Телескоп в водах Байкала, расшифровка тысяч белков и шаг к контролю над плазмой. Главные научные достижения 2021 года

Прогресс в области термоядерного синтеза

Впервые термоядерный реактор выработал больше энергии, чем затратили на его работу. Ядерную энергию люди используют уже очень давно, еще начиная с сороковых годов ХХ века. Атомные бомбы, атомные реакторы и атомные электростанции отнюдь не новинки. Но в природе есть два типа ядерных реакций. Первый – реакции распада, когда одно большое тяжелое ядро разваливается на два или несколько маленьких и от этого выделяется энергия. Второй – это, наоборот, ядерный синтез, когда два маленьких легких ядра сливаются в одно и из этого выделяется энергия. И этой энергии намного больше.

Кандидат физико-математических наук Кирилл Половников:

С реакциями распада мы научились справляться. Мы научились их контролировать и мы можем не только взрывать бомбы, но и производить энергию. А научиться контролировать термоядерную реакцию, реакцию синтеза, люди до сих пор не смогли. Мы можем сделать термоядерную бомбу, водородная бомба – это как раз пример термоядерной, где в качестве топлива используется водород, а не уран. Водородная бомба работает на реакции синтеза, атомы водорода сливаются, выделяется энергия и получается взрыв. Мы эту энергию можем получать только для взрыва. Но делать так, чтобы эта энергия не вся сразу выделилась для взрыва, а по чуть-чуть, как в атомном реакторе, мы не умеем.

Здесь есть свои определенные сложности, которые чисто технологически не дают эту реакцию удержать. Она либо прекращается, либо запускается цепная реакция, и все взрывается. Но делать так, чтобы она жила по чуть-чуть, физики до сих пор не научились. На это направлено очень много усилий, потому что процент энергии, которая выделяется при термоядерных реакциях, реакциях синтеза, гораздо выше, чем при ядерных реакциях, реакциях распада. Если научиться использовать термоядерное топливо, сделать эти реакции контролируемыми, то мы получим практически неограниченный источник энергии.

А теперь к открытию. Ускорители, на которых термоядерные реакции пытаются запустить, называются токамак. И в этом году появились две очень важные новости. Первая про то, что китайский токамак установил новый мировой рекорд по времени удержания плазмы. В этом и заключается проблема – удержать эту плазму, потому что термоядерные реакции запускаются при очень больших энергиях.

Вот, допустим, дрова сами по себе нам энергию не дают. Сначала их надо зажечь, они загораются и только после этого начинают давать энергию. Но чтобы их поджечь, нужно затратить какую-то энергию, и после этого дрова будут гореть и отдавать нам тепло. Что-то аналогичное происходит и с термоядерными реакторами.

Чтобы их запустить, нужно «поджечь» ядерное топливо. А для этого требуются очень высокие энергии – несколько миллионов градусов. А когда мы так разогреваем вещество, то уже ни атомов, ни молекул не остается – это плазма – четвертое агрегатное состояние. Удержать вещество в таком состоянии при таких огромных температурах – 120-160 миллионов градусов – очень и очень сложно. Плазма разлетается, и ее надо удерживать очень мощными электромагнитными полями.

Вакуумная камера на строительной площадке китайского термоядерного ускорителя токамак. Чэнду, провинция Сычуань, Китай. 2019 год. Фото: Liu Haiyun / Red Star News / VCG / Forum

А токамак – это такой ускоритель, который позволяет не только производить плазму, но и удерживать ее. И в этом году китайские ученые запустили токамак и поставили рекорд удержания плазмы. Им удалось удержать плазму с температурой 160 миллионов градусов Цельсия на 20 секунд, а при 120 миллионов градусов – на 101 секунду, то есть более чем на полторы минуты. Это важный шаг, это рекорд, но чтобы получать энергию постоянно, нужно удерживать плазму большее количество времени.

Есть и вторая новость, связанная с термоядерной энергией. Это работа американских ученых-физиков, которые работают немного по другой технологии. Они производят плазму не на токамаке, а на другом источнике. Они берут небольшую «таблетку» термоядерного топлива из дейтерия и трития (изотопов водорода. – Ред.). Эти два изотопа водорода используются для термоядерного синтеза. Их помещают в определенную капсулу, которую с разных сторон освещают мощными лазерными источниками и накачивают в эту «таблетку» энергию. Температура поднимается до сотен миллионов градусов, и запускается термоядерная реакция. Им удалось измерить ту энергию, которая при этом выделяется.

