science_in

Наука в фокусе

08 февраля 2015

F

В январе этого года ученые выступили с громким заявлением о том, что в нашей Солнечной системе может оказаться еще две планеты. Никаких прямых доказательств существования этих планет пока не существует. Однако ученые Мадридского и Кембриджского университетов, наблюдавшие за различными объектами за Нептуном, зафиксировали странное гравитационное влияние, которое искажает орбиты этих объектов. Именно эти косвенные доказательства послужили причиной для возникновения новой революционной гипотезы, которая может изменить модель Солнечной системы.

2064734

Один ребенок – три родителя.

Палата общин британского парламента одобрила поправки в законодательство, разрешающие создание эмбрионов с ДНК двух женщин и одного мужчины. За законопроект проголосовали 382 парламентария, против – 128. Технология такого оплодотворения, в котором будут использоваться яйцеклетки двух женщин и сперма одного мужчины призвана бороться со смертельными генетическими заболеваниями, вызванными дефектами митохондриальной ДНК, передающимися по материнской линии. По статистике, один из 6500 детей рождается с митохондриальными заболеваниями, ведущими к мышечной дистрофии, слепоте, остановке сердца и даже к летальному исходу. Если за внедрение этого революционного метода лечения проголосует палата лордов Великобритании, то Соединенное королевство станет первой страной в мире, где появятся дети, в зачатии которых участвовали три родителя.

2064736

Новая эра ГМО

Генно-модифицированные организмы широко распространены в мире. Группа ученых из Гарвардской школы медицины поставила перед собой цель создать ГМО, которые не смогут проникать в естественную экосистему. Дело в том, что существующие методы биоизоляции ГМО показали свою неэффективность, в результате они оказывают эволюционное давление на естественные организмы в природе посредством горизонтального генного обмена. В февральском номере журнала Nature ученые из Гарвардской школы медицины опубликовали результаты эксперимента, в результате которого был создан искусственный штамм бактерии E Coli. Эта бактерия может существовать только в окружении искусственно созданных аминокислот, не существующих в природе, и погибает при столкновении с естественной средой обитания. Эта работа может послужить началом к созданию ГМО нового типа, более безопасных для окружающей среды.

2064738

Задавайте вопросы для нашей рубрики «Вопрос-Ответ»

18 декабря 2014

Мануал по геному

В «мусорной» ДНК ученые нашли регуляторы и переключатели генов. Таким образом, считает Надежда Маркина, сделан большой шаг к тому, чтобы получить «руководство пользователя» человеческим геномом.

В научных кругах несколько лет назад ходила байка, что Господь, создавая человека, действовал как настоящий программист. Программа обычно занимает гораздо меньше объема, чем комментарии к ней. В геноме оказалось то же самое. Лишь спустя десятилетие после прочтения человеческой ДНК «по буквам» ученые начали разбираться в «комментариях» к ней. Они нашли в геноме миллионы регуляторов работы генов, выяснили, как они действуют, и получили массу информации о генетических заболеваниях.
В начале сентября 2012 в научном мире случилась сенсация — одновременно вышли 30 с лишним статей с результатами одного проекта под названием ENCODE.

Подобного всплеска молекулярно-генетических публикаций не случалось уже давно. Cуть проекта состоит в том, что ученые исследовали ту часть ДНК, которую часто называют «мусорной» (junk DNA), — она не содержит генов, а значит, не кодирует белков. Было непонятно, для чего она нужна. Но «мусор» оказался поистине золотым.

Прочитан — не значит расшифрован

1730160

В 2000 году мир узнал о том, что ученые прочитали геном человека. Точнее, тогда они получили «черновик», а о полном прочтении объявили в 2003 году. В СМИ для этой работы использовали слово «расшифровка генома», хотя это не совсем корректно описывает результат многолетней работы международного консорциума. То, что получили, — это не «расшифровка», а самая настоящая «шифровка». Исследователи секвенировали человеческую ДНК, то есть распознали последовательность из 3 млрд букв (А, С, T, G), обозначающих составные «кирпичики» ДНК — нуклеотиды. Двойная спираль молекулы, в которой закодирована наша наследственная информация, превратилась в длинную телетайпную ленту с буквами, некоторые из которых складывалась в «слова» — гены. Но слов-то оказалось относительно немного — количество генов в геноме человека ученые оценивают в 20–25 тыс. Эта цифра совсем не поражает в сравнении, например, с мухой дрозофилой, у которой 14 тыс. генов. А у крошечного пресноводного рачка дафнии насчитали более 30 тыс. генов — на сегодня он остается чемпионом в этой номинации. Но мы-то посложнее устроены, чем дафния, один мозг человеческий чего стоит! Стало ясно, что особенность генетического устройства человека не в количестве, а в качестве. Собака зарыта, таким образом, не в самом наборе генов, а в тонкой и сложной регуляции их работы.

Доктор биологических наук, биоинформатик Михаил Гельфанд заметил как-то в нашем с ним разговоре, что секвенированный геном — лишь найденный папирус, на котором виден непонятный текст. Но мы не знаем, что на нем написано, не можем перевести на свой язык. То есть мы не понимаем, как работает геном: почему в одних клетках включаются одни гены, в других клетках — иные (и благодаря этому клетки нашего организма разные), почему одни гены работают только в эмбрионе, а по мере развития человека вместо них начинают работать другие и т. д. Сами гены, как оказалось, занимают всего 1–2% длины молекулы ДНК. Конечно, ученые догадывались, что не всё просто, природа не может быть настолько расточительна, и «мусорная» ДНК для чего-то очень нужна. Но чтобы это показать, нужно было сделать много работы, которая под силу только большому международному консорциуму. Это и стало целью проекта ENCODE (Encyclopedia of DNA Elements), в котором участвуют более 400 исследователей, участники 32 научных групп.

Геномная «темная материя»

1730162

Как генетики изучали ДНК, которая не делает белков? Во-первых, они убедились в том, что с некодирующих участков генома тоже образуется РНК. Основную роль в этой работе сыграла группа лаборатории Колд-Спринг-Харбор под руководством профессора Томаса Джинджераса (Thomas Gingeras). Именно она доказала, что три четверти человеческой ДНК образует РНК, хотя большая часть этой РНК не несет информации для синтеза белков клетки. Доктору Джинджерасу и его коллегам удалось описать тысячи неизвестных ранее РНК, которые обеспечивают генную регуляцию.

Во-вторых, они пометили ДНК особым ферментом (DnaseI), который прикрепляется к определенным местам молекулы. Это и оказались регуляторные участки, которые связываются с белками — транскрипционными факторами — и через них влияют на работу генов. Одни из них расположены непосредственно рядом с генами, другие — совсем далеко от них.

Дирижеры генного оркестра

Итак, на 25 тыс. генов в ДНК обнаружилось около 4 млн регуляторных участков. Каждый ген взаимодействует с множеством регуляторов. «Большинство людей представляют геном линейно — 3 млрд нуклеотидов, вытянутых в линию, — говорит Марк Герштейн (Mark Gerstein), профессор биоинформатики на отделении молекулярной биофизики и биохимии Йельского университета (США). — Но это не так. Геном — трехмерный объект». По его словам, «мы как будто открыли коммутационный отсек и увидели спутанный клубок проводов. И теперь мы пытаемся распутать этот клубок и разобраться, куда ведут провода». В статье в Nature Марк Герштейн и его коллеги пишут про сложную пространственную сеть, в которую объединены транскрипционные факторы, которые регулируют работу генов на разных уровнях: среди них есть топ-регуляторы, регуляторы среднего и низшего звена.

Ученые работали с большим разнообразием клеток — всего они изучили 147 типов клеток, взятых из многих тканей на разных стадиях их развития. Оказалось, что команда регуляторов, которые дирижируют генным оркестром, меняется с типом клетки и со временем. Для разных клеток исследователи создали карты активных регуляторных участков. Именно в этом ключ к пониманию того, что клетки развиваются и проходят дифференцировку от стволовых к специализированным, именно поэтому нервные клетки не похожи на мышечные и т. д.

«Полученные карты генома разных клеток можно сравнить с картами, которые нам дает Google Maps, — объясняет Эрик Лэндер (Eric Lander), президент Broad Institute (объединенный институт, в состав которого входят Массачусетский технологический институт, Гарвардский университет и институт Уайтхеда). — По сравнению с ними результаты предшествующего проекта «Геном человека» давали нам взгляд на Землю из космоса. По этим снимкам невозможно определить, где проходят трассы, каков на них трафик в данное время дня, они не укажут вам на лучшие рестораны в округе или на больницы в этом городе на берегу реки». Теперь же, продолжая сравнение, по геному стало возможно «ездить с навигатором».

Болезни — чаще поломка не генов, а регуляторов

1730164

В последнее десятилетие ученые активно исследуют генетическую природу различных заболеваний. Этому помогает широкогеномное генотипирование — GWAS (genome wide association study). В группе больных и в группе здоровых людей сравнивают генетическую вариабельность, или однонуклеотидный полиморфизм (SNIP) — точечные мутации, выражающиеся в замене одного нуклеотида другим. И выявляют ассоциации каких-то мутаций с болезнью. Иногда удается связать болезнь с определенными генами.

Трудность состоит в том, что только 15% этих вредных мутаций приходится на гены, и тогда можно понять, что именно ломается. А 85% мутаций попадает не на гены, а на ту самую межгенную «темную материю», о которой ученые до недавнего времени почти ничего не знали. «Большинство изменений, которые связаны с болезнями, лежат не в самих генах, а в переключателях», — говорит Майкл Снайдер (Michael Snyder), исследователь из Стэнфордского университета (США). Поэтому работы по расшифровке генома пока дают очень малый эффект для диагностики и лечения.

«Многие исследователи находили участки человеческого генома, мутации в которых вызывают болезни, — объясняет Джоб Дэккер (Job Dekker), профессор отделения биохимии и молекулярной фармакологии Медицинской школы Массачусеттского университета (США). — Во многих случаях эти участки не содержат генов, и понять причину патологии трудно. Данные ENCODE показывают, что многие из этих мутаций затрагивают регуляторные элементы генов, и в некоторых случаях мы можем найти, какие гены регулируются этими элементами. Таким образом, мы можем лучше понять генетические основы болезни».

Разбираясь в том, какие регуляторы ломаются и работу каких генов они нарушают, удалось обнаружить неожиданные связи между, казалось бы, далекими по природе заболеваниями, пишут авторы статьи в Nature. Например, одна мутация в регуляторном участке изменяет работу нескольких генов, что может привести к рассеянному склерозу, волчанке, ревматоидному артриту, болезни Крона, глютеновой болезни.

«Самый главный выход проекта — в предоставлении громадного массива данных для сравнительного анализа функциональных карт, — считает Юрий Лебедев. — Проведение такого анализа крайне важно для развития медицины, поскольку его результаты могут ответить на вопрос, что изменится в геноме больных клеток по сравнению с геномом здоровых. Если мы возьмем ДНК из клеток двух типов, например клеток раковой опухоли легкого и неповрежденных клеток легкого (поверхностный эпителий альвеол), у них можно сравнить профиль метилирования или связь с транскрипционными факторами — и профили будут разными. Если этот результат получен не на одном пациенте, а на многих, он может стать диагностическим признаком».

Таким образом уже удалось найти мутации, которые связаны с развитием рака, — подавляющее число мутаций в раковых клетках появляются опять-таки не в генах, а в зоне «темной материи». Об этом говорит д-р Марк Рубин (Mark Rubin), специалист по генетике рака простаты из Медицинского колледжа Вейл Корнелл в Нью-Йорке. Его группа обнаружила мутации в ключевых генах, связанные с раком простаты, которые, однако, было невозможно компенсировать лекарствами. Теперь ясно, какие участки «темной материи» нарушают работу этих генов — появились новые мишени для лекарственной терапии.

Марк Герштейн считает, что результаты проекта ENCODE найдут применение в области персональной геномики: «В будущем каждый человек будет располагать собственным секвенированным геномом и сможет использовать эту информацию для получения персональной медицинской помощи. Индивидуальные генетические карты будут использованы для оценки индивидуального риска развития тех или иных болезней и для разработки индивидуальной схемы лечения».

11 декабря 2014

Последний из людей

Около 50 тысяч лет назад Homo sapiens обошел других гоминидов в эволюционной гонке и остался единственным выжившим видом Homo. Кейт Равилиус рассказывает, как нам это удалось.

1681168

Сегодня на Земле живет около семи миллиардов людей. Ни один другой вид, когда-либо живший на планете, не оказывал на нее такого существенного воздействия, как человек: мы заселили все континенты, преобразовали земную поверхность и атмосферу. Однако наше место в природной иерархии не всегда было таким. Свежие научные данные проливают свет на то, как нашим предкам приходилось бороться с другими гоминидами за место под солнцем. Телекомпания Би-би-си недавно сняла об этой борьбе двухсерийный документальный фильм «Планета обезьянолюдей. Битва за Землю» (Planet of the Apemen), в котором рассказывается о причинах, почему более сильные, крепкие и, в общем-то, умные неандертальцы уступили место на европейском континенте виду Homo Sapiens. Рассмотрим подробнее, что же произошло с ними и со всеми остальными древними людьми.

Если перевести часы на 80 тысяч лет назад, нашему взору предстанут просторы Земли, по которым бродило примерно пять видов людей, включая и наших предков Homo sapiens, что, как известно, в переводе с латыни означает «человек разумный». Наш вид сильнее всего процветал в Африке, неандертальцы доминировали в западной Евразии, тогда как потомкиHomo erectus (человека прямоходящего), вероятно, населяли Индонезию, а Homo floresiensis (флоресский человек, или «хоббит», по поводу которого сейчас ведутся жаркие споры относительно того, можно ли считать этих древних людей отдельным видом) — индонезийский же остров Флорес. Кроме того, в 2008 году в Денисовой пещере на Алтае обнаружили необычный зуб и кость от фаланги пальца, которые заставили ученых предположить, что в Азии, вероятно, была распространена еще одна популяция людей, названная «денисовцами».

В итоге все прочие виды людей вымерли, и на планете остался лишь Homo sapiens. Что именно сделало нас победителями в битве за выживание? Была ли это случайность, или всё дело в каких-то наших особых качествах или навыках, сыгравших ключевую роль?

Первые встречи

По всей видимости, первые встречи разных видов людей имели место в Индии, до того как регион пострадал от мощнейшего извержения вулкана. Около 74 тысяч лет назад на острове Суматра в Индонезии взорвалась вершина супервулкана Тоба. Следствием этого взрыва стал выброс двух с половиной тысяч кубических километров магмы, что почти вдвое превышает объем Эвереста, а сила извержения более чем в пять тысяч раз превысила мощность извержения вулкана Святая Елена в США в 1980 году. Выброшенный в атмосферу пепел достиг тогда восточной Индии, то есть распространился примерно на расстояние 2 тысяч км от места извержения.

1681196

Более двух недель пепел падал на землю, словно снег, превращая день в ночь, засыпая толстым слоем растительность и источники воды. Ранее ученые полагали, что глобальное изменение климата, вызванное извержением Тоба, едва не привело к полному уничтожению человеческой расы. Однако археологические находки из Индии доказывают, что это далеко не так. К сожалению, до сих пор там не найдено ни одного скелета, так как влажный тропический климат не способствует сохранности костей, но группа Майка Петраглиа (Mike Petraglia), археолога из Оксфордского университета (Великобритания), обнаружила под пеплом Тоба тысячи каменных орудий труда. Невероятно, но факт: точно такие же каменные артефакты до сих пор находят в пластах выше уровня пепла. Это доказывает, что люди, изготовившие эти орудия труда, смогли пережить катаклизм.
Кто же были эти люди? Многие из найденных каменных орудий – это рубила, по сути «ручные топоры» — простые, но эффективные лезвия, которые, как считает Петраглиа, с наибольшей вероятностью принадлежали виду вроде Homo erectus.

