История исследований[]
Можно сказать, что у истоков биофизики как науки стояла работа Эрвина Шрёдингера «Что такое жизнь с точки зрения физики» (1945), где рассматривалось несколько важнейших проблем, таких как термодинамические основы жизни, общие структурные особенности живых организмов, соответствие биологических явлений законам квантовой механики и др.
Уже на начальных этапах своего развития биофизика была тесно связана с идеями и методами физики, химии, физической химии и математики и использовала в исследовании биологических объектов точные экспериментальные методы (спектральные, изотопные, дифракционные, радиоспектроскопические). Основной итог этого периода развития биофизики — это экспериментальные доказательства приложимости основных законов физики к биологическим объектам.
Россия
Первый Институт физики и биофизики был создан в Москве в 1927 году. Но просуществовал он недолго: в 1931 году его руководитель, академик Лазарев П.П., был арестован и Институт закрыли.
Современные направления исследований
В настоящее время интенсивно развиваются биофизика сложных систем и молекулярная биофизика.
Современные области исследований биофизики: влияние космогеофизических факторов на течение физических и биохимических реакций, фотобиологические процессы, математическое моделирование, физика белковых и мембранных структур, нанобиология и др.
Крупные исследователи в биофизике
- Дьёрдь фон Бекеши: исследователь человеческого уха, лауреат нобелевской премии 1961 года.
- Герд Бинниг: разработал сканирующий туннельный и сканирующий атомно-силовой микроскопы. Лауреат Нобелевской премии по физике за 1986 год.
- Луиджи Гальвани: открыл биоэлектричество.
- Герман Гельмгольц: первый замерил скорость нервных импульсов.
- Бернард Кац: исследовал роль норадреналина в синаптической передаче. Лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1970 года.
- Ирвинг Ленгмюр: разработал концепцию одномолекулярного органического покрытия. Лауреат Нобелевской премии по химии 1932 года.
- Эрвин Неэр и Берт Закман: разработали метода локальной фиксации потенциала. Лауреаты Нобелевской премии по физиологии и медицине 1991 года.
- Макс Перуц и Джон Кендрю: исследователи с помощью рентгеноструктурного анализа. Лауреаты Нобелевской премии по химии 1962 года.
- Эрнст Руска: создатель электронного микроскопа. Лауреат Нобелевской премии по физике за 1986 год.
- Морис Уилкинс: открыл трехмерную молекулярную структуру ДНК. Лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1962 года.
Торн и Вебер
Раз гравитационные волны реальны и переносят энергию — значит их можно попытаться зарегистрировать. Впрочем, первые же оценки Эйнштейна показали, что гравитационное излучение от лабораторных генераторов или от известных тогда астрофизических объектов настолько слабое, что зарегистрировать его попросту нереально, ни сейчас, ни в ближайшем будущем. Однако космические катастрофы, такие как взрывы сверхновых, слияние нейтронных звезд или даже черных дыр, произошедшие в нашей галактике или ее ближайших окрестностях, вполне способны породить куда более сильные гравитационные волны.
Тут надо оговориться, что предсказание того, как и с какой частотой будут происходить космические катаклизмы, способные порождать мощные гравитационные волны, — это удел астрофизиков-теоретиков. Даже в конце XX века оставались неопределенности на пару порядков, что же говорить про 60–70-е годы. Тогда это была настолько новая область, что каждое предложение казалось радикальным шагом и вызывало горячие споры. В своем недавнем интервью Кип Торн — один из лауреатов Нобеля-2017, крупнейший физик-теоретик, работавший во всех аспектах теории гравитации с 60-х годов, — рассказывает, например, о своей встрече в 1971 году с Яковом Зельдовичем, на которой тот убеждал Торна, что пара вращающихся черных дыр излучает мощные гравитационные волны. Этот образ чисто гравитационной катастрофы, которая, оставаясь невидимой, способна прогрохотать на всю вселенную, так захватил Торна, что он тут же занялся их обсчетом. В ходе этих исследований Торна и других теоретиков сложилась примерная картина того, что же должны будут ловить будущие детекторы.
