Шведская академия наук представила лауреатов Нобелевской премии 2012 года по физике и медицине. Стефан Нормарк, постоянный секретарь Королевской академии наук Швеции, зачитал по-шведски и по-английски краткое официальное решение Нобелевского комитета. Лауреатами по физике стали Серж Арош (Франция) и Дэвид Вайнланд (США). Премия присуждена за создание «инновационных экспериментальных методов, которые позволяют проводить измерения и манипулировать на уровне отдельных квантовых систем».
Серж Арош родился в 1944 году в Марокко, тогда принадлежавшего Франции. Его мать, урожденная Рублева, родилась в Одессе. Он занимает должность профессора и руководителя кафедры квантовой физики в парижском Коллеж де Франс, член Французского, Европейского и Американского физических обществ. В 2009 году физик получил золотую медаль Национального центра научных исследований Франции.
Дэвид Уайнленд также родился в 1944 году и является сотрудником американского Национального института стандартов и технологий, а также членом Американских физического и оптического обществ. В 1978 году он первым продемонстрировал технологию лазерного охлаждения ионов. В 2004 году группа исследователей под руководством Уайнленда впервые продемонстрировала возможность телепортации квантовых состояний атомов.
Как известно, свет состоит из частиц, называемых фотонами. Они движутся непрерывно и без остановки именно со световой скоростью. Поймать и даже отделить фотон от остальных — давняя мечта физиков, так как связь между этими сверхподвижными частицами и остальной материей не поддавалась непосредственному эксперименту. Главная трудность состояла в том, что квантовый мир частиц сильно отличается от привычного нам макромира. Квантовая частица сочетает в себе как непрерывные (волновые) свойства, так и дискретные (прерывные). Непривычность легко продемонстрировать на примере волн на воде, возникших от брошенного камня. Наш глаз видит только непрерывные круги на воде, хотя вода состоит из молекул, а те в свою очередь из атомов. Последние также состоят из элементарных частиц, между ними есть хоть и малые, но все же пространства. Вроде и непрерывное движение волн, но и в то же самое время дискретное. Понятно, что приведенный пример носит иллюстративный характер и ни в коем случае не отражает всю сложность микромира.
Основным объектом, описывающим поведение частиц в микромире, является волновая функция, квадрат модуля которой задает распределение вероятности обнаружения этой самой частицы в той или иной точке пространства. Интересно, что волновая функция может принимать не только действительные, но и комплексные значения, то есть выражается через так называемую мнимую единицу, представляющую корень квадратный из минус единицы. Например, электронные облака вокруг атома, изучаемые в курсе школьной химии и физики, — это и есть распределение в трехмерном пространстве квадрата волновой функции, соответствующей электрону.
Поведение элементарных частиц не описывается в детерминированных категориях. Мы можем только с определенной вероятностью говорить, что частица в данный момент имеет такую-то координату в пространстве. Вполне возможно, но с другой вероятностью она там и не находится.
А теперь представим, что за такими подвижными частицами с весьма сложным поведением мы должны наблюдать с помощью таких же частиц. Например, за фотонами с помощью фотонов. Другими словами, всякое измерение неотвратимым образом воздействует на систему. Вследствие этого система теряет все свои квантовые свойства и становится классической.
До недавнего времени физикам казалось, что это препятствие носит фундаментальный характер, и было сформулировано создателями квантовой механики выдающимся датским физиком Нильсом Бором и немецким физиком Вернером Гейзенбергом в 1920-х в виде так называемой копенгагенской интерпретации.
Для наглядной иллюстрации положений копенгагенской интерпретации знаменитый австрийский физик Эрвин Шредингер придумал своего знаменитого кота. Представим себе черный ящик, внутрь которого помещен кот. Помимо животного в ящике находится ампула с ядовитым газом, который запускается от единственного атома некоего радиоактивного элемента. Если атом распадается, то ампула разрывается и кот гибнет. Если атом не распадается, то кот живет. С точки зрения внешнего наблюдателя, кот внутри ящика спустя период полураспада элемента окажется одновременно в двух состояниях — живом и мертвом. При этом в каждом из них кот будет находиться с одинаковой вероятностью, равной 1/2. И мы снаружи никак не можем однозначно определить состояние кота.
