Журнал Science представил свой обзор самых интересных научных открытий 2012 года. На первом месте, безусловно, бозон Хиггса, ну а далее - несколько интересных, но практически прошедших мимо СМИ открытий.
Хотя про первое открытие, бозон Хиггса сказано было как раз достаточно: это частица, существование которой предсказывалось Стандартной моделью, которую долго искали на самых мощных ускорителях мира (на американском Теватроне, например), но смогли обнаружить только в этом году при помощи Большого адронного коллайдера.
Бозон Хиггса
Чем важен? Тем, что именно взаимодействие остальных частиц с бозонами Хиггса приводит к появлению у них массы. Это, в свою очередь, резко разделяет между собой три разных поля: электромагнитное и сильное со слабым - да, названия "сильное" и "слабое" неудачны, но таковы уж традиции и ничего лучше не придумано. Электромагнитное поле состоит из не имеющих массы фотонов, а сильное и слабое из частиц, которые массивны (это глюоны, W- и Z-бозоны); массивные частицы не могут улететь далеко от места своего рождения, поэтому соответствующие поля работают только на очень маленьких расстояниях. Если бы не было бозона Хиггса, все три поля проявляли бы схожие свойства и мы бы, конечно, оказались в совершенно ином мире. Где, например, было бы невозможно даже существование атомов, по крайней мере в привычном для нас виде.
Обнаружение бозона Хиггса стало блестящим подтверждением Стандартной модели, хотя самые новые данные и указывают на возможность некоторой "нестандартности" - физики правильно предсказали наличие частицы, но не смогли правильно описать все ее свойства. К открытию Хиггса физики шли несколько десятков лет, так что споров о том, что же было самым главным научным событием года, быть просто не может.
Примечание
Конечно, самим физикам было бы куда интереснее обнаружить то, что никакого бозона Хиггса нет - ведь это сразу заставило бы разрабатывать всякие экзотические теории и строить совершенно иные модели. К слову, в экспериментах регулярно проверяют даже давно проверенные законы сохранения и закономерности, которые могут показаться давным-давно доказанными. Например, недавно проверялась ассиметрия Вселенной относительно обращения времени вспять на микроуровне: ничего из ряда вон выходящего не нашли, но попытаться стоило.
Денисовский геном
А вот второе место уже не столько однозначно. Его Science отдали расшифровке генома "денисовского человека", ранее неизвестного вида людей. Денисовцы жили на Алтае около 40 тысяч лет назад, застав и неандертальцев, и кроманьонцев. В Денисовой пещере (отсюда и название, это не в честь первооткрывателей) российскими специалистами в 2010 году были найдены несколько фрагментов костей и коренные зубы, анализ ДНК которых стал тогда настоящей сенсацией: новые виды люедй все-таки открывают очень редко.
В 2012 из этих весьма скудных останков удалось извлечь ДНК и прочесть последовательность ее нуклеотидов. Анализ показал то, что денисовцы не исчезли бесследно, а передали часть своих генов тем, чьи потомки дожили до наших дней. Причем, что особенно интересно, искать потомков надо уже не на Алтае, а в Меланезии. Да, именно на островах Тихого океана - антропологам и молекулярным биологам еще есть, над чем работать.
Примечания
История с обнаружением денисовского человека может быть серьезным аргументом против любительской археологии, которую профессионалы часто называют просто браконьерством и вандализмом. Маленький кусочек кости и несколько зубов вряд ли привлекли бы внимание "черных археологов" или были бы затеряны в частной коллекции в качестве не самого интересного образца: в то время как вооруженные специальным оборудованием ученые смогли сделать открытие, которое по своей значимости уступило только бозону Хиггса.
Несмотря на то, что денисова пещера находится в России, а про развитие биомедицинских технологий у нас не говорил только уж совсем ленивый чиновник от науки - геном денисовцев читала международная группа. Статья в Science про прочтение генома подписана 32 авторами, из которых лишь двое - из института археологии и этнографии сибирского отделения РАН.
Прицельное вырезание генов
На третьем месте в списке журнала другая генетическая новость - про новый метод генной инженерии, описанный под заголовком "генная тактическая ракета". Речь идет о специальном белке, который был внедрен в практический обиход генных инженеров в последний год. Белок TALEN (кто разбирается в азах молекулярной биологии, может прочесть статью в Wikipedia, там есть расшифровка названия) позволяет вырезать любой заданный ген из ДНК с такой точностью, которая несколько лет назад казалась просто немыслимой.
Причем стоит заметить, что работы над более точными и доступными средствами редактирования генома ведутся давно и в нескольких направлениях, так что прорыв в том или ином был вполне предсказуем. Редакторы Science обращают внимание читателей на то, что в 2012 году была разработана тмолекулярная система, в которой белок комбинируется с РНК, причем РНК служит для наведения на подлежащий вырезанию ген. РНК давно научились синтезировать в любой заданной последовательности, так что стремительное развитие биотехнологий не останавливается, а лишь набирает обороты.
