Большое будущее. Научные итоги 2010 года

В 2010 году наука бодро развивалась во всех областях. Физики сумели поймать в ловушку атомы антиматерии, астрономы почти нашли планеты, на которых могла бы завестись жизнь, биологи расшифровывали геномы новых видов людей, а инженеры запускали частные космические корабли. Все эти и другие интересные события уходящего года представлены в кратком обзоре научных итогов уходящего года.
 

Астрономические новости традиционно занимают самые привилегированные места на полосах всех научных СМИ – еще бы, открытия астрономов отличаются масштабностью и романтической загадочностью. В 2010 году исследователи космоса не раз оправдали ожидания интересующихся наукой читателей – например, сообщением об обнаружении самого удаленного объекта во Вселенной (а, значит, и самого старого из известных). Им оказалась галактика со сложным названием UDFy-38135539, которая образовалась спустя каких-то 600 миллионов лет после Большого взрыва (то есть сейчас ей 13,1 миллиарда лет), и сместила с пьедестала предыдущего рекордсмена – гамма-всплеск возрастом 13 миллиардов лет.
 

Из других рекордов можно перечислить самую тяжелую звезду (масса “пышки” RMC 136a1 равна массе 265 Солнц), самую молодую звезду (светило L1448-IRS2E находится между стадиями "недозвезды" и "протозвезды"), самую массивную нейтронную звезду, которая не укладывается в рамки существующих теорий образования этих объектов, и самую молодую экзопланету под названием BD+20 1790b, которая едва-едва разменяла 36-й миллион лет.

В 2010 году оформилась одна необычная тенденция, которая не вписывается в выбранное для этого обзора деление на разделы. Ученые-биологи, занимающиеся разделами науки, требующими монотонного перебора различных вариантов (а именно определением трехмерной структуры белков и выравниванием последовательностей ДНК), привлекли для своих исследований геймеров. Исследователи разработали игры, участники которых добровольно решают научные задачи, получая за это бонусы. Оказалось, что геймеры выполняют требуемые операции намного быстрее обычных и даже суперкомпьютеров. Подробнее о новом направлении игровой индустрии можно прочитать тут и тут.

Кроме того, в уходящем году астрономы сообщили, что им впервые удалось практически поприсутствовать при рождении черной дыры - в 1979 году ученые зарегистрировали в галактике M100 взрыв сверхновой (событие, очень часто завершающееся образованием черной дыры), в 1995 и 2007 годах телескопы уловили излучение новорожденной дыры. Из того, что еще в 2010 году удалось сделать впервые, стоит упомянуть прямое измерение спектра экзопланеты. Несмотря на то что первую планету, обращающуюся вокруг другой звезды, астрономы обнаружили еще в 1992 году, а сегодня число экзопланет перевалило за пять сотен, ученые исследуют эти объекты преимущественно косвенными (то есть не самыми надежными) методами. Изучать собственные спектры планет напрямую было невозможно, так как их “забивало” чрезвычайно яркое излучение звезды, но в 2010 году астрономы нашли способ преодолеть это затруднение. Анализ спектров внесолнечных планет даст ученым информацию об их составе и составе их атмосферы.
 

В 2010 году астрономы нашли, но почти сразу же потеряли потенциально обитаемую планету Gilese 581g. Зато под самый конец года ученые вновь пришли к выводу, что на “соседке” ненадежной Gilese 581g вполне может существовать жидкая вода – необходимый элемент для гипотетических обитателей планеты. Самое приятное, что система звезды Gilese 581 расположена относительно недалеко от Земли – свет добирается туда всего 20,5 лет.
 

Помимо более или менее удаленных объектов астрономы изучали и ближнее космическое пространство. Аппарат NASA под названием Deep Impact четвертого ноября пролетел на смешном, по космическим меркам, расстоянии в 700 километров от кометы Хартли-2 (при том, что еще в сентябре их разделяло 60 миллионов (sic!) километров). Во время сближения с кометой зонд получил массу фотографий, которые астрономам только предстоит изучить, а также выяснил, что Хартли-2 “работает” на замерзшем углекислом газе, а не на водяном льду, и плюется цианидами.
 

