2000 №2

Нобелевские премии 1999 года

Нобелевскую премию прошедшего года по физике получили теоретики из Голландии Герард Хуфт и Мартин Велтман. Они впервые надежно показали, что теория может заранее предсказать свойства даже еще не открытых частиц. Их выводы подтвердили эксперименты, проведенные на ускорителях Европы и Америки.

Герард Хуфт.

Мартин Велтман.

Работы нобелевских лауреатов относятся к весьма сложной и глубокой теории микромира, именуемой теорией электрослабого взаимодействия. В кратком сообщении о сути этой теории говорить не будем, а интересующихся читателей отсылаем к публикациям журнала (см. «Наука и жизнь» №№ 1, 11, 12, 1996 г., №№ 2, 3, 1997 г.). Важнейшим результатом исследований Хуфта и Велтмана можно считать теоретическое предсказание свойств неуловимой частицы — так называемого бозона Хиггса. Без нее теория элементарных частиц оказывается неполной, и надежды на ее «поимку» физики связывают с Большим протонным коллайдером (LHC), который заработает в Центре европейских ядерных исследований (ЦЕРНе, Женева) в 2005 году.

Химические реакции могут проходить с различными скоростями: чем сильнее нагреты вещества, тем быстрее они провзаимодействуют. Простую зависимость скорости реакции от температуры вывел в конце XX века шведский химик Сванте Аррениус. Однако при очень сильном нагреве реакции проходят столь быстро, что о процессах на молекулярном уровне можно было судить только по косвенным признакам и теоретическим расчетам. Молекула успевает распасться на компоненты, или наоборот: отдельные атомы могут собраться в молекулу за ничтожно малый промежуток времени — 100–200 фемтосекунд (1 фс = 10^-15 сек). Динамика таких сверхбыстрых явлений долго оставалась одной из фундаментальных проблем современной химии.

В конце 80-х годов сотрудник Калифорнийского технологического института Ахмед Зивэйл начал цикл работ по исследованию сверхбыстрых реакций, инициируемых лазерным импульсом фемтосекундной длительности. Первым стал эксперимент по изучению распада молекулы цианида иода: ICN —> I + CN, происходящего за 200 фемтосекунд. При изучении диссоциации иодистого натрия Nal —> Na + I лазерный импульс сжимал ионную пару Na⁺I до расстояния 0,28 нанометра (10^-9 м) между атомами, создавая соединение [Nal]*. Предполагалось, что его атомы скрепляет ковалентная связь, при которой оба атома охватывает общее электронное «облако». Однако выяснилось, что свойства соединения меняются из-за быстрых колебаний атомов. Когда расстояние между атомами возрастает до 1–1,5 нм, они превращаются в ионы, а при сближении действительно возникает ковалентная связь. В средней же точке колебательного цикла, на расстоянии около 0,69 нм, возникает очень высокая вероятность, что молекула вернется в свое основное состояние или распадется на атомы иода и натрия. Затем последовали многочисленные эксперименты по изучению органических соединений, позволившие обнаружить не известные ранее стадии реакций синтеза и распада сложных молекул.

Увидеть их позволила виртуозная техника исследований. Мощный лазерный импульс вызывает какие-то изменения в состоянии молекул. Возвращаясь в исходное состояние, они испускают излучение, по спектру которого можно судить о протекающих процессах. При этом необходимо регистрировать импульсы излучения длительностью 10^-10 — 10^-14 секунды.

За работы в области фемтохимии А. Зивэйл был удостоен Нобелевской премии 1999 года по химии. Конечно, его вклад в мировую науку трудно переоценить. Столетиями химики пользовались терминами вроде «активация» или «переходное состояние», не видя, что же в действительности эти явления собой представляют. Теперь такая возможность у химиков появилась.

Следует заметить, однако, что первые работы в области фемтосекундных процессов начались в нашей стране, и значительно раньше (см. «Наука и жизнь» № 9, 1995 г.). В 70-х годах была открыта и детально исследована реакция распада многоатомных молекул под действием мощного инфракрасного лазерного импульса. Частота излучения подбиралась так, что импульс вызывал резонансные колебания атомов в молекуле, приводящие к ее разрыву. Позднее эти работы, проведенные под руководством доктора физико-математических наук В. Летохова, легли в основу принципиально нового метода разделения изотопов. Сегодня технология лазерного разделения успешно разрабатывается во многих странах.