За лаштунками Нобелівської премії: відкриття, політика і математика

Математикам Нобелівських премій не дають, проте премії цього року з фізіології та медицини, фізики, хімії та економіки об'єднує дуже істотне використання математики.

Першими були оголошені лауреати премії з фізіології та медицини, і ними стали Девід Джуліус та Ардем Патапутіан за відкриття «рецепторів температури і дотику». Одна з серйозних проблем для Нобелівського комітету — таємно дістати номери телефонів потенційних лауреатів, щоб мати змогу повідомити їх у визначений день. Представникам комітету довелося телефонувати батькові Ардема Патапутіана, бо самого лауреата вони таки не змогли відшукати.

На сторінці Нобелівської премії у Фейсбуці є інтерв'ю з усіма лауреатами, зокрема про їхній шлях у науку. В інтерв'ю головному науковцеві компанії Nobel Media Адаму Сміту Ардем Патапутіан відзначив важливість дослідницького середовища для розвитку науки і порадив «шукати складні питання, на які все ж таки можна знайти відповідь».

Патапутіан і його співробітники визначили лінію клітин, які генерують вимірюваний електричний сигнал як реакцію на дотик, і після тривалих досліджень знайшли ген, відключення якого робить клітини нечутливими до дотику мікропіпеткою. Девід Джуліус у результаті дослідження дії капсаїцину («діючої речовини» пекучого перцю) відкрив температурний рецептор, який викликає відчуття болю після певного рівня нагрівання.

Оголошення лауреатів Нобелівської премії з фізики викликало чималий подив і підозри в політичній мотивованості вибору. Бо премію отримали начебто й не фізики, а кліматологи Сюкуро Манабе і Клаус Гассельманн та дослідник складних фізичних систем Джорджіо Парізі. Проте кліматологія й метеорологія вивчають поведінку дуже складної фізичної системи — атмосфери Землі, і їх цілком можна вважати розділами фізики.

Погода та рух потоків повітря описуються складними гідродинамічними рівняннями математичної фізики — рівняннями Нав'є—Стокса. До речі, задача існування і гладкості розв'язків цих рівнянь є однією з задач тисячоліття, за розв'язання якої Математичний інститут Клея ще 2000 року оголосив премію у мільйон доларів США. Нові лауреати цієї задачі не розв'язали, проте досліджували різні часткові випадки математичних моделей клімату й інших складних систем.

Отже, премію з фізики присуджено «за надзвичайний внесок у наше розуміння складних фізичних систем». Половину її отримали на двох Сюкуро Манабе та Клаус Гассельманн «за фізичне моделювання клімату, кількісне представлення варіацій клімату та надійне прогнозування глобального потепління». Другу половину премії присуджено Джорджіо Парізі «за відкриття взаємозв'язку безладу та флуктуацій у фізичних системах від атомного до планетарного рівня».

Сюкуро Манабе продемонстрував, як саме збільшення рівня двоокису вуглецю в атмосфері Землі призводить до підвищення температури на її поверхні. Ще в 1960-х він керував розробкою фізичних моделей клімату. Приблизно через десять років після цього Клаус Гассельманн створив математичну модель, що пов'язувала погоду й клімат, — це дало відповідь на запитання, яким чином моделі клімату можуть бути надійними, незважаючи на змінність і хаотичний характер погоди (зазначимо, що хаотичність і випадковість — це різні математичні поняття). Він також розробив методи визначення результатів впливу на клімат окремо природних явищ та людської діяльності, — і його методи дали можливість продемонструвати, що підвищення температури атмосфери відбувається саме внаслідок людської діяльності. Ще через приблизно 10 років Джорджіо Парізі відкрив приховані закономірності у невпорядкованих складних матеріалах, що дало можливість зрозуміти процеси в багатьох дуже різних матеріалах і явищах: наприклад, у так званому спіновому склі (це немагнітні матеріали з включенням магнітних домішок, що створює стан магнітної невпорядкованої системи) — й аж до нейронауки та машинного навчання.

