أكثر التجارب العلمية المتوقعة للعقد القادم

إن اختيار أفضل الإنجازات العلمية حتى في عام واحد أمر صعب للغاية. لن تساعدنا جائزة نوبل أيضًا - بعد كل شيء ، من المستحيل تقديمها إلى جميع العلماء البارزين حقًا (الفيزيائي فريمان دايسون ، على سبيل المثال ، يستحق جائزته بوضوح ، لكنه اضطر إلى إعطائها لشوينغر وفينمان وتوموناغا).

بالنسبة لمجموعات TOP 10 المختلفة التي تم تجميعها من قبل منشورات ذات سمعة جيدة ، لا يمكن للمرء الاستغناء عن الذاتية هنا. تتضمن قائمة التقنيات الثورية للسنوات القادمة ، التي جمعها محررو مجلة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا "MIT Technology Review" ، الشاحنات ذاتية القيادة ، وتقنيات التعرف على الوجوه ، وحتى أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، ولكن لا توجد اكتشافات من صناعة الطيران. لا يمكن لأي شخص أن يوافق على هذا الاختيار ، يراقب مصير محرك EmDrive "المستحيل".

كيف تختار أكثر التجارب المتوقعة من بين المئات المخطط لها؟ دعونا نحاول التركيز على المقياس (على الأرجح ، بالنسبة لنا ، في الغالب ، هي تجارب مكلفة فقط) وقيمة للبشرية جمعاء. في بداية عام 2018 ، قررنا الجمع بين التقنيات الواعدة التي ستغير مستقبلنا.

ITER

الأمل الرئيسي للبشرية للحصول على طاقة رخيصة الثمن هو مفاعل الاندماج ITER. لقد مرت عشر سنوات منذ بدء بناء المفاعل التجريبي الحراري النووي الدولي ، على الرغم من أن الأسس النظرية لعمله قد وضعها العلماء السوفييت في منتصف القرن العشرين (مع بداية استخدام التوكاماك ). يجب أن يثبت المشروع الذي تشارك فيه 35 دولة جدوى الاستخدام التجاري لمفاعل الاندماج.

تبلغ تكلفة المشروع في الوقت الحالي 18 مليار يورو. في أوائل ديسمبر 2017 ، أعلن مسؤولو ITER أنه تم الانتهاء من 50 ٪ من جميع أعمال البناء اللازمة لاستلام البلازما الأولى. من المقرر حاليًا تنفيذ المرحلة الأولى من التجارب ، التي سيتم فيها تحويل الهيدروجين إلى غاز ساخن مشحون كهربائيًا ، في عام 2025.

تركيبات تجريبية للحصر المغناطيسي للبلازما من أجل تحقيق الظروف اللازمة للانصهار الحراري الحراري الخاضع للرقابة لتوليد الطاقة لعقود. لكنهم حتى الآن يحتاجون إلى طاقة للعمل أكثر مما أنتجوا أنفسهم. في تجربة ITER ، يخططون للتغلب على هذا القيد بسبب الأبعاد الهائلة للتثبيت: توكاماك لحمل البلازما يزن 23 طنًا ويأخذ 840 متر مكعب - 10 أضعاف سعة أي جهاز مماثل سابق.

إذا سارت الأمور على ما يرام ، ستصل ITER إلى طاقتها الكاملة بحلول عام 2035 وستمكن البشرية من التوقف عن استخدام الوقود الأحفوري. سوف يستخدم المفاعل 50 ميجاوات من الطاقة لتوليد 500 ميجاوات من الطاقة. في المستقبل ، ستكون محطات الطاقة الشبيهة بـ ITER قابلة للمقارنة من حيث القيمة بمحطات الطاقة النووية التقليدية. ولكن ، على عكس محطات الطاقة النووية ، لن تنتج محطات الاندماج نفايات مشعة أو تلوث الغلاف الجوي بأي شكل من الأشكال.

العلاج الجيني الزائد

تنشأ الآلاف من الأمراض بسبب خطأ في الجين البشري. العلاج الجيني موجود بالفعل ويساعد الأطباء في علاج بعض الأمراض الوراثية. حتى وقت قريب ، كان التصلب الجانبي الضموري (ALS - يكافح ستيفن هوكينج مع هذا المرض) يعتبر غير قابل للشفاء ، ولكن في عام 2017 ، أثبت باحثون من جامعة كاليفورنيا في بيركلي أن العلاج الجيني يمكن أن يهزم ALS.