В то же время, некоторые инструменты, такие как наконечники копий, больше всего напоминали те, что изготавливали наши предки. Это заставило Петраглиа предположить, что до извержения Тоба в восточной Индии жили два вида людей.
После тщательного анализа орудий труда и датирования слоев пород, в которых они были найдены, группа Петраглиа предположила, что Homo sapiens прибыл в восточную Индию из Африки через Аравийский полуостров примерно 78 тысяч лет назад, в период благоприятных климатических условий. Результатом стало постепенное исчезновение простых орудий, приписываемых Homo erectus. «Мы полагаем, что Homo sapiens обладал более эффективной охотничьей стратегией, которая давала ему преимущество, — отмечает Петраглиа (см. раздел «Копья: удар против броска»). — Не ясно, способствовало ли извержение Тоба вымиранию таких видов, как Homo erectus, или нет».

Конфликт в Европе

Другая борьба за выживание развернулась примерно 45 тысяч лет назад. На этот раз полем битвы оказалась Европа, а противоборствующими сторонами — наши предки и неандертальцы.

Поначалу у человека разумного и неандертальцев не было повода для конкуренции. Но вот в Европе наступила фаза холода и засухи. «Популяции неандертальцев и Homo sapiens переместились в изолированные области, пригодные для обитания, и это обострило конкуренцию между двумя группами», — объясняет Крис Стрингер (Chris Stringer), антрополог Британского музея естествознания в Лондоне и автор книги «Происхождение нашего вида» (The origin of our species).

1681208

Как эти два вида разбирались, чьи в лесу шишки? Представители и тех, и других были крупнее и сильнее физически, чем среднестатистический современный человек, но неандертальцы были особенно массивными. «По скелетам видно, что у них были широкие плечи и толстые шеи», — объясняет Стрингер. Вряд ли наши предки смогли бы хорошо показать себя в кулачном бою с неандертальцами, но они вполне могли взять метанием копья. «Homo sapiens мог использовать эти навыки для того, чтобы убивать на расстоянии, не подвергая себя большой опасности и затрачивая сравнительно мало энергии», — говорит Стрингер.
Даже если два вида и не сходились в прямых схватках (см. ниже: «Сражались ли друг с другом ранние гоминиды?»), способность убивать на расстоянии, вполне возможно, давала виду Homo sapiens преимущество при охоте.

Скелеты и тех, и других находили в регионах с холодным климатом, где они обитали бок о бок с шерстистым мамонтом, например в Великобритании и России ледникового периода. Крупные размеры неандертальцев помогали им консервировать тепло, но за это приходилось платить». «По всей видимости, неандертальцам приходилось потреблять каждый день на несколько сотен калорий больше, чем нашим предкам, обитавшим в тех же условиях. Это делало их гораздо более зависимыми от такой дичи, как олени и лошади», — объясняет Стрингер.

Химический анализ костей обоих видов подтверждает эту точку зрения: неандертальцы были хищниками высшего звена, в то время как наши предки полагались на «шведский стол» из самых разнообразных пищевых ресурсов, включая мелкую дичь и рыбу.
Когда же пришла пора бороться с холодом, в арсенале Homo sapiens и на это нашлась парочка трюков, а именно плетение и шитье. Рядом с останками древнего человека возрастом 35 тысяч лет археологи находили простые костяные иглы, в частности сделанные из слоновой кости.

«С помощью этих технологий мы делали из шкур животных убежища наподобие палаток, теплую одежду и меховую обувь, — рассказывает Стрингер. — Но самое главное, мы умели сохранять в тепле детей, что вполне могло дать нам критическое преимущество перед неандертальцами в условиях колебания климата». Напротив, неандертальцы, по всей видимости, так и не освоили шитье, вместо этого они связывали шкуры вместе или прикалывали их друг к другу (например, с помощью колючек).

1681242

Разные умы

Некоторые из этих отличий в поведении и используемых технологиях могли возникнуть из-за разницы в типах мышления. Сопоставляя формы черепов, археологи пришли к выводу, что, несмотря на сходные размеры головного мозга неандертальцев и ранних Homo sapiens, у первых сильнее были развиты затылочные доли — область в задней части головного мозга, связанная с процессами обработки зрительных образов. Судя по всему, неандертальцы обладали более острым зрением и могли различать объекты при тусклом свете, например в темном лесу.

Человек разумный, напротив, отличался более развитыми височными долями (области в боковой части головного мозга, отвечающие за генерацию и интерпретацию речи, а также за долгосрочную память). «Мы полагаем, что Homo sapiens был наделен значительно более сложной речью, чем неандертальцы, и был способен осмыслять и обсуждать такие концепции, как далекое прошлое или будущее», — говорит Стрингер.

Кроме того, мы могли быстрее разговаривать. Верхние дыхательные пути Homo sapiens более пластичны, чем у неандертальцев, а потому наши предки могли с большей эффективностью и быстрее производить самые разнообразные звуки.
Пенни Спайкинс (Penny Spikins), археолог из Йоркского университета в Великобритании, недавно выдвинула предположение, что человек разумный обладал большим, чем у неандертальцев, разнообразием в строении головного мозга. «Одна из причин успеха Homo sapiens, согласно нашему исследованию, заключалась в том, что они готовы были принять в свои сообщества людей с разной организацией ума, например особей с аутизмом и шизофренией», — пояснила она.

Недавний анализ генома неандертальца подтверждает теорию Спайкинс о «разных умах»: у них не было генов, связанных с аутизмом и шизофренией. «Пожалуй, можно сделать вывод, что генетически неандертальцы были гораздо более однородны и не были готовы приспосабливаться к различиям у человеческих особей», – полагает Спайкинс. Благодаря толерантности по отношению к этим, казалось бы, вредным признакам Homo sapiens приобрел специализированные признаки и большее разнообразие в пределах популяции, которая смогла благодаря этому лучше приспосабливаться к разнообразным местам обитания. Ведь, например, люди со слабо выраженным аутизмом нередко особенно искусны в каком-либо виде деятельности.
«Нетрудно догадаться, почему внимание к деталям, исключительная память, жажда знаний и почти болезненно концентрированная сосредоточенность (narrow obsessive focus ) могут привести к значительным успехам в некоторых областях», — говорит Спайкинс. Тонкие инструменты, новые методы охоты и развитие знаковых систем для общения — всё это, возможно, было приобретено через поощрение нестандартного мышления. Параллельно люди, склонные к одиночеству, вероятно, становились своего рода первопроходцами, осваивающими новые земли и ресурсы.

Культура и климат

Нестандартное мышление также могло пригодиться при разрешении социальных конфликтов. «Шаманство, музыка и танцы — всё это служило сплочению людей», — рассказывает Спайкинс. А искусные художники поражали соплеменников детальными изображениями животных и людей, выполненными на стенах пещер.

1681266

Уже 30 тысяч лет назад многие из этих навыков и признаков широко распространились и устоялись в сообществах Homo sapiens, но так и не возникли у неандертальцев. «Мы видим похожие травмы на мужских и женских скелетах неандертальцев. Это означает, что у них не было разделения труда или каких-то специализированных ролей», — говорит Спайкинс.
Толерантность и непредубежденность, вкупе с жаждой исследований, дали человеку разумному еще одно существенное преимущество перед неандертальцами. Предметы вроде бусин из раковин и кремниевые инструменты, находимые за много километров от мест их происхождения, доказывают, что наши предки торговали на больших расстояниях, обмениваясь полезными материалами, делясь идеями и знаниями. Неандертальцы, напротив, предпочитали ограждаться от чужаков, обитая мелкими группами. Ресурсы они добывали поблизости от мест проживания. Вероятно, по этой причине им нечасто удавалось открывать для себя новые материалы, технологии и среды обитания за пределами собственной территории.

Тем не менее, неандертальцы были исключительно успешным видом, доминировавшим на просторах Европы на протяжении 300 тысяч лет. И всё же после прибытия на континент человека разумного их численность сильно сократилась всего за несколько тысяч лет. В конце концов, около 30 тысяч лет назад они полностью исчезли. Последним прибежищем неандертальцам послужила южная Иберия, в том числе Гибралтар.

Стрингер полагает, что неандертальцам просто хронически не везло: зачастую они оказывались в ненужном месте в ненужное время. «С Homo sapiens им приходилось конкурировать в то время, когда Европа находилась в фазе нестабильных климатических условий. С каждым резким колебанием климата они теряли больше соплеменников, чем наши предки, и это в конце концов погубило их, — объясняет он. — Если бы климат повсеместно оставался стабильным, возможно, они дожили бы до наших дней».

Последние бойцы

Когда неандертальцы исчезли с горизонта, на земле, как полагают, остались только два вида людей: Homo sapiens и Homo floresiensis, или «человек-хоббит». Последнего так прозвали за небольшие размеры: ростом он едва превышал один метр и отличался мелким мозгом. Тем не менее, поведение «хоббитов» было вполне разумным. Они изготавливали каменные орудия, указывающие на коллективную охоту, а также, вероятно, использовали огонь для приготовления пищи.

Если бы не очередное мегаизвержение вулкана, случившееся 17 тысяч лет назад, этот вид наверняка дожил бы до наших дней. Извержение опустошило остров, сметя растительность и обитавших там карликовых стегодонов — островную форму азиатского вида хоботных, чье мясо, очевидно, составляло основу диеты людей-хоббитов. «До сих пор не обнаружено никаких свидетельств конкуренции этого вида с Homo sapiens. Возможно, им просто не удалось пережить последствия извержения», — предполагает Стрингер.

Однако похоже, что наши собратья из других видов рода Homo не исчезли бесследно. В прошлом году Свантэ Паабо (Svante Pääbo) и его коллеги из германского Института эволюционной антропологии Макса Планка в Лейпциге, изучив кости неандертальцев и секвенировав геном этого вида, обнаружили, что современные люди неафриканского происхождения примерно 2,5% своей ДНК унаследовали от неандертальцев. В этом году Паабо с коллегами подвергли такому же анализу кость фаланги из Денисовой пещеры в Сибири. На этот раз они показали, что 5% ДНК денисовцев связывает их родством с народами Меланезии — людьми, проживающими на островах Юго-Восточной Азии (например, на Новой Гвинее).
«Как неандертальцы, так и денисовцы могли скрещиваться с нашими предками и давать плодовитых потомков, — говорит Паабо. — В некотором смысле они продолжают жить в нас и поныне».

04 декабря 2014

Порционный микромир

В истории развития физики было немало революций, кардинально изменявших научную парадигму и взгляды ученых на методы познания и устройство мира. Однако то, что произошло с естествознанием в первой четверти XX века, не было очередной сменой основных законов. Если раньше все в окружающем нас мире было предсказуемо, то с появлением квантовой механики он стал случайным.


1630002

Квантовая — значит дискретная

В классической физике Ньютона, Галилея и даже Эйнштейна было одно замечательное свойство — все физические величины можно было не только измерить, но и с любой степенью точности вычислить их последующие изменения во времени. Поведение любой, сколь угодно сложной, системы и движение тел любой массы и размера были в принципе предсказуемы. Квантовая механика предложила принципиально иную систему законов, управляющих миром. Первые изученные ею микрообъекты — атомы, электроны и фотоны, категорически не желавшие вести себя как классические, заставили физиков кардинально изменить методы описания природных явлений.

К началу XX века в классическом естествознании возникли большие трудности с объяснением целого ряда явлений, начиная от дискретного характера оптических спектров и устройства атома и заканчивая тепловым излучением тел и внешним фотоэффектом. Понимание того, что микромир живет по особым законам, формировалось постепенно и происходило с большим трудом, поскольку очень уж необычными были эти законы.

Классическая физика оперировала величинами, которые могли изменяться равномерно и непрерывно, принимая любые сколь угодно близкие значения. Попытка такого классического подхода к миру атомов и элементарных частиц потерпела неудачу, и ученым пришлось построить новую — квантовую механику, адекватно описывающую особый мир микроскопических частиц и изменений энергий. В новой теории много необычного, и одна из особенностей квантового мира состоит в том, что его характеристики могут изменяться лишь дискретным способом, принимая ряд фиксированных значений.

Квантовые порции

Одной из первых проблем, для решения которой понадобилось введение кванта энергии, было рассмотрение сосуществования частиц и полей и построение теории теплового излучения. Это излучение можно почувствовать не только под ярким летним солнцем, но и поднеся руку к обычной лампочке или горячему утюгу. Однако попытки объяснить такие обыденные явления в рамках классической теории оказались несостоятельными.

В 1900 году Джон Рэлей и Джеймс Джинс, используя классическую теорию, рассмотрели нагретое тело, в котором электромагнитное поле (волны) находилось в тепловом равновесии с частицами. Оказалось, что в этом случае поле забирает у частиц всю их энергию. Тем самым классическая теория приводила к бессмысленному результату: нагретое тело, непрерывно теряя энергию из-за излучения волн, должно охладиться до абсолютного нуля. Этот физически абсурдный результат получил название «ультрафиолетовой катастрофы». В действительности ничего подобного, естественно, не происходит. Наблюдения показали, что на высоких частотах энергия излучения не возрастает бесконечно, а убывает до нуля. Максимальное излучение при фиксированной температуре приходится на определенную частоту или цвет.

Примерами этого могут служить красный цвет раскаленной кочерги (температура около 1 000 К) или желто-белый цвет Солнца (около 6 000 К).

Частный, казалось бы, вопрос об излучении электромагнитных волн нагретыми телами приобрел принципиальное значение. Классическая теория приводила к результатам, резко противоречащим опыту. В 1900 году, чтобы добиться согласования теории с опытом, Максу Планку пришлось отступить от классического подхода лишь в одном пункте. Он использовал гипотезу, согласно которой излучение электромагнитного поля может происходить только отдельными порциями — квантами. Принятая Планком гипотеза противоречила классической физике, однако построенная им теория теплового излучения превосходно согласовывалась с экспериментом.

Эффект Комптона

Вещество может не только излучать, но и поглощать электромагнитные волны. Процесс поглощения, исходя из классических представлений, также оказался не совсем понятным. В начале прошлого века уже умели изготавливать электровакуумные лампы и знали, что при освещении катода светом такой лампы происходит испускание электронов. Это явление назвали внешним фотоэффектом. Все попытки описать его на основе классической теории, в которой свет рассматривался как электромагнитная волна, оказались безрезультатными. Не удавалось объяснить основное свойство фотоэффекта — тот факт, что энергия вылетающих электронов определяется только частотой падающего света и не зависит от его интенсивности.

В 1905 году, через 5 лет после опубликования работы Макса Планка, для объяснения фотоэффекта была применена гипотеза квантов. Из того, что свет, как показал Планк, излучается порциями (квантами), еще не следует дискретная (порционная) структура самого света. Альберт Эйнштейн предположил, что дискретность (разделенность на порции) излучения должна проявляться не только при излучении, но и при поглощении и распространении электромагнитных волн.

Под напором экспериментальных фактов ученые были вынуждены ввести представление о свете как о потоке частиц. Однако еще в начале ХIХ века Томас Юнг экспериментально доказал волновую природу света, а в конце XIX века Джеймс Максвелл теоретически обосновал, что свет представляет собой волны, то есть колебания электромагнитного поля. Каким же образом свет может быть одновременно и частицами, и волнами? Ведь и частица, и волна представляются совершенно не похожими друг на друга. Тем не менее одни экспериментальные факты явно указывают на то, что свет — это поток частиц, а другие на то, что свет — это волны. Возникло логическое противоречие: для объяснения одних явлений свет необходимо было описывать как волны, а для объяснения других — как частицы.

Таким образом, выяснилось, что представления о «частице» и «волне» лишь в какой-то степени отражают реальность. Открытие двойственности (дуализма) свойств света в период формирования новой физики имело огромное значение. Именно попытки объяснить этот дуализм и породили современную квантовую теорию.

Окончательное доказательство существования квантов света было получено в 1922 году американским физиком Артуром Комптоном. Его эксперимент показал, что рассеяние света свободными электронами происходит по законам упругого столкновения двух частиц — фотона и электрона. Теперь это явление называется эффектом Комптона.

Неустойчивый атом

Про то, что существуют минимальные, далее неделимые, частицы материи, говорили еще древние греки. К концу XIX века уже почти никто из ученых не сомневался в реальности атомов, но было непонятно, как они устроены и из чего состоят. Существовало много разных гипотез, но только в 1911 году, после опытов английского физика Эрнеста Резерфорда по обстрелу атомов золота а-частицами, родилась планетарная модель атома. Согласно этой модели в центре атома, подобно маленькому солнцу, располагалось ядро. Вокруг ядра, сходно планетам, обращались электроны, удерживаемые электромагнитными силами. Планетарная модель позволила объяснить результаты опытов, но оставался непонятным факт существования атома. Согласно классической теории электрон, вращающийся в атоме, должен излучать электромагнитные волны. Излучение сопровождается потерей энергии. Теряя энергию, электрон должен в конце концов упасть на ядро, а атом — прекратить свое существование.