Конечно, гравитационные волны, излучившиеся в таком катастрофическом событии, достигнут Земли сильно ослабленными (см. простейшие оценки в статье). Их амплитуда — относительная деформация плоского пространства-времени — составит от силы 10–16 даже для события в нашей галактике. Деформации тел, вызванные прохождением гравитационной волны, будут такого же порядка. Но хотя это мизерная величина, пытаться зарегистрировать такие относительные искажения — задача не столь безнадежная, как может показаться на первый взгляд.
Старт всей экспериментальной программе по поиску гравитационных волн дал Джозеф Вебер. С упоением изучая ОТО и воодушевленный консенсусом по поводу реальности гравитационных волн, он в своей статье 1960 года предложил первый детектор гравитационных волн — резонансный. Детектор представлял собой цельный металлический цилиндр с прикрепленными на него датчиками, который — наподобие ксилофона — должен зазвенеть на своей резонансной частоте, когда короткий всплеск гравитационных волн «ударит» по нему своей волной деформации. К 1966 году Вебер построил несколько таких детекторов по одинаковой технологии, которые работали на большом удалении друг от друга. Стартовали сеансы наблюдений, и в 1969 году Вебер сделал сенсационное заявление о нескольких случаях одновременного срабатывания детекторов, что, по его мнению, однозначно указывало на регистрацию гравитационных волн, пришедших, предположительно, из центра нашей галактики.
Сразу несколько групп экспериментаторов по всему миру, включая группу Владимира Брагинского в МГУ, бросились проверять это заявление — и, несмотря на всё улучшающуюся технологию, ничего подобного не нашли. Заявление Вебера также входило в противоречие с теоретическими ожиданиями, включая оценки того же Торна. К середине 70-х годов вышли десятки статей, сообщавших не только об отрицательных результатах поисков, но и обсуждающие возможные ошибки в работе Вебера. Научное сообщество, в целом, признало, что Вебер видел какие-то шумы или артефакты, и… с удвоенными усилиями приступило к дальнейшему совершенствованию технологий.
И вот в этом и состоит главная научная заслуга работ Вебера. Сейчас, из 2017 года, мы можем констатировать, что резонансный метод регистрации гравитационных волн оказался тупиковым: несмотря на все технические ухищрения и полувековую историю разработок, его чувствительность на порядки хуже, чем у LIGO. Однако та бурная деятельность, которую развил Вебер, включая его громкие заявления об открытии, сыграла в развитии этой области важнейшую роль: она зацепила, взбудоражила экспериментаторов. Вебер сам, словно гравитационная волна небывалой мощности, заставил «звенеть» научное сообщество — и за считаные годы гравитационные волны превратились из полуабстрактного математического вопроса в предмет активного экспериментального изучения.
Форвард
Работа советских физиков — увы! — осталась незамеченной, да и сами авторы к этой теме больше не возвращались. Но сама по себе идея примерно в те же годы пришла в голову многим других исследователям. Тот же Вебер со своим студентом Робертом Форвардом (Robert L. Forward) в 1964 году, параллельно с работой по созданию резонансного детектора, думали также и над интерферометрическим методом. Форварда эта мысль так захватила, что он взялся за ее воплощение уже в 1966 году в лаборатории Hughes Research Laboratories, исследовательском подразделении американской военно-промышленной авиастроительной компании Хьюз Эйркрафт.
В 1971 году, вместе с коллегами, он выпустил первый отчет об этой работе. В нем Мосс, Миллер и Форвард описали свой первый скромный прототип: обычный интерферометр Майкельсона, про который мы и говорили выше, с длиной плеча 2 метра. Многие конструкторские решения, использованные тогда, кажутся сейчас нерациональными и просто забавными. Зеркала жестко крепились на оптической скамье, а не были свободно подвешены. Для изоляции от вибраций авторы поступили совсем кустарно: они положили оптическую скамью на самые обычные резиновые трубки, наполненные воздухом. В своей статье они признают, что все прочие попытки изоляции оказались куда менее успешными, и жалуются, что виброизоляция до сих пор остается скорее искусством, чем наукой.
