Как устроен научный прогресс

ЭкспертНаука

Нобелевские премии-2021

Как устроен научный прогресс

Андрей Константинов, Мария Пази, Анастасия Шартогашева

Научная часть Нобелевский премий не настолько скандальная, как литературная и «мирная», но она в некотором смысле еще больше зависит от моды, конъюнктуры и общественных трендов. Но эта конъюнктура другая, она опирается не только на современные представления о важном в науке, но и укоренена в новейшей истории науки, она показывает, как наша современность происходит из фундаментальных научных работ. Нобелевка — отличный инструмент понимания механики научно-технологического прогресса.

Физика: порядок климата из хаоса погоды

Половину Нобелевской премии по физике 2021 года получили климатологи Сюкуро Манабе из Принстона и Клаус Хассельманн из гамбургского Института метеорологии Макса Планка, по официальной формулировке — за «физическое моделирование земного климата, количественную оценку изменчивости и надежное прогнозирование глобального потепления». Вторая половина премии досталась Джорджо Паризи, разностороннему итальянскому физику, уже прославившемуся в нескольких разных областях, — за «открытие взаимодействия беспорядка и флуктуаций в физических системах от атомных до планетарных масштабов».

Сюкуро Манабе
Клаус Хассельман
Джорджо Паризи

Награда словно призвана подчеркнуть ряд важнейших черт, отличающих современную науку от науки ХХ века. Наука стала гораздо больше концентрироваться на прикладных задачах, а премия дана за исследования изменений климата — самой политической из всех научных тем.

Можно было бы обвинить Нобелевский комитет в конъюнктурности, но значение Нобелевских премий как раз в этом, они фиксируют сложившийся консенсус по поводу важности тех или иных открытий. К тому же именно исследования лауреатов этого года и сформировали нынешнюю конъюнктуру, запустив идею, что на планете происходит резкое потепление, причиной которого стало выделение углекислого газа в результате нашей деятельности.

А еще наука стала значительно более коллективным делом, роль «гениев» в ней снижается, а роль коллабораций увеличивается. Вот и премии все чаще дают не одному исследователю, а делят на несколько частей, не всегда равных, чтобы отметить вклад каждого лауреата в решение общей большой проблемы — в данном случае проблемы возникновения порядка из хаоса в сложных системах.

Еще одна важная черта современной науки — междисциплинарный характер. Для решения научных проблем собираются специалисты из разных областей, и снова в чести ученые с широкими научными интересами, способные увидеть проблему с разных сторон — как раз такие, как Паризи, известный, например, описанием сильных взаимодействий, одной из четырех фундаментальных сил природы.

Земная атмосфера — динамическая система, состоящая из беспорядочно движущихся бесчисленных молекул газов. Такие системы изучает статистическая механика и другие разделы математической физики. Погода все время хаотически меняется, с той или иной вероятностью проходя через всевозможные состояния.

Все прогнозы погоды имеют вероятностный характер, и чем более долгосрочный прогноз, тем, понятное дело, меньше шансы на его осуществление. На погоду влияет слишком много факторов — как разобраться в этом хаосе? Мы не способны задать абсолютное точное значение начальных условий физических уравнений, потому что не можем учесть начальное положение каждой молекулы, от которого будет зависеть дальнейшая судьба климатической системы, да и измерить общие параметры, такие как температура, мы не можем абсолютно точно. А ошибка в начальных условиях в этих системах дает гораздо большие ошибки в решениях. Это как в знаменитом «эффекте бабочки»: если бабочка махнет крылом в нужное время и в нужном месте, цепь причин и следствий может привести к тому, что за тысячи километров от этого места начнется ураган.

Но все-таки этот хаос как-то переходит в порядок: синоптики иногда неплохо попадают в цель, благодаря тому что нашли в этом хаосе кое-какие закономерности. А движение каждой отдельной молекулы воздуха и вовсе полностью задано железобетонными законами механики.

Работы нынешних лауреатов посвящены изучению связи порядка и хаоса в динамических системах и предсказанию их поведения. Созданные ими методы можно применить не только к климату, они стали частью инструментария математической физики, применяются для изучения биологических и даже социальных систем. С их помощью можно изучать динамику морских течений и динамику популяций, поведение толпы или работу электрических сетей.