Примечание
В природе подобные механизмы используются бактериями для защиты от вирусов - удалению, соответственно, подлежат чуждые бактерии вирусные гены. Да, у бактерий тоже есть своего рода иммунная система и свои паразиты, от которых надлежит держать оборону. Мы даже писали про паразитических бактерий, в которых живет вирус, на котором паразитирует другой вирус, который, в свою очередь, заражен самореплицирующимся фрагментом ДНК. То ли тройной, то ли даже четверной паразитизм.
Последний параметр нейтрино
Еще одним важным событием уходящего года стала публикация отчета международной группы физиков, которая работала в лабораториях Дайя-Бей в Китае. Это уникальный комплекс детекторов нейтрино, расположенных в тоннелях вблизи сразу двух АЭС с шестью ядерными реакторами: реакторы дают мощное нейтринное излучение и при помощи скрытых под землей установок физики исследуют так называемые осцилляции: превращение одного типа нейтрино в другой.
Нейтрино бывают трех типов (электронное, мюонное и тау-нейтрино), все они превращаются друг в друга и вероятность превращения определяется как разницей между массами частиц, так и параметрами, которые называются углами смешивания - это далеко не самый очевидные, но очень важные величины. Важные хотя бы потому, что именно в нейтрино уходит заметная часть энергии термоядерных реакций и именно в мощных потоках нейтрино при вспышках сверхновых рождаются ядра всех химических элементов тяжелее железа; простые вопросы "откуда берется золото?" и "почему светят звезды?" без знания деталей превращения нейтрино из одного типа в другой ответа получить не могут.
Анализ данных, накопленных в Дайя-Бей позволил с весьма высокой степенью уверенности говорить о том, что угол смешивания θ13 не равен нулю, а составляет 8,8 градусов. Не вдаваясь в дебри теоретической физики, скажем, что этот результат важен еще и для понимания фундаментальной ассиметрии между обычной и антиматерией - из новых данных следует то, что нейтрино могут отличаться от антинейтрино вероятностью превращений из одного типа в другой.
Примечание
Среди авторов статьи для Physical Review Letters с описанием результатов эксперимента есть и несколько сотрудников Объединенного института ядерных исследований в Дубне.
Квантовые компьютеры и квазичастицы
Многие по-настоящему важные научные работы поначалу не находят отражения в СМИ - в 1905 году газеты ничего не писали про теоретические работы Эйнштейна по электродинамике движущихся сред и фотоэффекту, а вся физика XX века была в итоге предопределена именно этими публикациями. По версии научного журнала Science, в числа самых важных событий 2012 года попало открытие, о котором большинство читателей даже не слышало и про которое в апреле ничего не написал автор этих строк, научный обозреватель "Деталей мира".
Речь идет об экспериментальном обнаружении майорановских фермионов в виде квазичастиц. Пожалуй, стоит пояснить сразу: майорановский фермион это элементарная частица, которую придумал итальянский теоретик Этторе Майорана в 1930-х годах и которая примечательна тем, что сама же является античастицей для себя же. С обычными частицами все не так, у электронов есть античастицы в виде позитронов, протоны имеют в качестве пары антипротоны, нейтрино - антинейтрино... а вот майорановский фермион сам себе античастица. Экзотика, которая, как давно подозревали теоретики, может существовать не напрямую, а в виде квазичастиц.
Что такое квазичастицы? Для ответа на этот вопрос посмотрим на какой-нибудь кристалл - в этом кристалле могут существовать всевозможные колебания, кристаллическая решетка не абсолютно статична, а все время дрожит - и в полном соответствии с квантовой механикой энергия дрожания меняется квантами, скачками. "Квант дрожания" называют фононом (не путать с фотоном, квантом света) и это квазичастица: энергия есть, можно даже более-менее указать на ее местонахождение, но нельзя отделить ее от кристаллической решетки - потому и квазичастица. Дырки в полупроводниках тоже квазичастицы, равно как и плазмоны - колебания электромагнитного поля на поверхности металлов.
Эксперименты нидерландских исследователей показали, что в сложном "бутерброде" из нанопроволок (состав: сурьмид индия), золотой подложки снизу и сверхпроводящей подложки сверху образуются квазичастицы, которые ведут себя как майорановские фермионы. И это описанное в журнале Science достижение не просто подтверждает верность экзотической модели 1930-х годов, а имеет определенное практическое значение.
На основе майорановских фермионов возможно удастся сделать более устойчивые к помехам ячейки памяти для квантовых компьютеров. Квантовые компьютеры могут хранить информацию не виде нулей или единиц, а виде смеси двух состояний с любым нужным соотношением (например - 46% нуля и 54% единицы), они за счет этого могут решать некоторые задачи намного быстрее традиционных вычислительных систем... но пока, к недовольству физиков и счастью банкиров квантовые ячейки ненадежны, капризны, требуют сложного охлаждения, лазерных систем и прочих дорогостоящих наворотов.
Примечение
Почему квантовые компьютеры пока невозможны на практике "к счастью банкиров"? Потому что задача взлома используемых сейчас систем защиты требует даже для вооруженного супермкомпьютером злоумышленника затрат времени в несколько тысячелетий. А квантовый компьютер расшифрует все за часы или минуты: последствия, думаем, можно не описывать.
