс к тому времени был уже настолько пожилым человеком и так слаб здоровьем, что непонятно, мог ли он вообще осознать то, что он стал нобелевским лауреатом. Но Эдвардс хотя бы был жив – до сегодняшнего климатического Нобеля не дожил, например, соавтор Манабэ Ричард Везеролд.

Понятно о Нобелевской премии: как открыли гепатит C, в каком фильме снялась настоящая черная дыра и зачем резать ДНК

"Сейчас часто можно услышать, что изменение климата из плоскости науки окончательно перешло в плоскость экономики и политики. Тем уместнее это вежливое напоминание от Нобелевского комитета, что в основе наших представлений о нем – полвека фундаментальной физики сложных систем", – подытоживает Ольга Добровидова.

Сумма Нобелевской премии, которую лауреаты разделят на три неравные части – по четверти Манабэ и Хассельману и половину Паризи, – составляет 10 млн шведских крон (примерно $1,1 млн). Церемония награждения пройдет на традиционном мероприятии в Стокгольме.

Престижная премия присуждена трем ученым - американцу Сюкуро Манабе, немцу Клаусу Хассельману и итальянцу Джорджо Паризи. Нобелевский комитет Королевской шведской академии отметил их прорывной вклад в изучение сложных систем.

Первая часть награды досталась Манабе и Хассельману "за физическое моделирование климата Земли, количественный анализ вариаций и надежный прогноз глобального потепления".

По сути, речь идет о математических моделях, которые лежат в основе всех международных договоров по климату, в частности, Парижскому соглашению, подписанному в 2015 году более чем 120 странами. Модели однозначно утверждают, что на планете сегодня происходит глобальное потепление, что вина за это ложится на человека, который в огромных количествах выбрасывает в атмосферу парниковые газы. Кроме того, модели рассчитали тот предел роста средней температуры к концу этого века, за который нам ни в коем случае нельзя переходить. Это максимум 2 градуса Цельсия. Потепление на 3-4 градуса грозит землянам катастрофическими сценариями: подъемом уровня океана и затоплением многих мегаполисов, засухами, таянием вечной мерзлоты.

- Отцами-основателями моделей климата были нынешние лауреаты Сюкуро Манабе и Клаус Хассельман,- сказал корреспонденту "РГ" известный климатолог, член-корреспондент РАН Сергей Гулев. - Многим даже трудно себе представить, насколько сложной системой является климат. В его формировании участвует огромное число "действующих лиц": атмосфера, океан, суша, ледники, переносы воды и воздуха и множество других параметров. Ученым надо разобраться, как каждая, сама по себе очень сложная система работает, как связана с другими, записать все это в уравнения. Только затем создаются модели климата.

Как отмечают ученые, работать с такими моделями способны только самые мощные на сегодня суперкомпьютеры. Причем даже нынешних мощностей не хватает, и климатологи надеются, что будут созданы еще более производительные машины.

Сюкуро Манабе и Клаус Хассельман открыли физические принципы, как функционирует климатическая система планеты, проверили их на многочисленных экспериментах, выявили особенности работы различных систем, которые влияют на климат.

- Сегодня есть более 100 моделей климата, и все они базируются на разработках лауреатов,- говорит Сергей Гулев. - Так вот, принципиально важно отметить, что все они однозначно указывают на вину человека в глобальном потеплении. Иными словами, ни в одной модели нельзя воспроизвести то, что происходит сегодня с климатом, если не учитывать антропогенный фактор.

Отметим, что накануне компания Clarivate Analytics по традиции опубликовала список потенциальных лауреатов на основе показателей их цитируемости. И одного угадала. Это теоретик Джорджо Паризи из университета Ла Сапиенца. Он получил премию за открытие того, как порядок и флуктуации взаимодействуют в физических системах от атомов до планет". Ученый занимается исследованием непредсказуемого в реальном мире, и его вероятных законов. Он внес выдающийся вклад в физику элементарных частиц, квантовую теорию поля и статистическую механику.

В прошлом году Нобелевскую премию по физике вручили Роджеру Пенроузу - за теоретическое обоснование возможности образования черных дыр, а также Андрее Гез и Райнхарду Генцелю - за открытие сверхмассивной черной дыры в центре Галактики.

Размер премии 1,2 миллиона долларов. Из-за пандемии вручение премии состоится не в Стокгольме, а на родине лауреатов. По традиции первыми объявили имена лауреатов в области физиологии и медицины. Это Дэвид Джулиус и Ардем Патапутян, изучившие, как живые организмы чувствуют температуру. Завтра будут названы лауреаты в области химии.

Что касается россиян, то 12 наших физиков в разные годы были удостоены Нобелевской премии.

В 1958 году Павел Черенков, Илья Франк и Игорь Тамм получили премию по физике за открытие излучения заряженных частиц, движущихся со сверхсветовой скоростью.

В 1962 году лауреатом стал Лев Ландау, отмеченный за теорию конденсированных сред и жидкого гелия.

