Нобелевские премии 1999 года

(«Nature», 1999, v.401, р.518,625)

Физика

Награды удостоены профессора Утрехтского университета (Нидерланды) — 68-летний Мартинус Вельтман и 53-летний Герадус 'т Хоофт за вклад в теорию электрослабого взаимодействия. В конце 60-х годов физики наконец нашли идею, на основе которой можно пытаться унифицировать, объединять четыре известных взаимодействия (сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное), — это принцип калибровочных полей, когда физическое поле считают как бы для того и существующим, чтобы уравнения имели не глобальную, а более сильную — локальную, то есть зависящую от пространственно-временных (или других) переменных, симметрию. Американец С. Вайнберг и пакистанец А. Салам, опираясь на работу Ш. Глэшоу из Гарварда, сделали на этом пути первый шаг — свели электромагнитное и слабое взаимодействия к одному, названному «электрослабым». Его должны переносить виртуальные фотоны, а также гипотетические массивные (порядка 90 масс протона) частицы W⁺, W^– и Z⁰, наблюдать которые можно только на очень мощных ускорителях.

Однако в теории Вайнберга — Салама был крупный недостаток: сумма ряда, каждый член которого описывал вероятность одного из возможных сценариев виртуальных обменов (их наглядно изображают диаграммами Фейнмана), неограниченно возрастала. С подобной проблемой ранее уже встречались в квантовой электродинамике, где, например, вычисленный заряд электрона тоже оказывался бесконечным. Но там удалось найти способ борьбы с расходимостями — так называемый «метод перенормировки». Суть его в том, что заряд экспериментально наблюдаемой частицы — это не то же самое, что заряд абстрактной, «голой» частицы, изолированной от всего остального мира; из-за взаимодействия с вакуумом электрон «одевается в шубу» виртуальных частиц, которые экранируют, уменьшают его заряд. А с учетом эффекта шубы, тоже бесконечного, реальный заряд будет уже конечным (иначе говоря, из одной бесконечности вычитают другую и получают конечное число).

Метод перенормировки указывает, как выполнять эту необычную процедуру. Его разработали С. Томонага, Ю. Швингер, Р. Фейнман и Ф. Дайсон полвека назад, за что первым трем из них в 1965 г. была присуждена Нобелевская премия. Правда, такая «игра» с бесконечностями — довольно искусственный прием, и, как заметил сам Фейнман, «по-видимому, это просто способ «заметать под ковер» трудности, связанные с расходимостями». Тем не менее он давал численные значения физических величин, которые с огромной точностью совпадали с измеряемыми на опыте, — значит, им можно пользоваться.

Было крайне важно показать, что в теории электрослабого взаимодействия аналогичный метод тоже применим, то есть что она тоже перенормируема. Эту задачу и решили с помощью ЭВМ нынешние лауреаты — в 1971 г. совсем молодой тогда 'т Хоофт, развив подход своего научного руководителя Вельтмана, продрался через джунгли сложнейших вычислений и убедился, что все расходимости взаимно сокращают друг друга (компьютер стал выдавать последовательность нулей). Как писал 'т Хоофт, успеху способствовали работы советских теоретиков Л.Д. Фаддеева, В.Н. Попова, Е.С. Фрадкина и И.В. Тютина.

В 1979 г. Вайнберг, Салам и Глэшоу получили за свою теорию Нобелевскую премию, а в 1984 г. ее вручили С. ван дер Мееру и К. Руббиа — под их руководством на ускорителе в ЦЕРНе были открыты предсказанные W и Z частицы. И вот теперь отмечены заслуги перенормировщиков, которые, по словам американского физика С.Коулмена, «превратили лягушку Вайнберга — Салама в очаровательную принцессу».

Химия

За основополагающие работы в области фемтохимии награжден 53-летний американец египетского происхождения Ахмед Зивайл. Он младший коллега Л. Полинга в Калтехе, преемник его кафедры химической физики и, как отмечают, блестящий лектор. Сам лауреат поясняет суть получивших признание достижений так: ученые освоили как бы сверхскоростную киносъемку химических процессов, тем самым выявляя ранее скрытые их детали, — примерно так же, как скоростная фотосъемка скачущей галопом лошади еще в прошлом веке позволила установить, что есть моменты, когда все четыре ее ноги находятся над землей

Сейчас физики умеют получать лазерные импульсы длительностью менее 5 фемтосекунд (1 фс = 10^–15 с) и уже приближаются к аттосекундным (1 ас = 10^–18с). Последовательно подавая их с интервалом в 10—100 фс, можно экспериментально изучать ход реакций в реальном времени, то есть с таким пространственно-временным разрешением, который соответствует этапам перестроек молекул. А значит, у химиков появилась возможность пектроскопически исследовать молекулярную динамику, получить доступ к святая святых каждой реакции — ее переходному состоянию, которое раньше изучали только теоретически.

Но и это еще не все — под руководством Зивайла создана аппаратура, позволяющая наблюдать также геометрию промежуточного состояния. Для чего первый фемтоимпульс направляют на фотокатод, который генерирует сверхкороткий электронный пучок; одновременно другой импульс (от второго лазера) вызывает трансформацию химической системы в переходное состояние, и в этот момент в нее попадает пучок электронов, ускоренный сильным электрическим полем. Возникает дифракционная картина, расшифровка которой дает информацию о структуре молекул в переходном состоянии.