Оказалось, что при такой постановке эксперимента энергия, которая выделяется, превышает ту, которую мы затрачиваем для того, чтобы «поджечь» эту «таблетку» термоядерного топлива. Впервые удалось это сделать, и это очень важно.

Если мы научимся получать энергию в промышленных масштабах, тогда мы сможем получать неограниченное количество энергии за счет термоядерного синтеза. Нужно научиться удерживать плазму, чтобы она не разлеталась, как у китайских ученых. И нужно, чтобы мы затрачивали энергии меньше, чем получаем от этих реакций, как раз это начало получаться у американцев.

Выход за «стандартную модель» теоретической физики

Стандартная модель – это современная теория, которая описывает все известные на сегодня элементарные частицы и правила, по которым они взаимодействуют. Она описывает все силы, кроме гравитации, ей занимается теория относительности. Эти теории не совсем совместимы друг с другом.

Половников: Стандартная модель была сформулирована еще в шестидесятых годах ХХ века. Оказалось, что она очень хороша, все эксперименты с элементарными частицами полностью ей были описаны. Около 10 лет назад на большом адронном коллайдере поймали бозон Хиггса. Это был последний паззл стандартной модели, последнее подтверждение, что эта модель правильная.

Но физики столкнулись с проблемой, что практически все эксперименты, которые они проводят с другими ускорителями и с другими элементарными частицами, описываются этой стандартной моделью и полностью с ней согласуются. Все теоретические предсказания оказываются верны. И вроде бы всё и хорошо, и физики молодцы! Но проблема в том, что им не понятно, куда двигаться дальше. Впечатление такое, что уже все открыто и остается только описывать какие-то частные случаи. А физикам хочется открывать и что-то новое – новые законы природы, новые силы, новые частицы и взаимодействия. Но пока все, что открывается и образуется на этих ускорителях, все это стопроцентно согласуется со стандартной моделью. И ничего нового.

И только недавно появились намеки на то, что стандартная модель может быть не всегда права. Некоторые эксперименты с ней не согласуются. Один из таких экспериментов провели в этом году, а сейчас его результаты опубликовали. Этот эксперимент называется Muon g-2.

Экспериментальная установка Muon g-2. Фото: wikimedia commons

Он заключается в измерении аномального магнитного момента мюона. Любые заряженные частицы, протоны, электроны и мюоны, все частицы, у которых есть электрический заряд, обладают и магнитным моментом, грубо говоря, они являются магнитами. Эти эксперименты позволят магнитный момент измерить. Когда стали изучать мюоны – частицу, очень похожую на электрон, но более тяжелую, – то оказалось, что там есть довольно сильное отклонение от того значения, которое предсказывает стандартная модель.

В этом году удалось набрать достаточное для статистики количество экспериментов, которые показывают существенное отклонение и расхождение с предсказаниями стандартной модели. А это указание на то, что стандартная модель описывает не все, что мы наблюдали, и наконец-то мы поймали объект, который не вписывается в теоретическую модель элементарных частиц, которая есть на сегодня.

И это указывает теоретикам направление, в котором следует теорию дорабатывать, может быть, вводить новые частицы, новые поля и взаимодействия. И это дает надежду, что будут открыты новые эффекты взаимодействий и новая физика. Поэтому так и говорится – новая физика за пределами стандартной модели.

Развитие теории суперструн

Теория суперструн формулируется не в четырехмерном пространстве, в котором мы живем (то есть три пространства и одно время). Теория суперструн говорит, что пространство должно быть десятимерным.

Половников: Наша проблема в том, что мы этих измерений не видим, и надо понять, почему мы их не видим эти дополнительные измерения. А мы их не видим, потому что они свернуты в очень маленькие колечки.

Этот способ объяснить, почему мы не видим эти дополнительные измерения, называется компактификацией, и в теории суперструн даже подсчитали, сколько возможно вариантов свертываний этих дополнительных измерений. Они могут быть свернуты в сферы, торы, кренделя, в какое-то еще искривленное пространство. Таких форм может быть огромное количество, они называются многообразиями Калаби – Яу.

Проблема в том, как из этого миллиарда миллиардов способов, в которые теоретически можно свернуть эти дополнительные измерения, выбрать то, в которое свернуто именно наше пространство, в котором мы живем. От того, как свернуть эти дополнительные измерения, будет зависеть вся физика в том мире, в котором мы с вами существуем – и заряд электрона, и сила взаимодействия между элементарными частицами, все, что мы в стандартной модели берем как исходные параметры, все это определяется способом сворачивания этих дополнительных измерений.

