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

Многие СМИ написали, что наградили его то ли за изучение свойств реликтового излучения, то ли за его использование для изучения устройства Вселенной, то ли даже за изучение темной материи и ее роли во Вселенной. Все три этих утверждения не вполне корректны.

Реликтовое излучение — первое излучение, возникшее во Вселенной, всего через 380 тысяч лет после Большого взрыва. До этого момента любое излучение быстро перехватывалось плазмой. Плазма — это «суп» из частиц, которые блокируют электромагнитное излучение. Нынешняя разреженная материя из нейтральных атомов в ранней Вселенной еще не образовалась, а плазма высокой плотности легко улавливает фотоны света, полностью поглощая их. И только через 380 тысяч лет после взрыва Вселенная достаточно остыла, чтобы плазма перестала его блокировать.

Реликтовое излучение было предсказано Георгием Гамовым еще в 1948 году. Работа теоретика тут имела исключительно большое значение: впервые эффект от реликтового излучения астрономы зафиксировали еще в 1941 году, но поскольку они ничего о нем не знали, то понять, что открыли, не смогли. В общем-то, никакого открытия из этого вообще не вышло: наблюдения просто списали на неизвестную аномалию.

Первая работа Пиблса по реликтовому излучению вышла в 1965 году, уже после того, как другие ученые (Арно Пензиас и Роберт Вильсон) обнаружили его на практике. Нобелевский комитет это отлично знает: в пояснительном документе его члены упоминают, что, например, в 1948 году удалось предсказать даже температуру реликтового излучения, с ошибкой в пару градусов (реально реликтовое излучение соответствует излучению тела температурой примерно 2,7 кельвина, а в 1948 году было предсказано «примерно 5» кельвинов). Есть и еще один момент, о котором документ комитета не говорит, поэтому напомним мы: Георгий Гамов в 1950 году в восьмом номере Physics Today предсказал температуру излучения в 3 кельвина, то есть вычислил температуру излучения с ошибкой всего 11 %. Сам же Пиблс еще в 1960-е предсказывал, что у реликтового излучения температура будет 10 кельвинов, то есть ошибался куда сильнее своих предшественников — однако же Нобелевскую премию дали именно ему.

Нет. Термин «темная материя» в 1906 году употребил Анри Пуанкаре, а суть явления обозначил еще лорд Кельвин в 1884 году.

Наградили Пиблса, продолжает пояснительный документ, совсем за другой, «ключевой вклад»: работу 1965 года, где он предположил, что реликтовое излучение оказало влияние на формирование галактик. Влияние это в самом деле важно: «комковатое» распределение материи, сделавшее возможным образование и звезд, и галактик, и жизни, включая нас с вами, без реликтового излучения было бы совсем иным.

Однако затем Нобелевский комитет перечисляет и иные, более мелкие заслуги Пиблса из более поздних лет. Из всего этого ясно, как уже отметил российский академик Валерий Рубаков: «Нобелевскую премию редко дают по совокупности работ, но, мне кажется, это как раз такой случай». Пиблс — не Гамов (который, кстати, умер, не получив Нобелевку), у него нет таких же впечатляющих и ярких достижений, как точное предсказание реликтового излучения или его температуры. Но совокупность его достижений действительно довольно велика.

Смысл за премией Пиблса стоит весьма большой. За последние полвека физика резко продвинулась в понимании того, как устроена Вселенная. Мы больше не гадаем: мы на самом деле знаем, как из первых звезд складывались галактики и как образовывалось все то, что нас окружает. Большая заслуга людей типа Пиблса в этом несомненна.

Вторую часть премии получили Мишель Майор и Дидье Кело — французские астрономы, которые в 1995 году открыли экзопланету 51 Пегаса b. Это огромный «горячий Юпитер», вращающийся вокруг желтого карлика 51 Пегаса в полусотне световых лет от Земли. Открытие в самом деле очень важное.

Экзопланеты (планеты, которые находятся за пределами Солнечной системы и вращаются вокруг иных звезд. — Правила жизни) действительно открывали и другие люди. Еще Джордано Бруно, поняв, что другие звезды — что-то типа нашего Солнца, тут же сделал вывод, что вокруг них тоже вращаются планеты, в том числе и обитаемые. Но одно дело — «вычислить» экзопланеты мозгом, и совсем другое — подтвердить эту идею наблюдениями. Ближайшая экзопланета находится в 43 триллионах километров от нас, а наши телескопы до сих пор не могут обнаружить уже «вычисленную» астрономами девятую планету нашей собственной Солнечной системы.

Чтобы выявить экзопланеты, Отто Струве еще в 1952 году предложил метод: отслеживать «подрагивания» звезды во время вращения ее вокруг своей оси. Планета слегка «тянет» за собой свою звезду, и поэтому та постоянно чуть смещается относительно собственной оси вращения. Во время таких покачиваний звезда то чуть ближе к земному телескопу (и тогда излучение от нее получает слабое синее смещение), то чуть дальше (и тогда излучение от нее получает красное смещение). Это как если бы самолет вдали от нас летал кругами — приближаясь к нам, он давал бы один звук, а удаляясь — другой.

Как мы написали выше, экзопланеты находятся в десятках и сотнях триллионов километров от Земли, отчего найти их сверхсложно. Поэтому у астрономов долго получались лишь очень грубые, «приблизительные» открытия. В 1988 году канадские астрономы Брюс Кэмпбелл и Гордон Уокер впервые открыли тело у другой звезды — экзопланеты Гамма Цефея A b. Увы, точность их измерений тоже была умеренной. Окончательно подтвердить статус планеты удалось только в 2002 году. Мишель Майор и Дидье Кело открыли свою планету в 1995 году, но подтвердить ее удалось уже к 1997 году — в итоге половина Нобелевки ушла именно им.

