Самые ожидаемые научные эксперименты ближайшего десятилетия

Выбрать лучшие научные достижения даже за один год невероятно сложно. Нам не поможет и Нобелевская премия — ведь её невозможно вручить действительно всем выдающимся учёным (физик Фримен Дайсон, к примеру, свою премию явно заслужил, но был вынужден уступить её Швингеру, Фейнману и Томонаге).

Что касается различных подборок «ТОП 10», формируемых уважаемыми изданиями, то и здесь не обойтись без субъективности. В списке революционных технологий ближайших лет, составленном редакцией журнала Массачусетского технологического института “MIT Technology Review”, значатся самоуправляемые грузовые автомобили, технологии распознавания лиц и даже квантовые компьютеры, но нет открытий из аэрокосмической отрасли. Не все могут согласиться с подобным выбором, следя за судьбой «невозможного» двигателя EmDrive.

Как выбрать самые ожидаемые эксперименты из сотен запланированных? Попробуем ориентироваться на масштаб (скорее всего, впереди нас ждут в массе своей только затратные опыты) и ценность для всего человечества. В начале 2018 года мы решили собрать вместе перспективные технологии, которые изменят наше будущее.

ITER

Главная надежда человечества на дешевую доступную энергию — термоядерный реактор ITER. Прошло уже десять лет с момента начала строительства Международного экспериментального термоядерного реактора (International Thermonuclear Experimental Reactor), хотя теоретические основы его работы были заложены еще советскими учеными в середине 20 века (с началом использования токамаков). Проект, в котором участвуют 35 стран, должен продемонстрировать возможность коммерческого использования термоядерного реактора.

Стоимость проекта на данный момент составляет 18 миллиардов евро. В начале декабря 2017 года официальные лица ITER объявили, что завершено 50 % всех строительных работ, необходимых для получения первой плазмы. Первый этап экспериментов, в котором водород будет превращен в горячий, электрически заряженный газ, в настоящее время планируется провести в 2025 году.

Экспериментальные установки для магнитного удержания плазмы ради достижения условий, необходимых для протекания управляемого термоядерного синтеза, уже десятилетиями генерируют энергию. Но до сих пор они требовали больше энергии для работы, чем генерировали сами. В эксперименте ITER рассчитывают преодолеть это ограничение за счет колоссальных размеров установки: токамак для удержания плазмы весит 23 тонны и занимает 840 кубических метров — в 10 раз больше емкости любого предыдущего аналогичного устройства.

Если всё пройдет удачно, ITER выйдет на полную мощность к 2035 году и даст возможность человечеству перестать использовать ископаемое топливо. Реактор будет использовать 50 мегаватт энергии для выработки 500 мегаватт энергии. В будущем ITER-подобные электростанции будут сопоставимы по стоимости с обычными атомными электростанциями. Но, в отличие от АЭС, термоядерные установки не будут производить радиоактивные отходы или каким-нибудь образом загрязнять атмосферу.

Генная сверхтерапия

Тысячи заболеваний возникают из-за ошибки в каком-нибудь гене человека. Генная терапия уже существует и помогает врачам лечить некоторые наследственные заболевания. До недавнего времени боковой амиотрофический склероз (БАС — с этим заболеванием борется Стивен Хокинг) считался неизлечимым, но в 2017 году исследователи из Калифорнийского университета в Беркли доказали, что генная терапия может победить БАС.

Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США одобрило генную терапию для лечения врожденной слепоты с помощью гена, который «включает» светочувствительные клетки глаза.

Испытания нового метода генной терапии гемофилии также прошли успешно. Китайским исследователям удалось успешно исправить мутацию в гене человеческих эмбрионов, приводящую к развитию анемии. Были и другие достижения — всё это только за один год!

Но что будет дальше? Во всех вышеперечисленных случаях ученые использовали технологию CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) Cas9, которая уже несколько лет позволяет редактировать ДНК в живых клетках. Эндонуклеазы Cas9 разрезают ДНК в нужных участках, комплементарных «шаблону» РНК-гида, после чего собственные системы репарации клетки сшивают концы ДНК, фиксируя изменения.

