Открытия современной физики

Не смотря на все открытия XX века, даже сейчас человечество в плане развития технологий и прогресса, видит лишь верхушку айсберга. Впрочем, это ничуть не остужает пыл ученых и исследователей различных мастей, а напротив — лишь подогревает их интерес. Сегодня речь пойдет о нашем времени, которое все мы помним и знаем. Мы поговорим об открытиях, которые так или иначе стали настоящим прорывом в области науки и начнем, пожалуй, с самого значимого. Тут стоит оговориться, что самое значимое открытие не всегда значимо для обывателя, а в первую очередь важно для научного мира.

Первую позицию занимает совсем недавнее открытие, однако, его значимость для современной физики колоссальна, это открытие учеными «частицы-бога» или, как ее обычно называют — бозон Хиггса. По сути, открытие этой частицы объясняет причину возникновения массы у других элементарных частиц. Стоит отметить, что доказать существование бозона Хиггса пытались на протяжении 45 лет, однако удалось это сделать лишь недавно. Еще в 1964 году Питер Хиггс, в честь которого названа частица, предсказывал ее существование, однако практически доказать это не было возможности. Но 26 апреля 2011 года, по просторам интернета волной прошла новость о том, что с помощью Большого адронного коллайдера, находящегося рядом с Женевой, ученым, наконец, удалось обнаружить искомую и ставшую чуть ли не легендарной частицу. Однако учеными это не сразу подтвердилось и лишь в июне 2012 года специалисты заявили о своей находке. Впрочем, к окончательному выводу пришли лишь в марте 2013 года, когда ученые ЦЕРН сделали заявление о том, что обнаруженная частица действительно является бозоном Хиггса. Не смотря на то, что открытие этой частицы стало знаковым для научного мира, практическое ее использование на данном этапе развития остается под вопросом. Сам Питер Хиггс комментируя возможность использования бозона сказал следующее «Существование бозона длится лишь что-то около одной квинтиллионной доли секунды, и мне сложно представить, как столько короткоживущую частицу можно использовать. Частицы, которые живут миллионную долю секунды, сейчас, впрочем, находят применение в медицине». Так, в свое время, известный английский физик-экспериментатор, на вопрос о пользе и практическом применении открытой им магнитной индукции сказал «А какая польза может быть от новорожденного ребенка?» и этим, пожалуй, закрыл данную тему.

Вторую позицию среди самых интересных, перспективных и амбициозных проектов человечества в XXI веке занимает расшифровка генома человека. Проект «Геном человека» не зря имеет славу самого важного проекта в сфере биологических исследований, а работа над ним началась еще в 1990 году, хотя стоит упомянуть о том, что данный вопрос рассматривался и в 80-ых годах XX века. Цель проекта была ясна — изначально планировалось определение последовательности более трех миллиардов нуклеотидов (нуклеотиды составляют ДНК), а так же определить более 20 тысяч генов в геноме человека. Впрочем, позже, несколько исследовательских групп расширили задачу. Стоит так же отметить, что исследование, завершившееся в 2006 году, израсходовало $ 3 млрд.

Этапы проекта можно разбить на несколько частей:

• 1990;ый год. Конгресс США выделяет средства на изучение генома человека.
• 1995;ый год. Публикуется первая полная последовательность ДНК живого организма. Рассматривалась бактерия Haemophilusinfluenzae
• 1998;ой год. Публикуется первая последовательность ДНК многоклеточного организма. Рассматривался плоский червь Caenorhabditiselegans.
• 1999;ый год. На данном этапе расшифровано более двух десятков геномов.
• 2000;ый год. Было объявлено о «первой сборке генома человека» — первая реконструкция генома человека.
• 2001;ый год. Первый набросок генома человека.
• 2003;ий год. Полная расшифровка ДНК, остается расшифровать первую хромосому человека.
• 2006;ой год. Последний этап работы по расшифровке полного генома человека.

