Петли, деревья и новая физика

§ №7 2012

§ Рубрика: Физика

§

В один из солнечных весенних дней один из нас
(Ланс Диксон), направляясь в аэропорт Хитроу,
спустился в лондонскую подземку на станции
«Майл-энд». Глядя на незнакомца — одного
из более чем 3 млн пассажиров, ежедневно пользующих-
ся лондонским метрополитеном, — он вдруг задумался:
какова вероятность, что этот незнакомец выйдет, ска-
жем, в Уимблдоне? Как можно ее вычислить при условии,
что человек может направиться по любому из маршру-
тов? Размышляя об этом, он понял, что вопрос этот срод-
ни сложным задачам, с которыми сталкиваются ученые,
работающие в области физики элементарных частиц,
в попытке предсказать результат столкновения частиц
в современных экспериментах.
Недалеко от Женевы в CERN, в Большом адронном кол-
лайдере (БАК), главной в нашем веке машине для откры-
тий, протоны, разогнанные почти до скорости света,
сталкивают друг с другом, чтобы потом изучать оскол-
ки, образующиеся в результате этих столкновений.
Строительство коллайдера — ускорителя на встреч-
ных пучках — и его детекторов потребовало техниче-
ских решений на грани возможного. Расшифровка по-
казаний детектора — задача не менее грандиозная, хотя
и в меньшей степени заметная для окружающих. На пер-
вый взгляд это даже покажется странным. Стандартная
модель физики элементарных частиц — уже прочно усто-
явшаяся теория, и физики повсеместно пользуются ею
для предсказания результатов экспериментов. Для этого
мы применяем метод расчета, придуманный более 60 лет
назад известным физиком Ричардом Фейнманом. Каж-
дый, кто работает в области физики элементарных ча-
стиц, изучал его метод на старших курсах университе-
та. В основе любой книги или статьи в научно-популяр-
ном журнале, рассказывающей о физике элементарных
частиц, лежат концепции Фейнмана.
Однако его методика устарела и мало подходит для ре-
шения современных задач. Она дает интуитивный, при-
близительный способ, позволяющий изучать простей-
шие процессы, но чрезвычайно трудоемка для расчета
более сложных явлений или для проведения точных вы-
числений. Предсказать, что родится в результате стол-
кновения частиц, гораздо труднее, чем попытаться уга-
дать, на какой станции выйдет пассажир метрополите-
на. Все компьютеры в мире, работая сообща, не смогут
предсказать результат даже вполне рядового столкно-
вения частиц в Большом адронном коллайдере. Но если
теоретики не могут сделать точного предсказания
в рамках известных законов физики относительно из-
вестных форм материи, что мы тогда надеемся понять,
когда коллайдер выдаст нечто действительно новое?

Феерия цвета

§ №7 2012

§ Рубрика: Химия

§

Переливы цветов на роскошных хвостовых перьях павлина всегда интересовали любознательные умы. Английский ученый XVII в.
Роберт Гук (Robert Hooke) назвал их фантастическими — отчасти потому, что при смачивании перьев цвета исчезали. Для изучения перьев Гук использовал изобретенный незадолго до этого микроскоп и увидел, что они покрыты крошечными гребнями, которые, как он заключил, мог-
ли создавать яркие желтые, зеленые и синие тона.
Гук был на правильном пути. Насыщенные цвета птичьих перьев, крыльев бабочек и тел кальмаров часто создаются не поглощающими свет пигментами, а системами структур шириной всего в доли микрона. Размеры и шаг этих структур выделяют из всего солнечного спектра определенную длину волны. Яркие переливающиеся цвета, часто переходят, как по волшебству, из синего в зеленый или из оранжевого в желтый, в зависимости от угла, под которым их видит наблюдатель. А поскольку создаются они в результате отражения света, а не поглощения пигментами его части, то могут быть более яркими. Бабочку Morpho menelaus, обитающую в Центральной и Южной Америке, можно заметить с расстояния до километра: она кажется светящейся, когда солнечные лучи, пронизав полог тропического леса, отражаются от ее крыльев.
Ученые начинают глубже понимать, каким образом манипулируют светом тонко организованные наноструктуры живых организмов, а это
вдохновляет инженеров на моделирование биологических структур в новых рукотворных оптических материалах. Такие материалы могут
привести к созданию более ярких дисплеев, новых химических датчиков и совершенных систем хранения, передачи и обработки информации.
Мы мало знаем о том, как возникли эти биологические структуры, но по крайней мере начинаем понимать, как они формируются и как
создают такие удивительные цвета.
Природа не располагает сложными технологиями вроде электроннолучевого травления тонких слоев материалов, поэтому ей приходится
полагаться на изобретательность.
И если инженеры смогут освоить это искусство, они научатся создавать недорогие ткани, меняющие внешний вид подобно маскирующимся
кальмарам, или микросхемы, передающие информацию оптическим, а не электрическим способом, притом с огромной скоростью. Здесь мы
рассмотрим некоторые из фокусов, применяемых природой для формирования структур, создающих цвета, и некоторые попытки использования этих ловких приемов изобретателями