Однако метод оказался ненадежен. Исследователи из Колумбийского университета в Нью-Йорке установили, что технология редактирования генома CRISPR/Cas9 приводит к гораздо большему числу побочных (нецелевых) мутаций, чем считалось ранее.

Уже спустя несколько месяцев было предложено революционное решение, которое сможет вывести генную терапию на новый уровень. Ученые взяли вместо активного белка Cas9 его неактивную форму, которая может нацеливаться на определенные места в геноме, но уже не режет ДНК. Это решение можно считать одним из самых значительных прорывов в истории генетики.

Новый метод испытали на мышах с острой почечной недостаточностью — ученые успешно смогли активировать поврежденные или заглушенные гены, восстановив нормальную работу почек. Далее метод помог вылечить мышей от диабета первого типа и даже от мышечной дистрофии. При этом не было выявлено никаких опасных побочных эффектов.

Впереди осталось самое сложное: ученые должны провести эксперименты, отслеживая влияние «генетического программирования» на долгоживущих мышах и их потомстве. Затем, если всё пройдет хорошо, технологию можно будет испытать на людях и адаптировать для лечения человеческих болезней. Результаты следует ожидать через 5-10 лет.

Испытания «невозможного» двигателя

EmDrive вызывает полярные мнения. Речь идёт о двигателе, состоящем из магнетрона и резонатора, предполагаемая работоспособность которого не согласуется с современными научными представлениями о мироустройстве. Экспериментальные данные не дают однозначного подтверждения или опровержения работоспособности подобной установки.

При работе этого двигателя не используется топливо, что, по-видимому, нарушает закон сохранения импульса. При этом сам автор разработки, инженер Роджер Шойер, не может дать логичного объяснения принципа работы установки. К счастью, чертежи EmDrive открыты для исследователей.

В ноябре 2016 года было опубликовано исследование инженеров лаборатории NASA Eagleworks, в котором делается вывод о работоспособности EmDrive. Однако не все в научном сообществе согласились с этим исследованием. Тягу в 1,2 ± 0,1 мН/кВт, которую дает двигатель, можно объяснить погрешностями эксперимента.

Двигателем очень заинтересовались в Китае. Представители Китайской академии космических технологий заявили, что Китай не только успешно протестировал технологию EmDrive в своих лабораториях, но и приступил к испытаниям двигателя на космической станции Тяньгун-2. Работа космической лаборатории продлится до сентября 2018 года, после чего следует ожидать публикаций о результатах эксперимента. Если всё исследование не будет засекречено (и не окажется хитрой PR-кампанией китайской космической промышленности).

В перспективе EmDrive может открыть дорогу дешевым космическим полетам, а также более быстрым космическим путешествиям. Но самое главное, что двигатель самим фактом своего существования приведет к изменениям в значительной части физики. А это даст невероятный толчок для новых исследований и открытий.

Расширение границ физики

После Большого взрыва материя и антиматерия должны были быть созданы в равном соотношении. Материя и антиматерия взаимно аннигилируют, однако Вселенная, как мы видим, продолжает существовать. Физики предполагают, что на каждый миллиард пар частиц материи-антиматерии была создана одна лишняя частица материи.

Однако нарушение «вселенской симметрии» — это лишь предположение, которое ещё нужно подтвердить. На Большом адронном коллайдере (БАК) проводят эксперименты по обнаружению ошибок принципа симметрии заряда, чётности и времени (CPT-инвариантности). Согласно этому принципу, наполненная антиматерией «зеркальная» Вселенная должна иметь такие же законы физики, как и у нас, только в зеркальном отражении.

Пока в наших представлениях антиматерия остается идентичной материи. На БАК ищут пробел в парных частицах, который объяснил бы парадокс антивещества. В ближайшие годы эксперименты будут направлены на поиск SUSY-частиц — суперсимметричных частиц, доказательство существования которых также нарушило бы фундаментальный принцип симметрии.

