Крупный прорыв США в технологии ядерного синтеза позволил нам заглянуть в будущее, в котором возобновляемый, чистый и почти безграничный источник энергии может стать возможным. Этот прорыв завершил захватывающий год для науки, который стал свидетелем многих научных разработок, которые обещают изменить курс человечества и наше понимание Вселенной. Здесь собрано Пять самых значимых научных событий, которые произошли в уходящем году.
Пять самых значимых научных событий, произошедших в 2022 году
Ученые объявили во вторник (13 декабря), что исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса в Калифорнии провели ядерную реакцию деления, которая произвела больше энергии, чем было использовано для ее воспламенения. Это знаменует собой крупный прорыв в этой области. Почти вся энергия на планете поступает из энергии ядерного синтеза. Многие из известных нам источников энергии, от пищи, которую мы едим, до ископаемого топлива, которое мы сжигаем, можно проследить до ядерных реакций деления, происходящих на Солнце. Но нам еще нужны годы, а может быть, и десятилетия, чтобы самим освоить этот процесс.
Прорыв в области термоядерной энергетики обещает будущее чистой энергии
Обычные атомные электростанции, которые мы знаем, и ядерное оружие получают свою энергию из процесса ядерного деления, когда ядро атома, обычно урана, расщепляется на два разных ядра, генерируя большое количество энергии.
В почти противоположном процессе ядерный синтез — это когда два ядра сливаются вместе, образуя одно более тяжелое ядро. Когда это происходит, масса нового более тяжелого ядра меньше, чем сумма отдельных ядер вместе взятых, а это означает, что немного массы теряется. E=MC^2, самое известное уравнение Эйнштейна, объясняет, как эта масса преобразуется в большое количество энергии.
Хотя реакции деления и синтеза высвобождают большое количество энергии, последние производят значительно больше энергии, чем первые. Например, ядерный синтез двух ядер более тяжелого изотопа водорода будет производить в четыре раза больше энергии, чем деление атома урана.
Если бы энергия ядерного деления была коммерциализирована, она предложила бы чистый и возобновляемый источник энергии, который поможет бороться с изменением климата, и в то же время не будет производить множество радиоактивных отходов, которыми известны энергетические реакторы деления. Технологии еще предстоит пройти долгий путь, прежде чем она станет жизнеспособной энергетической альтернативой, поскольку тестируемые в настоящее время реакции синтеза длятся едва ли несколько минут из-за сложности поддержания условий, необходимых для протекания реакций.
Большой адронный коллайдер возвращается в строй и дает почти немедленные результаты
После более чем трехлетнего перерыва на техническое обслуживание и модернизацию, крупнейший в мире ускоритель частиц большой адронный коллайдер (БАК), снова заработал в апреле этого года. Это ознаменовало начало третьего запуска LHC, когда ученые соберут данные о беспрецедентном количестве столкновений частиц, происходящих на беспрецедентных уровнях энергии.
Изображение, показывающее ожидаемое количество протон-протонных столкновений на БАК после повышения уровня светимости (CERN/ATLAS).
БАК не потребовалось много времени после повторного запуска, чтобы предоставить впечатляющие новые научные данные. В июле этого года ЦЕРН (Европейская организация ядерных исследований) объявил об открытии трех новых экзотических частиц — нового пентакварка и пары новых тетракварков — с помощью ускорителя частиц.
«Недавно открытый пентакварк по-прежнему является барионом, но с тремя кварками у него есть дополнительная пара, состоящая из кварка и антикварка. Два тетракварка входят в семейство мезонов, но вместо пар кварков и антикварков у него две пары кварков. Эти состояния были предсказаны в номинальной кварковой модели, представленной в шестидесятых, но эти состояния не были обнаружены до сих пор», — сказал в то время Никола Нери, старший участник эксперимента LHCb (LHC beauty), в интервью indianexpress.com .
Во время третьего запуска непревзойденное количество столкновений в LHC позволит физикам со всего мира детально изучить частицу бозона Хиггса, а также подвергнуть «Стандартную модель физики элементарных частиц» самым строгим проверкам.
«Кротовая нора» смоделирована на квантовом компьютере
С тех пор, как они были впервые предложены Альбертом Эйнштейном и Натаном Розеном в 1935 году, червоточины остались в области спекулятивной научной фантастики. Червоточины, или мосты Эйнштейна-Розена, — это теоретические структуры, которые можно рассматривать как туннель с двумя концами в разных точках пространства-времени. Этот туннель может соединять две точки на большом или малом расстоянии или два разных момента времени.
Теперь ученые вывели червоточины из миров «Интерстеллар» и «Звездный путь» и перенесли их в этот мир, в котором мы живем. Ну, вроде того. Исследователи из Калифорнийского технологического института (CalTech) создали две смоделированные черные дыры в квантовом компьютере и передали сообщение между ними, по сути создав туннель в пространстве-времени.