وافقت إدارة الغذاء والدواء الأمريكية على العلاج الجيني لعلاج العمى الخلقي بجين "يشمل" الخلايا الحساسة للضوء في العين.

كما نجحت تجارب طريقة جديدة للعلاج الجيني للهيموفيليا . نجح باحثون صينيون في تصحيح طفرة في جين الأجنة البشرية ، مما أدى إلى تطور فقر الدم. كانت هناك إنجازات أخرى - كل هذا في عام واحد فقط!

ولكن ماذا سيحدث بعد ذلك؟ في جميع الحالات المذكورة أعلاه ، استخدم العلماء تقنية CRISPR (Clustered Regular Interspaced Short Palindromic Repeats) Cas9 ، والتي تسمح لك لعدة سنوات بتحرير الحمض النووي في الخلايا الحية. تقوم نوكلياز Cas9 بقطع الحمض النووي في المناطق الضرورية المكملة لـ "قالب" دليل الحمض النووي الريبي ، وبعد ذلك تقوم أنظمة الإصلاح الخاصة بالخلية بخياطة أطراف الحمض النووي ، وتثبيت التغييرات.

ومع ذلك ، تبين أن الطريقة غير موثوقة. وجد باحثون من جامعة كولومبيا في نيويورك أن تقنية تحرير الجينوم CRISPR / Cas9 تؤدي إلى عدد أكبر بكثير من الطفرات الجانبية (غير المستهدفة) مما كان يعتقد سابقًا.

بعد بضعة أشهر ، تم اقتراح حل ثوري يمكن أن يؤدي بالعلاج الجيني إلى مستوى جديد. بدلاً من بروتين Cas9 النشط ، أخذ العلماء شكله غير النشط ، والذي يمكن أن يستهدف أماكن محددة في الجينوم ، ولكن لم يعد يقطع الحمض النووي. يمكن اعتبار هذا القرار أحد أهم الاختراقات في تاريخ علم الوراثة.

تم اختبار الطريقة الجديدة في الفئران مع الفشل الكلوي الحاد - تمكن العلماء من تنشيط الجينات التالفة أو المكتومة بنجاح ، واستعادة وظائف الكلى الطبيعية. علاوة على ذلك ، ساعدت الطريقة في علاج الفئران المصابة بداء السكري من النوع 1 وحتى ضمور العضلات. تم الكشف عن أي آثار جانبية خطيرة.

يبقى الجزء الأصعب: يجب على العلماء إجراء تجارب لتتبع آثار "البرمجة الجينية" على الفئران طويلة العمر ونسلها. ثم ، إذا سارت الأمور على ما يرام ، يمكن اختبار التكنولوجيا على البشر وتكييفها لعلاج الأمراض البشرية. يجب توقع النتائج في 5-10 سنوات.

اختبارات المحرك المستحيلة

يثير EmDrive آراء قطبية. دعونا نتذكر بإيجاز أننا نتحدث عن محرك يتكون من مغنطرون ومرنان ، لا يتناسب أدائه المزعوم مع الأفكار العلمية الحديثة حول النظام العالمي. لا توفر البيانات التجريبية تأكيدًا أو غموضًا لا لبس فيه على قابلية تشغيل هذا التثبيت.

عند تشغيل هذا المحرك ، لا يتم استخدام الوقود ، والذي ينتهك قانون الحفاظ على الزخم. علاوة على ذلك ، لا يستطيع مؤلف التطوير ، المهندس روجر شوير ، تقديم تفسير منطقي لمبدأ التثبيت. لحسن الحظ ، فإن رسومات EmDrive مفتوحة للباحثين.

في نوفمبر 2016 ، تم نشر دراسة أجراها مهندسو مختبر ناسا إيجلوركس ، والتي خلصت إلى أن EmDrive كان يعمل. ومع ذلك ، لم يتفق الجميع في المجتمع العلمي مع هذه الدراسة. يمكن تفسير الاتجاه 1.2 ± 0.1 mN / kW الذي يوفره المحرك عن طريق الأخطاء التجريبية.

