Научные и технические прорывы года: версия Naked Science

Итоги-2023 в науке и технике не так давно подвели два самых авторитетных научных журнала мира: Nature («Научные герои года») и Science («Прорывы года»). Однако нарисованная ими картина местами вызывает удивление. Скажем, Nature включил в научных героев года человека из индийской лунной программы. Конечно, заслуга этой героини перед наукой и техникой в Индии очень велика: она сыграла важную роль в том, что индийский аппарат мягко сел на Луну. Проблема в том, что для человечества в целом этот шаг трудно назвать что героическим, что прорывным: первую мягкую посадку на Луне провел еще СССР — далекой зимой 1966 года. 

У Science в прорывы года как-то неожиданно затесался поиск геологических источников водорода, любимая тема российских фриков от науки уже лет, наверное, двадцать. С научной точки зрения абсолютно ясно, что водород, в силу его химических и физических свойств, не может образовывать на Земле заметных запасов. Понятно, что в связи с неудачами безуглеродного перехода поиски чего угодно на роль палочки-выручалочки обострились. Но неужели до такой степени, что в прорывы года надо записывать неудачные поиски заведомо не делающего погоду энергоносителя? 

Или возьмем другой прорыв года по Science: новые свидетельства проживания людей в Америке в ледниковый период. Речь идет о свидетельствах, которые не старше 23 тысяч лет. Между тем, как Naked Science отмечал еще три года назад, у науки есть никем не оспариваемые свидетельства проживания людей в Северной Америке 33 тысячи лет назад. Как свидетельство намного меньшей древности оказалось прорывом года?

Конечно, искушенный читатель научпопа может возразить: год был не то чтобы очень богатый на бесспорные открытия. Он принес куда больше вопросов и сомнений, чем «чистых» открытий. А писать о его итогах научным журналам надо. Вот и пришлось тащить туда все, что под руку попадется, включая повторение достижений 1966 года и недоповторение достижений археологов трехлетней давности.

Мы попробовали избежать такого в наших собственных итогах. Они будут о том, что ранее действительно было предельно неочевидно.

Прорыв первый: «Джеймс Уэбб» бросил современную картину Вселенной в острый кризис

В науке очень часто важны не только ответы, но и в первую очередь сами вопросы. Потому что если правильных вопросов не задать, то и ответы на них не услышать. И в этом смысле телескоп «Джеймс Уэбб» в 2023 году совершил настоящую революцию. Причем такую, которой от него не ожидали.

Неожиданность этого — без преувеличения — переворота в том, что от «Уэбба» ждали многого, но совсем другого: дополнения известной картины реальности, а не ее переписывания. Скажем, когда строили БАК, проект в итоге стоивший пару десятков миллиардов долларов, ожидания были как раз на прорывные открытия —  частиц темной материи и не только. На деле «из крупного» открыть там удалось только бозон Хиггса, предсказанный еще в 1960-х годах. Подкрепить выводы ученых полувековой давности дело благое, но ожидали-то от коллайдера куда больше.

С «Уэббом» получилось ровно наоборот: да, он стоил десяток миллиардов долларов, но и улов, который он принес по итогам первого года «устоявшейся» эксплуатации, огромен. Как мы отдельно писали, он обнаружил, что уже через 600 миллионов лет после Большого взрыва существовала масса галактик, выглядевших примерно такими же развитыми и «зрелыми», как и многие современные. Почему это переворот?

Традиционно космология опиралась на идею, что в момент начала Большого взрыва не было буквально ничего, никаких структур, только энергия, которая лишь через некоторое время после взрыва образовала привычные нам атомы и молекулы. Естественно, что они не могли сразу собраться в звезды: нужно было много времени на то, чтобы температуры упали ниже порога ионизации. Только тогда мог образоваться молекулярный водород (до конца ионизации молекулы из него не образуются), и лишь после него мог начаться процесс постепенной сборки первых звезд. 

Причем процесс куда более сложный и долгий, чем в наши дни: ведь сегодня термоядерные реакции в недрах звезд запускаются за счет «катализаторов», тяжелых элементов, которых тогда во Вселенной не было (сверхновые их еще не успели наработать). Без таких «катализаторов» зажигание термоядерных реакций должно было потребовать от самых первых звезд большой массы. А ее долго накапливать. Период от появления молекулярных газов (380 тысяч лет от Большого взрыва) до первых звезд называют Темными веками Вселенной: в них на небе не было буквально ни одной звезды.

Потом, через период от 150 до 1,0 миллиарда лет от Большого взрыва, по разным подсчетам, должна была начаться эпоха реионизации. Появились звезды, образовали галактики, их излучение ионизировало межзвездный газ в плазму, космос вокруг нас стал снова «светлым».