Выход из этого «тупика» был предложен в 1913 году датским физиком Нильсом Бором. В своей модели Бор рассматривал электроны как классические частицы, движущиеся вокруг маленького массивного ядра под влиянием электрического поля. Однако вопреки законам классической физики Бор предположил существование в атоме стационарных (не меняющихся во времени) состояний, каждому из которых соответствует определенная энергия. В стационарных состояниях электрон не излучает. Излучение и поглощение света происходят лишь в том случае, когда атом переходит из одного состояния в другое.

Волновая гипотеза Бройля

Сначала только свету приписывалось такое странное свойство — быть одновременно и волной, и частицей. Вещество же рассматривалось как система обычных точечных частиц. В 1923 году Луи де Бройль выдвинул гипотезу об универсальности дуализма волна—частица. Согласно этому предположению не только фотоны, но и электроны, а также любые другие частицы обладают волновыми свойствами. И это касается как микроскопически малых атомов и молекул, так и любых других окружающих нас макроскопических объектов.

Основным признаком волн является их способность интерферировать, то есть складываться и вычитаться. Другими словами, если вещество обладает волновыми свойствами, то для него должны наблюдаться явления дифракции (огибание волнами встречающихся на пути препятствий) и интерференции (сложения и вычитания волн).

Прямое экспериментальное доказательство того, что электроны могут дифрагировать и интерферировать, было получено в 1927 году в опытах Клинтона Дэвиссона и Лестера Джемера, а также, независимо от них, в экспериментах Джорджа Томсона. В настоящее время экспериментаторы наблюдают интерференцию и других частиц, вплоть до молекул. Так, в 2003 году в Институте экспериментальной физики Венского университета была впервые обнаружена квантовая интерференция органических молекул биологического происхождения C4444H3 0N4, содержащих 44 атома углерода, 30 атомов водорода и 4 атома азота. В связи с этими экспериментами возникает вопрос: возможна ли квантовая интерференция живых существ?

После выдвижения де Бройлем гипотезы об универсальности дуализма волна—частица и экспериментального подтверждения наличия у частиц вещества волновых свойств возникли новые принципиальные проблемы. Стало необходимым совместить волновую природу частиц с привычными представлениями о размещении (локализации) частиц в пространстве.

Предсказуемая пси-функция

Как уже говорилось, квантовые объекты существенно отличаются от классических. Достаточно ярко это отличие видно при прохождении пучка частиц через экран с двумя щелями. Когда на щели налетают классические частицы, то каждая проходит заведомо лишь через какую-то одну щель и на экране четко видны две независимые области попадания пролетевших частиц. Применительно к квантовым объектам положение оказывается иным. Квантовые частицы (например, электроны) одновременно проходят через обе щели, причем этот процесс описывается вероятностными методами. Явление интерференции электронов приводит к тому, что на экране наблюдается картина, характерная для прохождения волн, — с большим количеством максимумов и минимумов интенсивности. Квантовые частицы (каждая из них) как бы «чувствуют» наличие обеих щелей. Происходит не сложение волн различных квантовых частиц, прошедших через разные щели, а интерференция волны каждой из квантовых частиц на обеих щелях.

Для того чтобы рассчитывать такие явления, квантовую частицу стали характеризовать не точными значениями координат и импульсов, а некоторой пси-функцией — эта комплексная волновая функция позволяет описывать свойства частиц и определять вероятности тех или иных событий. Уравнение Шредингера, которому подчиняется эта функция, является линейным дифференциальным уравнением, и в этом плане поведение самой пси-функции вполне вычислимо и предсказуемо в отличие от поведения описываемых ею квантовых объектов.

Комбинации с котом

Одной из основ квантовой механики является так называемый принцип суперпозиции (наложения). Согласно этому принципу если есть несколько состояний, отвечающих различным волновым функциям, то существуют состояния, описываемые линейными комбинациями этих функций.

Рассмотрим умозрительный эксперимент с так называемым «котом Шредингера», проясняющий принцип суперпозиции. Кота помещают в коробку. В ней, кроме кота, находится капсула с ядовитым газом (или бомба), которая может взорваться с 50-процентной вероятностью благодаря радиоактивному распаду атома плутония или случайно залетевшему кванту света. Через некоторое время коробка открывается и выясняется, жив кот или нет. До тех пор пока коробка не открыта (не произведено измерение), кот пребывает в суперпозиции двух состояний: «живой» и «мертвый». Описывая с помощью волновых функций всю систему (коробку), включая кота, Эрвин Шредингер в 1935 году пришел к парадоксальному выводу. Состоял он в том, что наряду с состояниями, отвечающими живому или мертвому коту, согласно квантовой механике, существует и суперпозиция этих состояний. Другими словами, должно существовать состояние, когда кот «ни жив, ни мертв» (или, если хотите, — жив и мертв одновременно). Применительно к окружающим нас объектам такая ситуация выглядит странновато. Однако для элементарных частиц нахождение одновременно в двух, казалось бы, взаимоисключающих состояниях совершенно естественно.

Недавно группа Джонатана Фридмана из Нью-Йоркского университета получила одно из доказательств того, что законам квантовой теории подвластны не только элементарные частицы, но и макроскопические объекты. Ученые показали, что примерно так же, как кот Шредингера, может вести себя электрический ток в сверхпроводящем кольце. Исследователи добились такого состояния сверхпроводящего кольца, при котором ток по нему тек одновременно и по часовой, и против часовой стрелки.

Одним из важнейших понятий квантовой теории поля является представление о вакууме. Физический вакуум не пустое место. Если полю, находящемуся в вакуумном состоянии, сообщить достаточную энергию, то происходит его возбуждение и рождение частиц — квантов этого поля.
Эмпирика точных расчетов

Открытие универсальности дуализма волна—частица для всего микромира привело к пониманию того, что противопоставление понятий «частица» и «волна» не совсем оправданно. Квантовые объекты должны описываться более фундаментальными понятиями, а представления о «частице» и «волне» лишь в некоторой степени отражают объективную реальность окружающего нас мира.

Классические частицы движутся по определенным траекториям. Если точно известны координаты и импульсы частицы в начальный момент времени, то можно определить значения координат и импульсов в любой последующий момент времени.

Электрон, протон, нейтрон и другие элементарные частицы принципиально отличаются от таких классических объектов, как, например, дробинка или шарик для пинг-понга. Одно из основных различий заключается в том, что квантовая частица движется не по траектории. При этом неправомерно говорить об одновременных значениях ее координаты и импульса. В этом и состоит принцип неопределенности, установленный Вернером Гейзенбергом в 1927 году. Соотношение неопределенности подчеркивает принципиальное различие в описании состояния системы в классической и квантовой физике. Состояние классической частицы можно описывать с помощью точного задания координат и импульсов. Для квантовой частицы не существует состояний, в которых ее координаты и импульс имели бы одновременно точные значения. При этом квантовая механика позволяет установить, какие из физических величин, характеризующих систему, могут иметь одновременно определенные значения, а какие нет.

Диапазон применения квантовой механики удивительно широк. Ей подчиняется огромное число явлений и процессов—деление атомных ядер и образование нейтронных звезд, форма химических соединений и структура спирали ДНК, работа полупроводниковых диодов, транзисторов и лазеров.

Для понимания законов квантового мира нельзя опереться на повседневный опыт. Частицы ведут себя как классические только в том случае, если мы постоянно «подглядываем» за ними, или, говоря более строго, непрерывно измеряем, в каком состоянии они находятся. Но стоит нам «отвернуться» (прекратить наблюдение), как квантовые частицы переходят из вполне определенного состояния сразу в несколько различных состояний. То есть электрон (или любой другой квантовый объект) частично будет находиться в одной точке, частично — в другой, частично — в третьей и так далее. И это вовсе не означает, что он делится на части — в противном случае какую-нибудь часть электрона можно было бы изолировать и измерить ее заряд или массу. Опыт же показывает, что после измерения электрон всегда оказывается «целым и невредимым» в одной-единственной точке, несмотря на то, что до этого успел побывать одновременно почти везде. Такое состояние электрона, когда он находится сразу в нескольких точках пространства, называемое суперпозицией квантовых состояний, описывают обычно волновой функцией, введенной в 1926 году немецким физиком Эрвином Шредингером. После измерения положения частицы ее волновая функция как бы стягивается в ту точку, где частица была обнаружена, а затем, после измерения, опять начинает расплываться.

Но вернемся к эксперименту с двумя щелями. Напомним, что квантовая частица проходит одновременно через две щели, и на экране наблюдается интерференционная картина. При этом квантовая механика предсказывает, что при определении (измерении с помощью любого прибора) того, через какую из двух щелей проходит квантовая частица, интерференционная картина разрушается. Впервые осуществить такого рода эксперименты позволили достижения техники лазерного охлаждения атомных пучков и достижения последних лет в квантовой оптике. Так, с помощью монохроматического пучка атомов натрия в Университете города Констанц (Германия) был реализован эксперимент с двумя щелями. Он показал, что попытка определить траекторию атома путем рассеяния фотонов приводит к исчезновению интерференционной картины.

Сквозь стены

Вероятностный характер происходящих в микромире явлений приводит к тому, что иногда может случиться даже то, чего быть не должно с точки зрения классической физики. Рассмотрим движение частицы в узкой области, внутри которой потенциальная энергия имеет некоторое конечное значение. В этом случае говорят, что наличествует потенциальный барьер. Такой потенциальный барьер можно представлять в виде кратера с высокими стенками. Если полная энергия классической частицы меньше высоты потенциального барьера, то движущаяся частица, достигнув его, не сможет преодолеть потенциальный барьер. В квантовой же механике, согласно уравнению Шредингера, волновая функция частицы, находящейся в таких же условиях, существует не только внутри воображаемого кратера, но и в области за барьером. Это означает, что есть вероятность обнаружить частицу вне кратера. Возникает интересное явление — проникновение квантовых частиц сквозь потенциальный барьер (сквозь стенки), называемое туннельным эффектом.

Туннельный эффект позволяет объяснить распад атомных ядер, при котором из ядер вылетают а-частицы атомов гелия). Известно, что прочно удерживается внутри атомного ядра сильным взаимодействием. Вне ядра на а-частицу действуют электрические силы отталкивания. Потенциальная энергия в зависимости от расстояния до центра ядра имеет вид глубокой ямы, похожей на кратер. Внутри этой ямы а-частица имеет энергию, много меньшую, чем высота потенциального барьера. И а-частицам каким-то образом удается выбраться из этой ямы. Объяснение такого проникновения частиц через стенки дает туннельный эффект. В результате среднее время жизни радиоактивного атомного ядра оказывается хотя и очень большим, но конечным. Например, время жизни ядра урана 238 U составляет около 4 млрд. лет.

Туннельный эффект позволяет достать то, что прочно удерживается за потенциальными барьерами. Именно прохождением частиц сквозь этот барьер объясняются ионизация атомов в сильном электрическом поле и вырывание электронов из металла под действием электрического поля. Однако чем больше ширина и высота потенциального барьера, тем меньше вероятность прохождения через него.

Именно благодаря туннельному эффекту работают полупроводниковые диоды Шотки, в которых электрический ток в десятки ампер успешно протекает через тонкий слой диэлектрика, разделяющий полупроводниковый и металлический электроды данного квантового прибора. Причем, как и положено диоду, прибор этот пропускает ток только в одну сторону — туда, где энергия зарядов меньше.

Полное подобие

Мы привыкли к тому, что практически каждый предмет индивидуален и хоть чем-то отличается от подобного ему. А вот про элементарные частицы этого сказать нельзя, и разные электроны (как и любые однотипные элементарные частицы) обладают той удивительной особенностью, что ничем друг от друга не отличаются. Системы, состоящие из одинаковых (тождественных) частиц, обладают в квантовой механике особыми свойствами. Эти свойства следуют из так называемого принципа неразличимости тождественных частиц. Представим себе, что мы поменяли местами два электрона, переставив один на место другого. Поскольку электроны абсолютно тождественны, такая перестановка не приведет ни к каким изменениям и не сможет быть обнаружена экспериментально. Это приводит к специфическому обменному взаимодействию, благодаря которому возникают химические связи в молекулах и кристаллах.

Идентичность атомов нашего светила и атомов, образующих похожую звезду, находящуюся на расстоянии в миллиарды световых лет от Земли, позволяет астрономам делать выводы об устройстве Вселенной. Более того, физики сегодня исходят не только из того, что в разных точках пространства действуют одни и те же законы, но и полагают, что за последние 10 млрд. лет электроны (да и весь остальной микромир) были неизменными и тождественными современным.

Даже точка может вращаться

Итак, построение квантовой теории началось с работы Планка, выдвинувшего гипотезу о существовании дискретных уровней энергии в рамках классического подхода. В процессе развития квантовой механики возникло уравнение Шредингера, из решения которого дискретные значения энергии получаются автоматически. Однако экспериментальное определение уровней энергии атомов показало, что полного совпадения с предсказаниями теории нет. Все уровни, кроме основного, расщеплены на ряд очень близких подуровней.

Объяснить это расхождение теории с опытом удалось только с помощью предположения, сделанного Джорджем Уленбеком и Сэмюэлем Гаудсмитом в 1925 году. Они решили, что электрон, как и большинство других элементарных частиц, обладает дополнительной внутренней степенью свободы, названной спином. Наличие спина у квантовой частицы означает, что в некотором отношении она подобна маленькому вращающемуся волчку. Спин может принимать только целые и полуцелые значения.

Все квантовые частицы делятся на два вида — фермионы и бозоны, в зависимости от их спина. Фермионами называются частицы, имеющие полуцелое значение спина. Для этих частиц справедлив принцип, открытый Вольфгангом Паули в 1925 году, согласно которому две одинаковые (тождественные) частицы с полуцелым спином не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Бозонами называются частицы с целым спином. Принцип Паули на них не распространяется: в одном и том же состоянии может находиться любое число частиц. Самыми известными фермионами являются электроны, а бозонами — фотоны. Особенно резко отличаются друг от друга низшие энергетические уровни у систем бозонов и фермионов. Фермионы располагаются ровно по два на каждом энергетическом уровне — один спином вверх, другой вниз. А вот бозоны, напротив, могут все вместе расположиться на одном-единственном нижнем уровне. Именно это явление приводит к сверхпроводимости и сверхтекучести.

Эффект запутывания и ЭПР-парадокс

В процессе становления квантовой картины мира большую роль сыграли не только реальные данные, но и умозрительные эксперименты. Согласно предложенному в 1935 году Эйнштейном, Подольским и Розеном опыту, проводя наблюдения за одной из двух взаимодействовавших частиц, экспериментатор мгновенно изменяет параметры другой, уже далеко отлетевшей частицы. Получается, что квантовая система в процессе разделения сохраняет некую связь (эффект запутывания). Парадокс Эйнштейна—Подольского—Розена, или ЭПР, связан с принципиальной «квантовой нелокальностью».

Окончательное разрешение этого «парадокса» произошло только в 1964 году, когда Джон Белл рассмотрел пару запутанных квантовых частиц, бывших в контакте, а затем удалившихся друг от друга так, что их взаимовлияние стало невозможно. Он показал, что эти частицы проявляют себя столь взаимосогласованно, что это явление не может быть объяснено с точки зрения классической теории. Эксперименты с фотонами и другими частицами многократно показали наличие этой согласованности, тем самым подтвердив правильность квантовой механики и нелокальность пси-функции для системы из нескольких частиц.

Квантовый факс и ксерокс

Одним из важных выводов квантовой теории является теорема о неосуществимости копировании неизвестного квантового состояния. Согласно этой теореме невозможно, получив полную информацию о неизвестном квантовом объекте, создать второй, точно такой же, объект, не разрушив первый. Это утверждение, которое строго доказывается в квантовой механике, можно назвать парадоксом квантовых близнецов. Запрещая создание двойников, квантовая механика не запрещает создание точной копии с одновременным уничтожением оригинала — то есть телепортацию.

