Учёные и популяризаторы рассказали о своём взгляде на значимые открытия декады.
TJ продолжает подводить итоги «десятых» годов. В 21 веке наука значительно продвинулась вперёд — и многие процессы за последнее десятилетие только ускорились и усовершенствовались.
Мы попросили учёных и популяризаторов науки выделить несколько важных событий в науке с 2010 года.
Перовскитный материал — экологичное будущее энергетики
Олег Дрожжин, кандидат химических наук, старший научный сотрудник МГУ имени М. В. Ломоносова
Химия — крайне обширная наука, состоящая на сегодняиз множества самостоятельных дисциплин (от науки о материалах до медицинской химии). Выбрать какое-то одно открытие, превосходящее все остальные, невозможно в силу относительности научной информации и разнонаправленности векторов современной науки. Но если говорить о моих личных предпочтениях, я бы отдал пальму первенства за последнее десятилетие перовскитным материалам для солнечных батарей.
Во-первых, «второе рождение» структуры перовскита, в форме CH3NH3PbI3 и его производных, способных генерировать электрический ток под действием света, — само по себе выдающееся открытие. Во-вторых, это открытие сдвинуло с своеобразной «мёртвой точки» науку и индустрию солнечных элементов, которая развивалась в течение многих десятилетий и к началу 2010-х уперлась в теоретически возможный предел по эффективности и экономичности производства.
Всего за одно десятилетие исследования перовскитных материалов учёным удалось увеличить КПД преобразования солнечной энергии с 4 до 28%, превысив прежний рекорд для кремния (26%), а в скором времени ожидаются цифры в 33-35% для гибридных элементов.
В-третьих, эти работы крайне гармонично вписываются в глобальную перестройку мировой энергетики, постепенно осваивающей возобновляемые и экологически чистые источники энергии. В некоторых странах Европы (например, в Германии) доля электроэнергии, получаемой из возобновляемых источников в некоторые дни достигает 50%.
Моя группа занимается исследованиями, посвящёнными созданию высокоёмких, надёжных и экономичных металл-ионных аккумуляторов, и я считаю, что в обозримом будущем именно комбинация «солнечный элемент — металл-ионный аккумулятор» будет снабжать электроэнергией всю нашу планету. Как минимум одну планету — Марс — эта «связка» снабжает уже не одно десятилетие.
Главная задача, которая сейчас стоит перед исследователями, — разработать экономичную технологию из массового производства и продлить срок жизни перовскитных материалов: сейчас он не превышает 1 года, по сравнению с 25 годами для кремния. Уверен, в следующем десятилетии эта задача будет тем или иным образом решена.
Гравитационные волны и бозон Хиггса — одни из самых ожидаемых открытий
Андрей Коняев, издатель научно-популярного издания N+1
Во-первых, замечу, что десятилетие не заканчивается. Не было нулевого года — был первый год нашей эры, и мы отсчитываем все десятилетия с единички. Поэтому конец десятилетия — это 2020 год. Но давайте обсудим, что было интересного за прошедшие годы. Запомнились две истории — обнаружение бозона Хиггса в 2012 году и гравитационных волн в 2015 году.
Этих открытий очень долго ждали. Одной из задач Большого андронного коллайдера был поиск бозона Хиггса (новой фундаментальной частицы — прим. TJ). Нужно понимать, что вы создаёте коллайдер, проектируете его, запускаете, останавливаете и запускаете снова — так проходят годы, и вот вы находите то, что искали. Это в очередной раз показывает невероятную предсказательную силу науки.
Гравитационные волны Альберт Эйнштейн описал за сто лет до их открытия, и всё остальное время ушло на то, чтобы придумать подходящий детектор. Процесс выглядит так: ты придумал детектор, но он слишком шумный, начинаешь придумывать способы уменьшить шум и постоянно решаешь какие-то инженерные задачи. Вдруг, спустя большое количество времени, ты находишь решение и впервые регистрируешь гравитационные волны от слияния чёрных дыр. И получается прекрасная история о решении инженерной задачи.
Прорыв в понимании биологии рака: новые методы и препараты
Илья Фоминцев, онколог, директор Фонда профилактики рака
Наверное, главное, что произошло за последние годы, — это революция в понимании биологии рака. Её исследовали достаточно давно, и люди более или менее понимали, как болезнь развивается. Но сейчас появились мощнейшие инструменты, благодаря которым лечение рака на практике стало другим. Ежегодно появляются новые препараты, антитела.
Развитие онкологии значительно ускорилось, изменились прогнозы по многим заболеваниям. Появился целый кластер препаратов для иммунотерапии, которая поменяла представление о лечении, есть препараты для конкретных мутаций.
Определяющим для онкологии стало всё двадцатилетие, но за последние десять лет понимание биологии рака значительно ускорилось и уточнилось.
Сейчас определены почти все механизмы, которые приводят к образованию опухоли. Я думаю, по большинству из этих направлений будет разработана терапия.
Конечно, это прорыв, но не было такого, что один учёный поднял глаза к небу и сказал: «Эврика!» Понадобились миллионы человеко-часов исследований, ускорение научного процесса и коммуникации между учёными.
Если глобально на это смотреть, к прорыву привело распространение интернета. Без него учёные продолжали бы обмениваться телеграммами и процесс бы затянулся. Одна технология помогает другой технологии, и благодаря таким вещам делается наука.
Огромный рентгеновский лазер, определяющий структуру молекул
Андрей Цатурян, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории биомеханики НИИ механики МГУ
Мы очень хорошо знаем геном людей и многих животных, то есть последовательность нуклеотидов в ДНК и аминокислотных остатков в белках. Но пространственные структуры белков известны гораздо хуже.