В 1964 году премии были удостоены Николай Басов и Александр Прохоров за созданию квантовых генераторов (мазеров и лазеров).

В 1978 году Петр Капица отмечен наградой за открытия в физике низких температур.

В 2000 году лауреатом стал Жорес Алферов за разработки в полупроводниковой технике.

В 2003 году Виталий Гинзбург и Алексей Абрикосов были удостоены премии за работы по теории сверхпроводников и сверхтекучих жидкостей.

В 2010 году премию получили Андрей Гейм и Константин Новоселов, создавшие графен - материал с уникальными свойствами.

Медицина и физиология

Лауреатами стали физиолог Дэвид Джулиус и молекулярный биолог Ардем Патапутян за исследование рецепторов организма, реагирующих на температуру и прикосновение.

Профессор, доктор биологических наук и заведующая кафедрой фундаментальной медицины и биологии Казанского федерального университета Гузель Ситдикова объяснила интернет-изданию TJ, что дальнейшие исследования механизмов активации и регуляции работы рецепторов, которые изучают нобелевские лауреаты, позволят разработать подходы для облегчения хронических болей, в том числе и при мигрени.

Физика

Премию получили климатолог Сюкуро Манабе и физик Клаус Кассельман за изучение физического моделирования климата Земли, а также физик-теоретик Джорджо Паризи за открытие взаимодействия и колебаний в физических системах от атомных до планетарных масштабов.

Кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Главной геофизической обсерватории имени А. И. Воейкова Андрей Киселев рассказал, что во второй половине 1960-х годов Манабе стал создателем первой модели глобального климата, то есть сумел перевести набор уравнений, отражающих физические законы, в практическое русло — получить его численные решения.

По его словам, значимость такого прогноза чрезвычайно велика: от него зависит, как будут развиваться мировые экономика, промышленность, сельское хозяйство, демография.

Химия

Бенджамин Лист и Дэвид Макмиллан будут награждены за создание в 2000 году независимо друг от друга третьего типа катализа, основанного на органических молекулах.

Ученый-химик, кристаллограф-теоретик и минералог, профессор РАН и Сколковского института науки и технологий Артем Оганов объяснил, что почти все химические процессы, протекающие в живых клетках, возможны только благодаря присутствию в них эффективных биохимических катализаторов (ускорителей) — ферментов. Человек тоже пытается создавать свои катализаторы, в том числе на основе металлов. Но металлические катализаторы бывают не очень эффективны, дороги и токсичны.

Нобелевские лауреаты открыли новый класс асимметрических катализаторов — небольшие органические молекулы (аминокислоты, пептиды и так далее). Для многих молекул возможны две формы: левая и правая. Они имеют структуры, зеркально отражающие друг друга, как левая и правая ладонь, но совместить их друг с другом нельзя.

Связано это с тем, что молекулы в жизни присутствуют только в одной форме, поэтому рецепторы, гормоны, ферменты закручены в одну сторону. И все они взаимодействуют с одним типом молекулы, а с другим — нет. И в результате одна из форм глюкозы питательна, а другая вообще никак не усваивается организмом.

Бывают случаи, когда левые и правые формы молекул отличаются драматично: лекарство талидомид в одной из форм — безопасное лекарство, а во второй — страшнейший мутаген. Часть молекул в лекарстве, которое принимали беременные женщины, оказывалась противоположной (хиральной), и дети рождались с ужасными врожденными уродствами.

При нормальном синтезе формы молекул получаются в равной пропорции (сколько левых, столько и правых). Но в живой природе они синтезируются не в такой пропорции, а в чистом виде. Если при синтезе левой и правой молекул в равных количествах нужна только одна из них, придется потратить много усилий на очистку, чтобы избавиться от нежелательной формы молекул: в лучшем случае она будет неактивной, а в худшем — токсичной.

И вместо того, чтобы тратить время на очистку, хотелось сразу синтезировать так, как происходит в природе — только то, что нужно. Это и удалось сделать Листу и Макмиллану. Ученые научились использовать хиральные органические молекулы как катализаторы, создав третий класс катализаторов, способный ускорять синтез только одной формы молекулы. В результате не нужно проводить очистку, с самого начала синтезируется только нужная форма.

Это очень важно для синтеза лекарств. Препараты получаются более чистыми, не содержащими примеси ненужных вам молекул, более безопасными в ряде случаев, и более дешевыми. Все это может иметь прямое отношение к проблеме зарождения жизни. Сейчас ученые пытаются понять, как жизнь могла зародиться из простых органических молекул. Такие молекулы, конечно, существовали на Земле до появления жизни — это могли быть простые сахара или аминокислоты. Из этих молекул появились очень сложные молекулы типа белков. Тот факт, что небольшие органические молекулы могут быть катализаторами синтеза других органических молекул, мне кажется, очень важен для понимания зарождения жизни на Земле, а также для понимания того, почему все они закручены строго определенным образом.

Литература

Нобелевская премия мира

Читайте также: