А дальше-то что? какие «нобелевские открытия» мы используем в жизни?

«Наковальни Бриджмена»

Влекомые стремлением познать неизвестное, ученые подвергают вещество сверхсильным воздействиям, пытаясь выяснить, что с ним при этом происходит. Сверхвысокие температуры — это физика плазмы. Сверхнизкие температуры — царство сверхпроводимости и квантовых жидкостей. Существует также физика сверхвысоких давлений. Пионером в этой области по праву считается профессор Гарвардского университета Перси Уильяме Бриджмен. До него исследовались давления до 3 тыс. атм. Он поднял эту цифру до 500 тыс., а сегодня его последователи достигли 6 млн. атм, или 6 мегабар.

Физика сверхвысоких давлений целиком зависит от техники. Обычный поршневой пресс позволяет получать давление максимум в 50 тыс. атм. Выше этого предела самые прочные поршни и цилиндры разрушаются. Принципиальным новшеством стали «наковальни Бриджмена», в которых давление создается в тонком слое вещества, заключенного между коническими поршнями.

Если поршни изготовить из прозрачного материала, например из алмаза, то можно непосредственно наблюдать за тем, что происходит с веществом при сверхвысоких давлениях.

Превысив определенный предел, возрастающее давление приводит к изменению упорядоченной атомной и молекулярной структуры вещества, в результате чего вещество переходит в новые состояния, которые физики называют фазами. В некоторых случаях после охлаждения или снятия давления состояние, достигнутое в весьма специфических условиях, сохраняется. Примером может служить закаленная сталь, которая получается при быстром охлаждении раскаленной докрасна стали, или алмаз, который образуется из графита при давлении в 100 тыс. атм и температуре 2000° С, но сохраняет свои свойства и при нормальных условиях.

С помощью своей аппаратуры Бриджмен получил шесть разновидностей льда. В экстремальных условиях, создаваемых «наковальнями», он осуществил широкие исследования электрической проводимости металлов, фазовых превращений, прочности материалов, вязкости, сжимаемости и других свойств веществ.

Работы Перси Бриджмена получили высокую оценку — в 1946 г. он был удостоен Нобелевской премии за создание аппаратуры для получения сверхвысоких давлений и за открытия в этой области.*

* ()

Данная область физики оказалась весьма важной в практическом отношении. Уже в 1955 г

были созданы первые искусственные алмазы, и сегодня существует целая отрасль промышленности, занимающаяся их производством, которая особенно развита в Советском Союзе. Сегодня на повестку дня поставлен вопрос о получении металлического водорода и других экзотических материалов. Техника сверхвысоких давлений дает возможность моделировать различные процессы, которые, как предполагается, происходят в недрах нашей планеты. Вряд ли когда-нибудь ученым удастся достичь «центра» Земли, о чем фантазировал Жюль Берн, но, во всяком случае, «наковальни Бриджмена» помогут нам получить представление о том, что там происходит.

Премия по физике

Ежегодно в прямом эфире на канале «Наука» проходит оглашение Нобелевских лауреатов. Ведет трансляцию и общается с гостями в студии Алексей Семихатов — доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник и заведующий лабораторией теории фундаментальных взаимодействий в Физическом институте им. Лебедева РАН. Именно к нему мы первым делом обратились за комментарием.

«Предсказывать Нобелевские премии довольно неблагодарное дело. Это ни у кого толком никогда не получалось, за исключением единичных случаев», — заметил Алексей Михайлович. Но поделиться своим пожеланием относительно номинации по физике согласился.

«Мне было бы приятно увидеть отмеченной решением Нобелевского комитета в самой близкой мне номинации — физике — серию экспериментов по проверке основ квантовой механики, — объяснил эксперт. — Когда создавалась квантовая механика — область знаний, бросающая вызов интуиции, — на несколько лет растянулся знаменитый спор Эйнштейна и Бора о логической структуре теории. Аргументами в споре были мысленные эксперименты. Они стали знаменитыми, но никто тогда не думал, что их можно поставить в реальности, они были просто средством логического анализа.

Однако, начиная, наверное, с конца 1980-х годов и ближе к настоящему моменту, во все возрастающей степени, все с лучшей точностью и с соблюдением большего числа условий появилась возможность ставить подобные эксперименты в реальности и тем самым напрямую проверять ряд фундаментальных положений квантовой механики. Например, стала возможной проверка так называемых неравенств Белла. Они или выполняются, или нет — в зависимости от того, имеются ли в природе неизвестные нам дополнительные локальные переменные, которые определяют, как функционируют квантовомеханические системы… Оказалось, что неравенства Белла нарушаются! Это можно воспринимать как сигнал, что квантовая механика и правда несколько контринтуитивна, она не работает по тем же правилам, что и более привычные теории, и нам предстоит с этим жить».