Несмотря на то, что ученые всего мира строили грандиозные планы на момент окончания проекта, ожидания не оправдались. На данный момент научная общественность признала проект провальным по своей сути, однако говорить, что он был абсолютно бесполезен ни в коем случае нельзя. Новые данные позволили ускорить темпы развития, как медицины, так и биотехнологии.

От начала третьего тысячелетия произошло множество открытий, повлиявшие на современную науку и на обывателей. Но многие ученные отметают их на второй план в сравнении с вышеупомянутыми открытиями. К этим достижениям можно отнести следующие.

• 1. За пределами Солнечной системы выявлено свыше 500 планет, и это, судя по всему, не предел. Это так называемые экзопланеты — планеты, находящиеся за пределами Солнечной системы. Астрономы предсказывали их существование очень давно, однако первые надежные доказательства были получены лишь в 1992 году. С тех пор ученые нашли более трех сотен экзопланет, но ни одну из них им не удавалось наблюдать непосредственно. Выводы о том, что вокруг той или иной звезды обращается планета, исследователи делали на основании косвенных признаков. В 2008 году сразу две группы астрономов опубликовали статьи, в которых были приведены фотографии экзопланет. Все они относятся к классу «горячих Юпитеров», однако сам факт того, что планету можно увидеть, позволяет надеяться, что когда-нибудь ученые смогут наблюдать планеты, размер которых сравним с Землей.
• 2. Впрочем, на данный момент метод непосредственной детекции экзопланет не является основным. Новый телескоп «Кеплер», специально предназначенный для поиска планет у далеких звезд, использует одну из непрямых методик. А вот Плутон наоборот потерял статус планеты. Связано это с открытием в Солнечной системе нового объекта, размер которого на треть превышает размеры Плутона. Объекту дали имя Эрида и сначала хотели записать в качестве десятой планеты Солнечной системы. Однако в 2006 году Международный астрономический союз признал Эриду всего лишь карликовой планетой. В 2008 году была введена новая категория небесных тел — плутоиды, в которую была зачислена Эрида, а заодно и Плутон. Теперь астрономы признают в Солнечной системе всего восемь планет.
• 3. " Черные дыры" кругом. Ученые также установили, что Вселенная почти на четверть состоит из темной материи, а на обычную материю приходится всего около 4%. Считается, что эта загадочная субстанция, участвующая в гравитационном, но не участвующая в электромагнитном взаимодействии, составляет до 20 процентов всей массы Вселенной. В 2006 году при изучении галактического скопления Пули были получены убедительные доказательства существования темной материи. Считать, что эти результаты, позже подтвержденные при наблюдении сверхскопления MACSJ0025, окончательно ставят точку в дискуссии о темной материи, пока рано. Однако, по мнению старшего научного сотрудника ГАИШ МГУ Сергея Попова, «это открытие дает серьезнейшие аргументы в пользу ее существования и ставит перед альтернативными моделями проблемы, которые им будет трудно решить» .
• 4. Вода на Марсе и Луне. Доказано, что на Марсе была вода в достаточном количестве для возникновения жизни. Третьего места в списке удостоилась марсианская вода. Подозрения, что когда-то на Марсе климат был намного более влажным, чем сейчас, у ученых появились давно. На фотографиях поверхности планеты было обнаружено множество структур, которые могли быть оставлены потоками воды. Первые по-настоящему серьезные свидетельства того, что вода на Марсе есть и сейчас, были получены в 2002 году. Орбитальный аппарат «Марс Одисси» (MarsOdyssey) нашел под поверхностью планеты залежи водяного льда. Через шесть лет зонд «Феникс», севший вблизи северного полюса Марса 26 мая 2008 года, смог получить воду из марсианского грунта, нагрев его в своей печи.

Вода относится к числу так называемых биомаркеров — веществ, которые являются потенциальными указателями на обитаемость планеты. Еще три биомаркера — это кислород, углекислый газ и метан. Последний присутствует на Марсе в большом количестве, однако он одновременно увеличивает и уменьшает шансы Красной планеты на наличие жизни. Совсем недавно воду нашли еще на одном нашем соседе по Солнечной системе. Сразу несколько аппаратов подтвердили, что молекулы воды или их «остатки» — гидроксильные ионы — рассеяны по всей поверхности Луны. Постепенное исчезновение белой субстанции (льда) в вырытой «Фениксом» траншее было еще одним косвенным доказательством наличия на Марсе замерзшей воды.