Насколько точные прогнозы дают современные климатические модели? Нынешняя Нобелевка по физике призвана поставить точку в горячих спорах об этом вопросе. «Открытия, признанные в этом году, демонстрируют, что наши знания о климате опираются на прочную научную основу, основанную на строгом анализе наблюдений», — резюмировал Торс Ханс Ханссон, председатель Нобелевского комитета по физике.

Сюкуро Манабе считается отцом современного моделирования климата: он первым начал создавать сложные многофакторные модели климата, дающие надежные предсказания. Уже более полувека назад, в статье 1970 года, где впервые был сделан конкретный прогноз будущего потепления, Манабе утверждал, что к 2000 году глобальная температура увеличится на 0,57 °C. Фактическое потепление оказалось на удивление близким к его предсказанию — теплее стало на 0,54 °C. Манабе был и первым человеком, который понял решающую роль выбросов углекислого газа и парникового эффекта в потеплении — его статью 1967 года об этом называют важнейшей научной работой во всей климатологии.

Следующие модели Манабе исследовали связи между условиями в океане и атмосфере и имели решающее значение для понимания того, как усиление таяния ледяного покрова Гренландии может повлиять на циркуляцию океана в Северной Атлантике. В общем, во всей истории с изучением глобального потепления нет более важного человека, чем Манабе.

Примерно через десять лет после работы Манабе разделивший с ним премию Клаус Хассельманн создал модель, которая связала погодные явления с долгосрочными климатическими изменениями, то есть показала, как хаос погоды переходит в порядок климата. Эта работа заложила основу для целой области научных исследований, которая изучает влияние изменения климата на такие явления, как засухи, ураганы или ливни, и пытается их предсказать.

Третий лауреат, Джорджо Паризи, получил премию за открытие взаимодействия хаоса и флуктуаций в физических системах — от нескольких атомов до атмосферы целой планеты. Оказалось, что самые неупорядоченные, безнадежно случайные и фундаментально хаотичные системы при правильном анализе могут дать надежный прогноз поведения всей системы.

Паризи создал модель так называемых спиновых стекол, впервые обнаруженных в расплавах металлов, когда в не намагничивающийся металл (например, золото) добавлен намагничивающийся (например, железо). Магнитные поля в таких системах ведут себя принципиально случайно (магнитный момент электрона — спин — это квантово-механическое число, а в мире частиц работают только вероятности). Но, как оказалось, в этой случайности есть и закономерности — например, в таких системах могут пробегать волны со счетными характеристиками. Поэтому они и названы «стеклами» — не кристаллами, где царит порядок, но и не совсем жидкостями.

Теоретически идеи Паризи могут в будущем помочь понять изменения климата, но пока влияние этих исследований на науку о климате невелико по сравнению с влиянием во многих других областях физики, математики и биологии, они применяются в самых разных сферах — от лазеров до машинного обучения.

«Методы глубокого обучения (deep learning), задачи искусственного интеллекта используют модели спиновых стекол, позволяющие обучать нейронные сети, — говорит профессор МГУ Евгений Перепелкин. — Данные методы используются во многих прикладных задачах, например в анализе банковских транзакций, при распознавании образов, в поисковых запросах интернета, системах с беспилотным управлением, моделировании гидродинамики».

От интересной, но сугубо теоретической задачи до ее полного признания, как и в случае с климатическими прогнозами, и практической употребимости прошло около полувека.

Химия: искусство синтеза молекул

Когда Шведская королевская академия наук попыталась сообщить химику из Принстона Дэвиду Макмиллану, что он получил Нобелевскую премию, он принял звонок за розыгрыш — даже успел поспорить на тысячу долларов со своим коллегой Беньямином Листом, что сообщение о присуждении Нобелевской премии было ненастоящим. Но все оказалось всерьез: высшую награду за достижения в области химии 2021 года разделили Беньямин Лист и Дэвид Макмиллан за развитие асимметрического органического катализа. Работа ученых изменила процесс производства лекарств и сделала химию экологичнее. Рассказываем, как немецкий и американский химики повлияли на искусство синтеза молекул.