Слово «телепортация» совсем недавно перешло из фантастики в науку. Обычно полагают, что переместить какой-то объект или даже человека — значит переместить все частицы, из которых он состоит. Но поскольку элементарные частицы неотличимы друг от друга, их можно не перемещать, а «собрать» телепортируемый объект из новых частиц на основе полученной информации.

Следовательно, телепортация объекта есть считывание квантового состояния частиц и воссоздание этого состояния на удаленном расстоянии. Правда, согласно квантовой механике, как только будет считана вся нужная информация, объект исчезнет и снова появится на свет только после квантовой сборки.

Современному научному значению слова «телепортация» соответствует следующая процедура: объект дезинтегрируется (разрушается его квантовое состояние) в одном месте, а в другом месте возникает его совершенная копия. Причем объект или его полное описание в ходе телепортации никогда не находится между этими двумя местами. Обратите внимание, что «дезинтеграция» квантового состояния является необходимым условием согласно теореме о запрете на клонирование.

В силу принципа неопределенности, чем больше получено информации о некоем объекте, тем больше искажений вносится в этот объект — и так до тех пор, пока исходное состояние не будет разрушено полностью. И даже полностью разрушив исследуемый объект, мы все равно не получим полной картины его исходного квантового состояния. Это звучит как возражение против телепортации: если для создания точной копии из объекта невозможно извлечь достаточно информации, то точная копия не может быть создана. Однако шестеро ученых из группы Чарлза Беннета, нашли возможность обойти это затруднение, используя знаменитый ЭПР-эффект.

Практика телепортации

Вопрос о квантовой телепортации впервые был поставлен в 1993 году группой Чарлза Беннета, которая, используя запутанные состояния, показала, что при присоединении третьей частицы к одной из запутанных частиц можно передавать ее свойства другой удаленной частице. Экспериментальная реализация ЭПР-канала была осуществлена в работах двух групп исследователей — австрийской, из Университета в Инсбруке, возглавляемой Антоном Цойлингером, и итальянской, из Университета в Риме под руководством Франческо Де Мартини. Опыты группы Цойлингера и де Мартини доказали выполнимость принципов ЭПР на практике при передаче по оптическим кабелям состояний поляризации между двумя фотонами посредством третьего на расстоянии до 10 км.

Достигнув успехов в телепортации фотонов, экспериментаторы уже планируют работы с другими частицами — электронами, атомами и даже ионами. Это позволит передавать квантовое состояние от короткоживущей частицы к более долгоживущей. Таким способом можно будет создавать запоминающие устройства, где информация, принесенная фотонами, хранилась бы на ионах, изолированных от окружающей среды. Телепортация может обеспечить надежную передачу и хранение данных на фоне мощных помех, когда все другие способы оказываются неэффективными. Возможно, в будущем сети квантовой телепортации получат такое же распространение, как современные телекоммуникационные сети.

Квантовая механика описывает элементарные частицы, движущиеся со скоростями, много меньшими скорости света. Квантовая теория поля описывает процессы с участием частиц, движущихся со скоростями, близкими к скорости света. И то, и другое в совокупности составляет квантовую теорию, описывающую движение, взаимодействие, рождение и уничтожение элементарных частиц.

Преемственность физики

Несмотря на совершенно новый взгляд на многие природные явления, квантовую механику никак нельзя расценивать как полное опровержение классической физики. Последняя может рассматриваться как предельный случай квантовой механики или как первое и очень грубое приближение к ней. Как подчеркивал Поль Дирак, соответствие между квантовой и классической теориями состоит не только в их предельном согласии. Соответствие заключается прежде всего в том, что математические операции двух теорий во многих случаях подчиняются одним и тем же законам и описываются одной математической структурой. Отличия заключаются лишь в представлении (реализации) этих структур конкретными математическими объектами.

Сегодня физики твердо верят в то, что наш мир един и познаваем. Все разнообразие природных явлений просто обязано описываться в рамках некоего единого универсального подхода. Другое дело, что человек пока еще не до конца сумел понять глубинную сущность законов природы и пределы познаваемости мира.

Однако большинство физиков убеждены в том, что, если идти по пути, указанном квантовой механикой и квантовой теорией поля, будет открыт тот самый свод законов и правил, который и правит нашим удивительно красивым миром.

Василий Тарасов, кандидат физико-математических наук Оригинал

Одна из ярчайших выдумок научной фантастики, телепортация, превратилась в реальность, к ее изучению приступили в самых разных научных учреждениях. Впрочем, она оказалась не такой, какой вы, возможно, ее себе представляли. Брайан Клегг рассказывает обо всем, что с ней связано.

Слово «телепортация» неразрывно связано с сюжетами научной фантастики вроде транспортеров «Звездного пути», трансматов из «Доктора Кто», сумасшедших изобретателей из таких фильмов, как «Муха», или сети нуль-транспортировки в книгах Стругацких и Кира Булычёва. Эта идея кажется столь же невероятной, как сверхсветовые путешествия и машина времени. Но телепортация постепенно становится реальностью — правда, в крошечных масштабах. Квантовые компьютеры, главная надежда на прорыв в вычислительных технологиях, опираются на нее в своей работе.

Теория, стоящая за телепортацией, более строго называемой квантовой телепортацией, появилась из давнего спора между Альбертом Эйнштейном и Нильсом Бором. Эйнштейн заложил основы квантовой теории и был большим ее энтузиастом, пока на сцену не вышла случайность. Его взгляды поменялись, когда новое поколение физиков, работающих в этой области, обнаружило, что квантовые частицы управляются вероятностными законами. Он этого терпеть не мог и писал: «Теория дает много, но к таинствам Старика она не подводит нас ближе. Во всяком случае, я убежден, что [Он] не играет в кости». Поэтому Эйнштейн годами указывал Бору на проблемы с корректностью квантовой физики.

Последней и величайшей из его атак на квантовую физику стала опубликованная в 1935 году статья «Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным?», написанная Эйнштейном в соавторстве с двумя коллегами, Борисом Подольским и Натаном Розеном, откуда берет начало так называемый ЭПР-парадокс (по инициалам авторов). Из статьи следовало, что либо квантовая теория ошибочна, либо она делает возможными невероятные вещи. Речь шла о создании пары квантовых частиц в состоянии, известном как запутанность. Эти частицы могут быть разнесены на противоположные края Вселенной, но изменение, случившееся с одной из них, немедленно отразится на другой. Каким-то образом они могут мгновенно коммуницировать. Эйнштейн думал, что нашел трещину в броне квантовой теории. Но в действительности он обнаружил одну из самых замечательных способностей квантовых частиц. Более того, эксперименты неоднократно показали, что запутывание действительно существует.
Неспециалисту кажется, будто запутанность можно использовать для отправки мгновенных сообщений с одного конца Вселенной на другой, но это не так. Информация, которую, запутанность способна передавать, является случайной и потому не поддается контролю.

1570924

Телепортация вещей
Чтобы успешно телепортировать объект, телепортационное устройство должно создать его точную копию вплоть до квантового состояния каждой частицы. Если этого не сделать, переданная версия будет дефектной. Например телепортированный мистер Спок может обнаружить, что думает мысли д-ра Маккоя, или, еще хуже, может превратиться в кучку пыли. Однако даже если мы сможем создать точную копию объекта, невозможно узнать точное состояние квантовых частиц без изменения их поведения. Это означает, что невозможно породить идеальную копию квантовой частицы, чтобы создать идентичных двойников, — и это было доказано математически в 1980-х годах Уильямом Вутерсом (William Wootters) и Войцехом Зуреком (Wojciech Zurek).

Но всё же остается одна лазейка. Можно передать состояние от одной частицы к другой при условии, что его характеристики нигде в пути не раскрываются. Механизм для этого обеспечивает как раз запутывание. Это идея была представлена на симпозиуме в Монреале в 1993 году. Исследователь из компании IBM Чарлз Беннет (Charles Bennet) предположил, что пара запутанных частиц может обеспечить необходимый скрытый канал связи. Как отметил организатор мероприятия Жиль Брассар (Gilles Brassard): «После двух часов мозгового штурма ответом оказалось телепортация. Это возникло совершенно неожиданно».

Процесс квантовой телепортации требует использования трех частиц. Мы начинаем с запутанной пары частиц, одна из которых остается в передатчике, а другая отправляется к приемнику. Третья частица — та, которая телепортируется. Ее заставляют провзаимодействовать с первой из запутанных частиц, получая мгновенно невидимые изменения связанного с ней партнера, находящегося на приемном конце. Затем передатчик выполняет измерение состояний двух своих частиц. Этот процесс определяет, скажем, спин или поляризацию частицы, и эта информация передается удаленной частице с помощью обычных средств связи. В результате далекая запутанная частица переходит в то состояние, в котором была исходная. Фактически получается, что частица передана из точки A в точку B.

Прошло всего четыре года, и Антон Цайлингер (Anton Zeilinger) в Вене, Франческо де Мартини (Francesco de Martini) в Риме продемонстрировали частичную телепортацию, передав поляризацию от одного фотона к другому. К 2004 году Цайлингер сумел телепортировать поляризацию исходного фотона через реку Дунай, отправив запутанные фотоны по подземному оптоволоконному кабелю и передав обычную информацию с помощью микроволн к приемнику, находящемуся в 600 м на другом берегу.

Может показаться, что телепортация фотонов не представляет интереса, — в конце концов, нетрудно направить свет из одного места в другое, и он дойдет туда с высокой скоростью. Но этот же принцип можно применить и для квантовых частиц материи, а телепортация фотонов — это первый шаг в направлении квантового компьютера, который использует квантовые состояния частиц, известные как кубиты — квантовые эквиваленты битов обычного компьютера. «Квантовая телепортация — это единственный известный метод, которым можно надежно передавать квантовую информацию на большие расстояния», — поясняет д-р Роналд Хэнсон (Ronald Hanson) из Дельфтского технологического университета (Нидерланды).

Спустя десятилетие после эксперимента на Дунае основные усилия направлены на то, чтобы сделать квантовую телепортацию устойчивой и воспроизводимой, а также распространить ее с фотонов на атомы. Без квантовой телепортации не может быть квантовых вычислений, за счет которых станут возможны операции вроде сложного поиска данных. На их выполнение у обычных компьютеров ушло бы время, превосходящее возраст Вселенной.

В 2009 году группа из Объединенного квантового института (JQI) при Мэрилендском университете и из Мичиганского университета (США) научилась передавать квантовое состояние одного атома на другой, находящийся в метре от него, причем телепортация была успешна в 90% случаев. В этом году мэрилендская работа получила развитие в Дельфтском университете, где телепортировали свойство, называемое спином, между электронами, находящимися на расстоянии 3 м друг от друга со стопроцентной надежностью. Эти электроны были пойманы в алмазные ловушки. Чистый алмаз является идеальной решеткой (3D-структурой) атомов углерода, но при добавлении примеси азота в решетке возникают дефекты. Электрон, пойманный внутри такого дефекта, может действовать как кубит.

Это был еще один важный шаг на пути создания телепортационного канала связи для полноценного квантового компьютера. Д-р Хэнсон поясняет: «Наш эксперимент впервые продемонстрировал телепортацию между двумя твердотельными чипами. Поскольку мы считаем, что в перспективе узлы квантового интернета будут представлять собой небольшие квантовые компьютерные чипы, этот шаг очень важен».

В то же время другие исследователи увеличивают дальность передачи. Текущий рекорд составляет 143 км и принадлежит Цайлингеру. На 2016 год в рамках нового эксперимента по квантовой коммуникации запланирован запуск китайского спутника, который должен проверить возможность использования запутанности и телепортации между космосом и Землей, — это будет первый важный шаг к созданию квантового интернета.

Кажется, что эти эксперименты оставляют дельфтскую трехметровую телепортацию в глубокой тени, однако эксперименты на больших расстояниях дают очень мало успешных исходов — всего лишь 1 из 1000. Это делает такой метод непригодным для использования в реальных компьютерных задачах, где требуется надежность. Тут лидирует дельфтский подход, объясняет д-р Хэнсон: «Мы умеем, не разрушая запутанность, узнать, что ее удалось создать. Благодаря этому можно использовать запутанность в последующем эксперименте по телепортации так, что он срабатывает во всех случаях».

1570926

Медленно, но верно
Сделать предстоит еще много. Крис Монро (Chris Monroe) из группы JQI и Мичиганского университета (США) отмечает, что и в эксперименте JQI, и в дельфтском содержатся серьезные недостатки. «Они были ужасно медленными: на одну успешную передачу кубита требовалось около пяти минут, — объясняет он. — Вероятность успешной генерации запутанности в обоих экспериментах была очень мала — около одного случая на 10 млн попыток… Это значит, что нет возможности масштабировать их для телепортации более крупных систем». Однако группа Монро сумела с тех пор ускорить телепортацию примерно в 5 тыс. раз, приблизив процесс к практическим задачам.

Секретная служба
Американские военные разрабатывают сейчас квантовую систему связи для передачи секретных сообщений. В прототипе используется создание фотонов для переноса информации, им затем позволяют взаимодействовать с парой запутанных фотонов, половина из которых отправляется к получателю. Любая попытка перехвата фотонов в пути будет обнаружена по нарушению хрупкой запутанности. Задача состоит в минимизации потерь, испытываемых фотонами, движущимися в хаосе сражений.

Телепортация, по-видимому, скоро станет доступна для квантовых компьютеров. Но сможем ли мы когда-нибудь телепортировать осязаемые физические объекты? Вряд ли это удастся сделать с людьми (см. подверстку «Станет ли когда-нибудь возможна телепортация человека?» с. 44»), и Крис Монро отмечает, что даже передача одной крупной молекулы представляет серьезнейшую проблему. «Если вы интересуетесь телепортацией состояния молекулы ДНК, то у нее так много степеней свободы, так много возможных конфигураций, что трудно вообразить выполнение подобной задачи в сколько-нибудь обозримом будущем», — говорит он.
Для человека можно было бы физически переслать ингредиенты, но как телепортировать инструкции по сборке? «Когда капитана Кирка телепортируют с планеты на «Энтерпрайз», ни один атом его тела не перемещается, — говорит Монро. — На приемной площадке транспортера уже присутствуют все атомы, из которых капитан должен образоваться. Единственное, что передается, — это точная конфигурация и квантовая информация, закодированная всеми его атомами. Я не знаю, как может выглядеть этот «субстрат» капитана Кирка, но не думаю, чтобы он был симпатичным».

В обозримом будущем мы не сможем телепортироваться, но, по крайней мере, квантовая телепортация значительно приблизит нас к появлению применимых на практике квантовых компьютеров.

1570928

Станет ли когда-нибудь возможна телепортация человека?
Энергия, необходимая для телепортации человека, неразумно велика, но даже будь нуль-транспортировка возможна, захотели бы вы ею пользоваться?

Бесконечные перелеты становятся всё более скучными, а идея просто войти в будку на одном конце мира и появиться на другом — всё более привлекательной. Реализация этой идеи, однако, сталкивается с невероятным числом технических проблем. Возможно, получится телепортировать очень маленькие предметы, вроде вирусов, но для чего-то большего существуют физические пределы, вынуждающие транспортировать крупные предметы частицу за частицей.

Даже оставив в стороне нашу неспособность аккуратно манипулировать материей на этом уровне, необходимо признать, что сложность проблемы феноменальна. Человеческое тело содержит около 7•1027 атомов. Представим, что вы можете обрабатывать триллион атомов в секунду. Понадобится 7•1015 с, чтобы целиком отсканировать человека. Это 200 млн лет! Получится также огромный массив данных, передача которого имеет энергетическую цену. По консервативным оценкам на это потребуется 1012 ГВт•ч. Вся британская энергетика вырабатывает 83 ГВт (это 7•105 ГВт•ч в год). Так что телепортация одного человека израсходует всю энергию в Великобритании за более чем миллион лет.

Даже если бы это оказалось выгодно, чувствительные путешественники опасались бы использовать телепортационное устройство. Имейте в виду, что вы не перемещаетесь из точки A в точку B. Вместо этого устройство разбирает вас атом за атомом, уничтожая ваше тело, и создает идентичную копию. Да, телепортированные «вы» выглядели бы тем же самым для всех остальных, с теми же мыслями и воспоминаниями. Но это была бы копия, а вы сами были бы уничтожены. Даже служба безопасности в аэропорту не настолько ужасна.

