За последние 10 лет мир стал свидетелем довольно значительных научных достижений, так как открытия и разработки за десятилетия были наконец реализованы. New-science.ru завершает пятерку самых новаторских, исторически значимых вех 2010-х годов.
Бозон Хиггса
В 2012 году в ЦЕРНе была обнаружена новая элементарная частица, которая привлекла внимание всего мира — даже тех, кто обычно не знаком с новостями физики элементарных частиц. Но это потому, что это была не обычная частица. Этот новичок был не кем иным, как бозоном Хиггса.
Хотя он, возможно, захватил воображение общественности благодаря своему драматическому, но неточному прозвищу «частица Бога», бозон Хиггса был невероятно захватывающей находкой по ряду причин. Это была последняя элементарная частица, предсказанная Стандартной моделью физики элементарных частиц, она дает массу другим элементарным частицам, и ученые охотились за ней почти 50 лет.
До 1960 – х годов у стандартной модели была небольшая проблема: согласно ее предсказаниям, элементарные частицы, называемые бозонами, не должны иметь массы, но наблюдения показывают, что это так. В 1964 году три группы ученых независимо друг от друга придумали похожие механизмы для того, как они набирают массу.
Согласно господствующей идее, квантовое поле равномерно пронизывает вселенную. Бозоны чувствуют это поле, которое замедляет их и в процессе дает им массу. Это поле будет опосредовано совершенно новым бозоном, который еще не был открыт – и это не будет еще в течение 48 лет.
Предсказанное поле, механизм и бозон в конечном итоге были названы в честь Питера Хиггса, одного из физиков, который первым предложил его.
И, конечно же, в 2012 году ученые Большого адронного коллайдера CERN наконец нашли частицу, соответствующую предсказанным свойствам бозона Хиггса. Дальнейшие исследования позже подтвердили, что это неуловимый Хиггс, и два исследователя, ответственные за его предложение — сам Хиггс и Франсуа Энглерт, физик из другой команды — были удостоены Нобелевской премии по физике 2013 года.
В последующие годы дальнейшие эксперименты в ЦЕРН показали, что все измерения бозона Хиггса, включая его спин, четность, массу и взаимодействия с другими частицами, согласуются с предсказаниями Стандартной модели.
Закрывая полувековую охоту за Святым Граалем физики элементарных частиц, бозон Хиггса — одно из самых важных научных достижений десятилетия.
CRISPR ген-редактирование
Возможность редактировать гены живых людей и других организмов была основной научной фантастикой на протяжении десятилетий — и в этом десятилетии она стала реальностью. Система редактирования генов CRISPR готова революционизировать медицину, потенциально помогая нам бороться с большими проблемами , такими как рак и ВИЧ, а также решать проблемы, не связанные со здоровьем. Но, конечно, не обошлось и без его полемики.
Сгруппированные регулярно пересекающиеся короткие палиндромные повторы (CRISPR) представляют собой семейство последовательностей ДНК, естественным образом используемых бактериями в качестве механизма самозащиты. В последние годы ученые поняли, что могут использовать этот механизм в качестве инструмента для генной инженерии, комбинируя CRISPR с последовательностью направляющей РНК и ферментом, обычно Cas9.
При использовании в клетках или живых организмах направляющая РНК направляет инструмент в нужный участок ДНК, где фермент Cas9 аккуратно его разрезает. Это может быть использовано для выявления проблемных генов, таких как те, которые вызывают болезни, и для вставки новых, полезных.
До сих пор эта техника показала многообещающие результаты в борьбе со многими различными заболеваниями, включая традиционно сложные, такие как рак, ВИЧ, мышечная дистрофия, прогерия и генетические формы слепоты и болезней сердца.
Но потенциал CRISPR выходит за рамки редактирования самих себя. Мы можем редактировать растения, чтобы получать урожай с более высоким урожаем или питанием, редактировать насекомых, чтобы они не распространяли болезни, или редактировать свиней, чтобы выращивать человеческие органы для пересадки.
Конечно, как бы многообещающим ни казался CRISPR, этот инструмент поднимает этические вопросы, которые все еще находятся в процессе рассмотрения. Исследования показали, что CRISPR повышает шансы клеточного развития рака вниз по пути, и может вызвать непреднамеренные мутации по всему геному. Эти результаты горячо обсуждаются.