Сюкуро Манабе в першому інтерв'ю після отримання повідомлення про присудження премії сказав, що ще ніхто не отримував премій із фізики за роботу в його галузі. Робота кліматолога — це проведення чисельних експериментів. Є математична модель — розроблена самим кліматологом або іншими вченими. Чисельні експерименти проводяться зі зміною одного параметра моделі з дослідженням результатів. Сюкуро Манабе саме й побудував модель клімату Землі, яку використовують багато кліматологів. Ця галузь науки дуже актуальна для Японії, що потерпає від повеней, тайфунів, цунамі.

Якщо навіть дотримуватися гіпотези про «політичність» цьогорічної Нобелівської премії з фізики, варто звернути увагу, що формулювання обґрунтування присудження свідчить про складність досліджуваної задачі. Я б це трактувала як вказівку на те, що дослідження клімату — діяльність не для людей, котрі є просто активістами, замість ходити до школи. Тобто меседж протилежний до того, в чому підозрюють Нобелівський комітет окремі дописувачі в соцмережах. Хочеш говорити про клімат — вчись, і добре вчи математику. Найкращий спосіб вирішувати глобальні проблеми — це освіта і наукові дослідження. Якщо просто не ходити до школи й абстрактно агітувати за щось, не розуміючи, що відбувається з атмосферою та кліматом насправді, — користі від цього не буде.

Результати досліджень можуть використовувати політики — проте це наукові результати, які не залежать від політичної ситуації. І розмови про зміну клімату без глибокого розуміння відповідних моделей та фізичних процесів не мають жодного сенсу. Завдання для тих, хто не вивчав жодних природничих наук у школі й після школи, — все ж таки спробувати зрозуміти, як кліматологія стосується фізики. Раніше метеорологія була мистецтвом вгадувати погоду на основі багатолітніх спостережень. Першим творцем математичних моделей, що перетворив метеорологію на науку, був Джон фон Нойман. І зараз є «народні метеорологи», які просто фантазують, — але не дуже освічені журналісти чомусь люблять їх більше, ніж вчених, попри навіть суперечливість прогнозів для різних видань. Такі публікації «народних метеорологів» (і гороскопів) насправді мали б означати знищення довіри до видання як надійного джерела інформації.

Як жартують вчені, премію з хімії нарешті дали хімікам (торік премію було присуджено за відкриття методу редагування геному — тобто біологам). І цього разу українські науковці ще трішечки наблизилися до Нобелівської премії. В нас уже є відомі вчені, яких цитували нобелівські лауреати. Тепер є й співавтори нового лауреата Беньяміна Ліста: директор Інституту високих технологій КНУТШ і науковий консультант українського підприємства «Єнамін» і німецького «Люмобіотікс» Ігор Комаров та дослідник хімічного факультету КНУ ім. Тараса Шевченка Олександр Григоренко.

Беньямін Ліст і Девід Макміллан отримали Нобелівську премію 2021 року з хімії за розробку нового точного інструмента для молекулярного конструювання, — вони показали, що органічні каталізатори можна використовувати для запуску хімічних реакцій. Досі вважалося, що можливі лише два типи каталізаторів: метали й ензими. До речі, у спільній роботі Ліста з українськими хіміками досліджувалися каталізатори із вмістом металу. У 2000 році, незалежно один від одного, Ліст і Макміллан розробили новий тип каталізаторів, — цей процес називається асиметричним органокаталізом. Він є точним інструментом для побудови нових молекул і матиме великий вплив на фармакологічні дослідження, зробивши виробництво нових хімічних речовин більш дружнім до довкілля. Математика в цьому відкритті ховається у слові «асиметричний», і хімічні молекули, які є дзеркальними відображеннями одна одної, можуть мати зовсім різні хімічні властивості. Процес асиметричного органокаталізу дозволяє продукувати молекули лише потрібної нам орієнтації в просторі — замість суміші «правильних» і «дзеркальних» молекул. Уникнення виробництва неправильно орієнтованих молекул саме й знижує невиправдану шкоду для довкілля. Такі каталізатори сприятимуть звуженню використання металевих каталізаторів, які теж можуть бути шкідливими. Коли Девіду Макміллану зателефонували вночі з Нобелівського комітету (зі США велика різниця в часі), він вирішив, що то жарт, і повірив, що то таки нагорода, лише побачивши вранці перед своїм будинком великий натовп журналістів. Девід Макміллан сказав в інтерв'ю, що науковцям потрібні свобода та довіра з боку фінансових агенцій. Він намагається створювати у своїй лабораторії атмосферу свободи, і якщо є що святкувати — в лабораторії святкують, і це не тільки про Нобелівську премію.