Развитие физики показало ограниченность такой интерпретации. Именно прорыв в этом направлении и осуществили нобелевские лауреаты нынешнего года.
В 1980-х годах прошлого века квантовая оптика — подраздел квантовой механики — переживала период бурного расцвета. Это было связано, среди прочего, с технологиями, которые достигли нужного для производства соответствующего оборудования уровня. Одним из популярных объектов для изучения стали так называемые объемные резонаторы — по сути пара отражающих элементов-зеркал, между которыми возбуждалось электромагнитное поле. Физикам удавалось добиться того, что возникающие фотоны жили в резонаторе достаточно долго, прежде чем их поглотят стенки камеры.
С помощью таких резонаторов одни физики изготавливали мазеры — микроволновые лазеры, то есть источники когерентного (согласованного) излучения в микроволновом диапазоне, другие изучали взаимодействие фотонов и атомов материи. Серж Арош заинтересовался вопросом: есть ли внутри резонатора хоть один фотон.
Ответ предполагалось получить, не уничтожая фотон в резонаторе, то есть не вызывая коллапса его волновой функции.
Оказалось, что это возможно. Особым образом подобранные исходные состояния атомов менялись специфическим образом, проходя через резонатор. Состояние атома можно представлять в виде волны, и если в резонаторе был фотон, то пики этой волны смещались. Это можно зарегистрировать уже обычными измерениями. Используя более одного атома, Арош создал технологию подсчета количества фотонов в резонаторе.
Американец Дэвид Уайленд подошел к проблеме с другого конца «туннеля». Объектом его исследований были ионы, помещенные в ловушку, которая представляет собой вакуумную камеру, в которой присутствует статическое и колебательное электрическое поле. Эти поля позволяют удерживать и изучать одиночные ионы — за разработку такой ловушки, получившей название ловушки Пауля, Вольфганг Пауль и Ханс Демельт в 1989 году получили Нобелевскую премию по физике.
Главным достижением Уайнленда стало умелое использование лазерных импульсов. Оказалось, что, подбирая их особым образом, можно «затолкать» ион в самое нижнее энергетическое состояние. А затем, с помощью уже других импульсов, перевести ион в суперпозицию (наложение) нижнего и следующего за ним энергетического состояния. Получив ион в настоящем квантовом состоянии, физики, наконец, смогли изучать эти, казалось бы, загадочные объекты.
Помимо фундаментального значения экспериментов нобелевских лауреатов они будут иметь в будущем большое применение. В частности, мы вплотную приблизились к созданию квантовых компьютеров, которые будут иметь скорость обработки информации, по крайней мере, теоретически в 10 в 80-й степени раз больше, чем современные. Создание таких компьютеров настолько изменит нашу жизнь в нынешнем столетии, как их предшественники в предыдущем.
Именно огромный объем вычислений делает невозможным точный прогноз погоды на длительный период. Результативность работ по созданию лекарств от рака, СПИДа и других опасных болезней сдерживается недостаточной производительностью нынешних компьютеров.
Следующей задачей, которую позволят решить квантовые устройства — более точное измерение времени. Оптические часы будут как минимум в 100 раз точнее нынешних цезиевых. Ошибка в одну секунду в них будет набегать за 3,7 миллиарда лет. Как следствие — мы получаем намного более совершенную систему слежения за объектами и вычисления их координат в пространстве. Следующий шаг — системы автопилота в автомобиле и на этой основе предотвращение дорожно-транспортных происшествий. Сейчас можно только предполагать, насколько революция в компьютерах отразится на развитии микробиологии и медицины, так как принципиально расширит возможности изучения живого на генетическом уровне.
Нобелевская премия по медицине в этом году присуждена Джону Гардону и Синья Яманака за «открытие возможности перепрограммирования зрелых клеток в плюрипотентные». Другими словами, за получение индуцированных стволовых клеток.