Проекция шестимерного пространства Калаби-Яу, полученная с помощью Mathematica. Источник: Wikipedia

Геометрия определяет физику в том пространстве, где мы живем. И в том числе один из параметров, который следует из этой геометрии, является плотность темной энергии, заполняющей все пустое пространство. Темная энергия появилась еще в начале ХХ века, когда Эйнштейн попытался описать то, почему Вселенная расширяется, да еще и с ускорением.

Потом появилась так называемая теория Большого взрыва, утверждающая, что Вселенная возникла в результате этого взрыва, из точки начала расширяться в разные стороны и это расширение продолжается до сих пор. А в конце ХХ века выяснилось, что этот разлет, в отличие от обычного взрыва, ведет себя странным образом. В обычном взрыве осколки разлетаются и постепенно замедляются и останавливаются.

А во Вселенной все происходит наоборот. Осколки, которые разлетелись в разные стороны, постепенно начинают ускоряться, а не замедляться, и расширение Вселенной начинает происходить со всё большей скоростью – все быстрее и быстрее с каждым годом. Это ускорение не такое уж и большое, но оно есть, и это зафиксировано экспериментально.

А вот почему Вселенная расширяется с ускорением объясняется наличием некоей субстанции, которая заполняет все пространство и называется темной энергией. Темная энергия – это энергия вакуума, энергия пустого пространства, которая работает как антигравитация. Гравитация собирает всё вместе в одну точку, а темная энергия, наоборот, всё расталкивает. И чем больше пространства образуется, тем сильнее темная энергия будет всё расталкивать, а Вселенная расширяться.

И в рамках теории суперструн, в тех моделях сворачивания измерений, которые раньше рассматривали ученые, плотность темной энергии была очень большой, она не согласовывалась с теми экспериментами, которые мы наблюдаем. В реальности плотность темной энергии очень маленькая, а в теории суперструн, в изученных вариантах сворачивания дополнительных измерений, она получалась слишком большой. Не состыковывалась теория с практикой.

Но в этом году удалось найти такие способы сворачивания, в которых плотность темной энергии будет очень маленькой, хотя и не в точности такой же, как в наблюдаемой Вселенной. Но авторы надеются, что им удастся отыскать правильное многообразие Калаби – Яу, в котором плотность темной энергии будет совпадать с данными наблюдений.

Нейтринный телескоп

Подготовка к церемонии запуска глубоководного нейтринного телескопа на Байкале. Россия, 13 марта 2021 года. Фото: Алексей Кушнеренко / ТАСС / Forum

На Байкале под водой был запущен нейтринный телескоп

Половников: Когда произносят слово телескоп, то сразу представляется труба, куда ты смотришь, чтобы увидеть какие-то далекие объекты. А нейтринный телескоп ничего общего с обычным телескопом не имеет, хотя он называется так, потому что он смотрит на космические объекты. А нейтринный он потому, что он смотрит не на свет, который от них исходит, а на поток нейтрино, идущий, например, и от нашего Солнца.

Нейтрино – это частицы, которые рождаются в ядерных реакциях. Их особенность в том, что они очень слабо взаимодействуют с веществом и их надо как-то уловить. Каждую секунду миллиарды и триллионы нейтрино пролетают сквозь Землю и сквозь нас с вами. Мы этого вообще не ощущаем, потому что они почти никак ни с чем не взаимодействуют. Поэтому их поймать очень сложно, но все-таки они совсем чуть-чуть, но взаимодействуют. И это «чуть-чуть» и пытаются использовать ученые, чтобы изучать эти потоки нейтрино разных объектов, например от нашего Солнца.

Этот эксперимент называется Baikal-GVD. Его строительство началось в 2015 году. В Байкал, прямо в озеро, спускают сферы-фотоумножители, гирлянды сфер, для фиксации вспышек излучения, возникающего в воде под воздействием нейтрино. Когда через толщу воды проходят нейтрино высоких энергий, очень маленькая часть из них и очень редко взаимодействует с молекулами воды, с атомами водорода, и возникает вспышка. Эту вспышку и ловят фотоумножители и таким образом фиксируют отдельные нейтрино.