19 ноября 2014

Аптека под ногами

С распространением устойчивости к антибиотикам поиск новых лекарств становится всё более напряженным. Однако, как обнаружила Зои Кормье, спасение можно найти в почве.

На протяжении последнего века антибиотики спасали нас от болезней, которые когда-то выкашивали целые страны. В 1850 году четыре из десяти британских детей не доживали до своего первого дня рождения — в основном из-за болезней, которые теперь считаются пережитками прошлого, например коклюша (вызываемого Bordetella pertussis), холеры (Vibrio cholera) и пневмонии (Streptococcus pneumoniae).

Но в наши дни появляется всё больше бактерий, устойчивых к антибиотикам. Старые враги, которых мы считали побежденными, становятся сильны, как никогда. Лекарства, спасавшие нас от этих смертельных бактерий, теперь бесполезны. И даже эффективные до сих пор антибиотики в будущем могут утратить силу. Пневмония, туберкулез и другие убийцы уже готовят новую атаку на нашу уязвимую иммунную систему.

К счастью, микробиологи неустанно разыскивают новые средства для борьбы со смертельными инфекциями, и самые сильные лекарства могут таиться в неожиданном месте: прямо у нас под ногами. Ученые из нью-йоркского Рокфеллеровского университета ищут неисследованные гены в почвенных бактериях.

Проблема устойчивости к антибиотикам настолько серьезна, что Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) предупреждает: время антибиотиков прошло, и игнорировать бактериальные инфекции больше нельзя. В апреле 2014 года ВОЗ заявила: «Это не прогноз на будущее, уже сейчас опасность грозит каждому из нас независимо от возраста и страны. Теперь это важнейшая угроза общественному здоровью».

Главный источник антибиотиков — сами бактерии

Говоря об оружии против микробов, мы обычно представляем себе грибы на заплесневелом хлебе — первоначальный источник пенициллина — или, возможно, молекулы-убийцы, разработанные с помощью компьютеров. Но на самом деле главный источник антибиотиков — это сами бактерии. Причина проста: на протяжении миллионов лет бактерии враждуют между собой. «Природа воюет с этими генами устойчивости уже миллионы лет. Нам остается только понять язык бактерий», — объясняет профессор Шон Брэди (Sean Brady), руководитель лаборатории в Рокфеллеровском университете.

В каждом уголке земного шара, на дне океана и в вашей ротовой полости бактерии непрерывно сражаются, отвоевывая друг у друга пространство. Антибиотики — это всего лишь оружие, которое бактерии используют в этой войне, а гены устойчивости к антибиотикам — защита, разработанная в ответ другими видами. «Практически каждое лекарство имеет естественное происхождение. Нужно лишь разобраться, как природа воюет с опасными для нас бактериями», — утверждает профессор Брэди.

Копать до победного конца

Группа ученых из Рокфеллеровского университета уже изучила 100 проб почвы, но для максимальной эффективности исследования они намерены обработать как можно больше образцов, чтобы создать карту биосинтетического разнообразия почвенных микробов. С этой целью они запустили гражданский проект «Лекарства из грязи», предлагая жителям всех пятидесяти штатов США присылать в лабораторию образцы местной почвы для анализа.

Проблема устойчивости к антибиотикам требует всеобщей научной мобилизации, как настоящая война, считают Джереми Фаррар (Jeremy Farrar), глава благотворительного биомедицинского фонда Wellcome Trust, и Марк Вулхаус (Mark
Woolhouse), профессор эпидемиологии инфекционных болезней в Эдинбургском университете (Шотландия). Эти двое ученых написали статью в журнале Nature, призывая создать посвященный антибиотикам аналог Международного совета по изменению климата, чтобы совместно обрабатывать данные, ускорить разработку новых лекарств и обеспечить согласованные мероприятия во всем мире.

«Устойчивость к антимикробным препаратам — это глобальная проблема, требующая глобальных решений, — писали они. — До сих пор международное сообщество реагировало слишком вяло. ВОЗ лишь месяц назад признала, что устойчивость к антибиотикам должна быть включена в международные медико-санитарные правила».
Три главные причины проблемы — чрезмерное использование антибиотиков, расточительное применение в сельском хозяйстве и недостаток новых лекарств. Из-за массового лечения антибиотиками выживают в основном устойчивые к ним бактерии (см. справку «Как вырабатывается устойчивость к антибиотикам»). Другими словами, мы обеспечили эволюционный отбор на устойчивость к лекарствам. Сами по себе антибиотики не вызывают появление генов, делающих бактерии устойчивыми. Эти свойства изначально есть в популяции микробов, они такие же древние, как и сами виды бактерий. Но лекарства убивают все бактерии, у которых нет природной невосприимчивости. В живых остаются только самые устойчивые, они быстро размножаются, и возникает генетически защищенная от антибиотиков популяция.

Люди могут передавать гены только своим детям, а бактерии способны обмениваться ими

Антибиотики спасли множество жизней от бактериальных инфекций, но люди зачастую принимают их не задумываясь при любых болезнях, даже не бактериального, а вирусного происхождения — например, при обычной простуде или гриппе. В таких обстоятельствах антибиотики убивают неопасные бактерии, живущие в вашем теле, давая дополнительное преимущество устойчивым.

Всё это приводит к усилению устойчивых штаммов, потому что бактерии могут обмениваться генами друг с другом при помощи странного механизма «горизонтального переноса». Люди могут передавать гены только своим детям, а бактерии способны сравнивать их и обмениваться друг с другом. Гены устойчивости к антибиотикам могут передаваться от одного вида к другому, в том числе от безвредных бактерий к болезнетворным. Хуже того, мы наблюдаем расцвет «суперинфекции», устойчивой сразу к нескольким лекарствам благодаря генам, полученным от многих других видов.

Еще одна причина устойчивости — растущее использование препаратов в сельском хозяйстве. В Европе это запрещено, но в США антибиотики широко применяют при выращивании скота. Их в огромном количестве скармливают коровам и свиньям, чтобы предотвратить передачу болезней в тесных загонах и ускорить рост животных. Больше половины антибиотиков в Америке предназначены для скота, и от этого гены устойчивости еще быстрее распространяются в окружающей среде.

И наконец, за последнюю четверть века почти не появилось новых антибиотиков. Препараты класса макролидов, аминогликозидов, флуороквинолонов и тетраклицинов, которые обычно прописывают больным, были открыты и завоевали популярность в золотой век антибиотиков — между 1940-м (когда началось промышленное производство этих лекарств) и 1980 годами. С тех пор новые открытия случались всё реже и реже. В то время как бактерии совершенствуют свою защиту, мы придумываем слишком мало нового оружия для борьбы с ними.

Пора испачкать руки

Но несмотря на то, что перспективы выглядят мрачно, профессор Брэди уверен: у нас есть огромный потенциал для создания новых лекарств, потому что ученые исследовали лишь малую часть бактерий на Земле. «Даже та крошечная доля природного разнообразия, которую мы уже изучили, спасла столько жизней. При этом мы столько упустили, — рассказывает доктор Брэди. — Как будто мы всю жизнь прожили у себя в комнате, не зная о существовании остального мира».

Более того, из трех самых населенных бактериями сред обитания — океана, кишечника и почвы — именно в почве самое высокое разнообразие видов. Из земли уже добыли новый антибиотик — платенсимицин, выделенный из бактерии Streptomyces platensis в лабораториях фармацевтической корпорации Merck в 2006 году. Это лекарство основано на новом химическом принципе — оно мешает бактерии получать энергию из жирных кислот.

До последнего времени ученые могли исследовать только выращенные в лаборатории штаммы, и это было главным ограничением, мешавшим изучать широкий спектр генов. Многие виды бактерий (возможно, большинство) не могут расти в чашках на простой агарозной среде. «Мы работали только с тем, что можно разводить в лаборатории, — объясняет Брэди. — Это всё равно что изучать только те виды растений, которые растут на грядках».

Но современная революция в секвенировании ДНК позволяет биологам читать генетическую информацию, и больше не нужно выращивать для этого культуру микробов. Уже известно, что самое большое разнообразие молекул синтезируют бактерии, обитающие в засушливых почвах. Что еще обнаружат ученые? Этого они не знают, но уверены, что их ждут новые открытия.

«В каждой изученной щепотке земли мы открываем что-то новое, — говорит профессор Брэди. — Так что, может быть, перспективы в борьбе с болезнями не такие уж и мрачные».

Зои Кормье (Zoe Cormier) — научный журналист и писатель, специализирующийся на биологии и зоологии

Что такое микроб?

Микробы — это крошечные живые существа, невидимые для глаз человека. Несметное множество разновидностей микробов обитает повсюду — от верхних слоев атмосферы до дна океана.

Бактерии
Эта группа организмов по-настоящему правит миром. Бактерий можно найти на каждом сантиметре планеты — и в океане, и внутри любого живого существа. На каждую человеческую клетку в вашем организме приходится десять клеток бактерий. В одном только кишечнике их целый килограмм. А на каждого человека, живущего на Земле, приходится по 50 тонн бактерий.

Археи
Археи (по-гречески это название означает «древние») были отделены от бактерий и классифицированы как отдельное царство только в 1977 году. Раньше считалось, что эти простые и очень древние микробы живут только в экстремальных условиях вроде гейзеров и ледников, однако сейчас известно, что их можно найти повсеместно — даже в человеческом пупке.

Простейшие
Простейшие, или протисты, устроены чуть сложнее, чем бактерии, и вместе с растениями, животными и грибами принадлежат к группе эукариот. Тем не менее, эти одноклеточные организмы во многом напоминают бактерий — в том числе способностью вызывать заболевания, например малярию и сонную болезнь.

Грибы
Грибы крайне разнообразны: от гигантских сетей микоризы, простирающихся между древесными корнями, до крошечных одноклеточных, таких как дрожжи, плесень и Penicillium, выделяющий антибиотик пенициллин. Грибы помогают растениям расти, а пекарям — печь хлеб, вырабатывают антибиотики и отравляют нас галлюциногенами — словом, это самые беспокойные и непредсказуемые из малюток.

Как вырабатывается устойчивость к антибиотикам

1. Гены устойчивости к антибиотикам обычно встречаются в популяции бактерий в небольшом количестве. Но в отсутствие антибиотиков эти гены не дают никакого преимущества, поэтому остаются немногочисленными.
2. Популяцию обрабатывают антибиотиком, который убивает большую часть бактерий, не имеющих природной устойчивости. Только те, у кого такая устойчивость есть, могут пережить обработку лекарством.
3. Невосприимчивые к антибиотику бактерии размножаются, как обычно. Поскольку бактерии делятся очень быстро, вскоре большая часть популяции становится устойчивой.
4. Если популяцию снова обработать антибиотиком, он почти не подействует. Редко встречавшаяся природная устойчивость теперь широко распространилась, и лекарство становится бесполезным.

В прошлом году человечество проворонило сенсацию.

Если такого не может быть – просто по смыслу слова «сенсация», готов уточнить: научное человечество не заметило научно-криминальную сенсацию – покушение на убийство, или даже действительное убийство. Впрочем, человечество можно понять, – сенсация случилась в малоподходящем месте – в «Нью-йоркском книжном обозрении». Журнал этот, конечно, возвышается в книжном мире, но в мире науки он мало заметен. Зато все остальные элементы сенсации – высшего научного уровня. Покушение совершил знаменитый физик-теоретик Фримен Дайсон, а его жертва – знаменитая теория квантовой гравитации. То есть теории пока нет, – ее ищут не первый год и не первое десятилетие, и уже поэтому она заслуживает звание самого проклятого вопроса современной физики. Но Дайсон заявил, что на самом деле и вопроса нет, точнее, вопрос неправильный, что «квантовая гравитация физически бессмысленна». А значит, многолетние поиски следует прекратить, за отсутствием предмета поисков. И теория квантовой гравитации мертва, или, на сдержанном английском, — скорее мертва, чем жива. Обосновал он свое мнение следующим образом:

«Любая теория квантовой гравитации предполагает частицу ‘гравитон’ – квант гравитации, точно так же как фотон – квант света. Наличие фотонов легко обнаружить, как показал Эйнштейн, по электронам, выбитым с поверхности металла под действием света. Но гравитационное взаимодействие неимоверно слабее электромагнитного, и, чтобы обнаружить гравитон по электрону, выбитому с поверхности металла под действием гравитационных волн, пришлось бы ждать дольше, чем позволяет возраст Вселенной. Но если отдельные гравитоны невозможно наблюдать в эксперименте, значит они не имеют никакой физической реальности. Можно считать их несуществующими, подобно эфиру 19 века. И тогда гравитационное поле, описываемое теорией Эйнштейна, — это чисто классическое поле безо всякого квантового поведения.»

Две убийственные аналогии как два кинжальных удара.

Весь 19 век физики верили, что все сущее погружено в вездесущий эфир, и мучились над все более проклятым вопросом, каким законам подчиняется эта универсальная, но неуловимая среда, – в одних отношениях похожая на твердое тело, в других – на сверх-разряженный газ. Мучения прекратил Эйнштейн, сказав, что неуловимость эфира означает, что ловить просто нечего, и объяснив коллегам, что без понятия эфира можно прекрасно обойтись. Дайсон предложил последовать примеру Эйнштейна и повторить его успех.

Есть, правда, важное отличие. Неуловимый эфир был просто пережитком с древнегреческих времен, пусть даже и воспетым Пушкиным: «Ночной зефир/Струит эфир» (зефиру в этом смысле повезло больше, – каждый школьник знает его вкус). А гравитон – это, скорее, «недожиток «. И причину неуловимости гравитона вполне может уловить даже школьник, если у него по физике больше тройки.

Такой школьник в упомянутом «выбивании электронов с поверхности металла под действием света» легко узнает фотоэффект. Ведь этот эффект не только принес нобелевскую премию Эйнштейну, но и прочно вошел в обыденную жизнь. Каждый пассажир метро, проходя через турникет, участвует в этом явлении, точнее – в прерывании его. Поэтому школьник легко поверит, что обнаружить фотон – минутное дело. Он может сам подсчитать во сколько раз гравитационные силы в микромире слабее электрических, если вспомнит закон Кулона F= e2/r2, ньютоновский закон всемирного тяготения F= GmM /r2 и возьмет из учебника величины заряда и массы электрона и протона. Если у школьника и с математикой благополучно, то он получит ~ 1039, то есть 39-значное число. Так что, если обнаружить фотон – минутное дело, то для обнаружения гравитона понадобится, грубо говоря, 1039 минут, или 1033 лет. Напомним, что возраст Вселенной всего-навсего ~ 1010 (или, прописью, десяток миллиардов) лет, ничтожная величина по сравнению с 1033. И принципиально ничего не изменится, если обнаружить фотон – дело не минутное, а секундное или даже микросекундное, или если вместо электрона и протона взять какие-то иные элементарные частицы. Так школьник может убедиться, что гравитону не найти применения в народном хозяйстве просто потому, что самого гравитона не найти, даже если его искать днем с огнем.

Использованные здесь физические константы знали еще до того, как слова «гравитация» и «квант» соединились в одном предложении. И соединил их впервые сам Эйнштейн, в 1916 году, через несколько месяцев после создания своей теории гравитации и спустя 11 лет после того, как ввел в физику понятие фотона. Предложение его звучало так: «квантовая теория должна модифицировать не только максвелловскую электродинамику, но также и новую теорию гравитации».

Дайсон прекрасно знал, на что поднял руку. Ведь сделал он это в рецензии на книгу, автор которой – Б. Грин – профессионально занимается квантованием гравитации как физик и литератор, своей книгой побив кассовые рекорды научно-популярности . И на ниве квантовой гравитации кроме Грина, трудятся еще многие и многие профессионалы . Чтобы как-то оценить их число, я воспользовался интернетным каталогом Гарвардской библиотеки. Оказалось, что за последние тридцать лет издано более 90 книги, в аннотациях которых фигурирует выражение «квантовая гравитация», а  у шести десятков книг оно входит прямо в название. В прошлом году, прямо для нас, итог подвели две солидные монографии с одинаковым лаконичным названием «Quantum Gravity «, изданные крупнейшими научными издательствами. Там много чего написано о струнах, клавишах и прочих физ-мат-инструментах , но общий итог всей этой музыки таков: проблема квантовой гравитации остается широко открытой.

