Die Auswahl der besten wissenschaftlichen Leistungen selbst in einem Jahr ist unglaublich schwierig. Der Nobelpreis wird uns auch nicht helfen, weil es unmöglich ist, ihn wirklich allen herausragenden Wissenschaftlern zu übergeben (der Physiker Freeman Dyson zum Beispiel hat seinen Preis eindeutig verdient, musste ihn aber an Schwinger, Feynman und Tomonaga abtreten).
Bei den verschiedenen TOP 10-Sammlungen, die von seriösen Publikationen zusammengestellt wurden, kann man hier nicht auf Subjektivität verzichten. Die
Liste der revolutionären Technologien der kommenden Jahre, die von den Herausgebern des Journals des Massachusetts Institute of Technology, MIT Technology Review, zusammengestellt wurde, umfasst selbstfahrende Lastwagen, Gesichtserkennungstechnologien und sogar Quantencomputer, aber es gibt keine Entdeckungen aus der Luft- und Raumfahrtindustrie. Nicht jeder kann dieser Wahl zustimmen und das Schicksal der "unmöglichen" Engine EmDrive beobachten.
Wie wählt man aus Hunderten geplanten Experimenten die am meisten erwarteten Experimente aus? Versuchen wir, uns auf die Skala (wahrscheinlich sind vor uns größtenteils nur kostspielige Experimente) und den Wert für die gesamte Menschheit zu konzentrieren. Anfang 2018 haben wir beschlossen, vielversprechende Technologien zusammenzubringen, die unsere Zukunft verändern werden.
ITER
Die Haupthoffnung der Menschheit auf billige, erschwingliche Energie ist der ITER-Fusionsreaktor. Seit Beginn des Baus des Internationalen thermonuklearen Versuchsreaktors sind zehn Jahre vergangen, obwohl die theoretischen Grundlagen seiner Arbeit Mitte des 20. Jahrhunderts (mit Beginn der Verwendung von
Tokamaks ) von sowjetischen Wissenschaftlern gelegt wurden. Ein Projekt, an dem 35 Länder teilnehmen, sollte die Machbarkeit der kommerziellen Nutzung eines Fusionsreaktors demonstrieren.
Die Kosten des Projekts betragen derzeit 18 Milliarden Euro. Anfang Dezember 2017 gaben ITER-Mitarbeiter bekannt, dass 50% aller Bauarbeiten für das erste Plasma abgeschlossen waren. Die erste Phase der Experimente, in der Wasserstoff in ein heißes, elektrisch geladenes Gas umgewandelt wird, soll derzeit im Jahr 2025 durchgeführt werden.
Experimentelle Anlagen zur Einschließung von magnetischem Plasma, um die Bedingungen zu erreichen, die für eine kontrollierte thermonukleare Fusion erforderlich sind, um jahrzehntelang Energie zu erzeugen. Bisher haben sie jedoch mehr Energie benötigt, um zu arbeiten, als sie selbst erzeugt haben. Im ITER-Experiment planen sie, diese Einschränkung aufgrund der kolossalen Abmessungen der Anlage zu überwinden: Ein Tokamak zum Halten von Plasma wiegt 23 Tonnen und benötigt 840 Kubikmeter - das Zehnfache der Kapazität eines früheren ähnlichen Geräts.
Wenn alles gut geht, wird ITER bis 2035 die volle Kapazität erreichen und es der Menschheit ermöglichen, die Verwendung fossiler Brennstoffe einzustellen. Der Reaktor wird 50 Megawatt Energie verbrauchen, um 500 Megawatt Energie zu erzeugen. ITER-ähnliche Kraftwerke werden künftig einen vergleichbaren Wert wie konventionelle Kernkraftwerke haben. Im Gegensatz zu Kernkraftwerken produzieren Fusionsanlagen jedoch keine radioaktiven Abfälle und verschmutzen die Atmosphäre in keiner Weise.