Ядро кометы Хартли 2. Фото NASA/JPL-Caltech/UMD

Еще один расположенный по соседству объект, который принес астрономам много сюрпризов в 2010 году – это Луна. В 2009 году NASA сбросило на ее поверхность сразу два “снаряда”, которые подняли облако пыли. Уже через два месяца после бомбардировки ученые сообщили, что в выброшенном при падении “снарядов” лунном грунте есть вода. В октябре 2010 года исследователи представили результаты более полного анализа, которые показали, что воды в некоторых регионах Луны вдвое больше, чем в пустыне Сахара. Кроме того, реголит, как еще называют поверхностный слой земного спутника, содержит очень солидные запасы серебра, магния, ртути, кальция, монооксида углерода и других веществ, которые вполне пригодились бы в полевой лаборатории будущих лунных поселенцев. Еще одно “лунное” достижение уходящего года - это составление самой точной из существующих карты земного спутника.
 

Одним из самых замечательных открытий 2010 года стало обнаружение в калифорнийском озере Моно бактерий, в буквальном смысле, живущих на мышьяке. Странные микроорганизмы научились использовать ядовитый элемент вместо фосфора и встраивать его в самые важные свои молекулы – в молекулы ДНК. Казалось бы, это открытие имеет мало отношения к астрономии – но если копнуть чуть глубже, то такое мнение оказывается ошибочным. Существование настолько необычных организмов может служить косвенным доказательством в пользу того, что жизнь во Вселенной возможна не только в привычной земным ученым форме, когда ключевыми элементами являются углерод, кислород, водород, азот и фосфор. А, значит, у специалистов есть шансы найти ее на самых непривлекательных для земных организмов планетах. Впрочем, вскоре после выхода статьи с описанием живущих на Земле “инопланетян”, коллеги авторов раскритиковали исследование, найдя в статье ряд серьезных недоработок, которые не позволяют назвать сделанные выводы достоверными.
 

Наконец, в 2010 году на Землю попали частицы пыли с самого настоящего внеземного объекта - японский зонд "Хаябуса" принес в своем контейнере около 1,5 тысяч мелких частиц с поверхности астероида Итокава. Предполагалось, что "Хаябуса" соберет больше пыли, но из-за технических неполадок миссия прошла не по плану. Созданный людьми аппарат впервые доставил на Землю фрагменты астероида - а в общем списке зондов, принесших на планету инопланетный грунт, "Хаябуса" стал шестым.
 

Физики в 2010 году практически догнали астрономов по частоте упоминания в СМИ. Главными “паровозами” физических новостей были коллайдеры – знаменитый Большой адронный коллайдер, построенный на границе Швейцарии и Франции, и менее раскрученный, но не менее заслуженный американский Тэватрон. В октябре появилось сообщение, что на одном из детекторов БАК – а именно, на детекторе CMS – был зарегистрирован странный эффект - при некоторых столкновениях протонов образующиеся частицы разлетались от места рождения не абсолютно независимо друг от друга (такое поведение частиц называют скоррелированным). Ученые предложили несколько возможных объяснений наблюдаемого явления, однако прояснить его природу можно будет только после дополнительных экспериментов.
 

В июле в интернете появились сообщения, что в экспериментах на Тэватроне удалось зарегистрировать рождение бозона Хиггса – о сенсационных результатах писал работающий на коллайдере Тэватрон итальянский физик. Позже коллеги итальянца опровергли его слова, назвав их всего лишь неподтвержденными слухами. Чуть позже физики с Тэватрона представили надежные и многократно перепроверенные данные уточняющие массу бозона Хиггса. На волне этого успеха ученые смогли собрать денег на продление работы Тэватрона.

В ноябре физики, анализирующие собранные на БАК данные, заявили о регистрации явления, важного для поимки пресловутого бозона Хиггса – частицы, которая отвечает за наличие массы у всех других частиц (в том случае, конечно, если нынешние модели, объясняющие устройство физического мира, верны). Ученые зафиксировали рождение пар Z-бозонов – эти элементарные частицы могут образовываться, в частности, при распаде бозона Хиггса. Опять-таки, пока говорить о поимке самого бозона Хиггса рано – для таких утверждений необходимо зафиксировать еще множество событий рождения Z-бозонов.
 