Не слишком ли много книг для теории, которой пока еще нет? Так, видно, подумал Дайсон. А вслух смиренно признал, что перестал следить за неустанными усилиями своих молодых коллег. Он допускает, что кажется им старой вешалкой, отставшей от скоростного поезда научного прогресса. Но это его не очень беспокоит, – ему самому когда-то такими вешалками казались пожилые Эйнштейн и Дирак. И он не ставит под вопрос хитроумные формулы в тех многочисленных книгах. А ставит свой простой вопрос, в котором гравитон зажат между фотоном и эфиром. И сам же дает простой ответ.

Откуда у него такая смелая независимость от столь внушительного общественного мнения?

Одна из причин в том, что о фотоне он знает больше многих других. Ведь фотон от рождения до смерти подчиняется квантовой электродинамике, а Дайсон – один из создателей этой теории, вместе с Р. Фейнманом, Ю. Швингером и С. Томонагой . Прихоть Альфреда Нобеля, решившего, что одной премией можно награждать не больше трех человек, сделала Дайсона четвертым лишним на Нобелевской церемонии 1965 года, но, не беспокойтесь, – он получил многие другие награды, включая российскую премию им. И.Я.Померанчука .

Вторую причину смелой независимости Дайсона можно усмотреть в его анкетной особенности, которую в советские времена называли пятым пунктом. Дайсон живет в Америке, но он не американец. Он – англичанин. Учиться в американскую аспирантуру он приехал из страны, в которой родилась идея прав личности. Великая Хартия вольностей и Билль о правах способствовали развитию смело-независимого национального характера британцев. Во всяком случае – Дайсона, которому к тому же родители дали еще и имя Freeman (что означает «свободный человек»). С таким именем, с такой национальностью, и, наконец, с такой научной биографией он и решился на чисто-английское убийство. Дефис здесь употреблен, чтобы подчеркнуть: речь идет о бескровном убийстве в сфере самой что ни на есть чистой науки. Из квантовой гравитации не то что бомбу, даже и мухобойку не сделаешь, то есть и муху не обидишь.

Обидеться могут лишь узкие специалисты в области квантовой гравитации. Но это их дело. Истина дороже.

Означает ли это призыв ко всем присоединиться к мнению Дайсона о том, что «квантовая гравитация физически бессмысленна»? Ни в коем случае.

Кто старое забудет, с того талер

Но что нового можно сказать наперекор Дайсону?

Не буду банальничать , что «новое – это хорошо забытое старое». Во-первых, потому, что забывать старое нехорошо. А во-вторых, я-то лично не забыл, а Дайсон, подозреваю, и не знал, – по молодости и по отдаленности от российской физики.

Дайсон пришел в науку и наводил порядок в квантовой электродинамике в конце 40-х годов. А я говорю об истории, начавшейся на рубеже 20-30-х годов, когда состояние квантовой электродинамики внушало глубокую озабоченность. В то время квантовая теория электромагнитного поля считалась составляющей «релятивистской теории квант», или ch-теории, в которой надлежало соединить специальную теорию относительности с ее фундаментальной константой c (скорость света) и квантовую механику с ее фундаментальной постоянной Планка h . Тогда не было и намека на какие-то иные, кроме электромагнетизма, силы микромира, а все, что знали об электромагнетизме, не могло объяснить, как удерживается положительный заряд ядра. В ту – до-нейтронную – пору ядра предполагались составленными из протонов и «внутриядерных» электронов, которые должны были двигаться с большими скоростями – близкими к c .

От «релятивистской теории квант» ожидали разгадку целой грозди загадок околоядерной физики (бесконечность собственной энергии, ядерные спины, спектр бета-распада). Ожидалась революционная перестройка, сравнимая с релятивистской и квантовой. Лидер таких настроений Нильс Бор за успех перестройки готов был пожертвовать законом сохранения энергии. Так же думал и Ландау, в то самое время познакомившийся с Бором и на всю жизнь «записавший себя» в его ученики.

Одно дело – общие ожидания, другое – конкретный революционный результат, который в 1931 году получил Ландау совместно c  Р. Пайерлсом: квантовая теория электромагнитного поля невозможна из-за ущербности основного понятия «поле в точке».

Квантовая механика с ее принципом неопределенности уже приучила к ограниченной применимости понятий, унаследованных от классической физики. Эти «h-ограничения» касались совместной измеримости некоторых величин, например, координаты и импульса, но оставалась возможность говорить о сколь угодно точном значении каждой величины в отдельности, что обосновывало их применение в h-теории.

Ландау и Пайерлс свою статью 1931 года назвали «Распространение принципа неопределенности на релятивистскую теорию». Анализируя мысленные эксперименты в ch-области, они пришли к выводу, что там неизбежны уже не только парные, но и индивидуальные неопределенности. Физика нового ограничения связана с тем, что при измерении «поля в точке» надо как можно точнее измерить положение пробного заряда, что возможно лишь при достаточно большом импульсе измеряющей частицы, но тогда большой импульс отдачи пробного заряда порождает дополнительное поле, искажая само измеряемое поле. Отсюда следовал вывод – понятие «поле в точке» неопределимо. На этом основании авторы предсказали, что «в правильной релятивистской квантовой теории, которая пока не существует, не будет ни физических величин, ни измерений в смысле волновой механики».

Авторы статьи явно считали, что развивают идеи Бора и, в частности, обосновывают его гипотезу о несохранении энергии в ch-физике: «Следуя красивой идее проф. Нильса Бора, можно думать, что излучение звезд обязано просто нарушению закона сохранения энергии, который, как впервые указал Бор, не справедлив в релятивистской квантовой теории…». Однако вместо благодарности своим последователям Бор принял их результат в штыки. Жаркое обсуждение запечатлел шарж Г. Гамова и воспоминание тогдашнего ассистента Бора – Леона Розенфельда:

«Я прибыл в Институт в последний день февраля 1931 года, и первым, кого я увидел, был Гамов. Когда я спросил, что новенького, он в ответ протянул рисунок. Там был изображен Ландау, привязанным к стулу и с кляпом во рту. Перед ним стоял Бор и говорил: 'Ландау, ну, пожалуйста! Дайте же мне хоть слово сказать!' Оказалось, что Ландау и Пайерлс приехали за несколько дней до того и привезли с собой какую-то статью, которую хотели показать Бору. 'Но', – добавил Гамов весело, – 'похоже, он не согласен с их доводами — и такие вот дебаты идут всё время. ' "

Ландау, однако, остался при своем мнении, и  статью опубликовал.

Около двух лет Бор работал (совместно с Розенфельдом) над тем, чтобы его устные возражения превратились в статью, устрашающую и своим объемом (более 60 страниц) и обилием немыслимой лабораторной техники в проведении мысленных экспериментов: пробные тела, способные вдвигаться одно в другое, бесчисленные маленькие зеркала у каждой части пробного тела, жесткие крепления к твердому каркасу, гибкие магнитные нити и т.п.

Но исходная идея Бора была физически ясной. Он увидел слабое место в рассуждениях Ландау-Пайерлса : для измерения поля они использовали точечный электрон, который нельзя считать вполне законным понятием классической теории. А по мнению Бора, измерительный прибор должен быть принципиально макроскопическим – как и сам физик-измеритель, и измерять следует среднее поле в какой-то конечной области пространства. Если это можно делать с любой наперед заданной точностью, значит, все в порядке. И Бор показал, что так оно и есть, если для измерения поля с заданной точностью брать заряженное пробное тело с достаточно большой массой, чтобы импульс отдачи не порождал слишком большого поля.

Можно пояснить и на школьно-математическом языке. Если существует некий минимальный пространственный масштаб, на котором измерение поля уже невозможно, то величина этого масштаба должна определяться фундаментальными константами электродинамики. Таких констант всего две: c и  h , и школьнику под силу убедиться, что как бы эти константы ни перемножать или делить, длину не получишь.

Бор был доволен. Даже узнав из письма, что Ландау опроверг его гипотезу несохранения энергии с помощью теории гравитации, он не особенно огорчился и постарался смягчить свою новость о спасении квантовой электродинамики: «Надеюсь, некоторым утешением для Ландау и Пайерлса будет то, что глупости, которые они совершили в этом отношении, не хуже тех, в которых повинны все мы, включая Гейзенберга и Паули, по этому противоречивому вопросу

Историк физики может сказать, что в матче Бор-Ландау счет стал 1:1 в пользу науки, после того как Бор обезвредил радикализм вывода Ландау относительно ch-теории, а Ландау обезвредил радикальную гипотезу Бора о несохранении энергии с помощью cG-теории, или неквантовой теории гравитации.

Сам Ландау, похоже, думал, что счет 1,5:0,5 в его пользу, – он так и не признал свою с работу глупой. Он не опровергал рассуждения Бора, но, вероятно, считал его мысленные измерения слишком мысленными, не реализуемыми.

Если историю физики перевести на юридический язык, то можно сказать, что Ландау приговорил квантовую электродинамику к смерти, а Бор ее оправдал. Такой поворот в ch-истории стал бы гораздо большей сенсацией, если бы как раз в те годы, 1932-1933, на физику не сваливались сенсационные открытия обычных (а не мысленных) экспериментаторов. За считанные месяцы в физической картине мира появились нейтрон, позитрон и нейтрино. В результате гордиев узел ядерных проблем не пришлось разрубать. Многие нити развязались почти сами собой, превратив вчерашние проблемы в триумфы.

Но проблема квантовой электродинамики оставалась. И оставался вопрос, где поставить запятую во фразе: «Казнить нельзя помиловать!»

Это взялся сделать Матвей Бронштейн. Он дружил с Ландау с университетских лет, высоко его ценил, но в данном случае стал не на его сторону. Бронштейн не просто понял результат Бора-Розенфельда, он понял его лучше самих авторов. Весной 1934 года в Докладах Академии наук он опубликовал заметку, в которой усовершенствовал логику мысленных экспериментов Бора-Розенфельда, изложив ее на трех страницах вместо шестидесяти. Бронштейн прояснил физическую природу Боровского вывода, – мысленный экспериментатор должен с неограниченной свободой выбирать заряд и массу пробного тела.

История дала возможность подсмотреть, как, вскоре после этой заметки, встре тили сь за круглым столом все заинтересованные в ch-теории лица. Это произошло в Харькове, куда в мае 1934 году они съехались на конференцию по теоретической физике. На газетном фото – слева направо – Ландау, Бор, Розенфельд и Бронштейн.

Неограниченная свобода в выборе заряда и массы…? Такой недосказанный вопрос, вероятно, и привел Бронштейна к его докторской диссертации 1935 года и двум статьям 1936 года о квантовой гравитации и к важнейшему до сего дня физическому результату в этой области. Он был из очень немногих физиков, кто чувствовал себя как дома и в микрофизике, где квантовая теория играет первую скрипку, и в астрофизике, где на первой виолончели играет гравитация. И потому он вполне мог заметить, что в гравитации подобной неограниченной свободы быть не может. Во-первых, гравитационный заряд и масса – это одно и то же, а, во-вторых, произвольно увеличивая массу пробного тела, непроизвольно натыкаешься на гравитационный радиус, когда образуется черная дыра, и пробное тело, можно сказать, теряется из виду. А, значит, в квантовой гравитации не сработает логика Бора-Розенфельда?

К 1935 году, надо сказать, квантовая гравитация находилась в состоянии весенней спячки. Считалось, что гравитацию можно проквантовать тем же макаром , что электродинамику, просто сам этот «макар » надо довести до ума. Но если квантовая электродинамика была совершенно необходима для понимания реальных явлений атомной и ядерной физики, то причинами для квантования гравитации были лишь возвышенные «общие соображения».

Бронштейн прекрасно понимал (и был первым в этом понимании), что главные физические задачи, которые требовали квантовой гравитации, не меньше требовали сильного поля – конец жизни звезды и начало жизни Вселенной. Но прежде всего он построил квантовую теорию слабого гравитационного поля, когда искривление пространства-времени очень мало. В этом приближении он получил два первых физических результата – не удивительные, но совершенно необходимые для здоровой теории и требуемые принципом соответствия. Представляя гравитационное взаимо­ действие материальных тел посредством «промежуточного агента— ‘гравитационных квантов’ «, он  из  cGh-теории слабого поля получил в неквантовом пределе эйнштейновский cG-закон гравитационного излучения, а в классическом пределе – ньютоновский G-закон всемирного тяготения.

М. П. Бронштейн во время лекций по теории гравитации и по квантовой теории.

Дружеский шарж выражает отношение М.П. Бронштейна к научно-социалистическому планированию науки (когда на эту тему проводились Всесоюзные конференции): «Всякий план есть предсказание». Однако предсказание о теории квантовой гравитации он сделал без помощи гадальных карт, лишь силой научной логики.

Единственным способом пощупать сильно-квантовый случай был анализ измеримости в cGh-теории. Именно проводя этот анализ, Бронштейн обнару­жил «принципиальное различие между квантовой электродинамикой и кван­товой теорией гравитационного поля». Различие это коренится в физическом свойстве гравитации, открытом еще Галилеем и ставшим основой Эйнштейновской теории гравитации: движение тела в гравитационном поле не зависит от его массы: движение брошенного камня зависит только от его начальной скорости. Другими словами, гравитационный заряд и масса тела в сущности одно и то же. Поэтому в гравитации и неприменим метод, указанный Бором для электродинамики.

В результате этого различия, как показал Бронштейн, гравитация измерима лишь с ограниченной точностью, рубеж измеримости определяют константы c , и h , из которых уже можно составить длину lPl = (hG /c3)12 = 10-33 см, – знаменитую планковскую длину. Но поскольку, благодаря Эйнштейну, гравитация – это геометрия пространства-времени, то значит, включение в игру квантов делает и саму геометрию неопределимой. На этом основании, семьдесят лет назад, ленинградской осенью в 1935 года, Бронштейн сделал такое предсказание:

«Устранение связанных с этим логи­ческих противоречий требует радикальной перестройки теории и, в частности, отказа от римановой геометрии, оперирующей, как мы здесь видим, принци­пиально не наблюдаемыми величинами — а может быть и отказа от обычных пред­ставлений о пространстве и времени и замены их какими-то гораздо более глубокими и лишенными наглядности понятиями. Wer's nicht glaubt , bezahlt einen Thaler .»

Вывод сформулирован решительно и с полным пониманием его радикальности. Об этом говорит и немецкая фраза, заменяющая восклицательный знак и означающая «Кто этому не верит, с того талер». Этой фразой завершается – после невероятных приключений – сказка братьев Гримм «О находчивом портняжке». В 1936 году, когда статья Бронштейна была опубликована, радикальное предсказание слишком напоминало приговор Ландау пятилетней давности, отмененный Бором, и поэтому пафос предсказания просто необходимо было смягчить – и, одновременно, под черкнуть.

Последнее фото М.П.Бронштейна

А в 1937 году Матвея Петровича Бронштейна арестовали. Ему было 30 лет. При аресте от него потребовали сдать оружие и отравляющие вещества, – он рассмеялся… Спустя полгода его казнили в Ленинградской тюрьме.

Внутреннее совершенство без внешнего оправдания ?!

Эйнштейн говорил о двух критериях в оценке физической теории: ее «внешнее оправдание» – соответствие с опытом, и «внутреннее совершенство» – логическая простота теории. Критерии эти естественны, и даже тривиальны, для всей истории физики… за исключением проблемы квантовой гравитации.

«Внешнему оправданию» не дает работать астрономическое число 1039. Теоретически справиться с таким числом можно было бы, переходя от физического опыта к астрономическим наблюдениям, но практического пути к cGh-объектам наблюдения не известно.

Говорить же о «внутреннем совершенстве» применительно к попыткам квантования гравитации неловко, когда просматриваешь накопленные за десятилетия безуспешные теоретические конструкции и видишь авторский пыл, так и не воплотившийся во что-то нетленное. Кладбище этих физ-мат-конструкций напоминает о заброшенных кладбищах проектов вечного двигателя. А приливы пионерского оптимизма легче объяснить «полу-критерием внешней привлекательности» – внешней привлекательности очередной кандидатки в теорию. И к этому добавим популярную у студентов-физиков уверенность, что «математика умнее человека»: надо аккуратно проводить выкладки, а там, глядишь, и физический результат сам собой прояснится. О первом полу-критерии Эйнштейн, правда, не говорил, но тут и говорить особенно нечего, поскольку «мятеж никогда не кончался удачей, иначе бы он назывался иначе». А по поводу второго сказал когда-то, что математика – лучший способ водить самого себя за нос.