• 5. Эмбрионы спасают мир. Право занять пятое место в рейтинге было отдано новой методике получения эмбриональных стволовых клеток (ЭСК), которая не вызывает вопросов у многочисленных комитетов по этике (точнее будет сказать, вызывает меньше вопросов). ЭСК потенциально способны превращаться в любые клетки организма. Они обладают огромным потенциалом для лечения множества заболеваний, связанных с гибелью каких-либо клеток (например, болезнь Паркинсона). Кроме того, из ЭСК, теоретически, можно выращивать новые органы. Однако пока ученые не очень хорошо умеют «управлять» развитием ЭСК. Для того чтобы освоить эту практику, необходимы многочисленные исследования. Основным препятствием для их проведения до сих пор считалось отсутствие источника, способного давать необходимое количество ЭСК. Эмбриональные стволовые клетки присутствуют только у эмбрионов на ранних стадиях развития. Позже ЭСК теряют способность становиться всем чем угодно. Эксперименты с использованием эмбрионов запрещены в большинстве стран. В 2006 году японским ученым под руководством Синя Яманаки (ShinyaYamanaka) удалось превратить в ЭСК клетки соединительной ткани. В качестве волшебного эликсира исследователи использовали четыре гена, которые вводились в геном фибробластов. В 2009 году биологи провели эксперимент, доказывающий, что по своим свойствам такие «новообращенные» стволовые клетки аналогичны настоящим.
• 6. Биороботы уже реальность. На шестом месте оказались новые технологии, позволяющие людям управлять протезами в буквальном смысле силой мысли. Работы над созданием таких методик ведутся давно, но значимые результаты стали появляться лишь в последние годы. Например, в 2008 году при помощи электродов, вживленных в мозг, обезьяна смогла управлять механической рукой-манипулятором. Четырьмя годами ранее американские специалисты научили добровольцев руководить действиями персонажей компьютерной игры без джойстиков и клавиатуры. В отличие от опытов с обезьянами, здесь ученые считывали сигналы мозга, не вскрывая черепную коробку. В 2009 году в СМИ появились сообщения о человеке, который освоил управление протезом, соединенным с нервами плеча (предплечье и кисть он потерял в автокатастрофе).
• 7. Создан робот с биологическим мозгом. В середине августа 2010 ученые из университета Ридинга сообщили о создании робота, управляемого биологическим мозгом. Его мозг сформирован из искусственно выращенных нейронов, которые размещаются на мультиэлектродном массиве. Этот массив представляет собой лабораторную кювету приблизительно с 60 электродами, которые получают электрические сигналы, генерируемые клетками. Затем они используются для инициации движения робота. Сегодня уже исследователи наблюдают за обучением мозга, хранением воспоминаний и доступом к ним, что позволит лучше понять механизмы болезней Альцгеймера, Паркинсона, а также состояний, возникающих при инсультах и травмах мозга. Этот проект дает поистине уникальную возможность пронаблюдать за объектом, который, возможно, способен проявлять сложное поведение и вместе с тем остается тесно связанным с деятельностью отдельных нейронов. Сейчас ученые работают над тем, чтобы заставить робота учиться, используя различные сигналы при движении к заранее определенным позициям. Предполагается, что по мере обучения можно будет показать, как воспоминания проявляются в мозге, когда робот передвигается по знакомой территории. Как подчеркивают исследователи, роботом управляют исключительно мозговые клетки. Никакого дополнительного управления ни человек, ни компьютер не осуществляет. Возможно, всего через несколько лет эту технологию уже можно будет применять для передвижения парализованных людей в экзоскелетах, прикрепленных к их телу, считает ведущий сотрудник проекта, профессор нейробиологии Университета им. Дюка Мигуэль Николелис. Подобные опыты прошли и в Аризонском университете. Там Чарльз Хиггинс сообщил о создании робота, управляемого мозгом и глазами бабочки. Ему удалось подсоединить электроды к зрительным нейронам мозга бабочки-бражника, подключить их к роботу, и он реагировал на то, что видела бабочка. Когда к ней что-то приближалось, робот уходил в сторону. На основании достигнутых успехов Хиггинс предположил, что через 10−15 лет реальностью станут «гибридные» компьютеры, использующие сочетание технологии и живой органической материи и конечно это один из возможных путей к интеллектуальному бессмертию.
