За кулисами Нобелевской премии: открытия, политика и математика

Математикам Нобелевскую премию не дают, однако премии этого года по физиологии и медицине, физике, химии и экономике объединяет весьма существенное использование математики.

Первыми были объявлены лауреаты премии по физиологии и медицине, и ими стали Дэвид Джулиус и Ардем Патапутиан за открытие «рецепторов температуры и касания». Одна из серьезных проблем для Нобелевского комитета — тайно получить номера телефонов потенциальных лауреатов, чтобы иметь возможность сообщить им в определенный день. Представителям комитета пришлось звонить отцу Ардема Патапутиана, потому что самого лауреата они так и не смогли отыскать.

На странице Нобелевской премии в Фейсбуке есть интервью со всеми лауреатами, в частности об их пути в науку. В интервью главному ученому компании Nobel Media Адаму Смиту Ардем Патапутиан отметил важность исследовательской среды для развития науки и посоветовал «искать сложные вопросы, на которые все же можно найти ответ».

Патапутиан и его сотрудники определили линию клеток, которые генерируют измеряемый электрический сигнал как реакцию на прикосновение, и после продолжительных исследований нашли ген, отключение которого делает клетки нечувствительными к прикосновению микропипеткой. Дэвид Джулиус в результате исследования действия капсаицина («действующего вещества» жгучего перца) открыл температурный рецептор, который вызывает ощущение боли после определенного уровня нагрева.

Объявление лауреатов Нобелевской премии по физике вызвало немалое удивление и подозрение в политической мотивированности выбора. Потому что премию получили вроде бы и не физики, а климатологи Сюкуро Манабе и Клаус Гассельманн и исследователь сложных физических систем Джорджио Паризи. Однако климатология и метеорология изучают поведение очень сложной физической системы — атмосферы Земли, и их вполне можно считать разделами физики.

Погода и движение потоков воздуха описываются сложными гидродинамическими уравнениями математической физики — уравнениями Навье—Стокса. Кстати, задача существования и гладкости решений этих уравнений — одна из задач тысячелетия, за решение которой Математический институт Клея еще в 2000 году объявил премию в миллион долларов США. Новые лауреаты эту задачу не решили, однако исследовали разные частичные случаи математических моделей климата и других сложных систем.

Так что, премия по физике присуждена «за чрезвычайный вклад в понимание сложных физических систем». Половину ее получили на двоих Сюкуро Манабе и Клаус Гассельманн «за физическое моделирование климата, количественное представление вариаций климата и надежное прогнозирование глобального потепления». Вторая половина премии присуждена Джорджио Паризи «за открытие взаимосвязи беспорядка и флюктуаций в физических системах от атомного до планетарного уровня».

Сюкуро Манабе продемонстрировал, как именно увеличение уровня двуокиси углерода в атмосфере Земли приводит к повышению температуры на ее поверхности. Еще в 1960-х он руководил разработкой физических моделей климата. Приблизительно через десять лет после этого Клаус Гассельманн создал математическую модель, связывающую погоду и климат, это дало ответ на вопрос, каким образом модели климата могут быть надежными, несмотря на изменяемость и хаотичный характер погоды (заметим, что хаотичность и случайность — разные математические понятия). Он также разработал методы определения результатов влияния на климат отдельно природных явлений и человеческой деятельности, и его методы позволили продемонстрировать, что повышение температуры атмосферы происходит именно вследствие человеческой деятельности. Еще приблизительно через 10 лет Джорджио Паризи открыл скрытые закономерности в неупорядоченных сложных материалах, что позволило понять процессы во многих очень разных материалах и явлениях: например, в так называемом спиновом стекле (это немагнитные материалы с включением магнитных примесей, что создает состояние магнитной неупорядоченной системы), вплоть до нейронауки и машинного обучения.

Сюкуро Манабе в первом интервью после получения сообщения о присуждении премии сказал, что еще никто не получал премию по физике за работу в его отрасли. Работа климатолога — это проведение многочисленных экспериментов. Есть математическая модель — разработанная самим климатологом или другими учеными. Многочисленные эксперименты проводятся с изменением одного параметра модели с исследованием результатов. Сюкуро Манабе как раз и построил модель климата Земли, которую используют многие климатологи. Эта отрасль науки очень актуальна для Японии, страдающей от наводнений, тайфунов, цунами.

Если даже придерживаться гипотезы о «политичности» Нобелевской премии этого года по физике, следует обратить внимание, что формулировка обоснования присуждения свидетельствует о сложности исследуемой задачи. Я бы толковала это как указание, что исследование климата — деятельность не для людей, которые являются просто активистами, вместо того, чтобы ходить в школу. То есть месседж противоположный тому, в чем подозревают Нобелевский комитет отдельные корреспонденты в соцсетях. Хочешь говорить о климате, учись, и хорошо учи математику. Лучший способ решать глобальные проблемы — это образование и научные исследования. Если просто не ходить в школу и абстрактно агитировать за что-то, не понимая, что на самом деле происходит с атмосферой и климатом, пользы от этого не будет.

Результаты исследований могут использовать политики, однако это научные результаты, которые не зависят от политической ситуации. И разговоры об изменении климата без глубокого понимания соответствующих моделей и физических процессов не имеют никакого смысла. Задача для тех, кто не изучал никаких естественных наук в школе и после школы, все же попробовать понять, как климатология касается физики. Раньше метеорология была искусством угадывать погоду на основе многолетних наблюдений. Первым творцом математических моделей, превратившим метеорологию в науку, был Джон фон Нойман. И сейчас есть «народные метеорологи», которые просто фантазируют, но не очень образованные журналисты почему-то любят их больше, чем ученых, несмотря даже на противоречивость прогнозов для разных изданий. Такие публикации «народных метеорологов» (и гороскопов) на самом деле означают уничтожение доверия к изданию как надежному источнику информации.