Хорошей иллюстрацией этих методов служит недавняя работа Зивайла с сотрудниками («PNAS USA», 1999, v.96, р.338). Проводя фотолиз молекул CF₂I—CF₂I, в результате которого образуются CF₂—CF₂ и I₂, они решили выяснить, как, через какие промежуточные стадии проходит реакция. Оказалось, что две связи С—I рвутся неодновременно — сначала (через 200 фс) одна, а затем (через 32 пс, то есть 32 000 фс) — вторая. Но какова структура промежуточного радикала CF₂I—CF₂, ведь она в принципе может быть двоякой:

Используя дифракцию электронов, удалось однозначно определить, что реализуется первая из них (без мостика).

Еще один эффект: с помощью фемтоимпульсов удается синхронизовать, сделать когерентными колебания в ансамбле исходно хаотически движущихся атомов и молекул. После этого, подавая с определенной задержкой точно подобранный по частоте, амплитуде и форме новый импульс, можно направить реакцию в одно, нужное исследователям русло и обеспечить избирательный выход требуемого продукта (см. «Новости науки», 1998, № 8). Простейший пример: молекулы диоксида хлора при одних параметрах управляющих импульсов распадаются на СlO и О, а при других — на Сl и О₂.

Применение таких коротких и частых световых импульсов стало основой химии атомного разрешения, химии переходного состояния, когерентной химии — всех их объединяют понятием фемтохимии, открывшей новую эру в древней науке. Можно ожидать, что в ближайшие годы будут раскрыты многие тайны сложных и сверхбыстрых химических процессов, например фотосинтеза, ими научатся управлять. Наверняка эта Нобелевская премия — не последняя в лазерной химии.

Физиология и медицина

Лауреатом стал 63-летний немец Гюнтер Блобелъ, уже более 30 лет живущий в США, за исследования внутриклеточного распределения и транспорта белков. Он работает в Рокфеллеровском университете Нью-Йорка, два сотрудника которого — К. де Дюв и Дж. Паладе уже получили в 1974 г. высшую научную награду именно за изучение структурной и функциональной организации клетки (Блобель считает Паладе своим учителем).

После синтеза на рибосоме каждый белок должен попасть в место своего назначения — определенный внутриклеточный отсек или органеллу. Так, известно, что в митохондриях часть их белков закодирована в их собственных ДНК и эти белки производятся непосредственно в них, а часть — в хромосомах клеточного ядра, и они попадают в митохондрии извне. Значит, идет как бы внутренняя секреция белков — их перенос через мембраны эндоплазматического ретикулума или органелл. Однако большинство белков гидрофильны, поэтому самостоятельно преодолеть липидные барьеры они не могут — им требуется помощь специальных белковых комплексов (пермеаз), расположенных в мембране. При этом перемещение белковой цепи через мембрану может быть сопряжено с ее синтезом на рибосоме (с процессом трансляции); иначе говоря, происходит направленная, «векторная» трансляция — такую гипотезу развивал Блобель с коллегами в 70-е годы.

Эксперименты показали, что белковая молекула попадает в нужный отсек в соответствии с ее «адресной биркой» — сигнальной цепочкой из 15–30 аминокислот, расположенной в начале синтезируемой на рибосоме поли- пептидной цепи (поэтому ее называют также «лидерной цепочкой», или просто «лидером»). Как только лидер-бирка сходит с рибосомы, с ним связывается особый, сигнал- узнающий белок, который затем стыкуется со своим пермеазным комплексом на мембране, поэтому рибосома оказывается с ней в тесном контакте. В результате в этом месте мембраны возникает пора, и через нее проталкивается лидер, который тянет за собой — по мере ее удлинения — всю синтезируемую полипептидную цепь; затем мембранная протеаза отщепляет лидерную цепочку. (Все это напоминает продергивание нитки вслед за швейной иглой, которую тоже в итоге «откусывают».)

В лаборатории Блобеля удалось выяснить многие детали этих процессов, и они уже вошли в учебники. Правда, такой способ белкового транспорта, видимо, не универсален — есть белки, проникающие через мембрану по-иному, например когда полипептидная цепь образует гидрофобные «шпильки», внедряющиеся в липидный бислой и помогающие транслокации всего белка (чему могут способствовать мембранный потенциал и поток протонов).

Вообще проблема переноса через мембраны различных макромолекул, скажем, нуклеиновых кислот, еще далека от решения. В то же время известно, что неправильное их распределение приводит к различным патологиям. Поэтому знание топографии белков и других молекул, понимание механизмов их транспорта важно и для медицины; в частности, оно позволит доставлять лекарства точно по адресу — не только в нужные клетки, но и в нужные отсеки внутри них.

В Гарварде в очередной раз присуждали шутливые нобелевские премии. В комическом шоу приняли участие четыре настоящих нобелевских лауреата, а также другие научные «нобили».

В номинации «образование» награду получили отвечающие за него чиновники из штатов Канзас и Колорадо; они считают, что «школьники не должны верить в дарвиновскую теорию эволюции больше, чем они верят в закон всемирного тяготения Ньютона или теорию электромагнетизма Максвелла». По физике лауреатом стал австралиец Л. Фишер, исследовавший, как лучше смачивать печенье в чае. Премию по медицине поделили норвежец А. Ватл, изучивший разнообразие емкостей, в которых пациенты сдают мочу на анализ, и американцы Дж. и Ш. Блонски за изобретение быстро вращающегося кресла для рожениц (эта центрифуга должна ускорять разрешение от бремени). По химии всех опередил японец Т. Макино, разработавший детектор супружеской неверности — аэрозоль, которым обрабатывают нижнее белье (принцип действия чудо-средства не раскрывается).