Genübertherapie
Tausende von Krankheiten entstehen aufgrund eines Fehlers in einem menschlichen Gen. Gentherapie existiert bereits und hilft Ärzten bei der Behandlung einiger Erbkrankheiten. Bis vor kurzem galt Amyotrophe Lateralsklerose (ALS - Stephen Hawking kämpft mit dieser Krankheit) als unheilbar. 2017 haben Forscher der University of California in Berkeley jedoch
bewiesen, dass Gentherapie ALS besiegen kann.
Die US-amerikanische Food and Drug Administration hat eine Gentherapie zur Behandlung von angeborener Blindheit mit einem Gen zugelassen, das lichtempfindliche Zellen im Auge „enthält“.
Versuche mit einer neuen Methode der Gentherapie gegen
Hämophilie waren ebenfalls erfolgreich. Chinesische Forscher haben erfolgreich eine Mutation im menschlichen Embryo-Gen korrigiert, die zur Entwicklung einer Anämie führte. Es gab andere Erfolge - all dies in nur einem Jahr!
Aber was wird als nächstes passieren? In allen oben genannten Fällen verwendeten die Wissenschaftler die CRISPR-Technologie (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) Cas9, mit der Sie mehrere Jahre lang DNA in lebenden Zellen bearbeiten können. Cas9-Endonukleasen schneiden DNA in den erforderlichen Regionen, die zur „Matrize“ des RNA-Leitfadens komplementär sind. Danach nähen die zelleigenen Reparatursysteme die Enden der DNA und fixieren die Veränderungen.
Die Methode erwies sich jedoch als unzuverlässig. Forscher der Columbia University in New York fanden heraus, dass die CRISPR / Cas9-Genomeditierungstechnologie
zu einer viel größeren Anzahl von Nebenmutationen (Nichtzielmutationen) führt als bisher angenommen.
Einige Monate später wurde eine revolutionäre Lösung vorgeschlagen, die die Gentherapie auf ein neues Niveau bringen könnte. Anstelle des aktiven Cas9-Proteins nahmen die Wissenschaftler seine inaktive Form an, die auf bestimmte Stellen im Genom abzielen kann, aber keine DNA mehr schneidet. Diese Entscheidung
kann als einer der bedeutendsten Durchbrüche in der Geschichte der Genetik angesehen werden.
Die neue Methode wurde an Mäusen mit akutem Nierenversagen getestet. Wissenschaftler konnten beschädigte oder gedämpfte Gene erfolgreich aktivieren und so die normale Nierenfunktion wiederherstellen. Darüber hinaus half die Methode, Mäuse mit Typ-1-Diabetes und sogar Muskeldystrophie zu heilen. Es wurden keine gefährlichen Nebenwirkungen festgestellt.
Der schwierigste Teil bleibt: Wissenschaftler müssen Experimente durchführen, um die Auswirkungen der „genetischen Programmierung“ auf langlebige Mäuse und ihre Nachkommen zu verfolgen. Wenn alles gut geht, kann die Technologie am Menschen getestet und an die Behandlung menschlicher Krankheiten angepasst werden. Ergebnisse sollten in 5-10 Jahren erwartet werden.
Unmögliche Motortests
EmDrive weckt polare Meinungen. Erinnern wir uns kurz daran, dass es sich um einen Motor handelt, der aus einem Magnetron und einem Resonator besteht und dessen angebliche Leistung
nicht mit modernen wissenschaftlichen Vorstellungen über die Weltordnung
übereinstimmt . Die experimentellen Daten
liefern keine eindeutige Bestätigung oder Widerlegung der Funktionsfähigkeit einer solchen Anlage.
Wenn dieser Motor läuft, wird kein Kraftstoff verwendet, was anscheinend gegen das Gesetz der Impulserhaltung verstößt. Darüber hinaus kann der Autor der Entwicklung, Ingenieur Roger Scheuer, das Prinzip der Installation nicht logisch erklären. Glücklicherweise stehen EmDrive-Zeichnungen Forschern offen.
Im November 2016 wurde eine
Studie der NASA Eagleworks-Laboringenieure veröffentlicht, aus der hervorgeht, dass EmDrive funktioniert. Allerdings stimmten nicht alle in der wissenschaftlichen Gemeinschaft dieser Studie zu. Der vom Motor bereitgestellte Schub von 1,2 ± 0,1 mN / kW kann durch experimentelle Fehler erklärt werden.