Как шутят ученые, премию по химии, наконец, дали химикам (в прошлом году премию присудили за открытие метода редактирования генома, то есть — биологам). Но на этот раз украинские ученые еще немножко приблизились к Нобелевской премии. У нас уже есть известные ученые, которых цитировали нобелевские лауреаты. Теперь есть и соавторы нового лауреата Беньямина Листа: директор Института высоких технологий КНУТШ и научный консультант украинского предприятия «Енамин» и немецкого «Люмобиотикс» Игорь Комаров и исследователь химического факультета КНУ им. Тараса Шевченко Александр Григоренко.

Беньямин Лист и Дэвид Макмиллан получили Нобелевскую премию 2021 года по химии за разработку нового точного инструмента для молекулярного конструирования, — они показали, что органические катализаторы можно использовать для запуска химических реакций. До сих пор считалось, что возможны лишь два типа катализаторов: металлы и энзимы. Кстати, в общей работе Листа с украинскими химиками исследовались катализаторы с содержанием металла. В 2000 году, независимо друг от друга, Лист и Макмиллан разработали новый тип катализаторов, этот процесс называется асимметричным органокатализом. Он является точным инструментом для построения новых молекул и будет иметь большое влияние на фармакологические исследования, сделав производство новых химических веществ более дружественным к окружающей среде. Математика в этом открытии скрывается в слове «асимметричный», и химические молекулы, которые являются зеркальным отражением друг друга, могут иметь совсем разные химические свойства. Процесс асимметричного органокатализа позволяет продуцировать молекулы лишь нужной нам ориентации в пространстве вместо смеси «правильных» и «зеркальных» молекул. Устранение производства неправильно ориентированных молекул как раз и снижает неоправданный вред для окружающей среды. Такие катализаторы будут способствовать сужению использования металлических катализаторов, которые тоже могут быть вредными. Когда Дэвиду Макмиллану позвонили ночью из Нобелевского комитета (с США большая разница во времени), он решил, что это — шутка, и поверил, что это таки награда, лишь увидев утром перед своим домом большую толпу журналистов. Дэвид Макмиллан сказал в интервью, что ученым нужны свобода и доверие со стороны финансовых агентств. Он старается создавать в своей лаборатории атмосферу свободы, и если есть что праздновать, в лаборатории празднуют (и это не только о Нобелевской премии).

Нобелевскую премию по экономике (на самом деле это премия Шведского центрального банка в честь Альфреда Нобеля) присудили Дэвиду Карду за вклад в исследование экономики труда и Джошуа Ангристу и Гвидо Имбенсу «за вклад в методологию анализа причинно-следственных связей» в так называемых природных экспериментах — например, в отношении результатов определенной экономической политики (это, опять-таки, в большой степени математика, которая очень нужна в сфере общественных наук), то есть за разработку методов, ныне широко используемых в количественных общественных исследованиях. Дэвид Кард исследовал иммиграцию, образование, профессиональное обучение и неравенство. В частности он установил, что влияние новых иммигрантов на рынок труда весьма незначительно и что таки следует получать высшее образование, даже если это не дает быстрых экономических преимуществ.

Чтобы популяризировать нобелевские исследования и науку среди школьников, во всем мире широко используются Нобелевские уроки для учителей, разработанные при поддержке Нобелевского комитета. Школьникам рассказывают об истории Нобелевской премии, о вкладе лауреатов в науку и развитие человечества. Я слушала много интервью с лауреатами этого года. Популярна в них просьба объяснить суть научных результатов десятилетнему ребенку. Не всегда это удается самим ученым, но Нобелевский комитет привлекает других ученых для таких объяснений. Было бы очень хорошо, если бы нашлась возможность перевести эти уроки на украинский язык.

Премии этого года присуждены за очень сложные многолетние и основательные исследования, демонстрирующие важность науки для развития человечества. Достижения лауреатов не только гениальные догадки, это и большая работа ученых, подкрепленная работой тысяч их коллег: «нобелевская» наука уже не вершится самими «нобелянтами». Такая наука требует масштабной научной среды.

Какие страны в этом году имеют нобелевских лауреатов? Дэвид Джулиус — Университет Калифорнии (Сан-Франциско, США). Ардем Патапутиан — Медицинский институт Говарда Хьюза и Скриппс Рисёрч (американские независимые исследовательские организации). Бенджамин Лист работает в одном из институтов немецкого Общества Макса Планка — Институте исследования угля, основанном еще в 1912 году как Институт угля Кайзера Вильгельма. Клаус Гассельманн — Институт метеорологии Общества Макса Планка (Гамбург, Германия). Джорджио Паризи — Университет ла Сапьенца (Рим, Италия). Сюкуро Манабе и Дэвид Макмиллан — Принстонский университет (США). Дэвид Кард — Университет Калифорнии (Беркли, США). Джошуа Ангрист — Массачусетский технологический институт (США). Гвидо Имбенс — Стенфордский университет (США). Из десяти научных лауреатов — двое из Германии, один из Италии и семеро из США. Трое лауреатов работают в неуниверситетских исследовательских учреждениях, семеро — в университетах (ведущих университетах США и Италии). Наука требует серьезного финансирования, свободы для исследователей и поддержки научных традиций