Значение этого открытия трудно недооценить. Сегодня экзопланет известно много тысяч, и ясно, что они есть даже у ближайшей к Земле Проксимы Центавра. Очень возможно, что на многих из них есть жизнь. И если это так, все развитие земной цивилизации рано или поздно будет радикально изменено самим фактом существования экзопланет.

Нобелевку по химии дали трем людям: Стэнли Виттингхэму, Джон Гуденафу (оба — из США) и Акире Ёсино (на момент его вклада в тему премии — из Японии). Они приняли три решения, сделавших возможными литиевые аккумуляторы: как раз такие стоят в электромобилях, смартфоне и ноутбуке.

Литий очень давно рассматривали как блестящий кандидат в накопители электроэнергии. Это самый легкий металл: присоединяя к его атомам кислород, можно получить «лишний» электрон, а «отрывая» от него кислород, можно восстановить литий, вернув батарее заряд. Чем легче «базовый» материал батареи, тем проще сделать легкий и компактный аккумулятор на основе этого материала.

Если взглянуть на батарею сегодняшней Tesla, то, несмотря на вес в полтонны, самого лития там всего лишь десяток килограммов — остальная масс приходится на вспомогательные материалы. Это важно не только потому, что облегчает аккумуляторы, но и потому, что позволяет сделать их массовыми. Сто миллионов электромобилей в год потребуют всего лишь миллион тонн лития — с каким-нибудь свинцом такой фокус бы не прошел.

При всех преимуществах лития, на практике он десятки лет не «давался в руки» ученым, пытавшимся сделать из него аккумуляторы. И вот что усложняло процесс: окисленные частицы лития надо было как-то удерживать в пластине электрода, а ведь при окислении их объем рос, и электрод мог начать «распухать», теряя целостность и работоспособность. Нужен был какой-то материал, способный выдержать «распухание».

В 1973 году Стенли Виттингхэм предложил «удерживать» молекулы, содержащие литий в среде из сульфида титана, создавая на одном из электродов среду LixTiS2. Стало лучше, но параметры все еще были слишком низки для массового производства. В 1980 году Джон Гуденаф пошел на ступень дальше и заменил сульфид титана на оксид кобальта — один из электродов получил состав LixCoO2.

Ситуация резко улучшилась — оксид кобальта и сегодня доминирует в литиевых батареях как материал одного из электродов. Но проблемы оставались: на другом электроде, где до начала разрядки батареи хранится чистый литий, было трудно безопасно накапливать литий. Оставались и опасность его возгорания при работе, и сложность получения достаточно высокой плотности атомов лития на единицу площади работающего электрода. Японец Акира Ёсино ввел в анод сажу, иначе говоря — углерод. В саже он есть как в аморфной фазе (без кристаллической решетки), так и в виде небольших кусков графита (с кристаллической решеткой). Количество лития в электроде удалось поднять вместе с емкостью литиевых батарей, а вероятность возгорания — снизить.

Совершенно точно да. Работа этих трех ученых уже в 1990-е привела к взрыву: на рынке появились ноутбуки и телефоны с литиевыми батареями, а в 2000-х — и первые электромобили на них. Сегодня только один крупнейший производитель (Tesla) делает по 97 тысяч электромобилей в квартал.

Тоже да. Стабильность работы литиевых аккумуляторов растет на глазах: в электромобилях, где их охлаждают жидкостно, она достигла немыслимого ранее уровня. Даже после семи лет эксплуатации и 115 тысяч километров пробега электролегковушка способна сохранять 98 % от исходной емкости батарей. Напомним, всего 15 лет назад литиевая батарея в ноутбуке (впрочем, там нет жидкостного охлаждения) редко жила и половину от семи лет.

Литиевая революция продолжается. После появления той же Tesla Model 3 на американском рынке она продается значительно лучше, чем любая близкая к ней по цене машина с двигателем внутреннего сгорания. В третьем квартале 2019 года она получила 24 % американского рынка среди седанов своего ценового класса. Очевидно, что вслед за ней появятся и еще более дешевые автомобили с таким же запасом хода и способностью к скоростной зарядке. Когда это случится, ДВС-мобили постигнет судьба паромобилей, так популярных в конце XIX века.

Разумеется, бесплатный сыр бывает только в мышеловке. Литиевая революция имеет не только плюсы в виде выноса выбросов транспорта за пределы городов, но и явные минусы. На сегодня солнечные батареи той же Tesla выработали куда больше энергии, чем успели потратить ее электромобили. То есть наступление «литиевых» авто сопровождается падением спроса на углеводороды со стороны автотранспорта. Конец немного предсказуем: цена на нефть вряд ли сможет вернуться к прежним высотам на стабильной основе.

Нефтедобывающие страны уже сегодня начали страдать от примерно миллиона электромобилей в год, выпускаемых в наше время. Через десять лет электромобили будут делать десятками миллионов в год, и страны типа России могут оказаться в не самой лучшей экономической ситуации. Впрочем, технологические революции часто наносят удар по тем, кто не подготовился к ним заранее, и в этом смысле американская сланцевая индустрия явно потеряет ничуть не меньше денег, чем российская нефтянка.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ:

Нобелевскую премию по физике присудили за открытия в области астрономии

Названы лауреаты Нобелевской премии по химии — 2019