Безусловным физическим прорывом 2010 года можно назвать удержание атомов антивещества в специальной ловушке в течение длительного времени. Ученым из Европейского центра ядерных исследований (CERN – эта же организация курирует работу БАК) удалось синтезировать атомы антиводорода (впервые это было сделано в CERN в 2002 году) и удержать 38 из них в ловушке в течение десятых долей секунды. Используя новую технологию, физики, теоретически, смогут получить спектр антиводорода, который поможет им подтвердить или опровергнуть принцип CPT-симметрии и заодно общие представления об организации Вселенной.
 

Конденсат Бозе-Эйнштейна, который иногда называют пятым состоянием материи, - это состояние, в которое вещество переходит при температурах, близких к абсолютному нулю, и в котором оно начинает вести себя как гигантская квантовая частица.

Еще одна удивительная новость прошедшего года – уменьшение размера протона. По итогам самых точных на сегодняшний день измерений, исследователи заключили, что радиус этой частицы на четыре процента меньше, чем было принято думать, и составляет 0,84184 фемтометра (фемтометр - это 10^-15 метра). Два других достижения относятся к квантовой механике – ученым впервые удалось получить конденсат Бозе-Эйнштейна на основе фотонов и продемонстрировать квантовые эффекты для почти макроскопического объекта.
 

В 2010 году прогресс в развитии технологий микроскопии позволил ученым разглядеть отдельные молекулы и сфотографировать водородные связи - особый тип взаимодействия между атомами, определяющий, в частности, необычные свойства воды. Кстати, к 2010 году у ученых (правда, не физиков, а химиков) накопилось достаточно претензий к нынешнему определению водородной связи для того, чтобы Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) предложил изменить его с учетом открытых в последнее время новых свойств этого типа связей.
 

Российские физики в апреле ушедшего года объявили о синтезе нового трансуранового элемента периодической таблицы Менделеева – сотрудники Лаборатории ядерных реакций (ЛЯР) имени Флерова Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне зафиксировали шесть событий рождения ядер 117-го элемента.
 

Здесь можно прочитать интервью с руководителем ЛЯР Юрием Цолаковичем Оганесяном, в котором он рассказал о том, зачем физики ищут новые элементы, о лаборатории и проводящихся в ней экспериментах, а также о Сколково и об архитектуре.

Наконец, в 2010 году физикам удалось экспериментально подтвердить замедление времени, предсказанное в рамках общей и специальной теорий относительности Эйнштейна. Ученые при помощи сверхточных атомных часов смогли получить доказательства как замедления времени вблизи массивных объектов (наблюдателю, который находится дальше от объекта, будет казаться, что часы его напарника, который стоит рядом с объектом, идут медленнее), так и замедления хода часов при движении (с точки зрения неподвижного наблюдателя стрелки на часах движущегося коллеги будут перемещаться медленнее).
 

Уходящий год оказался неожиданно насыщен новостями из мира математики – обычно эта наука не попадает на страницы популярных изданий из-за своей чрезвычайной сложности и абстрактности. Математический бум начался в марте, когда Математический институт Клэя присудил Премию тысячелетия российскому математику Григорию Перельману за доказательство гипотезы Пуанкаре. Как и ожидалось, Перельман, до этого отказавшийся от медали Филдса – аналога Нобелевской премии для математиков – не захотел принять и Премию тысячелетия.
 

Cборка мозаики вслепую - один из примеров задачи класса сложности NP. Определить, правильно ли уложены все фрагменты, легко, но вот получить Мону Лизу из тысячи разноцветных кусочков, перебирая их сочетания, уже не так просто. Скриншот с сайта a1freegames