За эту работу, по мнению Алексея Семихатова, следует наградить французского ученого Алена Аспе и его коллег, которые проводили эксперименты.

Также в предсказании нобелевских лауреатов можно полагаться на топ самых цитируемых ученых, составленный компанией Clarivate. В ее распоряжении находится крупнейшая база данных научных статей и патентов Web of Science — это более 52 млн научных статей, опубликованных с 1970 года. За всю историю подобных предсказаний 59 рекордсменов по цитированию получили Нобелевскую премию. Правда, это не всегда мгновенный эффект, иногда премия находит названного претендента спустя годы.

В этом году в авторитетном рейтинге самых цитируемых ученых представлены два специалиста по квантовой физике. Нобелевскую премию может получить выпускник МФТИ, живущий ныне в США, Алексей Китаев. Наш бывший соотечественник работает в Калифорнийском технологическом институте, занимается квантовыми вычислениями и предлагает свой метод кодирования квантовой информации с помощью топологически защищенных квантовых состояний. Другой лидер по цитированию в научных статьях, Джорджо Паризи из римского университета Ла Сапиенца, трудится в области квантовой хронодинамики и исследует сложные неупорядоченные системы.

Еще один кандидат на победу — ученый из США Марк Ньюман. Он проводит широкомасштабные исследования сетевых систем, и эта фундаментальная работа позволяет моделировать развитие событий в таких естественных системах, как, например, социальная сеть или целая экосистема.

Премия по химии

«Как и любая другая премия, Нобелевская является во многом лотереей. Достойных всегда больше, чем награжденных», — рассказал нам химик Артем Оганов, профессор «Сколтеха» и РАН, член Европейской академии и действительный член Королевского химического общества, Американского физического общества и Минералогического общества Америки.

По мнению эксперта, в числе очевидных претендентов — американский ученый иорданского происхождения Омар Ягхи, работающий в Университете Беркли. «Ему давно прочат Нобелевскую премию по химии за открытие нового класса соединений металл-органических каркасов. Эти соединения обладают огромным спектром возможных применений, и, кроме того, их можно собирать как на конструкторе — достаточно большая гибкость для физика-синтетика позволяет сконструировать такой каркас, который вам хочется. Это как химическое Lego».

Другой возможный кандидат, по мнению эксперта, — Каталин Карико, женщина, которая положила начало мРНК—вакцинам. По изобретенным ею принципам были созданы вакцины от коронавируса компаниями Pfizer и Moderna. «У Каталин Карико необычная драматичная жизнь. Многие люди в нее просто не верили, отказывали ей, выбрасывали ее много раз на обочину, но она победила. Я думаю, такая киношная биография добавляет ей шанс на победу», — рассказал Артем Оганов.

Также химик-кристаллограф отметил в своем списке кандидатов на Нобелевку двух уроженцев СССР, которые пользуются огромным уважением во всем мире. «Это Юрий Цолакович Оганесян из Дубны — мировой лидер по открытию и синтезу новых химических элементов. Именно он расширяет сегодня пределы таблицы Менделеева, открывая новые элементы и их необычное поведение. Это наиболее фундаментальная тема из всего того, что есть в химии», — рассказал Артем Оганов и признался, что больше всего болеет именно за этого кандидата, так как дружен с ним много лет. Юрию Оганесяну 88 лет, и Нобелевский комитет должен поторопиться, чтобы вручить награду, считает эксперт.

Второй кандидат — Юрий Гогоци, уроженец Украины, который много лет живет и работает в Америке. Он продолжает ту линию исследований, которая была поднята на новую высоту работой Нобелевских лауреатов Константина Новоселова и Андрея Гейма. Выделив графен, они положили начало огромной волне исследований двумерных материалов, а Юрий Гогоци открыл новый класс соединений — так называемые максены (англ. MXene). Это тоже двумерные материалы с огромным спектром интересных свойств и применений, отметил эксперт.