Анализ измеримости поля, которым занимались в 30-е годы, можно – в добавление к критериям Эйнштейна – назвать «внутренним оправданием» теории. Это в сущности был анализ границ применимости теории, проводимый изнутри самой теории, – до создания более общей теории. Разумеется, такой анализ не может быть абсолютно строгим и не ведет к непосредственно проверяемым в опыте физическим следствиям. Следствия есть лишь историко-физические, отдаленные многими годами и не столь убедительные, как прямой эксперимент. Но все же анализ измеримости поля – это анализ физический, а не формально-математический.

Несогласие инициатора анализа – Ландау – с результатами его расширенно-углубленной версии – факт хотя и странный, но имевший свои резоны. Та мысленно-зкспериментальная свобода, которую Бор считал допустимой, поскольку она не запрещена известными законами природы, для Ландау была немыслимой, вероятно потому, что он не видел средств эту свободу реализовать в опыте: как можно в микрофизике рассматривать пробное тело с произвольной величиной массы и заряда, когда реально известных пробных тел – элементарных частиц – раз-два-и-обчелся ?!

И тем не менее гарантия, которую дали в 1933 году Бор и Розенфельд строителям квантовой электродинамики, оправдалась пятнадцать лет спустя, когда – при участии Дайсона – была создана эта самая точная из физических теорий.

Предсказание Бронштейна 1935 года относительно квантовой гравитации имело характер не разрешения, а запрета – запрета на решение проблемы «малой кровью», с сохранением римановой геометрии эйнштейновской теории гравитации. Само по себе это нисколько не принижает его. Великие законы физики имеют такой характер – запрет на существование вечных двигателей первого и второго рода. И теорию относительности можно основать на невозможности определить скорость источника света по измерению скорости света.

В 1935 году Бронштейн не решил проблему квантовой гравитации, но он впервые осознал ее во всей глубине. И спустя 70 лет его осознание помогает защитить квантовую гравитацию от одного из создателей квантовой электродинамики, – помогает увидеть слабый пункт в самом начале рассуждения Дайсона. Как бы ни была привычна аналогия между фотоном и гравитоном, как бы ни рифмовались эти два слова и как бы ни был похож закон Кулона на закон всемирного тяготения, между двумя взаимодействиями имеется «принципиальное различие», подчеркнутое Бронштейном и разрушающее статус понятия «гравитон», как самостоятельного и равноправного с понятием «фотон». Бронштейн в сущности обнаружил, что обычное понятие «квант поля», в применении к гравитации, является принципиально приближенным, как приближенны – ограничены в своей применимости – другие важные и работоспособные понятия физики: одновременность, луч света, температура, и т.д. Можно сказать, что Бор оправдал понятие фотона в пределах электродинамики, а Бронштейн обнаружил ущербность понятия гравитона уже в пределах теории гравитации (он не пользовался термином «гравитон», хотя само слово уже употреблялось) . И это принципиальное различие основано на опытном факте, который иногда называют первым великим открытием современной науки и который стал основой одной из самых великих теорий – эйнштейновской теории гравитации: равенство инертной массы и гравитационной.

Так что гравитон вовсе не является столь же органическим элементом еще несозданной теории квантовой гравитации, как фотон — частью квантовой электродинамики. А связывать всякую волну с неким квантом – подход слишком поверхностный . К слову сказать, вряд ли кто свяжет волну на поверхностности моря с квантом волнения – частицей «поверхон «, чтобы исследовать поведение таких волн.

К тому же Дайсон никак не объяснил, что делать с двумя принципиальными физическими явлениями – с началом космологического расширения и с завершением коллапса звезды. Какой теории, если не квантовой гравитации, эти явления можно поручить? В обоих случаях потребность в новой теории характеризуется планковским рубежом. И эта количественная характеристика, как впервые обнаружил Бронштейн, отражет физическую суть дела.

Но все же, мне кажется, есть за что поблагодарить Фримена Дайсона. Его отважное сомнение в самом предмете шести десятков книг и много большего числа статей подчеркивает исключительность проблемы квантовой гравитации в истории физики и ее кризисное нынешнее положение.

Узкий специалист, который не отвлекаясь ни на какие кризисные размышления, занят выкладками для очередной статьи, напоминает мне ученого соседа, к которому пришел за советом его сосед неученый. У неученого дохнут куры, и он просит ученую рекомендацию. И получает: сыпать куриный корм в нарисованный на полу зеленый квадрат. Куры, к сожалению, продолжают дохнуть. Тогда ученый предлагает красный круг. И т.д., пока все куры не передохли. «Как жаль, – восклицает ученый сосед, – у меня еще столько  вариантов!»

Но куры в данном случае – это «внешнее оправдание», которого в квантовой гравитации так сильно не хватает. Неужели – впервые в истории физики – для успеха хватит одного лишь «внутреннего совершенства»? Или удастся найти какие-то способы «внутреннего оправдания», подобно измеримости. Есть над чем поразмышлять…

Если же поразмыслить над историей квантования гравитации, то можно заметить, что большая часть публикаций не возникла бы, если бы их авторы знали и всерьез восприняли анализ проблемы квантовой гравитации, проделанный Бронштейном. Тем самым, как минимум, удалось бы сберечь изрядное количество бумаги и человеко-дней.

Ну а мог ли сам Матвей Брон­штейн ускорить появление теории квантовой гравитации, если бы российская история не погубила его в 30-летнем возрасте? На такие вопросы, к сожалению, историк науки ответить не может. Может лишь предложить свой исторический талер тому, кто ответит.

Трое ученых, которые изобрели технологию, лежащую сегодня в основе LED-фар высокого класса, были удостоены Нобелевской премии этого года в области физики.

Они изобрели синие светоизлучающие диоды, которые не «поддавались» ученым много лет. Как раз синие светодиоды в сочетании с красными и зелеными, существующими уже много лет, позволили получить «чистый» белый свет, который потребляет очень мало энергии.

Хироши Амано (Hiroshi Amano) и Исаму Акасаки (Isamu Akasaki), из Японии, а также родившийся в Японии, но «натурализовавшийся» как американец Сюдзи Накамура (Shuji Nakamura) разделят 8 000 000 шведских крон (около 1,2 млн. долларов США), когда им торжественно вручат приз 10 декабря, вместе с золотыми медалями и дипломами.

Если красные светодиоды дебютировали на знаменитых стоп-сигналах 1998 Maserati 3200 GT coupe, то 2006 Audi A8 W12 белые светодиоды пришлось ожидать. С тех пор они стали почти обязательными в дневных ходовых огнях на всех моделях – от микроавтомобилей до суперкаров, а светодиодные LED DRL стали «лицом» для таких брендов как Audi.

Более того, немецкий производитель в 2010 году предложил светодиоды для ближнего и дальнего света фар в моделях премиум класса. Технология пошла еще дальше с Matrix LED, которая позволила «гасить» луч, слепящий встречный автомобиля, а остальную дорогу оставлять ярко освещенной.

Пока технология дополняет систему лазерного луча в BMW i8 и Audi R8 LMX, от нее вряд ли откажутся. Лазерный свет обеспечивает узкие концентрированные пучки, а LED и Matrix LED имеют более рассеянный свет.

Красные светодиоды были изобретены в начале 1960-х и в течение многих лет применялись во всем, от калькуляторов до часов, но коротковолновый, излучающий синий цвет диод изобрели лишь 20 лет назад, что положило начало конца эре люминисцентныхimg20120128185625 ламп в бытовых и промышленных помещениях.

С развитием полупроводниковых материалов и технологий изготовления, изобретение синих светодиодов в середине 1990-х годов стимулировало развитие смартфонов, революционных компьютерных мониторов, а теперь они входят в промышленное и бытовое освещение.

Белый цвет используют сегодня во всем – от ноутбуков до фар автомобилей. Он создается путем смешивания красного, зеленого и синего светодиодов, которые отличаются высокой эффективностью при преобразовании электрической энергии в видимый свет.

Белые светодиоды в настоящее время широко используются в уличном освещении, светофорах, фонарях, а со снижением стоимости входят в домашние и офисные помещения. Они также являются основой в электронике, обеспечивая свет в экранах телефонов, планшетов и телевизоров.

Нобелевский комитет заявил, светодиоды способствуют экономии земных ресурсов, потому что около четверти мирового потребления электроэнергии используется для Zxi-highway LED Roadway Lighting-1освещения. Светодиоды по сроку службы, как правило, превышают в 10 раз люминисцентные лампы и в 100 раз лампы накаливания последних версий, которые работают от нагрева нити и теряют много электроэнергии в виде тепла.

Флуоресцентные лампы более чем в четыре раза эффективнее ламп накаливания, но светодиоды превосходят последние в 20 раз. К слову, в развивающихся странах ультрафиолетовые светодиоды приспособили для стерилизации воды.

Объявляя награду председатель Нобелевского комитета, профессор физики из ТChalmers University of Technology, Швеция, Пер Делсинг (Per Delsing) сказал: «Поскольку четверть потребления энергии идет на освещение, любое увеличение эффективности ведет к экономии энергии, и на самом деле оказывает большое влияние на современную цивилизацию».

«Они преуспели там, где все остальные потерпели неудачу, — сказано в заявлении Нобелевского комитета. — Лампы накаливания остались в 20-м веке. 21 век будет освещен светодиодными лампами».

В заявлении, распространенном Университетом Калифорнии, где работает 60-летний профессор Накамура, говорится: «Очень приятно видеть, что моя мечта светодиодного освещения стала реальностью… Я надеюсь, что энергоэффективные светодиодные лампы Peugeot_308_Guide_2 помогут сократить потребление энергии и снизить затраты на освещение во всем мире».

Япония отпраздновала объявление Комитета по Нобелевским премиям телевизионной пресс-конференцией 85-летнего профессора Акасаки, где он сознался, что работа неоднократно заходила в тупик и не было надежды на полезные результаты.

«Я никогда не чувствовал, что получу результат. Я просто делал то, что хотел делать», — пояснил он.

Профессора Акасаки и Амано (самый молодой — 54 года) сделали свои изобретения в Университете Нагоя. На момент их открытия Накамура работал в Nichia Chemical.

Тогда корпорация Nichia заплатила профессору за изобретение «целых» 200 долларов США. Но позже, в 2005 году он получил 8 млн. долларов после того, как выиграл суд, на котором указывал, что заслуживает бОльшую долю гонорара от своего изобретения.

Оригинал

Концепция «больших данных» в последнее время у всех на слуху. Многие предсказывают, что обилие информации перевернет нашу жизнь. Но прежде чем мы сумеем обуздать нескончаемый поток данных, ученым предстоит найти ответы на ряд непростых вопросов. В исследованиях на переднем крае науки помогает разобраться специалист по статистике Дэвид Хэнд.


Не слишком ли завышены наши ожидания от «больших данных»?

Сегодня о «больших данных» мы слышим на каждом шагу. Многократное удешевление систем хранения информации и разнообразие автоматизированных измерительных устройств (сенсоров) и технологий по получению данных сделали свое дело: информационные массивы растут как на дрожжах. Общество возлагает огромные надежды на эти «большие данные» — ожидается, что они помогут отыскать лекарство от рака, подтолкнут экономический рост, искоренят бюрократию и заложат фундамент для новых отраслей.

Несомненно, такое информационное изобилие открывает человечеству новые горизоны в совершенно разных областях жизни: в науке, бизнесе и общественной жизни. Но какими бы большими они ни были, данные сами по себе ничего не значат. Нам придется самим обозначить круг вопросов и применить соответствующие инструменты для анализа информации, чтобы успешно ответить на них. Бесконечные массивы числовых значений так и останутся «китайской грамотой», без систематизации и анализа понять их суть не удастся.

Чтобы обрабатывать большие объемы данных, необходимо разобраться с техническими проблемами манипуляций с ними: например, как организовать поиск, сортировку, индексацию, группировку, установление внутренних связей, компоновку нескольких массивов и т. д. Помимо этого возникают трудности и с применением методов статистического вывода: для огромного массива информации даже небольшие единичные отклонения являются статистически значимыми. И в то же время среди большого количества значений гораздо вероятнее натолкнуться на случайно затесавшиеся фантомные точки, так называемую «ошибку отбора». Усложняет задачу и то, что зачастую перед тем, как увидеть новый результат, нужно провести тысячи тестов, при этом даже не предполагая, что среди них найдется что-то необычное. Выходит, что такие научные открытия всё еще совершаются по воле случая.

Вопросы возникают и на стадии формирования «больших данных», ведь часто происходит так, что изучая один процесс, мы попутно собираем информацию, которая позднее может стать новым объектом нашего внимания.
И конечно же, качество данных остается центральной проблемой, ведь наибольший интерес представляют выделяющиеся из общего ряда и не всегда поддающиеся объяснению значения, при обнаружении которых трудно не поддаться соблазну списать их на возможные ошибки в многотысячной выборке.

Не стоит забывать, что любой большой набор значений можно разбить на множество меньших наборов и анализировать каждый из них в отдельности, что дает еще больший простор для научного творчества.
Бесспорно, в изучении «больших данных» таится огромный потенциал, но чтобы раскрыть его, человечеству придется изрядно попотеть.

Удалось ли преодолеть разногласия байесовского и частотного методов статистического вывода?

Обыкновенная вероятность имеет дело с неопределенностью результата. Если бросить игральную кость, может выпасть любое значение от 1 до 6. Нам заранее неизвестно, что именно выпадет, однако можно утверждать, что кость ляжет пятеркой вверх с вероятностью 1 к 6. Обратная же вероятность (или распределение вероятности) описывает неопределенность начальных условий. В примере с костью нам могли подсунуть нестандартный кубик, на двух противоположных гранях которого нанесена пятерка (и это невозможно обнаружить до начала эксперимента, если кубик лежит на ней). Но мы исходим из предположения, что скорее всего перед нами обыкновенный кубик, а не с двумя пятерками. В данном случае мы тоже оперируем понятием вероятности, но теперь оно существенно отличается от того, что мы имели в виду, когда пытались выбросить пятерку с вероятностью 1 к 6.

В этом и кроется суть разногласий между байесовским и частотным методами. Задачей обоих является предсказание исхода эксперимента на основании серии наблюдений. Частотный подход оценивает адекватность предсказаний, сравнивая их с действительным результатом на протяжении многочисленных повторений. В основе байесовского подхода, напротив, заложены априорные вероятности.

Английский математик Роналд Фишер (Ronald Fisher) в своей работе в начале ХХ века признал концепцию обратной вероятности ошибочной и тем самым заложил фундамент господства частотного метода на протяжении прошлого столетия. Однако ученые продолжили изучение обратной вероятности, анализируя новые массивы данных, и в результате пришли к использованию математического аппарата теоремы Байеса (отсюда и название метода).

Во второй половине ХХ века развернулись жаркие дебаты о преимуществах каждого из подходов, зачастую оканчивавшиеся в попытках обозначить единственно верный. Сейчас, когда эмоции схлынули, принято считать, что оба метода хороши в зависимости от поставленной задачи и должны присутствовать в арсенале любого уважающего себя математика, занимающегося статистикой.

Как быть с «ошибкой отбора»?

Научные журналы публикуют лишь те статьи, которые содержат наибольшую (на их взгляд) научную значимость. Ученые, в свою очередь, стремятся к первенству и новаторству. А значит, рутинные эксперименты, подтверждающие нынешнуюю картину мира, скорее всего не попадут в печать.
Научные исследования всегда сосредоточены на передовой человеческих знаний, и в каждом новом открытии неизбежно присутствует доля удачи и случая.