«Джеймс Уэбб» в 2023 году выбросил всю эту стройную схему на свалку истории. Нет, конечно, Naked Science уже отмечал, что тут есть интересные детали, требующие подтверждений. Тем не менее его данные выглядят революционно: они указывают на существование нормальных галактик, звезд и прочего уже через 600 миллионов лет после Большого взрыва. В текущей стандартной космологической модели это физически невозможно: галактики современного облика не могут возникнуть «из ничего» всего за 600 миллионов лет.

Открытие космического телескопа, таким образом, настоящий научный прорыв. Nature и Science не пишут о нем не потому, что не знают: работы по наблюдениям «Уэбба» выходили и в этих двух журналах. Они не пишут о них потому, что «Уэбб» снес предшествующую космологию, практически поставил крест на стандартной модели, но не предложил свою. И это логично — он ведь телескоп, а не человек. Мало кто любит описывать научные прорывы, в которых налицо разрушение тех или иных теорий и гипотез, но нет ничего, что могло бы их заменить.

Наверное, мы бы тоже не рискнули написать о прорыве «Уэбба» и кризисе современной космологии. Если бы не одно «но»: кажется, мы можем назвать претендента на замену той космологии, которой этот телескоп нанес столь мощный удар.

Новая космология: второй научный прорыв года

Может показаться странным: как это некая теория может успешно закрыть прореху, образованную наблюдениями 2023 года? Ведь кризис-то только открыли — крупную теорию просто не успеть создать за такое короткое время. И все же может.

Дело в том, что кризис в современной астрофизике начался еще до того, как «Джеймс Уэбб» показал, что стандартная картина Реионизации и Темных веков не совпадает с действительностью. Кризис — уже тогда серьезный — начался еще в конце 1990-х, когда выяснилось, что Вселенная в наши дни расширяется с ускорением, а причины, по которым она это делает, физики установить не могут.

Вторым важным элементом астрофизического (и общефизического) кризиса стали 2010-е. Тогда, во-первых, все попытки открыть частицы темной материи на любых ускорителях и детекторах провалились. И во-вторых, когда астрономические наблюдения показали, что скопления галактик сталкиваются между собой так, как если бы темная материя в них вообще не имела никакого трения между собой. Между тем любые существующие частицы должны иметь «трение», то есть должны терять энергию при соударении. Но при этом они должны бы довольно быстро тормозиться. А они не хотят.

Стандартная гипотеза о природе темной материи до 2010-х была в том, что это некие массивные частицы, взаимодействующие с материей обычной только через гравитацию. Однако такая модель работает, лишь если эти частицы относительно равномерно распределены в гало галактик — темных областях сразу за границей видимой части галактик. Ясно, что частицы с таким равномерным распределением должны создавать «трение», а его нет. К концу 2010-х это стало ясно, и тогда же  многие астрофизики (в отличие от физиков частиц, слабо следящих за  астрономической стороной вопроса) поняли, что никаких частиц темной материи никто никогда не откроет.

Не откроет потому, что их не существует.

Российский физик Николай Горькавый (с соавторами) предложил решение этих двух проблем в работах 2016, 2018 и 2021 годов. В первых двух ему удалось — с опорой на данные гравитационной обсерватории LIGO — показать, как именно Вселенная может расширяться с ускорением. LIGO с 2016 года регистрирует гравиволны, образующиеся при слиянии черных дыр, и по этим наблюдениям удалось понять, какая именно доля массы черных дыр при слиянии превращается в гравитационные волны. Между тем, как отмечал еще Эйнштейн, гравиволны сами по себе тяготения не создают. То есть в момент слияния черных дыр общая масса Вселенной уменьшается, потому что часть ее массы превращается в энергию гравиволн.

Представьте, что в Солнечной системе вдруг исчезла основная часть массы Солнца. Что произойдет? Планеты не улетают от Солнца, потому что движутся по склону его гравитационной «воронки». При быстром уменьшении гравитационной массы Солнца в центре этой воронки вместо «углубления» вырастает «пик», который достигнет Земли за восемь минут. В итоге Земля окажется на склоне не воронки, а, напротив, горы. А падая с горки очень легко набрать скорость. И Земля, и все остальные планеты разлетятся во все стороны, как выпущенные при выстреле из пращи. То же самое случится и со Вселенной, где массово сливаются черные дыры: большая часть ее массы превратится в гравиволны. В итоге все объекты космоса начали расширяться с ускорением, и продолжают делать это до сих пор.