Der Motor ist sehr an China interessiert. Vertreter der Chinesischen Akademie für Weltraumtechnologie
sagten , China habe nicht nur die EmDrive-Technologie in seinen Labors erfolgreich getestet, sondern auch begonnen, den Motor an der Raumstation Tiangong-2 zu testen. Die Arbeit des Weltraumlabors wird bis September 2018 dauern, danach sollten Veröffentlichungen zu den Ergebnissen des Experiments erwartet werden. Wenn die gesamte Studie nicht klassifiziert ist (und sich nicht als gerissene PR-Kampagne der chinesischen Raumfahrtindustrie herausstellt).
In Zukunft kann EmDrive den Weg für eine billige Raumfahrt sowie eine schnellere Raumfahrt ebnen. Vor allem aber wird der Motor aufgrund seiner Existenz zu Veränderungen in einem wesentlichen Teil der Physik führen. Und dies wird neuen Forschungen und Entdeckungen einen unglaublichen Impuls geben.
Die Grenzen der Physik erweitern
Nach dem Urknall sollten Materie und Antimaterie zu gleichen Teilen erzeugt werden. Materie und Antimaterie vernichten sich gegenseitig, aber das Universum existiert, wie wir sehen, weiterhin. Physiker schlagen vor, dass für jede Milliarde Partikelpaare von Antimaterie ein zusätzliches Materieteilchen erzeugt wurde.
Die Verletzung der "universellen Symmetrie" ist jedoch nur eine Annahme, die noch bestätigt werden muss. Am Large Hadron Collider (LHC) werden Experimente durchgeführt, um Fehler im Prinzip der Symmetrie von Ladung, Parität und Zeit (CPT-Invarianz) zu erkennen. Nach diesem Prinzip sollte ein mit Antimaterie gefülltes „Spiegeluniversum“ die gleichen physikalischen Gesetze wie wir haben, nur spiegelbildlich.
Bisher ist Antimaterie nach unseren Vorstellungen mit Materie identisch. Der LHC sucht nach einer Lücke in gepaarten Partikeln, die das Antimaterie-Paradoxon erklären würde. In den kommenden Jahren sollen Experimente nach SUSY-Partikeln suchen - supersymmetrischen Partikeln, deren Existenznachweis auch gegen das Grundprinzip der Symmetrie verstoßen würde.
Das
ATLAS- Experiment, das 2017 sein 25-jähriges Bestehen feierte, wurde mit dem
CMS- Experiment bis zum Frühjahr 2018 zur technischen Modernisierung gestoppt. Dies ist jedoch nur der Anfang. Der LHC
wird erst 2026
die Spitzenleistung
erreichen . Darüber hinaus ist geplant, bis zu diesem Zeitpunkt das Future Circular Collider-Projekt („Erbe“ des LHC) sowie den International Linear Collider (ILC) in Japan zu starten.
Definition der Universumsimulation
Ist unsere Welt real oder leben wir alle in einem Computerprogramm? Aus der Sicht eines gewöhnlichen Menschen spielt die Antwort auf diese Frage keine Rolle (es sei denn, die Idee der Existenz von Beobachtern durch die Autoren der Simulation ist natürlich zulässig), aber für die Physik kann sich die Frage als grundlegend herausstellen. Der Versuch, eine Antwort zu finden, kann für die ganze Welt von entscheidender Bedeutung sein.
Die theoretischen Physiker Zohar Ringel und Dmitry Kovrizhi schlugen vor, dass es unmöglich ist, die Manifestation von Anomalien von Quantensystemen wie dem von ihnen untersuchten
Quanten-Hall-Effekt zu modellieren. Dieser Quanteneffekt, der in niedrigdimensionalen Festkörperstrukturen beobachtet wird, ist eine makroskopische Manifestation der Quanteneigenschaften von Materie und als Methode zur genauen Messung universeller physikalischer Konstanten wichtig.