Биньямин Лист
Дэвид Макмилан

Все началось с поиска катализаторов для производства лекарств.

Для биологически активных веществ важно не только то, какие атомы входят в молекулу, но и то, как они расположены, а точнее, с какой стороны прикреплены к каркасу из атомов углерода другие атомы большой органической молекулы. Молекулы разной формы, которые выглядят как зеркальное отражение друг друга, как правая и левая рука, и имеют разные свойства, называются энантиомеры. Например, «левая» молекула S-лимонен пахнет лимоном, а его зеркальный энантиомер «правый» R-лимонен пахнет апельсином.

В некоторых случаях нужную врачам работу будет делать только «правая» молекула, в других — «левая». Это особенно важно в фармакологии: там, где больному поможет S-форма, R-форма окажется совершенно бесполезной, и получается, что полтаблетки действует, полтаблетки — нет. Еще хуже, если одна из «зеркальных» изоформ окажется вредной. Так, например, случилось с талидомидом: «правый» R-талидомид — это седативное средство, которое было разрешено в 19571962 годах к применению у беременных, но его «левая» S-форма вызывала дефекты развития плода. После талидомидного скандала и еще пары не таких громких историй все лекарственные препараты должны были стать энантиомерно чистыми, то есть содержать только одну «рабочую» изоформу. Так появилась необходимость создания специфичной методики катализа, при которой продукты реакции были бы нужными энантиомерами: «правыми» или «левыми».

В поисках специфичных катализаторов для создания право- или левоориентированных лекарств ученые в первую очередь обратились за помощью к металлам, которые содержат много электронов и зачастую охотно ими делятся. Электроны, в свою очередь, позволяют разорвать одну химическую связь и дать начало другим, то есть облегчают процесс перестройки молекул. Но беда в том, что реакции на катализаторах с атомами металлов неспецифичны: сложно контролировать, что получится на выходе. Атомы металлов слишком малы и симметричны, чтобы развернуть молекулу нужной стороной.

В 2001 году Рёдзи Ноёри, Барри Шарплесс и Уильям Ноулз за исследования в области асимметричного металлокатализа получили Нобелевскую премию по химии. Однако их методика требовала использования тяжелых металлов. Это было серьезным недостатком: при изготовлении лекарств любые следы металлов должны быть удалены: кто-нибудь хочет таблеток с палладием? Очистка при этом — муторный и дорогостоящий процесс. Кроме того, использование тяжелых металлов в промышленности, очевидно, не слишком полезно для экологии.

Вклад Листа и Макмиллана заключается в том, что они придумали, как заменить металлические «грязные» катализаторы на органические молекулы, сделав синтез более специфичным и чистым.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Темные башни зашатались Темные башни зашатались

Citadel и подобные крупные игроки рынка акцией попали в фокус внимания SEC

Эксперт
Аида Гарифуллина Аида Гарифуллина

Аида Гарифуллина — о родной Казани и крутых поворотах судьбы

Elle
Калининград: гринфилд российской идентичности Калининград: гринфилд российской идентичности

Как Калининградская область ищет свое место на карте России и мира

Эксперт
Очень сердечный жест Очень сердечный жест

Определить, что причиной боли в груди является сердце, можно с помощью… жестов

Здоровье
Большие площадки для роста маленьких продавцов Большие площадки для роста маленьких продавцов

Развитие маркетплейсов связано с приходом малого и микробизнеса

Эксперт
«Ходит сон по дворам…» «Ходит сон по дворам…»

Заметки к раздумью о мире сновидений русской литературы

Наука и жизнь
Два герцога: Ришельё против Бэкингема Два герцога: Ришельё против Бэкингема

Противостояние Англии и Франции в XVII веке — это ещё и противостояние министров

Дилетант
Вратарь против империи Пабло Эскобара: как Рене Игита ввязался в междоусобицы двух картелей и пострадал Вратарь против империи Пабло Эскобара: как Рене Игита ввязался в междоусобицы двух картелей и пострадал

Как голкипер Колумбии ввязался в междоусобицах двух наркобаронов

Esquire
«Вар! Верни легионы!» «Вар! Верни легионы!»

