Увидеть другую Землю?

Аналог Земли на достаточно большом расстоянии может быть обнаружен методом транзитов (прохождение по диску звезды), см. предыдущую статью в ТрВ № 5 (49). При этом можно примерно оценить ее размер, и все. Можно получить гораздо больше информации, но уже другими средствами. На это были направлены два проекта -европейский «Дарвин» и проект НАСА TPF (Terrestial planet finder). «Дарвин» уже закрыт, практически не начавшись (в 2007 г.), TPF — еще нет (но и финансирование еще не выделено). Представим, что мы могли бы узнать о двойнике Земли с расстояния около 30 световых лет, если бы проект «Дарвин» был реализован.

«Дарвин» задумывался как космический интерферометр из нескольких инфракрасных телескопов, аналогичных уже запущенному «Гершелю». Проект основан на методе интерферометрического зануления света звезды. Если несколько таких телескопов, расположенных в десятках метров друг от друга, могут управляться с микронной точностью с помощью микродвигателей, можно добиться того, что свет от выбранной звезды будет почти полностью занулен, а свет планет, обращающихся вокруг нее, — нет. Самое важное — то, что при этом можно снять спектр планеты в инфракрасном диапазоне, и этот спектр может сказать о многом. На рис. 4 — расчетный спектр Земли, как он был бы снят «Дарвином» с расстояния 10 парсек за 100 часов. Прекрасно видны молекулярные полосы поглощения CO₂, воды и, главное, озона. Такое количество озона (соответственно кислорода вообще) может быть, только если на планете есть жизнь. Дело в том, что кислород — очень активный элемент, он должен быть химически связан. Небольшое количество кислорода могут давать космические лучи, разбивая молекулы CO₂ или воды. Но большое количество кислорода в атмосфере однозначно говорит о том, что на планете идет мощный неравновесный процесс. Нам известен только один такой процесс — жизнь.

Почти научная фантастика

Очень хотелось бы дожить до открытия внеземной жизни, но, судя по «энтузиазму» с которым развиваются соответствующие проекты, пора смириться с нереальностью этой мечты. Будущие поколения, безусловно, найдут планеты с линиями поглощения молекул кислорода. Что дальше? В принципе эти планеты можно рассмотреть получше, затратив еще гораздо большие средства: где-то на бумаге существует концепция большого массива космических телескопов, способного дать снимок земли с расстояния 30 световых лет с разрешением 25 х 25 пикселей.

А можно ли послать туда зонд? «Болванку», которая прибудет в тот район через миллион лет? Нет проблем. Но в принципе возможен и зонд, который долетит за исторический масштаб времени — тысячи лет и сможет передать на Землю информацию (если здесь еще будет тот, кто способен ее принять). Здесь очень много проблем, но не принципиальных научных, а технологических, в принципе решаемых при больших затратах. Но главная проблема в другом: человек не является таким биологическим видом, у которого есть естественная мотивация прилагать усилия ради далеких поколений. По крайней мере сейчас не является.

Существовали ли вообще в истории проекты, рассчитанные на поколения вперед? Утопические теории при этом рассматривать не стоит — только практические шаги, связанные с серьезной затратой усилий и средств. Я слышал про один такой. Шведский король из династии Васа (вероятно, Густав Адольф) еще в XVII в. повелел посадить на острове в оз. Веттерн дубовый лес и при этом на протяжении десятилетий обрубать нижние ветви у дубков, чтобы к 2000 г. вырос стройный корабельный дубовый лес для шведского флота. И такой лес действительно вырос — сейчас туда валом едут туристы, вполне окупая затраты трехвековой давности. Это вселяет некоторую надежду.

Главный смысл многих масштабных проектов, если смотреть с большого расстояния, часто отличается от декларируемого. Допустим, ценой усилий группы государств, сравнимых с усилиями египтян по строительству пирамид, запущены несколько зондов к перспективным экзопланетам. Ядерные установки, плазменные двигатели, большие антенны и т.п. Основные данные ожидаются через тысячи лет, а каждый год приходят на Землю текущие рабочие данные. Заключается ли основной смысл проекта в тех долгожданных данных от экзопланет? А может быть, главный смысл — в том, что, как подсказывает чутье, все это сильно повысит шансы на существование людей, способных принять отправленные данные к проектному сроку?

Михаил Кацнельсон

Что может современная теоретическая физика сказать о мире вокруг нас, не уходя в микро- или макромиры? Научно-популярному рассказу об одной из проблем физики твердого тела посвятил свою новую статью наш постоянный автор, докт. физ. -мат. наук, профессор теории конденсированного состояния Университета Радбоуда (Нидерланды) Михаил Кацнельсон.

Когда речь заходит о популяризации современной теоретической физики, дело почти неизбежно заканчивается суперструнами или, в крайнем случае, ранней Вселенной. Надо сказать, что по стилю, по характеру работы, по психологии научного творчества эта теорфизика радикально отличается от теорфизики, непосредственно имеющей дело с «миром вокруг нас». Основным разделом такой «земной» теорфизики сейчас является теория конденсированного состояния. Как мне кажется, было бы интересно попытаться рассказать о чем-нибудь, что реально интересовало и интересует моих коллег.

Я выбрал в качестве примера проблему Кондо, которая удовлетворяет обоим условиям, уместным как предпосылки такого рассказа.

1. Она на самом деле важна в современной теоретической физике и стимулировала развитие методов квантовой теории многих частиц, как, пожалуй, никакая другая задача. В то же время она сравнительно малоинтересна для приложений и тем самым представляет собой чистый случай задачи, интересной главным образом по внутренним причинам.

2. Я её люблю. Первую работу по проблеме Кондо написал в 1981 г., с тех пор регулярно ею занимался и занимаюсь (наряду с другими делами). Самая недавняя моя статья по проблеме Кондо появилась в научном журнале (Physical Review B, prb. aps.org. — ТрВ) в марте 2010 г.

Предпосылки для дальнейшего

Популяризация с нуля — дело неблагодарное и трудное, так как, стараясь быть максимально понятным широчайшим трудящимся массам, неизбежно рискуешь вогнать в скуку коллег (в широком смысле слова). Это попытка популяризации на промежуточном уровне, рассчитанная на тех, кто знаком с самыми общими основами квантовой механики, но никогда не слышал о проблеме Кондо как таковой. Я считаю известным, что:

1. Состояние многоэлектронной системы описывается антисимметричной волновой функцией, которая в случае невзаимодействующих электронов может быть представлена как слэтеровский детерминант, построенный из одноэлектронных функций соответствующей задачи.

2. Проекция спина (внутреннего углового момента) электрона на произвольное направление может принимать только два значения — вверх или вниз.

3. Электроны в металле описываются состояниями, соответствующими более-менее свободному движению. Состояния с наинизшей энергией заняты, причем в каждом состоянии с заданным импульсом может находиться не более двух электронов, отличающихся проекцией спина. Энергия последнего занятого состояния (или первого свободного, для металла это одно и то же, так как спектр непрерывный) называется энергией Ферми.