Все это достигло апогея в ноябре 2018 года, когда китайские ученые объявили о рождении девочек-близнецов как первых в мире отредактированных CRISPR человеческих младенцев. Профессор Jiankui He и его команда внедрили механизм CRISPR в эмбрион, удалив ген, известный как CCR5. При этом у девочек должен развиться иммунитет к ВИЧ.
Проблема в том, что эксперимент проводился в основном в тайне, обойдя годы долгих обсуждений этики. Некоторые ученые отмечают, что функция CCR5 плохо изучена, и ее удаление может сделать девочек более восприимчивыми к таким распространенным заболеваниям, как грипп.
После этого безрассудного шага были сделаны призывы ввести мораторий на редактирование зародышевой линии человека, пока эти этические вопросы не будут решены.
Несмотря на это, испытания CRISPR на людях все еще продолжаются — только не на эмбрионах. Они начали в Китае в 2016 году, пытаясь бороться с раком легких, но результаты еще не опубликованы. В 2019 году в США начались два исследования, одно из которых было направлено на три типа рака, а другое — на серповидноклеточную анемию, что дало чрезвычайно многообещающие ранние результаты.
Возможно, у него было бурное начало, но редактирование генов CRISPR, вероятно, войдет в историю как одно из самых важных достижений в медицине, а также для областей применения, которые мы еще даже не рассматривали.
Гравитационные волны
В 2015 году физики обнаружили рябь в самой ткани пространства-времени, когда они омывали Землю, пройдя более миллиарда световых лет. Это подтвердило прогноз, сделанный не кем иным, как Альбертом Эйнштейном, столетие назад.
Когда в 1916 году Эйнштейн выдвинул свою общую теорию относительности, это подразумевало, что некоторые события, связанные с объектами с огромными массами, будут вызывать ударные волны в самом пространстве-времени — явление, которое стало называться гравитационными волнами.
Хотя они и созданы некоторыми из самых энергичных событий во вселенной, к тому времени, когда эти волны достигают Земли, они лишь искажают реальность меньше, чем ядро атома. Это, конечно, сделало их невозможными для обнаружения в течение почти 100 лет.
Ответственная за технологию — лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO), расположенная на двух огромных объектах в Луизиане и Вашингтоне. Каждый из этих двойных детекторов состоит из двух туннелей длиной 2,5 км в форме буквы L. Чрезвычайно точные приборы следят за лазерами, направленными вниз по этим туннелям, на предмет незначительных возмущений в лучах, которые можно отнести к гравитационным волнам, омывающим объект.
И, конечно же, 14 сентября 2015 года оба детектора LIGO зафиксировали свой первый в мире сигнал. Волны возникли при столкновении двух черных дыр на расстоянии 1,3 миллиарда световых лет.
С момента этого первого обнаружения поступили десятки сигналов, подхваченных LIGO, а также объектом Virgo в Италии, который был запущен в 2017 году. Большинство из них были результатом слияния двух черных дыр, но другие включали черную дыру , поглощающую нейтронную звезду, и столкновение двух нейтронных звезд.
Вскоре после обнаружения одной гравитационной волны в 2017 году обсерватории по всему миру обнаружили целый ряд электромагнитных сигналов от одного и того же источника, включая световые волны, гамма-всплески, рентгеновские лучи и радиоволны.
За разгадку вековой загадки Нобелевская премия по физике 2017 года была присуждена физикам Райнеру Вейссу, Кипу Торну и Барри Баришу за их роль в первом обнаружении гравитационных волн.
Это еще не конец истории. LIGO получил обновление в апреле 2019 года, и в будущем планируется сделать его еще более чувствительным. Обсерватории KAGRA Японии также должны присоединиться к охоте в декабре. Вместе можно найти более тихие и более отдаленные события, открывающие все больше загадок космоса.
Экзопланетный бум
На протяжении всей человеческой истории мы постоянно увеличивали масштаб, чтобы получить более широкое представление о нашем месте во Вселенной. Наш мир расширился с одного континента на всю Землю. Затем мы поняли, что Земля-это не центр всего, а всего лишь одна планета из нескольких, вращающихся вокруг Солнца. В конце концов мы обнаружили, что даже наша Солнечная система не является особенной, но одной из бесчисленных таких других.