Кто в теле хозяин?

§ №8 2012

Мы,люди

Самые яркие открытия делаются на стыке наук. На кафедре общей физики и молекулярной электроники физического факультета МГУ, базовой кафедре НИЦ «Курчатовский институт», ведется работа над созданием нового препарата. В статье «Кремниевые нанокристаллы против рака» мы расскажем о тех выдающихся результатах, которых добились российские исследователи.
* * *
Английский поэт Джон Донн писал: «Нет человека, что был бы сам по себе, как остров». Сегодня, спустя примерно четыре столетия, наука получает все больше подтверждений буквальной справедливости его слов. Ученые уже несколько десятилетий знают, что помимо болезнетворных микроорганизмов в теле человека живут и полезные бактерии. Они помогают нашему организму выполнять такие важные функции, как расщепление компонентов пищи, чтобы делать их усваиваемыми, участвуют в переработке питательных веществ, чтобы наш организм мог использовать их. Появляясь на свет из стерильной среды матки, человек начинает накапливать бактерии с первых мгновений после рождения.
Многочисленность этих существ и масштаб их влияния могут вас удивить. Так, их число в десять раз превышает количество собственных клеток нашего организма. Бактерии намного мельче клеток человеческого тела, и поэтому их суммарная масса оценивается всего в 1–2,5 кг. Фактически каждый из нас — это ходячий суперорганизм со своим собственным уникальным микросообществом. Нет двух людей с одинаковым набором микробов и их генов, даже у однояйцевых близнецов они различаются. Нобелевский лауреат Джошуа Ледерберг (Joshua Lederberg) назвал эту внутреннюю экосистему микробиомом, отдав этим дань ее сложности и взаимосвязанности.
Что еще важнее для человека, эти микроорганизмы могут влиять на здоровье, продолжительность жизни и даже на некоторые из наших действий в большей степени, чем наши собственные гены. В передовой статье настоящего номера «Древнейшая социальная сеть» ее автор Дженнифер Аккерман пишет о работах, направленных на составление «карты» микробиомы человека, а это отнюдь не легкая задача, поскольку некоторые бактерии, например живущие в кишечнике и благоденствующие в его анаэробной среде, очень трудно выращивать в чашках Петри в лабораторных условиях. Результаты этих работ впечатляют: ознакомившись со статьей, вы узнаете среди прочего, что от группы микроорганизмов зависит не только то, как хорошо вы перевариваете пищу, но и то, сколько вы едите. Более того, некоторые из них оказывают существенное влияние на эффективность функционирования вашей иммунной системы.

Древнейшая социальная сеть

§ №8 2012

§ Рубрика: Медицина

§

Когда-то человеческий организм рассматривался как физиологический островок, живущий самостоятельной, ни от кого не зависящей жизнью. И в самом деле: он синтезирует все ферменты, необходимые для расщепления питательных веществ и извлечения из них энергии; обладает системами «починки» поврежденных органов и тканей; знает, когда ему нужно принять пищу или лечь спать; у него есть специализированные клетки иммунной системы, которые защищают его от атак патогенных микроорганизмов.
Однако в последние десять лет стало окончательно ясно, что наше тело — вовсе не самодостаточная единица, а сложная экосистема — своего рода социальная сеть, включающая триллионы бактерий и других микроорганизмов. Они заселяют наш желудочно-кишечный тракт, слизистую ротовой полости, носа и других органов, живут на коже. Большинство клеток в теле человека — не человеческие, их всего 10%, остальные 90% —
бактериальные. Такая сложная смесь микроорганизмов, называемая микробиомом, не только не представляет для нас никакой угрозы, но напротив совершенно необходима для осуществления основных физиологических процессов — от пищеварения до роста и развития. Однако не слишком ли много для того, чтобы считать организм человека автономной системой?