المحرك مهتم جدًا بالصين. قال ممثلو الأكاديمية الصينية لتكنولوجيا الفضاء إن الصين لم تختبر بنجاح تقنية EmDrive في مختبراتها فحسب ، بل بدأت أيضًا في اختبار المحرك في محطة تيانجونج -2 الفضائية. سيستمر عمل مختبر الفضاء حتى سبتمبر 2018 ، وبعد ذلك من المتوقع أن تصدر المنشورات حول نتائج التجربة. إذا كانت الدراسة بأكملها غير مصنفة (ولا تتحول إلى حملة دعاية ماكرة لصناعة الفضاء الصينية).

في المستقبل ، يمكن لـ EmDrive أن يفتح الطريق للسفر عبر الفضاء الرخيص ، بالإضافة إلى السفر عبر الفضاء بشكل أسرع. ولكن الأهم من ذلك ، أن المحرك بحقيقة وجوده سيؤدي إلى تغييرات في جزء كبير من الفيزياء. وهذا سيعطي زخما لا يصدق للبحوث والاكتشافات الجديدة.

توسيع حدود الفيزياء

بعد الانفجار العظيم ، تم إنشاء المادة والمادة المضادة بنسب متساوية. المادة والمادة المضادة يبيدان بشكل متبادل ، ومع ذلك ، فإن الكون ، كما نرى ، لا يزال موجودًا. يقترح الفيزيائيون أنه مقابل كل مليار زوج من جسيمات المادة المضادة ، تم إنشاء جسيم إضافي للمادة.

ومع ذلك ، فإن انتهاك "التماثل العالمي" هو مجرد افتراض لا يزال بحاجة إلى تأكيد. في مصادم هادرون الكبير (LHC) ، يتم إجراء التجارب للكشف عن الأخطاء في مبدأ تناظر الشحن والتكافؤ والوقت (CPT الثابت). وفقًا لهذا المبدأ ، يجب أن يكون للكون "المرآة" المليء بالمواد المضادة نفس قوانين الفيزياء مثل قوانيننا ، فقط في صورة طبق الأصل.

حتى الآن ، في أفكارنا ، تبقى المادة المضادة مطابقة للمادة. يبحث LHC عن فجوة في الجسيمات المزدوجة التي من شأنها أن تفسر تناقض المادة المضادة. في السنوات القادمة ، ستهدف التجارب إلى البحث عن جزيئات SUSY - جسيمات فائقة التناظر ، والتي من شأن إثبات وجودها أن ينتهك أيضًا المبدأ الأساسي للتناظر.

تم إيقاف تجربة ATLAS ، التي احتفلت بعيدها الخامس والعشرين في عام 2017 ، مع تجربة CMS حتى ربيع عام 2018 للتحديث الفني. ومع ذلك ، هذه ليست سوى البداية. سيصل المصادم LHC إلى ذروة الطاقة فقط في عام 2026. بالإضافة إلى ذلك ، يُخطط في هذا الوقت لبدء مشروع مصادم المستقبل الدائري ("وريث المصادم LHC)" ، وكذلك إطلاق المصادم الخطي الدولي (ILC) في اليابان.

تعريف محاكاة الكون

هل عالمنا حقيقي أم أننا جميعًا نعيش داخل برنامج كمبيوتر؟ من وجهة نظر شخص عادي ، لا يهم الجواب على هذا السؤال (ما لم يكن ، بالطبع ، فكرة وجود مراقبين من مؤلفي المحاكاة) ، ولكن بالنسبة للفيزياء ، قد يتبين أن السؤال أساسي. بدلاً من ذلك ، يمكن أن تكون محاولة العثور على إجابة حاسمة للعالم كله.

اقترح الفيزيائيون النظريون زوهار رينجل ودميتري كوفريزي أنه من المستحيل نمذجة مظهر الشذوذ في الأنظمة الكمومية ، مثل تأثير الكم الكمي الذي يدرسونه. هذا التأثير الكمي ، الذي لوحظ في هياكل الحالة الصلبة منخفضة الأبعاد ، هو مظهر مجهر للخصائص الكمية للمادة ، وهو مهم كوسيلة لقياس الثوابت الفيزيائية العالمية بدقة.