Третья работа затронула темную материю. В ней удалось показать, что темная материя состоит из шаровых скоплений черных дыр относительно небольшой массы (несколько масс Солнца). Эти шаровые скопления не содержат звезд и газа, поэтому их не обнаружить в обычные телескопы. Однако они должны искажать свет звезд за ними (работать гравилинзой), поэтому со временем их обнаружение неизбежно.

Все эти работы по отдельности затрагивали очень крупные вопросы, но еще больше вопросов возникало после их прочтения. Совершенно очевидно, что Вселенная, набитая огромным количеством черных дыр промежуточных масс, не может иметь такой же истории, как Вселенная в стандартной космологической модели. Откуда, например, взялось столько черных дыр? 

В 2023 году в России вышла книга, в которой Николай Горькавый сформулировал общее видение истории Вселенной с учетом всех этих работ — и по темной энергии, и по темной материи. Картина получилась очень необычная — и на ее полный пересказ мы даже не претендуем, читатель может ознакомиться с ней сам.

Но кое-что отметим — иначе пропустим прорыв года.

Книга «Осциллирующая Вселенная» показывает, что текущая Вселенная — не «одноразовая», как в стандартной космологической модели, а циклическая. Вслед за циклом расширения, в котором живем мы, и который продлится около сотни миллиардов лет, неизбежно наступает цикл сжатия. Причина его начала — то, что крупные черные дыры эффективно улавливают гравитационные волны, излучаемые при слиянии более мелких черных дыр. В начале нашего цикла истории Вселенной — в момент Большого взрыва — ее масса резко уменьшилась за счет превращения основной ее части в гравиволны. Однако в следующие 100 миллиардов лет крупные черные дыры захватывают эти волны и за счет этого увеличивают свою массу. 

Иными словами, в начале каждого цикла Вселенной ее масса резко уменьшается, вызывая разлет, а потом плавно растет, вызывая последующее сжатие. К концу цикла сжатия Вселенная уменьшается, по расчетам, до 10 световых лет, что достаточно для уничтожения всех звезд, планет и даже атомов, но недостаточно для уничтожения черных дыр. Как только Вселенная уменьшилась до десятка светолет, черные дыры — в которых сосредотачивается при этом практически вся ее масса — начинают массово сливаться. При этом они резко теряют массу, превращая ее в энергию гравиволн, а вслед за резкой потерей массы Вселенная переживает новый Большой взрыв, начиная резко расширяться.

Еще полвека назад это было обычной мыслью для многих космологов. Однако в 1970-х были выдвинуты возражения против циклической Вселенной: отмечалось, что при ее циклах энтропия должна нарастать. Теория Горькавого — первая, закрывающая этот вопрос, причем довольно неожиданно (энтропия в ней «падает в черную дыру», причем в прямом смысле).

Выход книги «Осциллирующая Вселенная» закрывает и вопрос, поднятый «Джеймсом Уэббом»: как именно через 600 миллионов лет после Большого взрыва могли образоваться галактики современного вида? В циклической Вселенной им не надо возникать с нуля, как в стандартной космологии. В космологической модели Горькавого из прошлых циклов Вселенной до нашего дошло множество черных дыр — трудноуничтожимых объектов, переживших прошлые циклы.

А когда ваша Вселенная с рождения содержит много плотных и компактных объектов, обычное вещество — газ и пыль — будет «собираться» в звезды и галактики куда быстрее, чем если ваша Вселенная исходно была однородной, без множества черных дыр.

Пересказывать всю книгу мы не будем — тут пришлось бы написать вторую книгу, — но отметим: на сегодня это наиболее проработанная космологическая модель, отвечающая открытиям типа тех, что совершил в этом году «Джеймс Уэбб», а чуть ранее — NANOGrav и LIGO.

Первый «Старшип» достиг космоса: крупнейшее техническое достижение года

В 2023 году самая большая космическая ракета в истории человечества — пятитысячетонный «Старшип» впервые попыталась достичь космического пространства. Попыток было две: неудачная, весной, и частично удачная — осенью. Частично удачная потому, что на высоте полторы сотни километров (существенно выше линии Кармана, границы космического пространства) SpaceX перестала получать данные от «Старшипа» и отправила на него сигнал о самоуничтожении (и оно произошло).

И тем не менее это прорыв. Причем сразу по многим направлениям. Во-первых, это самая многодвигательная ракета, которая что-то вывела в космос за всю нашу историю. Десятки лет скептики говорили, что слишком большое число двигателей мешает работе друг друга, и поэтому такие схемы нереальны, теперь ясно, что это не так. Во-вторых, «Старшип» использует — первым в мире — метановые двигатели многоразового использования. В отличие от кислород-керосиновых, типичных для космонавтики до Илона Маска, метановые практически не дают сажи и поэтому могут использоваться очень много раз.