Хотя исследователи не создали разрыва в пространстве и времени в физическом пространстве, оказалось, что проходимая червоточина была сформирована на основе квантовой информации, «телепортированной» с использованием квантовых кодов на квантовом компьютере.
«Есть разница между тем, что возможно в принципе, и тем, что возможно в действительности. Так что не задерживай дыхание, отправляя свою собаку через червоточину. Но нужно с чего-то начинать. И я думаю, что это здорово, что мы вообще можем получить это в свои руки», — сказал в то время Reuters физик Фермилаб и соавтор исследования Джозеф Ликкен.
Хотя может пройти много времени, прежде чем мы сможем отправить человека или даже его собаку через червоточину, это исследование по-прежнему представляет собой важный прорыв. Ученые давно пытаются лучше понять эти червоточины, и новое исследование поможет им добиться прогресса в достижении этой цели.
«Обратить смерть» путем возрождения свиных клеток
От греческого мифологического персонажа Ахиллеса до индуистского мифологического персонажа Хираньякашипу, убитого Нарасимхой, поиски бессмертия — это история, старая как мир. Но новое исследование, опубликованное в журнале Nature в августе этого года учеными Йельского университета, играет с этим понятием бессмертия.
The New York Times сообщила, как ученые закачивали изготовленный на заказ раствор под названием OrganEx в тела мертвых свиней с помощью устройства, похожего на аппараты искусственного кровообращения, используемые в больницах. Когда машина начала циркулировать раствор в венах и артериях трупов, ее клетки мозга, сердца, печени и почек снова начали функционировать. Кроме того, такие трупы не окоченели, в отличие от обычных трупов.
Несмотря на то, что, казалось бы, мертвые клетки казались ожившими, свиньи не были в сознании. Хотя этот эксперимент был далек от бессмертия и фактически обращал смерть вспять, он поднимает важные вопросы о научном разделении жизни и смерти.
Одной из основных целей исследователей является увеличение количества человеческих органов для трансплантации в будущем, позволяя врачам получать жизнеспособные органы спустя много времени после смерти пациента. Они также надеются, что эту технологию можно будет использовать для предотвращения серьезных повреждений таких органов, как сердце после серьезного сердечного приступа или мозг после инсульта.
Раствор OrganEx, используемый исследователями, состоял из питательных веществ, противовоспалительных препаратов, препаратов для предотвращения гибели клеток и, что интересно, блокаторов нервов — веществ, которые подавляют активность нейронов и препятствуют возвращению свиней в сознание.
Но что, если раствор не содержит блокаторов нервов? Будут ли оживлены мозги свиней, по сути реанимированные от смерти? Что ж, это вопросы, на которые исследователям еще предстоит ответить. Но любые исследования в этом направлении будут отягощены многими этическими соображениями, помимо научных задач.
У синтетического эмбриона мыши появилось бьющееся сердце
В другом научном прорыве, который заставит вас задуматься о том, что такое жизнь, Кембриджский университет и Калифорнийский технологический институт создали искусственный эмбрион без использования каких-либо сперматозоидов или яйцеклеток. По данным Кембриджского университета, у эмбриона, созданного с использованием стволовых клеток мыши, развился мозг, бьющееся сердце и основы всех других органов тела.
Стволовые клетки являются главными клетками организма и могут развиваться практически в любой из многих типов клеток в организме. Исследователи имитировали естественные процессы, происходящие при зачатии, и направляли три типа стволовых клеток, обнаруженных в раннем развитии млекопитающих, до тех пор, пока они не начали взаимодействовать. Они создали уникальную среду для своего взаимодействия и заставили стволовые клетки общаться друг с другом.
Благодаря этому стволовые клетки организовались в структуры и прошли стадии развития, пока у эмбрионов не появилось бьющееся сердце и основы мозга, а также желточный мешок, из которого эмбрионы получают питательные вещества в первые недели. В отличие от других синтетических эмбрионов, разработанных в прошлом, эмбрионы исследователей достигли точки, когда начал развиваться весь мозг.
«У нашей мышиной модели эмбриона развивается не только мозг, но и бьющееся сердце, все компоненты, из которых состоит тело. Невероятно, что мы зашли так далеко. Это было мечтой нашего сообщества в течение многих лет и основным направлением нашей работы в течение десятилетия, и, наконец, мы это сделали», — сказала Магдалена Зерницка-Гетц, корреспондент, автор исследовательской статьи, опубликованной в журнале Nature.
Это исследование проводилось на мышах, но исследователи надеются, что технология может быть использована для разработки определенных типов органов человека. Это исследование помогает им понять важные процессы развития органов, которые невозможно провести с настоящими человеческими эмбрионами. «Правило 14 дней» в Великобритании и других странах не позволяет ученым изучать человеческие эмбрионы в лабораторных условиях.
Но дальнейшее изучение этой науки потенциально может привести к будущему, когда отдельные человеческие органы можно будет выращивать в лабораторных условиях с использованием стволовых клеток, чтобы их можно было трансплантировать пациенту-человеку.