Также в отличие от современных интерферометров, где свет, прошедший по двум плечам, воссоединяется и попадает на один фотодатчик, в том первом прототипе Мосса, Миллера и Форварда использовалось два фотодатчика и отслеживалась разница между их показаниями. Однако были предприняты усилия для подавления внутренних шумов лазера с помощью петель обратной связи: они отслеживали флуктуации лазерного света и подстраивали оптические параметры системы так, чтобы два фотодатчика выдавали одинаковый сигнал. Важнейшим результатом этих усилий стало то, что в килогерцовой области частот исследователи подавили всё, что могли с имеющимися тогда лазерами, и добрались до неустранимого дробового шума.
Заканчивалась статья кратким перечислением того, что следует сделать в будущем: взять тяжелые зеркала (для подавления тепловых шумов), подвесить их на независимых подвесах (для лучшей изоляции от вибраций), поместить всю систему в вакуум, а длину плечей увеличить до нескольких километров. И в этом коротком списке из 1971 года начинают угадываться черты нынешних детекторов.
Работы в группе Форварда продолжались еще некоторое время; отчет о них был опубликован в 1978 году. В ранний интерферометр были внесены усовершенствования: зеркала были подвешены на мягких подвесах, а эффективная длина оптического пути увеличилась до 8,5 метров. Чувствительность детектора достигла 10–16 (то есть детектор мог регистрировать смещение зеркал всего на один диаметр атомного ядра!) — и это уже было сравнимо с резонансными детекторами, которых тогда было уже немало. Детектор проработал в сумме 150 часов и набрал довольно серьезный объем данных. Однако их сравнение с сигналами, которые видели те или иные резонаторы, увы, совпадений не показало. Форвард в своей статье предлагает дальнейшие шаги по увеличению чувствительности; в частности, он предлагает увеличить эффективную длину плечей до 1 км. Однако нового финансирования получить ему не удалось, и программа была свернута.
«Очень большое открытие»
Напомним, Барри Шарплесс уже становился лауреатом Нобелевской премии по химии в 2001 году совместно с американским коллегой Уильямом Ноулзом и японцем Риодзи Ноиори. Тогда группа исследователей удостоилась награды за открытие катализаторов для производства так называемых зеркальных молекул, широко применяемых в фармацевтике. Известно, что многие молекулы имеют две формы — левую и правую, это свойство называется хиральностью. Такие молекулы могут по-разному проявлять себя в биохимических процессах, поэтому открытие способа задавать хиральность молекул при синтезе сыграло важную роль для фармацевтики.
Также по теме
«Добился невозможного»: за какое открытие вручена Нобелевская премия в области физиологии и медицины
Нобелевскую премию в области физиологии и медицины 2022 года получил шведский генетик Сванте Пэабо, расшифровавший геном неандертальца…
Об учёном снова заговорили в СМИ в преддверии вручения Нобелевской премии по химии 2013 года. Тогда агентство Thomson Reuters, владеющее порталом индексации научных публикаций Web of Science, спрогнозировало, что Шарплесс имел шансы стать нобелевским лауреатом совместно с американским коллегой М.Дж. Финном и выходцем из России Валерием Фокиным — этих учёных назвали тогда создателями клик-химии.
Спустя девять лет клик-химия действительно удостоилась Нобелевской награды, однако Финн и Фокин не вошли в число лауреатов.
По словам Александра Мажуги, нет чётких критериев, по которым в научной среде определяют отцов-основателей того или иного научного направления. Иногда схожие научные исследования ведутся параллельно разными научными коллективами, как это было в случае групп Шарплесса и Мелдала. Утверждается, что Мортен Мелдал независимо пришёл к тем же выводам, что и американские химики.
«Несколько лет назад в научной среде даже звучали прогнозы, что Нобелевскую премию со временем получат Мелдал, Шарплесс и Фокин, но тогда этого не случилось. Что касается Каролин Бертоцци, то она впервые показала, что эту реакцию можно использовать, чтобы модифицировать и изучать разнообразные биомолекулы, это тоже очень большое открытие. В истории Нобелевской премии по химии не было случаев, чтобы её одновременно присуждали более чем троим учёным. Поэтому не думаю, что Валерий Фокин не был включён в группу лауреатов по какому-то злому умыслу», — подытожил эксперт.
Нобелевская премия по экономике за 2017 г. за изучение «поведенческой экономики»
Досталась американскому экономисту Ричарду Талеру (Richard Thaler) за разработку целого раздела экономической теории, который получил неофициальное название — «экономика с человеческим лицом».
Нобелевский лауреат 2017 года: Ричард Талер («Экономика»)
Эта дисциплина изучает нерациональное поведение людей и целых организаций, выбирающих товары и услуги. Давно известно, что факторами такого выбора являются не только прямая выгода, но и социальные, эмоциональные, когнитивные и даже религиозные аспекты. Все это не учитывается большинством современных экономических теорий, которые исходят из того, что в основе экономики лежит исключительно прямая выгода. Нобелевский лауреат 2017 г. убедительно обосновал ущербность такого подхода, а также доказал, что «полезность» может лежать не только в материальной плоскости, но и в области чувств.
Почему дорогие «айфоны» успешно конкурируют на мировом рынке с объективно не менее качественными, но дешевыми «самсунгами»? В т.ч. и на этот вопрос отвечает поведенческая экономика Ричарда Талера
В рамках поведенческой экономики Ричард Талер подробно исследовал такие моменты, как эвристика доступности, влияние толпы (ввел понятие «информационные каскады»), феномен избыточной уверенности, который заставляет людей делать объективно ошибочный выбор товара или услуги. Есть надежда, что новая экономическая теория «с человеческим лицом» позволит точнее прогнозировать развитие потребительских рынков и экономики в целом.
Герценштейн и Пустовойт
Идея использовать свет, а не звук для регистрации прохождения гравитационных волн родилась именно в попытках придумать что-то лучшее, чем резонансный метод Вебера. Напомним вкратце суть интерферометрического метода детектирования гравитационных волн (рис. 2). Свет из лазера попадает на полупрозрачное зеркало и расщепляется на два луча, которые идут по двум взаимно перпендикулярным плечам интерферометра. В них подвешены два массивных зеркала; свет от них отражается, возвращается и вновь соединяется в полупрозрачном зеркале. В «спокойном» состоянии длины плечей подобраны так, чтобы два луча после воссоединения шли обратно в направлении лазера и гасили друг друга в направлении датчика. Тогда фотодетектор оказывается в полной тени и не видит сигнала. Гравитационная волна слегка смещает зеркала: одно плечо растягивается, второе сокращается. Это приводит к тому, что компенсация двух лучей становится неполной и часть света уже попадает на фотодатчик, причем чем сильнее смещение, тем более яркий свет он увидит.
Интерес к интерферометрическому методу связан не только с потенциально высокой чувствительностью. У интерферометра есть огромный плюс по сравнению с резонатором: он не просто позволяет регистрировать факт прихода гравитационных волн, но и отслеживает профиль гравитационно-волнового всплеска. Резонансный цилиндр настроен на строго определенную частоту: по нему стукнули, и он зазвенел. А интерферометр — это прибор с широкой спектральной чувствительностью. Он прочерчивает профиль всплеска — и по его форме сможет определить, что за объект и в ходе какого процесса излучил гравитационные волны. Более того, если мы заранее знаем, какой профиль мы ищем, то мы можем лучше отделить настоящий сигнал от фона и шумов. Наконец, если есть несколько далеких друг от друга интерферометров, то по разности фаз между пойманными ими всплесками можно вычислить направление прихода гравитационной волны. С несколькими резонирующими цилиндрами такой трюк не пройдет.
Но в эти прекрасные мечты грубо вмешивается реальность — многочисленные источники шумов, начиная от обычных вибраций и заканчивая шумами внутри самого лазера. На рис. 3 приведен ожидаемый «бюджет шумов» для детектора LIGO в его начальной стадии. При низких частотах доминируют вибрации различного происхождения, а также тепловые колебания в подвесе и в самом зеркале. При высоких частотах — всё пожирает растущий с частотой дробовой шум, неустранимый результат того, что свет регистрируется датчиком не в виде плавной волны, а отдельными отсчетами, пофотонно. И вся полувековая история поисков гравитационных волн — это, фактически, борьба с шумами.
Но мы уже забежали далеко вперед; давайте вернемся снова на полвека назад. Самое первое предложение использовать оптический, а не механический прибор для периодического измерения метрики было высказано в 1962 году в работе советских физиков М. Е. Герценштейна и В. И. Пустовойта. Начав с критики предложения Вебера по резонансному методу детектирования, авторы заметили, что гораздо удобнее для изучения релятивистского эффекта (от гравитационных волн) использовать релятивистский же инструмент — свет. Заметьте, что начало 60-х годов — это время, когда только-только был придуман лазер и физики с упоением находили новые применения этому источнику когерентного монохроматического света. И хотя никакой мало-мальски серьезной проработки в той статье представлено не было, физическая интуиция оказалась верной.
Бэриш
Следующим важнейшим моментом в истории LIGO стала реорганизация всего проекта, которую предпринял Барри Бэриш, сменивший в 1994 году Рохуса Вогта на посту руководителя. Бэриш пришел в проект из физики элементарных частиц, и к тому времени он уже имел солидный опыт успешного руководства крупными экспериментальными коллаборациями. Став директором LIGO, он предпринял несколько ключевых шагов, которые придали проекту новые силы и без которых, как считают многие, LIGO вряд ли бы добрался к настоящему времени до своей нынешней чувствительности.
Во-первых, он превратил LIGO из «домашнего» эксперимента Калтеха и MIT в крупнейший и по-настоящему международный научный проект. Коллаборация расширилась на весь мир и стала открыта для многочисленных институтов из самых разных стран. Во-вторых, в 1997 году он дальновидно разделил всю коллаборацию на две части. Чисто техническими аспектами детекторов заведовали теперь Лаборатории LIGO в двух родительских институтах, а анализ данных и вся научная работа легли на плечи научной коллаборации (LSC, LIGO Scientific Collaboration), первым директором которой был назначен Вайсс.
В-третьих, Бэриш настоял на поэтапном плане ввода установки в строй и ее работы. На начальном этапе чувствительность LIGO была недостаточна для надежного открытия гравитационных волн — слишком мала была вероятность того, что в доступном для исследовании объеме космоса произойдет грандиозное гравитационно-волновое событие. Зато благодаря этому LIGO заработал в 2002 году и несколько лет исправно набирал данные, помогая физикам и техникам отточить все аспекты работы установки. Этот этап, включая подготовку к кардинальной модернизации, прошел под руководством Бэриша. В 2005 году он покинул этот пост, переключившись на еще более грандиозный научный проект, Международный линейный коллайдер. А обсерватория LIGO, получив от него мощный «заряд бодрости», продолжала слушать Вселенную. В 2015 году, после кардинальной модернизации, начался второй этап проекта, Advanced LIGO, — и по счастливому стечению обстоятельств обсерватория сразу же поймала свой первый гравитационно-волновой всплеск.
1) The Nobel Prize in Physics 2017 — материалы Нобелевского комитета, посвященные лауреатам 2017 года, их роли в создании и запуске гравитационно-волновой обсерватории LIGO.
2) P. R. Saulson. Physics of gravitational wave detection: Resonant and interferometric detectors // лекция на конференции 26th SLAC Summer Institute on Particle Physics, август 1998 года.
Игорь Иванов
- elementy.ru
Нобелевская премия по физике за 2017 г. за открытие гравитационных волн
Ее получили американские физики Райнер Вайсс (Rainer Weiss), Кип Торн (Kip Thorne) и Барри Бэриш (Barry Barish), под руководством которых в США был реализован проект LIGO.