Эксперимент ATLAS, который в 2017 году отметил 25-летие, остановлен вместе с экспериментом CMS до весны 2018 года для технической модернизации. Однако это только начало. На пиковую мощность БАК выйдет лишь в 2026 году. Кроме того, к этому времени планируется начать проект Future Circular Collider («наследник» БАК), а также запустить Международный линейный коллайдер (ILC) в Японии.

Определение симуляции Вселенной

Наш мир реален или мы все живём внутри компьютерной программы? С точки зрения обычного человека ответ на этот вопрос никакого значения не имеет (если, конечно, не допускать мысль о существовании Наблюдателей от авторов симуляции), однако для физики вопрос может оказаться принципиальным. Вернее, попытка найти ответ может оказать решающее значение для всего мира.

Физики-теоретики Зоар Рингел и Дмитрий Коврижи предположили, что невозможно моделировать проявление аномалий квантовых систем, таких как исследуемый ими квантовый эффект Холла. Это квантовый эффект, наблюдаемый в низкоразмерных твердотельных структурах, представляет собой макроскопическое проявление квантовых свойств вещества, и имеет важное значение как метод точного измерения универсальных физических констант.

Рингел и Коврижи рассчитали, что для хранения информации о нескольких сотнях электронов, свойственных такому эффекту, потребуется больше компьютерной памяти, чем тот объем, который «можно было бы создать, используя все атомы, существующие во Вселенной».

Однако данный метод основан на оперирующем действии классической механики интеграла Фейнмана. Интерпретация Фейнмана, возможно, является не единственной. Быть может, есть какой-то другой метод, позволяющий смоделировать квантовую систему с эффектом Холла.

В ближайшие годы мы сможем проводить больше экспериментов с квантовыми компьютерами — это даст нам возможность на новом уровне проверить, является ли Вселенная симуляцией или нет. Ученые из Мэрилендского университета Колледж-Парка и Национального института стандартов и технологий США создали модель квантовой системы, состоящей из 53 кубитов. Пока этого недостаточно, чтобы решать полезные задачи, но по прогнозам Cisco первый коммерческий квантовый компьютер, способный решать широкий спектр задач, появится уже к середине 2020 года.

Human Brain Project

Европейский проект «The Human Brain Project» (HBP) начался в 2013 году и рассчитан на 10 лет. В проекте участвуют сотни ученых из 26 стран мира и 135 партнерских институтов. HBP должен создать первую в мире компьютерную модель мозга человека и грызунов. Проект является беспрецедентным по своим масштабам и крупнейшим в истории экспериментом по изучению человеческого мозга с бюджетом $1,6 млрд.

Ученые планируют создать функциональный атлас нейронной активности мозга человека, который содержит 85 миллиардов отдельных клеток. В результате мы получим возможность лучше понимать болезни головного мозга и отслеживать процесс воздействия определенных лекарств, что позволит разработать совершенную диагностику и методы лечения.

Кроме того, детальное моделирование мозга требует значительных вычислительных мощностей, что даст импульс повышению производительности суперкомпьютеров, совершенствованию телекоммуникаций и методов интеллектуального анализа данных.

Исследования темной материи

Что такое темная материя? Точного ответа у нас пока нет, но её гравитационные эффекты можно увидеть на путях движения галактик. Выяснение природы темной материи поможет нам лучше понять природу Вселенной, однако многочисленные эксперименты, в которых должны были найти доказательства существования темной материи, показали совершенно разные результаты. Нет одного метода, нет и точных данных.

Первые наблюдения китайской орбитальной обсерватории DAMPE, предназначенной для поисков темной материи, говорят в пользу того, что темная материя действительно может распадаться в окрестностях орбиты Земли и в центре нашей Галактики. DAMPE (Dark Matter Particle Explorer) получила энергетический спектр высокоэнергетических электронов и позитронов космических лучей с высоким разрешением и малым уровнем шума.

В области 0,9 ТэВ на спектре наблюдается «провал» в количестве зарегистрированных электронов и позитронов, что косвенно подтверждает существование темной материи. Исследователи хотят получить более точные данные, однако DAMPE рассчитан еще только на один год работы. Более точных детекторов на сегодняшний день у нас нет, а это значит, работа станции, скорее всего, будет продолжена.