Кислород-метановые двигатели использует и еще одна китайская ракета, но она одноразовая. А это резко ограничивает ее перспективы — только полностью многоразовый «Старшип» сможет многократно снизить стоимость полетов в космос.

Перспективы этой системы достаточно очевидны: в 2020-х она высадит людей на Луну, а в 2030-х — если будет жив стоящий за ней Илон Маск — и на Марс.

Что менее очевидно — это то, почему о «Старшипе» нет ни слова в списках прорывов года ни одного западного научного или научно-популярного издания. Как так получилось, что попадание в космос крупнейшего корабля в истории землян прошло мимо них?

Ответ не очень приятен: вмешалась политика. Основные решения по «Старшипу» Маск принимал лично, преодолевая сопротивление инженеров SpaceX — от выбора топлива для двигателей до выбора нержавейки как материала для корабля. Поэтому успех его неотделим от личности создателя.

А вот она в последнее время западным СМИ резко не нравится. Маск позволяет себе выступать против операций по смене пола у несовершеннолетних и других важных для западных медиа вещей. Естественно, что он вызывает не просто неприятие, но и зачастую серьезную ненависть со стороны множества людей в западной части мира.

Вряд ли это разумно. Скажем, России Маск, отобрав у «Роскосмоса» и экспортные заказы и первое место по числу пусков, насолил куда более ощутимо и материально, чем западным медиа. Но это же не мешает нам понимать, насколько значим первый космический полет «Старшипа», даже если он закончился контролируемым подрывом. 

В конце концов первые три запуска Р-7, ракеты-носителя, на которой Королев вывел человека в космос, тоже прошли с разрушениями частей ракеты. Но это не помешало ей совершить революцию в человеческой истории. SpaceX работает быстро, скорее всего, как и у Королева когда-то, ей удастся научить «Старшип» летать нормально уже к четвертой попытке. То есть в следующем году.

Семаглутид: конец эпидемии ожирения?

Мы пробовали начать этот раздел со слов: «Эпидемия избыточного веса — самая массовая и самая опасная изо всех, с которой сталкивается современное человечество…» Но они уже и так набили оскомину. Поэтому опустим предисловия: почему и как лишний вес убивает миллионы человек в год и так все знают.

А еще все знают, что попытки справиться с этой эпидемией десятки лет подряд бесполезны. Нет, шума про ЗОЖ в СМИ и научпопе очень много, но доля людей с избыточным весом продолжает расти. Почему пропаганда воздержанности в еде и спорта никак не затормозила этот процесс?

Потому что она подобна советам «лучше быть богатым и здоровым, чем бедным и больным». У мегаэпидемии избыточного веса и ожирения есть объективные причины: современный образ жизни. Речь совсем не об избытке калорий, потому что охотники-собиратели поглощают их столько же, и едят не меньше сладкого, чем современные люди, но проблем с весом не имеют: дело именно в современном образе жизни в целом.

Ожирение приходит к людям с низкой физической активностью. А чем ниже физическая активность, тем ниже в вашем организме уровень того же тестостерона, при дефиците которого вам трудно, очень трудно прилагать большие физические усилия. 

Поэтому чем больше у человека лишнего веса, тем проще ему накапливать его еще больше и тем сложнее его потерять. Напротив, чем больше у человека в жизни спорта, тем проще ему контролировать свою активностью (да и питание, благо у спортсмена больше дофамина от физактивности, он сложнее «подсаживается на еду»). Налицо то, что в науке называют «эффект святого Матфея»: «…всякому имеющему дастся и приумножится, а у неимеющего отнимется и то, что имеет». 

Что мы делаем, когда чье-то здоровье страдает, но самому человеку поправить его очень сложно? Мы даем ему лекарства. Долгие десятилетия попытки создать такие лекарства «против лишнего веса» ничего не давали. Разумеется, можно ежедневно давать человеку слабительное (и не только — список длинный, включая влияющие на нейромедиаторы), и он потеряет вес. Но негативные последствия для его здоровья будут огромны — еще хуже, чем от лишнего веса. Еще можно убирать вес операциями, но их придется постоянно повторять, а это тоже риски для здоровья.

В 2012 году — о чем тогда еще никто не знал — фармкомпании нашли первое средство, которое закрывало вопрос. Вообще-то, они считали, что делают лекарство от диабета. Но к 2017 году сторонняя научная группа выяснила, что оно весьма эффективно для снижения веса. Правда, только через несколько лет фармакологические власти США разрешили использовать их для этих целей. Речь идет о веществе семаглутид, известном в медиа под торговыми брендами «Оземпик», «Вегови» и другие.