Нобелевские лауреаты 2017 года: Райнер Вайс, Кип Торн и Барри Бэриш («Физика»)
Его главными элементами являются две обсерватории в штатах Вашингтон и Луизиана, удаленные друг от друга на 3002 км. Поскольку скорость распространения гравитационных волн равна скорости света, данное расстояние «гравитация» преодолевает ровно за 10 миллисекунд, что облегчает расчеты. Обсерватории представляют собой интерферометры Майкельсона, совмещенные с двумя мощными лазерами. Их использование позволяет установить направление на источник гравитационных флуктуаций и определить их силу.
Схема гигантского интерферометра проекта LIGO, с помощью которого нобелевским лауреатам 2017 г. удалось зарегистрировать гравитационные волны
Еще 14 сентября 2015 г. до Земли дошла гравитационная волна от столкновения двух массивных черных дыр, которые находились на расстоянии 1,3 млрд. световых лет от Солнечной системы. Ее то и удалось зарегистрировать с помощью обсерваторий LIGO, подтвердив тем самым экспериментально само наличие гравитационных волн. Необходимо отметить, что их существование предсказал еще Альберт Эйнштейн в далеком 1915 г. в рамках Общей Теории Относительности.
Открытие гравиволн — действительно фундаментально, поскольку способно стать отправной точкой для развития систем связи на основе гравитационного взаимодействия, а в далеком будущем – и создания транспортных средств для путешествий (в т.ч. межзвездных) через «изнанку пространства», которые многократно описаны фантастами.
Скрытые закономерности
Другая половина Нобелевской примени присуждена за открытие в начале 1980-х годов «скрытых закономерностей в неупорядоченных сложных материалах», что сокрыты за кажущимися случайными движениями и завихрениями в газах или жидкостях. Его работа являются важным вкладом в теорию сложных систем, а также примечательно тем, что ее аспекты можно применить к нейробиологии, машинному обучению и формированию полета скворцов.
Итальянский физик-теоретик Джорджо Паризи. Система, которая была им рассмотрена около 1980 года, называется спиновым стеклом, хотя разработанные методы и сформулированные принципы оказались применимыми к значительно более широкому спектру объектов.
Доктор Паризи – итальянский физик-теоретик, родившийся в 1948 году в Риме, чьи исследования были сосредоточены на квантовой теории поля и сложных системах. Он получил степень доктора философии в Римском университете Сапиенца в 1970 году. Является профессором Римского университета Сапиенца.
Итак, какие системы ученые называют сложными? Те, что состоят из множества частей, взаимодействующих друг с как самостоятельные элементы. Их одновременное взаимодействие, будучи разнонаправленным, придает сложной системе ее отличительную черту, а именно появление новых свойств, которые отсутствуют на уровне отдельных элементов и не сводятся к характеристикам элементов, составляющих систему.
Уже исходя из одного определения, можно понять, насколько сложная эта тема. И описать ее с помощью математики невероятно трудно, ведь необходимо учесть все возможные варианты взаимодействия элементов друг с другом. А элементы, как известно, часто ведут непредсказуемо, так что в любой системе огромную роль играет Его Величество Случай.
Церемония вручения Нобелевской премии по физике, 2021 год.
Но около 40 лет назад Джорджо Паризи доказал, что совершенно случайные на первый взгляд факторы связаны между собой и даже подчиняются определенным правилам. Если попробовать объяснить совсем простыми словами, то работа итальянского физика позволяет свести воедино все неизвестные переменные. Их объединение, например, в «общий фактор неопределенности» значительно повышает точность не только расчетов, но и предсказаний.
Что вновь возвращает нас к предыдущим лауреатам и их работе по климатическому моделированию: работа Паризи позволяет климатологам строить значительно более точные модели происходящих климатических изменений, как в результате антропогенной деятельности, так и множество других факторов.
Развитие физического познания охватывает все новые области действительности. И физика сложных систем – как раз одно из них.
В заключении же хочу сказать, что работа итальянского физика демонстрирует нам, что «понять лес, созерцая дерево – не сложно. На самом деле это невозможно». Порядок, отмечает Паризи, существует только на соответствующем масштабе и хаос «на нижнем уровне» ему не помеха. Безусловно, можно искать закономерности и в климате и погоде – но лишь на уровне статистики и учтя при этом множества прочих факторов – сложные системы требуют неординарных решений.