Нобелівську премію з економіки (насправді це премія Шведського центрального банку на честь Альфреда Нобеля) було присуджено Девіду Карду за внесок у дослідження економіки праці та Джошуа Ангрісту і Гвідо Імбенсу «за внесок у методологію аналізу причинно-наслідкових зв'язків» у так званих природних експериментах — наприклад, щодо результатів певної економічної політики (це, знову-таки, великою мірою математика, яка дуже потрібна в галузі суспільних наук), тобто за розробку методів, які зараз широко використовуються в кількісних суспільних дослідженнях. Девід Кард досліджував імміграцію, освіту, професійне навчання та нерівність. Зокрема він встановив, що вплив нових іммігрантів на ринок праці дуже незначний і що таки варто здобувати вищу освіту, навіть коли це не дає швидких економічних переваг.

Щоб популяризувати нобелівські дослідження та науку серед школярів, у всьому світі широко використовуються Нобелівські уроки для вчителів, розроблені за підтримки Нобелівського комітету. Школярам розповідають про історію Нобелівської премії, про внесок лауреатів у науку та розвиток людства. Я слухала багато інтерв'ю з цьогорічними лауреатами, — популярним є прохання пояснити суть наукових результатів десятилітній дитині. Не завжди це вдається самим вченим, але Нобелівський комітет залучає інших вчених для таких пояснень. Було б дуже добре, якби вишукалась можливість перекласти ці уроки українською.

Цьогорічні премії присуджені за дуже складні багатолітні й ґрунтовні дослідження і демонструють необхідність науки для розвитку людства. Досягнення лауреатів — не лише геніальні здогадки, це й велика праця вчених, підкріплена роботою тисяч їхніх колег: «нобелівська» наука вже не твориться самими «нобелянтами». Така наука потребує масштабного наукового середовища.

Які країни цього року мають нобелівських лауреатів? Девід Джуліус — Університет Каліфорнії (Сан Франциско, США). Ардем Патапутіан — Медичний інститут Говарда Г'юза та Скріппс Рісерч (американські незалежні дослідницькі організації). Бенджамін Ліст працює в одному з інститутів німецького Товариства Макса Планка — Інституті дослідження вугілля, заснованому ще 1912 року як Інститут вугілля Кайзера Вільгельма. Клаус Гассельманн — Інститут метеорології Товариства Макса Планка (Гамбург, Німеччина). Джорджіо Парізі — Університет ла Сап’єнца (Рим, Італія). Сюкуро Манабе та Девід Макміллан — Прінстонський університет (США). Девід Кард — Університет Каліфорнії (Берклі, США). Джошуа Ангріст — Массачусетський технологічний інститут (США). Гвідо Імбенс — Стенфордський університет (США). З десяти наукових лауреатів — двоє з Німеччини, один з Італії та семеро — зі США. Троє з лауреатів працюють в неуніверситетських дослідницьких установах, семеро — в університетах (у провідних університетах США й Італії). Наука потребує серйозного фінансування, свободи для дослідників та підтримки наукових традицій.