Что позволило семаглутиду совершить революцию? Дело в том, что он опирался на гормон ГПП-1, который у человека могут вырабатывать некоторые клетки кишечника. При поступлении в кровь этот гормон обычно крайне быстро распадается. Однако фармкомпании нашли способ стабилизировать с его помощью белка, который человеческий организм и сам использует для стабилизации и переноса веществ по крови (альбумин). 

Ключевой механизм похудения при семаглутиде — замедление перемещения еды из желудка в кишечник. Когда желудок забит, человеку физически трудно есть, да и чувство голода серьезно подавляется. В итоге люди даже без диабета, но с лишним весом за 68 недель введения семаглутида теряли по 15% массы. Это в несколько раз выше, чем от других более или менее легальных препаратов. И, что важно, негативных последствий от семаглутидных лекарств не так много, как от тех «средств от ожирения», что существовали до него.

Нет, конечно, большинству принимавших не удалось избежать таких побочных эффектов как тошнота, рвота, и та или иная степень диареи. У большинства эти проблемы проходят (но не у всех). Но на фоне побочек от прошлых кандидатов в лекарства от ожирения — среди которых была, например, и псевдонаркотическая зависимость — это не так уж и серьезно. Несколько растет вероятность панкреатита, поэтому люди с проблемами поджелудочной перед приемом семаглутида должны проконсультироваться с врачом (и часть из них воспользоваться им не могут).  В редких случаях возникает так называемый паралич желудка (к счастью, обратимый).

Но есть и хорошие «побочные эффекты». Еще в опытах на крысах было установлено, что после семаглутида тех меньше тянуло к алкоголю. Для людей аналогичные исследования затруднены, но множество отдельных свидетельств принимавших семаглутид действительно указывают на снижение употребления ими алкоголя — и сходный эффект, по всей видимости, наблюдается для курения. Причина, по всей видимости, во влиянии препарата на процессы, связанные с дофамином.

Разумеется, у людей с сердечно-сосудистыми заболеваниями, принимающими семаглутид, резко снижается частота опасных сердечно-сосудистых событий — не менее чем на 20%. Это очень неплохой результат, хотя и ожидаемый: лишний вес очень серьезно поднимает вероятность инфарктов, инсультов и тому подобного. Логично, что его потеря снижает риск в этой области.

Минусов у семаглутида тоже немало. Сейчас он производится (легально) только на Западе, компаниями-разработчиками. Несложно понять, что в Россию они ничего не возят. Конечно, это не означает, что семаглутида в России нет, но получить его, просто придя в аптеку, в норме не получится. Кроме того, западные фармкомпании, как известно, не делают ничего дешево. Дешевле 600 долларов в месяц курсов семаглутидных лекарств у них нет. Для основной части мира это дорого. 

Спасибо санкциям, в России уже наладили собственное производство лекарств на семаглутиде. Однако, увы, наш Минздрав, как мы знаем по истории с ковидом, архиконсервативен, и пока такое лекарство он разрешает лишь диабетикам. Несложно догадаться, что на практике можно добыть и то, что Минздрав не разрешает, но тем не менее это создает определенные сложности.

До появления массового производства семаглутида в третьем мире он будет дорогим. Однако Индия и Китай не спят, поэтому в обозримом будущем цены на препараты снизятся. А значит, ожирение начнет отступать — сперва в богатых странах, а потом и по всему миру.

Перед нами хеппи-энд? Конечно, нет. Люди, прекратившие принимать лекарства на семаглутиде, быстро набирают вес снова. А значит многие из тех, у кого тошнота и все остальные побочки семаглутида не проходят со временем, не смогут потерять вес навсегда. Да и в целом лекарственное регулирование таких тонких деталей организма — явно не самый оптимальный путь.

Проблема в том, что пока никакого другого нет. Если вы не охотник-собиратель и не преуспели хотя бы в любительском спорте, семаглутид часто может быть вашим единственным шансом избавиться от веса, дающего скачки давления и укорачивающего жизнь человека на многие годы.

Подведем итоги: вопреки тому, что может показаться на первый взгляд, крупные научные и технологические прорывы в 2023 году вполне случились. И не только в виде хайповых вещей вроде ChatGPT и поисков никому неведомого подземного водорода, но и в форме реально значимых событий. 

Мы стали существенно ближе к решению загадок Вселенной, высадке людей на других небесных телах и даже к тому, чтобы справиться с главной эпидемией нашей эпохи. Разве этого мало?