Отсюда следует, что интересные (но при этом случайные) результаты могут просочиться на страницы научных журналов. И такие «научные факты», очевидно, не совсем точно отражают окружающую действительность. Помимо этого некоторые научные выводы отсеиваются на следующей стадии, когда описанные в статьях эксперименты пробуют повторить другие группы ученых. На языке статистики это называется «ошибкой отбора». Она проявляется, когда анализируемая выборка не покрывает весь спектр данных, а искажается в сторону какой-то его части. Это встречается повсеместно: еще одним примером служит расхожая фраза «историю пишут победители». В самом деле, «исторические факты», дошедшие до наших дней, подверглись тщательному отбору господствовавшей в то время стороны.

Выйти из этого затруднительного положения поможет дополнительная информация о процессе отбора данных: с ее помощью можно скорректировать результаты статистического анализа. Но зачастую такая информация исследователю недоступна, тогда приходится выкручиваться другими способами. В финансовом секторе можно одолжить деньги тем заемщикам, которым при других обстоятельствах вы не стали бы давать в долг. Если вдруг они обанкротятся, ваша модель пополнится новыми данными о поведении этой «группы риска». В других областях достаточно лишь сделать предположение о возможных статистических отклонениях. Джеймс Хекман (James Heckman), нобелевский лауреат 2000 года по экономике, разработал методы анализа селективных выборок на основании предположений о механизмах получения данных.

Но всех проблем это не решает. Качество начальных данных переоценить невозможно, ведь анализируя недостоверную информацию трудно надеяться на правдоподобные выводы. Последствия при этом могут быть катастрофическими: доходы компаний улетучатся, пациенты начнут страдать от болей, а университеты станут выпускать неучей.

Дэвид Хэнд (David Hand) — почетный профессор кафедры математики Лондонского имперского колледжа (Великобритания), экс-президент Королевского статистического общества

01 октября 2014

Энергию — людям

Потребность в энергии — определяющая черта нашего вида. Мы — огненные обезьяны, искусство управления процессами горения (от кухонной плиты до ядерного реактора) необыкновенно важно для развития всей нашей цивилизации. Однако сейчас наша любовь к огню, теплу и свету породила глобальную проблему: энергия стоит дорого, экология под угрозой, да и часть стран оказалась в энергетической зависимости от стран-поставщиков нефти и газа.

Счета за газ и электричество достигают огромных сумм (особенно если вы живете в частном доме). Даже страны с богатыми месторождениями углеводородов испытывают нервозность из-за колебаний рынка (да и насколько хватит наших месторождений?). К тому же сжигание ископаемого топлива провоцирует изменение климата. Ситуация непростая. Но, быть может, новое поколение технологий, обеспечивающих большую независимость от поставщиков, даст нам возможность вырваться на свободу?

Новые технологии, которые развиваются сейчас, предусматривают производство электроэнергии на дому. Это экологичнее и дешевле, чем получение энергии из централизованных сетей. Ряд устройств, дающих возможность вырабатывать энергию (например ветряные мини-электростанции или солнечные батареи), уже присутствует на рынке, хотя и требует значительных вложений. Но учтите: при «неправильной» погоде вы рискуете остаться без теплого душа. Поэтому нужно думать и о других технологиях. Многие специалисты убеждены, что действительно светлое энергетическое будущее нам обеспечат топливные элементы.

То, что делают топливные элементы, объяснить достаточно просто: они превращают топливо, обычно водород или углеводороды (например природный газ), в электричество, не сжигая их. Как они это делают — более сложный вопрос, однако ключевым показателем становится их коэффициент полезного действия.

На электростанциях сжигают газ или уголь, чтобы нагреть воду и получить пар. Пар вращает турбину, турбина — генератор (магнит, который вращается вокруг катушки, чтобы получить электричество). Энергия по линиям электропередач приходит в ваш дом, чтобы заставить работать телевизор и другую технику. На всех этапах этого процесса вы теряете в сумме около 70 % первоначальной энергии.

Использование топливных элементов позволяет сократить эти потери до 10–15 % — каждый раз, когда вы включаете чайник, чтобы выпить чашку чая, вы тратите меньше денег и выбрасываете меньше парниковых газов. У этих технологий еще есть ряд уязвимых мест, но ученые думают над решением.

История топливных элементов началась в 1839 году, когда живший в Уэльсе физик и юрист сэр Уильям Гроув (William Grove) проводил эксперименты с электрическими батареями. Он знал, что путем электролиза можно разложить воду на водород и кислород. Гроув попробовал обратить этот процесс вспять и доказал на практике, что соединение водорода и кислорода может генерировать электричество в созданном им «газовом гальваническом элементе». Однако это изобретение еще 100 лет оставалось невостребованным. В разработку этой технологии начали вкладывать серьезные деньги только через 100 лет, когда NASA использовало топливные элементы в бортовых электрических системах своих кораблей — для «Аполлонов», «Джемини» и шаттлов.

В 2001 году ученым из Лондонского имперского колледжа удалось путем сложного компромисса добиться, чтобы топливные элементы могли работать при температуре 500-600 °С. Она всё еще достаточно высока, но уже этот прорыв позволил использовать в топливных ячейках дешевую сталь, а не дорогую керамику.

В настоящее время авторы этого исследования являются сотрудниками частной компании Ceres, в которую инвестировала несколько миллионов фунтов стерлингов компания British Gas. Специалисты Ceres проводят испытания настенных топливных элементов, которые получают газ из газораспределительной сети и вырабатывают 1 кВт электроэнергии и горячую воду.

Конечно, 1 кВт не покроет пиковых потребностей дома, когда вы включаете электрический гриль или чайник. Но этого вполне достаточно для освещения, работы телевизора и холодильника. Конструкторы полагают, что топливные элементы могут взять на себя 80 % потребности в электроэнергии. Если проверка надежности и безопасности этих элементов пройдет успешно, то они поступят в продажу к 2014 году. При помощи небольшой субсидии со стороны британского правительства Ceres рассчитывает сделать топливные элементы достаточно дешевыми, чтобы экономия энергии позволила за 5 лет окупить затраты.

Учитывая, что в год в Европе заменяют более 6 млн домашних бойлеров в год, рынок для таких топливных элементов огромен — при приемлемой цене.

Однако некоммерческая организация Carbon Trust, которая занимается поддержкой низкоуглеродных бизнес-проектов, относится к этому проекту с осторожностью. Бен Грациано (Ben Graziano), менеджер ее подразделения по коммерциализации технологий, одобряет идею использования топливных элементов в быту, но предупреждает, что новую разработку ждет жесткая конкуренция с широко распространенными и заслужившими доверие технологиями, такими как обычные бойлеры. «Очевидно, что топливные элементы будут востребованы, но им нужна поддержка от энтузиастов, которые первыми обратятся к этой технологии, а кроме того, должна быть создана инфраструктура для обеспечения их работы», — говорит он.

Рассчитываем на большее

Если вы переедете в США, то ждать, когда топливные элементы захватят власть, вам не придется — туда они уже пришли. Компания Bloom Energy уже продает компаниям твердооксидные топливные элементы, генерирующие 100 кВт. Она уже поставила 120 комплектов таким известным фирмам, как eBay, Coca-Cola и Walmart. Google был в числе первых, кто принял новую технологию, — эти топливные элементы хорошо подходят в качестве аварийных источников питания для дата-центров компании.

Твердооксидные элементы принадлежат к числу наиболее эффективных средств превращения химической энергии (природного газа) в электричество. Элементы производства Bloom Energy работают при температуре 900 °С и изготавливаются в виде керамической пластины, помещенной между двумя электродами. Bloom Energy заявляет, что намерена снизить цену своих топливных элементов путем использования песка как ключевого ингредиента вместо традиционных и очень дорогих металлов, например платины. Но пока топливные элементы всё еще не дешевы: каждый комплект стоит около 700 тыс. долларов, и в большинстве случаев продажа облегчается государственными субсидиями на поддержку зеленых технологий. Несмотря на это, компания смогла привлечь более 400 млн долларов инвестиций от финансовых структур, которые рассчитывают, что Bloom Energy выиграет гонку в сфере распределенного производства энергии.

Вместе с тем Стив Миннихэн (Steve Minnihan), аналитик рынка энергии из компании Lux Research, сомневается, что эта сфера станет быстроразвивающимся бизнесом в США. «Высокие капиталовложения требуют долговременных субсидий, а экологические соображения сейчас не в почете в Северной Америке, поскольку у нас нет обязательств по сокращению выбросов углекислого газа», — говорит он.

Не все экологи убеждены в преимуществах топливных элементов, работающих на природном газе, поскольку они выделяют углекислый газ и не относятся к возобновляемым источникам энергии, таким как ветер и солнце. Однако политики осознают, что достижимая «низкоуглеродная» экономика лучше, чем «безуглеродная» далекого будущего. Многие считают ошибкой решение правительства США оказывать предпочтительную поддержку не топливным элементам, работающим на природном газе, а водородным с нулевыми выбросами углекислоты, топливо для которых остается дорогим, и нет никакой серьезной инфраструктуры для обеспечения их работы.

Метановые элементы не такие «чистые», зато практичные, и их выбросы углекислого газа могут быть снижены, если использовать биогаз, получаемый на свалках или на фермах при гниении отбросов.

«Мы замахнулись на решение самой сложной задачи и проиграли, — говорит Стив Миннихэн. — В идеальном мире мы должны были бы расщеплять воду и получать водород с помощью солнечной энергии. Однако пока нам до этого далеко, нельзя решать вполне разрешимую за короткий период задачу, одновременно гоняясь за несбыточной мечтой».

Еще одно экологическое преимущество топливных элементов состоит в том, что они позволяют не уродовать пейзаж. Трубы газораспределительной сети, как правило, скрыты под землей. А электросети «украшают» ландшафт опорами линий электропередач. Хотя есть и такие, кому нравятся опоры ЛЭП (загляните хотя бы на www.pylons.org!), большинство проектов их строительства встречает настоящий ураган просьб «только не рядом с моим домом» и предложений проложить кабель под землей (что невероятно дорого). Распределенное производство электроэнергии может стать хорошим ответом на эти стенания.

Домашний атом

Топливные элементы — не единственная технология, которая может потрясти основы энергетической инфраструктуры. Понравилось бы вам жить в квартире с собственным источником электричества, который не выбрасывает парниковых газов и требует заправки топливом только раз в 30 лет? Единственный недостаток — вы получите ядерный реактор в своем подвале. Японский машиностроительный гигант Toshiba разрабатывает установку 4S (Super-Safe, Small, Simple — «очень безопасный, маленький и простой»), которая обеспечит желающих так называемой «микроядерной» энергией.

В ее основе — ядерный реактор, который производит достаточно тепла, чтобы питать паром турбину, в свою очередь, вырабатывающую 10–15 МВт электроэнергии. Вся установка размещается в шахте глубиной 25 м.
Желание создать меньший по размеру и более удобный для использования источник ядерной энергии привлекает серьезных партнеров: основатель Microsoft Билл Гейтс ведет переговоры с Toshiba о развитии этой идеи в рамках своей программы инвестиций в низкоуглеродные источники энергии, а также с другими американскими компаниями, создающими ядерные силовые установки.

Компания Hyperion Power Generation обещает обеспечить такой энергией все 1,4 млрд обитателей Земли, которые живут без электричества. И еще тех, кто зависит от работы дизель-генераторов, грязных и дорогих в использовании. Для оторванных от мира общин, жителей удаленных островов хорошо бы подошли их модули мощностью 25 МВт.

Другой потенциально созревший рынок для таких установок — тундра на севере. Растущие там поселения и добыча полезных ископаемых требуют много энергии, которая в этих регионах недоступна или страшно дорога.
Прошлой осенью я был свидетелем того, как последний танкер, пришедший перед замерзанием моря, разгружался в нефтехранилище города Икалуит — эскимосской столицы канадской Арктики. Культуре и образу жизни этой общины напрямую угрожает изменение климата на Земле, и есть жестокая ирония в том, что здесь — один из наиболее высоких уровней выбросов углекислого газа на душу населения в мире. Теплоснабжение, освещение и транспорт тут практически целиком зависят от поставок нефти. Поэтому, к ужасу некоторых экологов, местные энергокомпании достаточно тепло относятся к ядерной энергетике.

Главная проблема с распределенной малой ядерной энергетикой состоит не столько в готовности технологий, сколько в нашем отношении к ним. Мы десятилетиями используем малые ядерные реакторы для подводных лодок и некоторых кораблей, но найдется мало людей, которые хотели бы видеть их у себя на заднем дворе. Победителем в соревновании домашних источников энергии станет в конце концов технология, которая будет достаточно дешевой, хорошо знакомой и достаточно эффективной, чтобы потеснить ископаемое топливо. Пока неясно, удастся ли какой-то из названных технологий удовлетворить эти требования. Однако из того, что десятки компаний тратят значительные средства на поиск решения, ясно, что гонка уже началась.

Том Хип (Tom Heap) — ведущий программы The Earth на BBC Radio 4, колумнист журнала Focus

Как работают топливные элементы

Разные компании используют различные материалы и несколько отличающиеся методы, но общая идея остается той же самой: топливо — природный газ или чистый водород — соединяется с кислородом, в результате чего на выходе мы получаем электричество, тепло и воду. Эта схема показывает, как работают топливные элементы компании Bloom Energy.

1. Сначала метан (CH4) смешивается с паром высокого давления. Это создает преобразованное топливо, где водород в составе метана становится более доступным.

2. Это преобразованное топливо подается на анод — положительно заряженную сторону ячейки.

3. Кислород, нагретый до 900 °С, подается на отрицательно заряженную сторону (катод).

4. По мере того как топливо движется рядом с анодом, отрицательно заряженные ионы кислорода притягиваются к положительно заряженным ионам водорода. Они двигаются через электролит (проводящий материал) в центре и соединяются с водородом, образуя воду. В ходе этого процесса высвобождаются электроны, поток которых (электрический ток) проходит через электролит и выходит во внешнюю сеть.

5. Вода выходит наружу в виде пара, в то время как атомы углерода, входящие в состав метана, также соединяются с кислородом, образуя углекислый газ.

6 Этот процесс также генерирует тепло, которое используется для нагрева воздуха в системе.

Почему распределённая энергетика экологически чище

Традиционные методы доставки электроэнергии основаны на передаче электричества на большие расстояния. В результате значительная часть энергии теряется. Кроме того, этот метод требует установки уродливых опор ЛЭП. Производство энергии на дому позволяет решить обе эти проблемы.

Малая атомная электростанция

Чем миниатюрный ядерный реактор 4S компании Toshiba отличается от своих больших собратьев

Выход

Этот малый реактор, который погружен на 30 м под землю, может выдавать мощность до 50 МВт — достаточно для снабжения 25 тыс. домохозяйств в США. Обычная атомная электростанция выдает 1–3 ГВт. При расположении рядом с поселениями тепло от реактора может быть использовано для отопления домов и предприятий.

Охлаждение

Расплавленный натрий прокачивается через реактор электромагнитным способом, чтобы охлаждать его. Этот метод позволяет уменьшить количество движущихся элементов, а значит, снижает объем необходимого ремонта и обслуживания. В обычных крупных реакторах для охлаждения используется в основном морская и речная вода. У воды температура кипения существенно ниже.

Активная зона

Реактор 4S — нейтронный реактор, предназначенный для работы с уран-циркониевым топливом. Загруженное топливо работает до перезарядки до 30 лет. Активная зона помещена в защитную оболочку, предохраняющую ее от сейсмической активности для более безопасного использования в жилых районах.
Строительство и разборка

Установка собирается на заводе и доставляется на место будущей дислокации. Через 30 лет работы ей дают охладиться в течение года, а затем вывозят для разборки или хранения. Обычные атомные электростанции требуют многих лет на постройку и десятилетия для вывода из эксплуатации.

Твердооксидные топливные элементы компании Bloom Energy используют Google, eBay и Coca-Cola

Топливные элементы для домашнего использования компании Ceres

Топливные элементы фирмы Bloom Energy собирают в энергетические сервера-кластеры, такие как эти, установленные в штаб-квартире eBay

Производство электроэнергии ближе к потребителям может замедлить наступление опор ЛЭП, которые многими воспринимаются как визуальное загрязнение.

Согласились бы вы установить в своем доме или квартире собственный миниатюрный ядерный реактор, который не выбрасывает парниковых газов и требует дозаправки топливом всего раз в 30 лет?

да
нет
не знаю
J 2111 человек проголосовало. Смотреть результаты

Самое обсуждаемое

Популярное за неделю

Сегодня в эфире