Сэр Джон Гардон — британский биолог, известный своими работами по пересадке клеточных ядер. Он родился в 1933 году, а в 1960 году окончил Оксфордский университет. Докторскую степень ученый получил в Калифорнийском технологическом институте. В 1962 году Гардон провел эксперимент, в ходе которого заменил ядро из яйцеклетки лягушки на ядро, взятое из клетки кишечника. Впоследствии из такой яйцеклетки развивались нормальные головастики. В результате эксперимента были получены доказательства того, что в геноме узкоспециализированных клеток хранится информация, достаточная для работы всех клеток организма, а их специализация может быть обратимой.
Синья Яманака родился в Осаке в 1962 году, в год выхода ключевой статьи Гардона. Он закончил университет Кобе, а докторскую диссертацию защитил в университете Осаки в 1993 году. Исследования, за которые Яманака получил Нобелевскую премию, были проведены спустя 40 лет после экспериментов Гардона. В 2006 году японский ученый опубликовал с соавторами статью, в которой показал, что активировав всего четыре гена у клеток соединительной ткани, их можно превратить в стволовые клетки. Впоследствии из таких клеток могут развиваться любые клетки организма.
Все многоклеточные организмы вырастают из одной-единственной клетки — зиготы, то есть оплодотворенной яйцеклетки. Как только зигота начинает делиться и образовывать новые клетки, их судьбы расходятся: какие-то клетки становятся нейронами, какие-то — клетками жировой ткани. Отдельная линия клеток со временем дает начало новым яйцеклеткам. Дифференцирование клеток иногда сравнивают с падением с горы. Упасть в определенную «долину специализации» легко, но вернуться назад невозможно.
Хотя каждая из клеток организма (за редкими особыми исключениями) имеет геном, идентичный геному зиготы, приобретенная специализация определяет ее дальнейшую судьбу. Полностью созревшая клетка обычно не только не способна поменять свою специализацию, но часто даже не может делиться.
У взрослого организма существуют слабо специализированные клетки, из которых получаются несколько видов зрелых клеток. Такие слабо специализированные клетки делятся и восполняют потери организма. В широком смысле их называют стволовыми клетками, а точнее — мультипотентными клетками. Именно из них формируются новые клетки крови, из них образуются новые клетки эпителия (смена которого очень важна для существования организма), они осуществляют регенерацию поврежденных тканей.
Для человека необратимость клеточной специализации означает, что возможности регенерации тканей у взрослого организма оказываются крайне ограниченными. Потеряв значительное число стволовых клеток, организм со временем перестает возобновляться, начинается необратимое старение. Известно, что стволовые клетки мозга почти полностью исчезают еще во время внутриутробного развития и в дальнейшем не восстанавливаются. Они остаются в дремлющем состоянии и активируются, например, при инсульте. Однако, тот нейрогенез, который происходит во взрослом возрасте, расходует невосполнимый ресурс этих клеток, и, в конце концов, он заканчивается.
Для дальнейшего развития биологии и медицины крайне важно было научиться перепрограммировать клетки, сделать возможным создание новых стволовых клеток. С этой целью Гардон удалял ядро из яйцеклеток при помощи ультрафиолетового облучения, а затем инъецировал в них ядро из эпителия головастика. Из полученной клетки развивалась нормальная лягушка. Впоследствии эту технологию применили для овец, мышей, свиней, собак и других животных. В том числе и для знаменитой овечки Долли.
Синья Яманака предпринял ряд весьма тонких опытов по перепрограммированию клеток, которые не только развивают идеи Гардона, но и вносят принципиально новые элементы. Получение индуцированных стволовых клеток в произвольном количестве потенциально способно снабдить человека инструментами активации регенерации и продления жизни. Наиболее очевидное их применение связано с лечением болезни Паркинсона, а также в наступлении на рак, сердечно-сосудистые заболевания и диабет. Ученые получили замечательную технологию для изучения механизмов дифференцирования клеток, за которой большое будущее.
Наплевательское и безответственное отношение украинских власть имущих к развитию науки привело к тому, что мы и мечтать не можем увидеть фамилии наших ученых в так называемых нобелевских списках. И это при том, что наш научный потенциал пока еще достаточен, чтобы быть на самых передовых рубежах. Но, похоже, что проблемы науки власть мало интересуют. Наверное, недостаточно для этого у нее серого вещества...