حسب Ringel و Kovrizhi أنه لتخزين المعلومات على عدة مئات من الإلكترونات المتأصلة في مثل هذا التأثير ، ستكون هناك حاجة إلى ذاكرة كمبيوتر أكثر من الكمية "التي يمكن إنشاؤها باستخدام جميع الذرات الموجودة في الكون".

ومع ذلك ، فإن هذه الطريقة تعتمد على العمل التشغيلي للميكانيكا الكلاسيكية للتكامل Feynman . ربما لم يكن تفسير فاينمان هو الوحيد. ربما هناك طريقة أخرى تسمح لك بمحاكاة نظام كمي بتأثير Hall.

في السنوات القادمة ، سنكون قادرين على إجراء المزيد من التجارب على أجهزة الكمبيوتر الكمومية - وهذا سيتيح لنا الفرصة للتحقق على مستوى جديد ما إذا كان الكون محاكاة أم لا. ابتكر علماء من جامعة ميريلاند كوليدج بارك والمعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا نموذجًا للنظام الكمي 53 بت. حتى الآن ، هذا لا يكفي لحل المهام المفيدة ، ولكن وفقًا لتوقعات Cisco ، سيظهر أول كمبيوتر كمومي تجاري قادر على حل مجموعة واسعة من المشاكل بحلول منتصف عام 2020.

مشروع الدماغ البشري

بدأ المشروع الأوروبي " مشروع الدماغ البشري " (HBP) في عام 2013 وهو مصمم لمدة 10 سنوات. يضم المشروع مئات العلماء من 26 دولة و 135 مؤسسة شريكة. يجب على HBP إنشاء أول نموذج كمبيوتر في العالم للدماغ والقوارض البشرية. المشروع غير مسبوق في الحجم وأكبر تجربة في تاريخ دراسة الدماغ البشري بميزانية 1.6 مليار دولار.

يخطط العلماء لإنشاء أطلس وظيفي للنشاط العصبي للدماغ البشري ، الذي يحتوي على 85 مليار خلية فردية. ونتيجة لذلك ، سنكون قادرين على فهم أمراض الدماغ بشكل أفضل ومراقبة عملية التعرض لأدوية معينة ، مما سيسمح لنا بتطوير طرق التشخيص والعلاج المتقدمة.

بالإضافة إلى ذلك ، تتطلب النمذجة التفصيلية للدماغ قوة حوسبة كبيرة ، مما سيعطي زخمًا لتحسين أداء أجهزة الكمبيوتر الفائقة ، وتحسين الاتصالات وأساليب استخراج البيانات.

دراسات المادة المظلمة

ما هي المادة المظلمة؟ ليس لدينا إجابة دقيقة حتى الآن ، ولكن يمكن رؤية آثار الجاذبية على مسارات حركة المجرات. سيساعدنا اكتشاف طبيعة المادة المظلمة على فهم طبيعة الكون بشكل أفضل ، ومع ذلك ، فقد أظهرت العديد من التجارب التي تم فيها العثور على دليل على وجود مادة مظلمة نتائج مختلفة تمامًا. لا توجد طريقة واحدة ، لا توجد بيانات دقيقة.

الملاحظات الأولى للمرصد الصيني المداري DAMPE ، المصممة للبحث عن المادة المظلمة ، تتحدث لصالح حقيقة أن المادة المظلمة يمكن أن تتحلل بالفعل بالقرب من مدار الأرض وفي مركز مجرتنا. تلقى DAMPE (مستكشف جسيمات المادة المظلمة) طيف الطاقة من الإلكترونات عالية الطاقة والبوزيترونات من الأشعة الكونية ذات الدقة العالية والضوضاء المنخفضة.

في منطقة 0.9 TeV ، لوحظ "انخفاض" في عدد الإلكترونات المسجلة والبوزيترونات في الطيف ، مما يؤكد بشكل غير مباشر وجود المادة المظلمة. يريد الباحثون بيانات أكثر دقة ، ولكن تم تصميم DAMPE لمدة عام واحد فقط من العمل. في الوقت الحاضر ، ليس لدينا أجهزة كشف أكثر دقة ، مما يعني أن عمل المحطة سيستمر على الأرجح.