Ringel und Kovrizhi
errechneten, dass zum Speichern von Informationen über mehrere hundert Elektronen, die einem solchen Effekt inhärent sind, mehr Computerspeicher benötigt würde als die Menge, die „mit allen Atomen im Universum erzeugt werden könnte“.
Diese Methode basiert jedoch auf der Funktionsweise der
klassischen Mechanik des Feynman-Integrals . Feynmans Interpretation ist vielleicht nicht die einzige. Vielleicht gibt es eine andere Methode, mit der Sie ein Quantensystem mit dem Hall-Effekt simulieren können.
In den kommenden Jahren werden wir mehr Experimente mit Quantencomputern durchführen können - dies gibt uns die Möglichkeit, auf einer neuen Ebene zu überprüfen, ob das Universum eine Simulation ist oder nicht. Wissenschaftler des University of Maryland College Park und des US-amerikanischen National Institute of Standards and Technology haben
ein Modell eines 53-Qubit-Quantensystems erstellt. Bisher reicht dies nicht aus, um nützliche Aufgaben zu lösen, aber nach
Prognosen von Cisco wird Mitte 2020 der erste kommerzielle Quantencomputer erscheinen, der eine Vielzahl von Problemen lösen kann.
Projekt des menschlichen Gehirns
Das europäische Projekt „
The Human Brain Project “ (HBP) begann 2013 und ist auf 10 Jahre ausgelegt. An dem Projekt sind Hunderte von Wissenschaftlern aus 26 Ländern und 135 Partnerinstitutionen beteiligt. HBP sollte das weltweit erste Computermodell des menschlichen Gehirns und der Nagetiere erstellen. Das Projekt ist in seiner Größe beispiellos und das größte Experiment in der Geschichte der Untersuchung des menschlichen Gehirns mit einem Budget von 1,6 Milliarden US-Dollar.
Wissenschaftler planen, einen funktionellen Atlas der neuronalen Aktivität des menschlichen Gehirns zu erstellen, der 85 Milliarden einzelne Zellen enthält. Auf diese Weise können wir Gehirnkrankheiten besser verstehen und den Prozess der Exposition gegenüber bestimmten Arzneimitteln überwachen, wodurch wir fortschrittliche Diagnose- und Behandlungsmethoden entwickeln können.
Darüber hinaus erfordert eine detaillierte Modellierung des Gehirns eine erhebliche Rechenleistung, was einen Anstoß zur Verbesserung der Leistung von Supercomputern, zur Verbesserung der Telekommunikations- und Data-Mining-Methoden geben wird.
Studien zur Dunklen Materie
Was ist dunkle Materie? Wir haben noch keine genaue Antwort, aber seine Gravitationseffekte können auf den Bewegungspfaden von Galaxien beobachtet werden. Das Herausfinden der Natur der Dunklen Materie wird uns helfen, die Natur des Universums besser zu verstehen. Zahlreiche Experimente, bei denen Beweise für die Existenz der Dunklen Materie gefunden wurden, zeigten jedoch völlig unterschiedliche Ergebnisse. Es gibt keine einzige Methode, keine genauen Daten.
Die ersten Beobachtungen des chinesischen Orbitalobservatoriums DAMPE zur Suche nach dunkler Materie sprechen dafür, dass dunkle Materie tatsächlich in der Nähe der Erdumlaufbahn und im Zentrum unserer Galaxie zerfallen kann.
DAMPE (Dark Matter Particle Explorer) hat das Energiespektrum hochenergetischer Elektronen und Positronen kosmischer Strahlung mit hoher Auflösung und geringem Rauschen empfangen.
Im Bereich von 0,9 TeV wird im Spektrum ein "Abfall" der Anzahl registrierter Elektronen und Positronen beobachtet, der indirekt die Existenz dunkler Materie bestätigt. Die Forscher wollen genauere Daten, aber DAMPE ist nur für ein weiteres Arbeitsjahr ausgelegt. Derzeit haben wir keine genaueren Detektoren, was bedeutet, dass die Arbeit der Station höchstwahrscheinlich fortgesetzt wird.