Первые несколько экзопланет — планета, вращающаяся вокруг звезды, отличной от Солнца, — были обнаружены еще в 1990-х годах, но на самом деле все не складывалось до запуска космического телескопа Кеплера в 2009 году. Эта обсерватория была разработана для одновременного наблюдения 150 000 звезд, наблюдения как часто их свет тускнеет. Если регулярный образец был замечен, это предположило, что планета проходила между звездой и Землей.
Используя этот метод (известный как метод перехода), Kepler обнаружил более 2600 экзопланет в течение своего девятилетнего пробега. С помощью других проектов , таких как HARPS, WASP и TESS , это число теперь выросло примерно до 4100 . И мы можем сделать много выводов о том, на что похожи эти миры, изучая их атмосферы, состав, массу, какие типы звезд они вращаются и как далеко они находятся от этих звезд.
Из этого мы узнали о всевозможных невероятных планетах, достойных научно-фантастических историй. Есть водные миры, черные как смоль планеты, а некоторые даже горячее звезд. Есть планета, которая представляет собой всего лишь один гигантский алмаз , и еще одна с облаками, сделанными из рубинов и сапфиров.
Но, пожалуй, наиболее интригующими из всех экзопланет являются те, которые более похожи на Землю. В конце концов, это лучшие кандидаты для нас, чтобы, наконец, ответить на вопрос «мы одни во вселенной?». И оказывается, что потенциально обитаемые экзопланеты встречаются довольно часто.
Один из самых больших уловов произошел в 2017 году, когда были обнаружены семь скалистых экзопланет размером примерно с Землю, вращающихся вокруг TRAPPIST-1. Три из этих орбит находятся в обитаемой зоне холодной красной карликовой звезды, и последующие исследования показали, что может присутствовать значительное количество воды, что делает их одними из лучших претендентов на пригодные для обитания планеты за пределами нашей солнечной системы.
И мы только начинаем. В ближайшие несколько лет планируется запустить еще больше проектов, в которых вы будете искать новые миры или детально изучать известные. Мы не были бы слишком удивлены, если бы наше следующее «обзорное десятилетие» включало обнаружение внеземной жизни.
Климатический кризис
Это не может быть хорошим достижением, но за последнее десятилетие мы побили больше климатических рекордов, чем когда-либо в истории человечества. По мере того как последствия изменения климата стали более заметными, эта проблема в последнее время действительно оказалась в центре внимания общественности. Новые исследования выявили масштабы ситуации, и были разработаны планы по ее решению.
Подавляющее количество свидетельств показывает резкое повышение уровня содержания углекислого газа (CO2) в атмосфере примерно после 1750 года — не случайно, во времена промышленной революции. Как прямой результат, с тех пор температура поверхности во всем мире неуклонно повышалась, причем особенно резкое повышение произошло во второй половине 20-го века. Это, в свою очередь, приводит к различным побочным эффектам.
В то время как мы знали об этом в течение долгого времени, изменение климата доминировало в этом десятилетии в науке, поскольку ощутимые последствия начинают проявляться. По данным NASA и NOAA, 2016 год был самым жарким с начала записей в 1880 году, а пятерка лучших — последние пять. Июль 2019 года является рекордным для самого жаркого месяца.
Другие недавние исследования показали, что этот избыток тепла делает с миром. Отчет о состоянии климата за 2018 г. показал, что экстремальные погодные явления, такие как ураганы, наводнения, засухи и лесные пожары, становятся все более интенсивными и распространенными. Ледники и полярный лед сокращаются, а уровень моря повышается.
В 2015 году впервые за три миллиона лет содержание CO2 в атмосфере превысило 400 частей на миллион. Это также означает, что океаны поглощают больше газа, что делает их более кислыми. Сочетание более теплых и кислых вод привело к тому, что в 2016 и 2017 годах на Большом Барьерном рифе в Австралии произошло многократное обесцвечивание. Хотя в далеком прошлом он пережил аналогичную травму, эксперты считают, что текущие изменения произошли слишком быстро, чтобы Риф полностью восстановился.
Но все еще есть надежда. В 2015 году почти 200 стран подписали Парижское соглашение, пообещав сократить выбросы парниковых газов, чтобы глобальные температуры не поднялись на 2 ° C (3,6 ° F) выше доиндустриального уровня. В докладах Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) говорится, что для достижения этих целей потребуются беспрецедентные изменения во всех аспектах жизни общества.
Это завершает наш взгляд на пять самых значительных научных достижений десятилетия, но, конечно, есть и другие кандидаты.