• 8. Невидимость. Еще одним громким достижением является открытие материалов, которые делают предметы невидимыми, заставляя свет огибать материальные объекты. Оптические физики разработали концепцию плаща, настолько преломляющего световые лучи, что одетый в него человек становится практически невидимым. Уникальность данного проекта в том, что искривлением света в материале можно управлять при помощи дополнительного лазерного излучателя. Человек, одетый в такой плащ, не будет замечен стандартными камерами наблюдения, утверждают разработчики. При этом в самом уникальном устройстве фактически происходят процессы, которые должны быть характерны для машины времени — изменение соотношения пространства и времени за счет управляемой скорости света. В настоящее время специалистам уже удалось сделать опытный образец, длина фрагмента материала составляет около 30 сантиметров. И такой мини-плащ позволяет скрывать события, происходившие в течение 5 наносекунд.
• 9. Глобальное потепление. Точнее, доказательствам, подтверждающим реальность этого процесса. В последние годы тревожные новости приходили практически со всех концов света. Площадь арктических и антарктических ледников сокращается со скоростью, опережающей «мягкие» сценарии изменения климата. Пессимистично настроенные экологи предсказывают, что Северный полюс будет летом полностью очищаться от ледяного покрова уже к 2020 году. Особую тревогу у климатологов вызывает Гренландия. По некоторым данным, если она продолжит таять с той же скоростью, что и сейчас, то к концу века ее вклад в поднятие уровня мирового океана составит 40 сантиметров. Из-за сокращения площади ледников и изменения их конфигурации Италия и Швейцария уже были вынуждены перерисовать свою границу, проложенную в Альпах. Одной из итальянских жемчужин — прекрасной Венеции — предсказали затопление к концу нынешнего столетия. Одновременно с Венецией под воду может уйти Австралия.
• 10. Квантовый компьютер. Это гипотетическое вычислительное устройство, существенно использующее при работе квантово-механические эффекты, такие как квантовая запутанность и квантовый параллелизм. Идея квантовых вычислений, впервые высказанная Ю. И. Маниным и Р. Фейнманом состоит в том, что квантовая система из L двухуровневых квантовых элементов (кубитов) имеет 2^L линейно независимых состояний, а значит, вследствие принципа квантовой суперпозиции, 2^L-мерное гильбертово пространство состояний. Операция в квантовых вычислениях соответствует повороту в этом пространстве. Таким образом, квантовое вычислительное устройство размером L кубит может выполнять параллельно 2^Lопераций.
• 11. Нанотехнология. Область прикладной науки и техники, имеющая дело с объектами размером менее100 нанометров (1 нанометр равен 109 метра). Нанотехнология качественно отличается от традиционных инженерных дисциплин, поскольку на таких масштабах привычные, макроскопические, технологии обращения с материей часто неприменимы, а микроскопические явления, пренебрежительно-слабые на привычных масштабах, становятся намного значительнее: свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул, квантовые эффекты. В практическом аспекте это технологии производства устройств и их компонентов, необходимых для создания, обработки и манипуляции частицами, размеры которых находятся в пределах от 1 до 100нанометров. Однако нанотехнология сейчас находится в начальной стадии развития, поскольку основные открытия, предсказываемые в этой области, пока не сделаны. Тем не менее, проводимые исследования уже дают практические результаты. Использование в нанотехнологии передовых научных достижений позволяет относить её к высоким технологиям.