Байкал хорошо подходит – он очень глубокий и там очень чистая вода. Аналогичный эксперимент проводится в Антарктиде – он называется IceCube. Там фотоумножители вставляют в куб льда объемом 1 кубический километр, чтобы ловить эти вспышки. И уже в этом году мы узнали, что нейтринный байкальский телескоп поймал поток нейтрино от активного блазара. И то же самое сделал IceCube в Антарктиде. Они таким образом друг друга подтвердили. Это первая вспышка нейтрино высоких энергий, которая была зафиксирована сразу двумя экспериментами, проводящимися в разных частях земного шара.

С помощью этого телескопа оказалось возможным наблюдать нейтрино высоких энергий, приходящих к нам из космоса от очень далеких объектов, например блазаров. Блазар – это активное ядро галактики, мощный источник излучения, это излучение летит до Земли несколько миллиардов лет, и мы его здесь ловим на наших телескопах. Теперь мы можем с помощью наших нейтринных телескопов изучать, что происходит внутри этих блазаров, откуда идет такой мощный поток нейтрино. История про нейтринные телескопы – это шаг на пути исследования глубин космоса и того, что там происходит. А это равносильно тому, что мы заглядываем в очень ранние этапы развития Вселенной, когда она была еще совсем молодой.

Загадка внутренней структуры Марса

Фотография пейзажа Марса, сделанная марсоходом Curiosity. 2021 год. Фото: NASA

Внутренняя часть Марса – это своего рода машина времени: его ядро, мантия и кора могут показать, как он сформировался и превратился в то, чем является сейчас. Посадочный модуль InSight НАСА зафиксировал несколько землетрясений и, изучив их, смог составить карту внутренней структуры Марса.

Стало понятно, что марсианская кора слоистая, толщиной 40 км – это меньше, чем у Земли. Марсианской мантии не хватает изолирующего нижнего слоя, который можно увидеть на нашей планете. Ученые выяснили, из чего состоит ядро Красной планеты. Теперь ученые будут изучать историю Марса в течение многих лет. Один из основных вопросов: когда его жидкое ядро перестало вращаться, отключив магнитное поле, которое оно когда-то создавало?

Генные терапии

Главный лаборант наблюдает за производством ремдесивира – препарата, который используется для лечения COVID-19, – на предприятии Eva Pharma в Каире. Египет, 2021 год. Фото: Mohamed Abd El Ghany / Reuters / Forum

На развитие биологии и биотехнологий, конечно, очень сильно повлияла пандемия.

Кандидат биологических наук Александр Панчин: сейчас по всему миру проводится невероятное количество тестов по поводу чтения генома коронавируса. У ученых появилась возможность в реальном времени с очень большой детализацией наблюдать за тем, как вирус мутирует, развивается, адаптируется в разных видах, в людях, в животных.

Это дало огромный толчок для разработки разных вакцин. Сейчас стали разрабатывать клеточные вакцины, то есть в человека будут вводить готовые клетки, способные распознавать вирус. Если упрощать, в лабораториях будут создавать клетки, уже готовые к борьбе с вирусом. Насколько это сработает, пока не понятно, но посмотрим, это интересно. Вообще генная терапия – самая перспективная часть науки сейчас. Речь идет о доставке определенного материала в организм. Вакцины от коронавируса используют эти технологии. Сейчас также разрабатывают специальные коробочки с ДНК, наночастицы. Это не только против вирусов, это борьба с генетическими заболеваниями, наследственными.

Исследование белков искусственным интеллектом

Объемная структура белка, созданная программой RoseTTAFold. Источник: Ian Haydon, UW Medicine Institute for Protein Design

Коронавирус, конечно, герой уходящего года, но фундаментальные исследования никуда не делись. Журнал Science назвал главным открытием года «астрономический» скачок в исследованиях трехмерной структуры белков. Это стало возможно благодаря развитию искусственного интеллекта. Белки – это «рабочие лошадки» биологии. Они сокращают наши мышцы, превращают пищу в клеточную энергию, переносят кислород по организму и борются с микроорганизмами-захватчиками. В основе белков – трехмерные цепочки из аминокислот, чье взаимодействие и определяет свойства белка. Вариантов этих взаимодействий тысячи, человек попросту не смог бы сам все их просчитать. Но тут на помощь пришел искусственный интеллект. Летом этого года стало известно, что программа RoseTTAFold расшифровала структуры сотен белков, причем все они относятся к классу распространенных лекарственных «мишеней», то есть играют ключевую роль при возникновении и лечении разных болезней.

Позже ученые сообщили, что расшифровали структуры 350 000 белков, обнаруженных в человеческом теле, — это 44% всех известных человеческих белков!

Арсений Веснин