Термояд: журавль в небе?

§ №8 2012

§ Рубрика: Новые технологии

§

В холодный и пасмурный ноябрьский день 1985 г. в Женеве приземлился «борт номер один». Президент Рональд Рейган прибыл на встречу с Михаилом Горбачевым, новым лидером Советского Союза. Рейган осознавал растущий риск катастрофической ядерной войны и стремился к сокращению гигантских арсеналов двух сверхдержав. Горбачев также понимал, что гонка вооружений душит советскую экономику.
Однако тет-а-тет вскоре закончился. Рейган излагал Горбачеву историю советской агрессии; Горбачев обрушился на рейгановскую Стратегическую оборонную инициативу, целью которой было уничтожение в небе приближающихся ядерных боеголовок. В пять часов
утра обе стороны согласились подписать совместное заявление, не содержащее определенных обязательств.
И в самом низу, почти в виде примечания, оба лидера дали обещание начать разработку нового источника энергии «на благо всего человечества». Это примечание привело в движение проект, постепенно превратившийся, без сомнения, в самое амбициозное научное предприятие XXI в. — сочетание множества сложнейших экспериментальных технологий, с помощью которых, если все пройдет удачно, человечество найдет выход из энергетического кризиса.
С помощью ITER (International Experimental Thermonuclear Reactor, также имеется в виду лат. iter — путь) будет сделана попытка воспроизвести здесь, на Земле, процесс выделения энергии на Солнце. ITER будет производить около 500 МВт энергии — в десять раз больше, чем не-
обходимо для поддержания его работы. При этом будет расходоваться в основном водород, самый распространенный элемент во Вселенной. Проект продемонстрирует принципы технологии, которая обеспечит практически неисчерпаемый источник энергии для человечества. Политические руководители семи основных стран-участниц, включая США и Россию, с энтузиазмом решили объединить усилия своих наций в осуществлении проекта.
Однако, как и саммит, на котором он был рожден, ITER не оправдал ожиданий. Оценки стоимости проекта удваивались и удваивались по мере того, как технические проблемы находили приемлемые с точки зрения бюрократии решения. Например, вместо того чтобы объединить
свои ресурсы, каждый из семи партнеров производит определенные детали и элементы установки у себя с последующей их сборкой на строительной площадке ITER на юге Франции. Такой процесс напоминает попытку построить «Боинг-747» на заднем дворе, заказывая по каталогам болты, гайки и прочий крепеж. Проект осуществляется неспешно. Полгода назад ITER представлял собой яму глубиной 17 м, которая только недавно была заполнена десятками тысяч кубометров бетона. Дата старта была отодвинута с 2016–2018 гг. на конец 2020 г. Первый реальный эксперимент по производству энергии начнется не ранее 2026 г. — спустя 20 лет после начала постройки

Сверх Сверхновые

§ №8 2012

§ Рубрика: Астрономия

§

В середине 2005 г. в обсерватории им. Кека, расположенной на горе Мауна-Кеа на о. Гавайи, была завершена модернизация одного из двух
гигантских телескопов. Благодаря системе адаптивной корректировки турбулентности атмосферы оптический инструмент позволяет теперь получать такие же четкие изображения, как космический телескоп «Хаббл».
Шринивас Кулкарни (Shrinivas Kulkarni) из Калифорнийского технологического института убеждал молодых ученых из Калтеха — меня в том числе — подать заявку на получение времени наблюдения. Когда все члены астрономического сообщества поймут, насколько хорош этот телескоп, говорил он нам, найти свободную щель в расписании наблюдений станет очень трудно.
Воспользовавшись этим советом, я вместе с моими коллегами-практикантами Дереком Фоксом (Derek Fox) и Дугом Леонардом (Doug Leonard)
взялся за работу, которую до того можно было выполнить исключительно с помощью «Хаббла»: охоту за предшественниками сверхновых. Иными словами, мы хотели выяснить, как выглядят звезды, перед тем как взорваться сверхновыми.
Теоретики уже давно научились предсказывать, какие небесные тела собираются взорваться сверхновыми — например, яркие голубые звезды. Но «скоро» для астронома означает в течение нескольких миллионов лет или что-то около того. Поэтому, хотя наблюдение процесса полного
развития позволило бы нам лучше понять его механизм, просто терпеливо наблюдать за какой-нибудь одной звездой — малоподходящий вариант.