Зачем изучать структуры белков? Например, для того, чтобы создавать новые лекарства. Большинство лекарств — это небольшие молекулы, прочно связывающиеся с белками и меняющие их работу. Поэтому важно знать структуру белков? Чтобы искать лекарства под конкретные белки-рецепторы. Это важно и для того, чтобы понять механизмы наследственных заболеваний.
Получение индивидуальной генетической информации становится всё доступнее, но следующий шаг — узнать не только последовательность аминокислот, из которых сделан белок, но и то, как они расположены в пространстве. Без этого трудно понять, как белок работает и почему иногда «барахлит».
Структур белков известно довольно много — больше ста тысяч, но на свете их гораздо больше. Обычно структуру белка определяют с помощью рентгеновской дифракции, рентгеновской кристаллографии. Белок надо очистить, кристаллизовать и привезти на специальный ускоритель — синхротрон, который используют как мощный пучок рентгеновского излучения. По рассеянию этого излучения определяют структуру молекул. Однако самые интересные с точки зрения медицины белки плохо кристаллизуются, поэтому их структуры известны очень плохо.
За последнее десятилетие был построен Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах. Это масштабный международный проект, стоивший больше миллиарда долларов, примерно четверть этой суммы выделила Россия. Российские учёные участвовали в его проектировании и строительстве.
Это почти четырёхкилометровый подземный тоннель, в котором электроны разгоняются до почти световой скорости и пробегают по змейке или «слаломной трассе», образованной магнитами. На выходе получается рентгеновское излучение в миллиарды раз ярче, чем на лучших синхротронах. Причем свет летит очень короткими вспышками, короче 1/10000000000000 секунды.
Идея состоит в том, чтобы использовать этот лазер для определения структуры молекул. Тонкую струю с растворёнными в ней молекулами освещают лучом лазера. Попавшая под вспышку молекула мгновенно испаряется, но успевает оставить картину рассеяния света. «Предсмертные рентгенограммы» многих тысяч одинаковых молекул анализируют и воссоздают из них пространственную структуру молекулы.
Проект только начали осуществлять. Пока изучают не отдельные молекулы, а более крупные структуры, но уже получены важные результаты, опубликованные в ведущих мировых научных журналах. Это колоссальное научное и техническое достижение. Оно должно «выстрелить» в следующем десятилетии, и мы узнаем структуры многих важных белков, которые не знали до сих пор.
Возможный взрыв ярчайшей звезды Ориона — Бетельгейзе
Игорь Тирский, популяризатор астрономии, автор Telegram-канала про астрономию и космос @tirsky
Одно из самых захватывающих и неожиданных открытий последних лет — это возможный взрыв звезды Бетельгейзе, ярчайшей звезды созвездия Ориона. Бетельгейзе сияет прохладным, тусклым красноватым оттенком и находится на расстоянии 520 световых лет. Это нерегулярно пульсирующая звезда-сверхгигант, приближающаяся к концу своей жизни. Поэтому она расширяется и спазматически сжимается.
Невероятно, но диаметр Бетельгейзе может варьироваться от 550 до 920 раз по сравнению с диаметром нашего Солнца. Светимость звезды в 100 000 раз превышает его светимость, а масса Бетельгейзе примерно равна 8–17 массам Солнца. Это действительно гигантский, раздутый шар более холодного газа. Если бы Бетельгейзе находилась в центре Солнечной системы, она простиралась бы до орбиты Юпитера.
Звезды производят свою энергию, синтезируя гелий из водорода глубоко внутри своих недр. Когда звезда накапливает достаточное количество гелия в своем ядре, выход энергии значительно увеличивается, и она раздувается в красный гигант или сверхгигант, как Бетельгейзе. В таких звездах ядро производит последовательно всё более тяжёлые элементы, но как только оно начинает создавать железо, дни звезды сочтены. Бетельгейзе находится в своей последней стадии и может взорваться всего за несколько миллионов лет.
Примерно через 100 000 лет после взрыва Бетельгейзе, наблюдая за тем, как расширяющееся облако становится больше в течение тысячелетий, а затем исчезает из поля зрения, мы получим новое напоминание о его присутствии. Внутри этой оболочки находится пузырь плазмы, состоящий из очень горячих и энергичных электронов и магнитных полей, которые производят большое количество рентгеновского излучения.
Плазменное облако и рентгеновские лучи попадут в нашу Солнечную систему и заставят нас адаптироваться к этой новой межпланетной ситуации в течение следующих ста тысячелетий или более. Высокоэнергетические частицы только увеличат фон космических лучей в нашей Солнечной системе, но будут иметь слишком низкую энергию, чтобы проникнуть в магнитное поле нашей Земли… так что никакого риска рака, если вы не космонавт.
Глядя на ночное небо, вы не сможете увидеть эту оболочку, её яркость будет настолько мала, что в течение нескольких десятилетий после взрыва вы уже не сможете разглядеть её без подходящего оборудования. Когда оболочка достигнет Земли, это точно не будет похоже на полярное сияние, заполняющее небо.
Но вы увидите сам взрыв: детонация ядра, скорее всего, породит короткий импульс нейтрино, который достигнет Земли за несколько часов до того, как мы заметим, что звезда начинает ярче светиться. Затем, в течение нескольких недель она будет светлеть, пока не достигнет величины около –12, что примерно соответствует яркости полной Луны.
Если в момент взрыва будет полнолуние, на небе появятся две Луны. Но на Луну-то вы сможете посмотреть, а вот на это яркое пятно света без повреждения сетчатки — увы, нет.
Мы затронули не все важные открытия последнего десятилетия, предложив экспертам сделать свой субъективный выбор. Если, на ваш взгляд, мы пропустили что-то важное, дополняйте этот список заинтересовавшими вас событиями в комментариях.