Обсуждение (зачастую весьма невежливое) решения Перельмана еще не затихло, когда появилась новость, что индийский математик Винэй Деолаликар справился с еще одной задачей тысячелетия – сотрудник лаборатории Hewlett-Packard в Пало-Альто опубликовал в Сети 116-страничную статью с доказательством неравенства классов сложности P и NP. За таинственной формулировкой скрывается очень важная математическая проблема, решение которой, в частности, позволит ответить на вопрос о том, смогут ли злоумышленники научиться вскрывать сложные шифры или это невозможно в принципе (подробнее о том, что на человеческом языке означает неравенство классов сложности P и NP, можно прочитать здесь). Известие о прорыве Деолаликара заставило сотни математиков по всему миру бросить свою повседневную работу и заняться проверкой доказательства индийца. Не прошло и недели, как в выкладках претендента на Премию тысячелетия были найдены серьезные ошибки, так что вопрос о равенстве классов сложности по-прежнему остается открытым (хотя большинство специалистов уверено, что они не равны).
 

Были в ушедшем году и свершившиеся достижения, которые математическое сообщество отметило вручением медали Филдса. В 2010 году одним из лауреатов “математической Нобелевки”, вручаемой раз в четыре года, стал россиянин Станислав Смирнов из Санкт-Петербурга, который в настоящее время работает в Женеве. Смирнов удостоился награды за свои работы по теории перколяции.
 

Наконец, в 2010 году было с рекордной точностью посчитано число Пи - в теперешней записи оно содержит 2 триллиона 699 миллиардов 999 миллионов 990 тысяч знаков после запятой. Предыдущая версия содержала всего около 2,6 триллиона знаков.
 

Сванте Паабо дал “Ленте.Ру” интервью, в котором рассказал о своих исследованиях, о том, почему он не любит слово “вид”, а также о том, где сегодня можно найти самых настоящих неандертальцев. Прочитать беседу с Паабо можно тут.

Для биологии 2010 год был по-настоящему выдающимся. Благодаря расшифровке генома неандертальца, выполненной в лаборатории Сванте Паабо в Лейпцигском институте эволюционной антропологии, ученые выяснили, что представители этого вида людей скрещивались с нашими непосредственными предками. Последствия тесных связей между двумя видами сохранились в геноме всех жителей Земли, за исключением коренных африканцев, - как оказалось, в наших хромосомах содержится от 1 до 4 процентов неандертальских генов. Это известие появилось в мае, а в конце года Паабо сообщил, что ему и его сотрудникам удалось доказать еще один факт неуставных отношений между Homo sapiens и новым видом людей, останки которых были найдены в Денисовой пещере российскими палеонтологами. “Денисовцы”, как назвали представителей третьей “продвинутой” ветви рода Homo (первые две – это неандертальцы и современные люди), дали современным жителям Меланезии от 4 до 6 процентов их генов.
 

Сванте Паабо с черепом одного из родственников Homo sapiens. Фото Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology

Вообще в 2010 году была в полной мере продемонстрирована мощь генетического подхода к биологическим исследованиям. Например, в феврале ученые представили очень подробное описание внешности и биохимии человека, жившего на территории Гренландии около 4 тысяч лет назад. Эта работа заслуживает внимание и сама по себе, но действительно выдающейся ее делает тот факт, что все эти сведения ученые “вытянули” из клочка волос, сохранившегося на найденном в Гренландии гребне. Иных источников информации у исследователей не было. Другой пример – выделение ДНК из окаменевшей скорлупы гигантских птиц, обитавших когда-то в Австралии, Новой Зеландии и на Мадагаскаре и истребленных человеком. А всего пять лет назад предположение, что грубые куски фактически камня могут служить источником самой исчерпывающей информации о древних птицах вызвало бы недоумение и усмешки заметного процента ученых.

Еще одна значимая находка ушедшего года – кости австралопитеков, найденных в пещере под названием Малапа, которая находится в так называемой Колыбели человечества – регионе Южной Африки, где было обнаружено около двух третей всех известных останков, имеющих отношение к эволюции человека. Новый вид австралопитеков был назван Australopithecus sediba ("sediba" на сото - одном из 11 официальных языков в Южной Африке - означает "источник"), и нашедшие его ученые не исключают, что он мог быть предком людей. Впрочем, коллеги открывателей нового вида австралопитека не так в этом уверены. Думается, споры ученых мог бы разрешить генетический анализ, однако пока авторы находки не сообщали о намерении его провести.
 