«Если для графена пока что число применений и технологий невелико, то максены в этом плане более богаты, — объяснил свой выбор Оганов. — Их можно использовать и как катализаторы, и как материалы для аккумуляторов, и как сенсоры, и для очистки окружающей среды, и в электронных устройствах — нашлось много разных применений

Заслуга Юрия Гогоци состоит не только в том, что он обратил внимание на этот класс соединений и пополняет регулярно список максенов, но и в том, что он активно ищет для них новые применения. Он проявил незаурядный творческий талант, увидев, казалось бы, в обычных соединениях совершенно новые грани, по-настоящему рекордные свойства и часто небанальные применения

И это, конечно же, талант ученого высшей пробы. Мы это видим также в показателях цитируемости».

Эксперты-аналитики Clarivate, изучившие рейтинг цитируемости ученых, указали на других кандидатов. Среди них исследователь Барри Холливелл из Сингапура, который изучает роль свободных радикалов и антиоксидантов в заболеваниях человека, профессор из Японии Мицуо Савамото, открывший и развивший технологию живой радикальной полимеризации, катализируемой металлами, а также Уильям Йоргенсен из США — он занимается вычислительной химией в интересах медицины и помогает в разработке лекарств, в том числе тех, которые используются для лечения ВИЧ (блокаторы обратной транскриптазы).

Сверхпроводимость

Исследования в области низких температур, первоначально преследовавшие сугубо практические цели, а за тем проводившиеся для получения газов в чистом виде и изучения фазовых переходов вещества, в наш век привели к крупным научным открытиям. В 1908 г. нидерландский физик Хейке Камерлинг-Оннес получил жидкий гелий, приблизившись к температуре лишь на 1 градус выше абсолютного нуля. Располагая такой техникой, он задумал провести серию обычных физических экспериментов, связанных с изучением свойств вещества. Прежде всего он решил проверить замеченный ранее эффект увеличения электропроводности с понижением температуры. В 1911 г. Камерлинг-Оннес совершенно неожиданно обнаружил, что при температуре жидкого гелия сопротивление ртутного проводника внезапно снижается в миллионы раз и практически исчезает. Это странное явление получило название «сверхпроводимость». Открытие Камерлинг-Оннеса произвело большое впечатление на ученых, и уже в 1913 г. ему была присуждена Нобелевская премия по физике.

Открытие явления сверхпроводимости было с энтузиазмом воспринято электротехниками, ибо вселяло надежды на создание высокоэффективных электрических машин. Однако довольно скоро выяснилось, что восторги были преждевременными. Проблема заключалась не только в сложности охлаждения проводника до сверхнизких температур, но и в том обстоятельстве, что сильные магнитные поля приводили к исчезновению сверхпроводимости. Лишь в начале 30-х годов были открыты сплавы, на которые магнитные поля не оказывали влияния.

В это время Вальтер Мейснер и Р. Оксенфельд обнаружили явление «выталкивания» магнитного поля сверхпроводником. Этот интересный факт послужил основой для создания теории сверхпроводимости. Первые успехи в этом направлении принадлежат братьям Фрицу и Гейнцу Лондон.

Как и многие представители немецкой интеллигенции, братья Лондон в годы фашизма эмигрировали из Германии в Англию. В 1935 г., работая в Оксфордском университете, они создали феноменологическую теорию сверхпроводимости, предложив уравнения, описывающие поведение сверхпроводников в слабых магнитных полях.

Но лишь через 20 лет был сделан следующий, решающий шаг. В 1957 г. американские физики Джон Бардин, Леон Купер и Джон Роберт Шриффер построили микроскопическую теорию сверхпроводимости*, где это явление описывалось с точки зрения квантовых представлений.

* ()

Еще в 1950 г. английский физик Герберт Фрёлих, также эмигрировавший из Германии в 30-е годы, разработал теорию сверхпроводимости, связав ее с так называемым электронно-фононным взаимодействием. В это же время аналогичные идеи высказывал Дж. Бардин из Иллинойсского университета. Согласно этим представлениям, электроны взаимодействуют между собой через колебания кристаллической решетки. При сверхнизких температурах тепловое движение в веществе практически исчезает, и тогда проявляются слабые колебания атомов, вызываемые электронами. Эти колебания подобны звуковым волнам, но вместе с тем имеют квантовый характер; в связи с этим советский ученый Игорь Евгеньевич Тамм назвал их в 1930 г. фононами.

Следующий шаг в исследовании явления сверхпроводимости был сделан в 1956 г. Леоном Купером также из Иллинойсского университета. Он установил, что при сильном охлаждении вещества электроны в результате обмена фононами объединяются в пары. Эта сила связи очень слаба, и до Купера никто не предполагал, что она может играть сколько-нибудь существенную роль.