Проект цифрового мозга

§ №8 2012

§ Рубрика: Нейронауки

§

Пора по-новому изучать человеческий мозг
Редукционистская биология — а ее приверженцы полагают, что целое может быть разложено на составляющие элементы, и потому занимаются изучением отдельных составных частей головного мозга, нейронных цепей и молекул — добилась значительных результатов. Однако объяснить механизм работы мозга — поистине уникального создания во Вселенной, напоминающего процессор для обработки данных, помещенный внутрь черепной коробки, — с помощью одной лишь редукционистской биологии невозможно, поскольку необходимо не только различать азрозненные
факты, но и рассматривать их как единое целое. Ведь нужно не только уметь разбирать объект на составные части, но и собирать его. А для этого нам необходима новая система воззрений, сочетающая в себе и анализ, и синтез. Еще отец редукционизма, французский философ Рене Декарт, писал о необходимости сначала исследовать составные части, но затем все же собрать их в единое целое.
Главная цель проекта заключается в том, чтобы из составных элементов воссоздать модель человеческого мозга, наиболее приближенную к оригиналу. Ничего подобного люди до сих пор не предпринимали.
Но лед тронулся, процесс создания уже начался. Устройство, моделирующее человеческий мозг, чем-то напоминает пилотажный тренажер,
с той лишь разницей, что оно будет имитировать перемещения внутри мозга. Для работы «виртуального мозга» будут задействованы суперкомпьютеры на базе современных достижений нейронауки.
Для научного сообщества виртуальный мозг, подобно самым мощным телескопам, окажет неоценимую услугу: с его помощью ученые сэкономят в процессе экспериментов массу времени. Используя виртуальную модель, можно проверять теории, описывающие работу мозга здоровых и больных людей. Она поможет ученым не только разрабатывать новые диагностические тесты для выявления, скажем, аутизма или шизофрении, но и находить новые методы лечения депрессии и болезни Альцгеймера. «Цифровой мозг», состоящий из десятков триллионов нейронных цепей, станет основой для создания компьютеров, моделирующих мозг, и базой для конструирования роботов, оснащенных искусственным интеллектом, — одним
словом, все эти веяния кардинально изменят нейронауку, медицину и информационные технологии.

Как правильно ошибаться?

§ №8 2012

§ Рубрика: Психология

§

Для ученого безошибочность построений, возможно, важнее, чем в любой другой профессии. Разумеется, как большинство людей, исследователи совершают в своей жизни множество ошибок. Однако не все они одинаковы. Историки обнаружили ряд случаев, когда неверные идеи оказывались гораздо плодотворнее, чем тысячи других, тривиально ошибочных или верных в некоей узкой области.
Они касались глубинных, фундаментальных свойств окружающего нас мира и подталкивали к дальнейшим исследованиям, приводившим в итоге к прорывам в науке. Конечно же, это были ошибки. Однако без них развитие науки происходило бы намного медленнее.
Нильс Бор, например, создал модель атома, которая была неверной почти во всех отношениях, но она положила начало квантовомеханической революции. Вопреки всеобщему скептицизму Альфред Вегенер утверждал, что центробежные силы заставляют континенты двигаться («дрейфовать») по поверхности Земли. Он правильно видел явление, но объяснял его механизм неверно. А Энрико Ферми думал, что создал ядра тяжелее урановых, хотя на самом деле наткнулся (как мы теперь знаем) на феномен деления ядер.
В подтверждение сказанного ранее приведем две «продуктивные» ошибки, одну из физики 1970-х гг., а другую из биологии 1940-х гг. Их авторы были отнюдь не бездарными путаниками, которым просто повезло. Нет, они настойчиво ставили вопросы, которыми задавались лишь единицы из их коллег, и комбинировали идеи, которые интересовали в то время лишь немногих. В итоге эти исследователи заложили важнейшие основы бурно развивающихся сегодня областей, таких как биотехнологии и квантовая теория информации. Да, они заблуждались, но мир должен быть благодарен им за эти ошибки.