Бактерии M. mycoides с искусственным геномом под электронным сканирующим микроскопом. Фото с сайта jcvi.org

Одним из самых громких, но одновременно и самых спорных биологических достижений 2010 года стало создание организма с искусственным геномом. Автором этой работы выступил одиозный биолог Крейг Вентер со своими сотрудниками. Именно благодаря Вентеру ученые смогли впервые расшифровать геном человека к 2001 году, однако участие амбициозного исследователя в проекте закончилось скандалом – “добрый волшебник” предложил всем желающим приобрести полученные им последовательности ДНК за деньги, и только под давлением ученых и политиков он все-таки выложил их в открытый доступ. В 2010 году Вентер смог de novo синтезировать полный геном бактерии и пересадить его в пустую клетку родственного микроорганизма. Эта колоссальная по трудоемкости работа, по мнению Вентера, имеет важный практический и даже философский смысл, однако очень многие его коллеги, мягко говоря, сомневаются в научной ценности проделанного эксперимента.
 

Рассказ о развитии науки за прошедший год был бы неполным без упоминания об антидостижениях и неудачах. В 2010 году ученые так и не приняли окончательного решения о сроках и стоимости создания экспериментального термоядерного реактора ITER. По ходу работы над проектом реактора необходимые объемы финансирования все время растут, и одновременно уменьшается желание стран-участниц вкладываться в проект с неясной отдачей.
 

Еще один провальный пуск 2010 года состоялся (точнее, не состоялся) 10 июня 2010 года. Корейская ракета-носитель KSLV-1 уже второй раз не смогла вывести на орбиту спутник – через 8 минут после старта она взорвалась.

В 2010 году печально закончилась недолгая научная карьера единственного российского научного спутника “Коронас-ФОТОН” для изучения Солнца. Из-за ошибки в расчетах мощности аккумуляторов спутника через месяц после вывода на орбиту у него начали отключаться приборы. Ученые рассчитывали, что во время пребывания на бестеневых орбитах в апреле 2010 года аппарат сможет подзарядить аккумуляторы и возобновить нормальную работу, однако этого не произошло. Еще одна российская неудача – аварийный запуск трех спутников ГЛОНАСС 5 декабря 2010 года. Ракета-носитель не смогла вывести аппараты на орбиту из-за неправильно написанной формулы в технической документации на заправку разгонного блока.
 

Человеческий фактор стал причиной еще одного научного провала 2010 года. Нобелевский лауреат по физиологии и медицине 2004 года Линда Бак отозвала из научных журналов сразу две свои публикации по причине того, что она и ее сотрудники перестали доверять представленным в них результатам. Ведущим автором обеих статей был китайский исследователь Чжихуа Цзоу, работавший в лаборатории Нобелевского лауреата. В 2008 году Бак уже дезавуировала публикацию, в создании которой Цзоу принимал самое непосредственное участие. Эта история еще раз подчеркивает, насколько важен кадровый вопрос в науке.
 

2010 год стал последним в жизни марсохода “Спирит”, который вместе со своим “близнецом” по имени “Оппортьюнити” с 2004 года исследует поверхность Красной планеты. В марте 2009 года “Спирит” провалился в песчаную ловушку, из которой не смог выбраться, несмотря на все усилия специалистов. В последнее время “Спирит” не выходит на связь с учеными, большинство из которых склоняются к мысли, что он погиб, не выдержав марсианской зимы.
 

В ушедшем году Америка отказалась от своей лунной программы, однако однозначно отнести это решение к провалам нельзя – в новой американской стратегии освоения космоса сделана ставка на частную космонавтику, которая грозится здорово потеснить государственную в самое ближайшее время. В начале декабря 2010 года частный грузовой космический корабль Dragon компании SpaceX совершил первый полет на орбиту, сделал два витка вокруг планеты и благополучно приводнился в Тихом океане. Для первого раза на борту корабля находился символический груз – головка сыра – но “всамделишная” проектная грузоподъемность Dragon составляет 6 тонн по пути наверх и три тонны при спуске на Землю.
 

В общем, прошедший год был вполне урожайным на научные достижения, многие из которых имеют хорошие шансы на продолжение. Так что оставайтесь с нами – будет интересно.