Одно из самых унизительных поражений римской армии

Дилетант
Преодоление реальности Преодоление реальности

«Декларируется банальная идея, что мир абсурден». К 80-летию Сергея Довлатова

Наука
Миротворец-империалист Миротворец-империалист

Весь период правления Никита Сергеевич отчаянно боролся за мир

Дилетант
Счастье есть... и пить Счастье есть... и пить

Места гастрономической силы в Крыму и Краснодарском крае

Добрые советы
Слепой пес мастерски обходит любые препятствия. Его хозяйка почти год считала собаку здоровой Слепой пес мастерски обходит любые препятствия. Его хозяйка почти год считала собаку здоровой

Даже ветеринары не понимают, в чем секрет бордер-колли Дэйва

National Geographic
Ольга Бузова: «Я всегда на нервах!» Ольга Бузова: «Я всегда на нервах!»

Ольга Бузова о новом альбоме и о том, как замерзла в Африке

Cosmopolitan
«Я чувствую себя девственницей!» Женщина полностью отказалась от секса на 3 года «Я чувствую себя девственницей!» Женщина полностью отказалась от секса на 3 года

Тереза Брукс в 49 лет решила полностью отказаться от интимной близости

Cosmopolitan
Дешевые садовые статуи, выставленные на аукцион, оказались древнеегипетскими артефактами Дешевые садовые статуи, выставленные на аукцион, оказались древнеегипетскими артефактами

Садовые статуи оказались подлинными произведениями искусства древнего Египта

National Geographic
5 ошибок при выборе комплектующих, которые допускают не только новички 5 ошибок при выборе комплектующих, которые допускают не только новички

Как не допустить несколько обидных ошибок при сборке компьютера

CHIP
«Профукала острова»: как советская актриса Людмила Хитяева отказала миллиардеру «Профукала острова»: как советская актриса Людмила Хитяева отказала миллиардеру

Людмила Хитяева — одна из самых красивых и талантливых советских киноактрис

Cosmopolitan
Как израильский историк был гидом в бывших концлагерях Польши. Глава книги «Монстр памяти» Ишая Сарида Как израильский историк был гидом в бывших концлагерях Польши. Глава книги «Монстр памяти» Ишая Сарида

Отрывок из книги «Монстр памяти» — об интерпретации прошлого

Esquire
Пирог с антоновкой и миндальным тестом Пирог с антоновкой и миндальным тестом

Когда я сообщаю гостям, что мой пирог без капли муки, его вожделеют все

Weekend
Одной жизни мало Одной жизни мало

Почему нам не жаль времени на игры?

Psychologies
Любовь к миндалю: почему это хорошо Любовь к миндалю: почему это хорошо

Миндаль хорош и в качестве перекуса, и как ингредиент различных блюд

РБК
Жиросжигающие продукты: список для похудения Жиросжигающие продукты: список для похудения

Узнай, какая еда растопит жир!

Cosmopolitan
Генератор культуры Генератор культуры

ГЭС‑2 станет вырабатывать энергию современного искусства

AD
Гайд по экранам ноутбуков: что важно знать Гайд по экранам ноутбуков: что важно знать

Мы собрали для вас краткий гайд, который поможет разобраться в типах дисплеев

CHIP
Последняя гастроль империи Последняя гастроль империи

Анна Толстова о самой провальной выставке русского искусства в Америке

Weekend
География кадров: выбираем город для нового офиса География кадров: выбираем город для нового офиса

Зачем бизнесу открывать полноценные офисы

Inc.
Реальные факты, стоящие за самыми известными мифами в истории Реальные факты, стоящие за самыми известными мифами в истории

Порой за легендами стоят реальные факты и явления

Maxim
Никто не любит пенсии Никто не любит пенсии

Граждане должны сами заботиться о собственном будущем

Эксперт
Кем ты была в прошлой жизни? 3 способа узнать это из регрессологии Кем ты была в прошлой жизни? 3 способа узнать это из регрессологии

Практики регрессологии, которые помогут вспомнить, кем ты была в прошлой жизни

Cosmopolitan
Открыть в приложении