Современная теория сверхпроводимости (известная под названием «БКШ-теория») в ее окончательном виде была опубликована в 1957 г. Бардином, Купером и Шриффером, также сотрудником Иллинойсского университета. Она объясняет данное явление как движение электронов через кристаллическую решетку; это весьма напоминает процесс, который был предложен в 1940 г. Л. Д. Ландау для объяснения явления сверхтекучести. В БКШ-теории исследуются также электро- и термодинамические свойства сверхпроводников. За выдающийся 1 вклад в понимание столь сложного явления, как сверхпроводимость, три исследователя были удостоены в 1972 г. Нобелевской премии по физике. Для Джона Бардина это была вторая поездка в Стокгольм, так как в 1956 г. он уже получил Нобелевскую премию (вместе с Шокли и Браттейном) за создание первого полупроводникового прибора — транзистора.

Физиология и медицина

Оглашение лауреатов Нобелевской премии стартует в этом году 4 октября с номинации «Физиология и медицина»

И если Нобелевский комитет обратит внимание на рейтинг цитируемости авторов, то в этой номинации может оказаться кто-то из пяти ученых из топа Clarivate. Возможно, это будет французский нейробиолог Жан-Пьер Шанжо из Института Пастера

Его рекомендуется наградить за вклад в наше понимание нейрорецепторов и особенно за идентификацию никотинового ацетилхолинового рецептора. Как можно догадаться по названию, никотиновые рецепторы мозга связаны с никотиновой зависимостью. На родине Шанжо удостоен высшей награды для ученых во Франции — Золотой медали Национального центра научных исследований.

Также в топе фаворитов — два японских профессора из Университета Осаки Тосио Хирано и Тадамицу Кисимото. Они исследовали один из механизмов иммунитета, а именно: открыли интерлейкин-6 — противовоспалительное вещество из группы цитокинов. Ученые подробно описали его действие, что в итоге способствовало разработке эффективного препарата. Интерлейкин-6 синтезируется активированными макрофагами и T-клетками и стимулирует иммунный ответ в организме, что ускоряет заживление ран, ожогов и других повреждений ткани, связанных с воспалением. Есть ли что-то еще более актуальное, за что можно дать Нобелевскую премию? Мы спросили у научного журналиста, автора цикла биографий лауреатов Нобелевской премии Алексея Паевского.

«Определить, кто победит, — очень сложная работа. Чтобы никому не было обидно, нужно говорить не о том, кто победит, а за что дадут Нобелевскую премию, — рассказал нам эксперт. — По-хорошему, в этом году нужно награждать разработчиков вакцин от COVID-19. Уже стало понятно, что вакцина работает, существует три-четыре вакцины, в том числе наш «Спутник», которые вполне достойны победы. Но у нас есть три места, а кандидатов гораздо больше, и я не завидую здесь Нобелевскому комитету. Однако, как мне кажется, в этом году Нобелевская премия, скорее всего, будет выдана кому-то из разработчиков вакцин, и это породит большие споры, скандалы, обвинения в ангажированности и т. д.».

Алексей Паевский отметил, что есть достаточно много достижений, которые давно ждут своей награды в области медицины и физиологии: «Я считаю, что давно пора дать Нобелевскую премию за открытие в создании оптогенетики Карлу Дейссероту и еще кому-нибудь. Также давно ждут своей премии первооткрыватели нейропластичности головного мозга и самого явления нейропластичности. Эти люди давно уже получили премию Кавли, которая считается преднобелевской премией, и тоже вполне возможные лауреаты».

По словам эксперта, в числе нобелевских лауреатов могут оказаться создатели метода CAR-T-терапии, которая с недавних пор излечивает раковые заболевания. Кроме того, давно пора награждать Нобелевской премией людей, которые перевели ВИЧ/СПИД из разряда смертельных заболеваний в разряд хронических и контролируемых — создателей высокоактивной антиретровирусной терапии. «Если кто-то из этих людей еще жив, давно пора их наградить, — отметил Алексей Паевский. — Таких открытий я могу назвать еще десяток, но я уверен, что в этом году, как и всегда, Нобелевский комитет нас всех в очередной раз удивит».

Смотрите прямую трансляцию оглашения лауреатов Нобелевской премии на канале «Наука».

• 4 октября в 12:10 — объявление лауреатов по физиологии и медицине;
• 5 октября в 12:25 — объявление лауреатов по физике;
• 6 октября в 12:25 — объявление лауреатов по химии.