Нобелевская премия 2025: квант, губки и иммунитет

Физика: квант, который можно потрогать

Премию получили Джон Кларк, Мишель Деворе и Джон Мартинис за открытие макроскопического квантового туннелирования и квантования энергии в электрической цепи.

Квантовая механика описывает мир очень маленьких частиц, и правила там странные. Например, частица может пройти сквозь стену, которую по законам обычной физики перепрыгнуть не способна. Это называют туннелированием. Представьте мяч, который лежит в ямке и не может выкатиться, а потом вдруг оказывается снаружи, не перелетая край.

Долго считалось, что такое бывает только с отдельными электронами и атомами. В 1984–1985 годах трое физиков в Беркли собрали схему из сверхпроводников, охлаждённую почти до абсолютного нуля. В сверхпроводнике электроны объединяются в пары и ведут себя как единое целое. Учёные показали, что вся эта огромная по меркам квантового мира система, миллиарды электронов, туннелирует как одна частица. А энергию схема может получать только порциями, ступеньками, как атом.

Туннелирование вокруг нас

Туннельный эффект кажется экзотикой, но без него не работали бы привычные вещи. Флешка и память телефона записывают данные, когда электроны «просачиваются» сквозь тонкий слой изолятора. Радиоактивный альфа-распад, о котором рассказывают в 9 классе, тоже туннелирование: частица вылетает из ядра, хотя по обычным законам ей не хватает энергии. А туннельный микроскоп, за который дали Нобелевскую премию в 1986 году, позволяет увидеть отдельные атомы на поверхности металла.

Из этого опыта выросли сверхпроводящие кубиты, основа квантовых компьютеров Google и IBM. Мартинис позже руководил группой Google, которая в 2019 году показала первый квантовый расчёт, недоступный обычным компьютерам. Подробнее о том, как они работают, в статье о квантовых компьютерах.

Химия: губки из металла и органики

Премию разделили Сусуму Китагава, Ричард Робсон и Омар Ягхи за создание металлоорганических каркасов. По-английски их сокращают MOF.

Каркас похож на конструктор: ионы металла работают как шарики-узлы, а органические молекулы как палочки между ними. Из них собирается кристалл, внутри которого огромное количество пустых комнат-пор одинакового размера. Робсон собрал первый такой кристалл в 1989 году, Китагава показал, что поры могут впускать и выпускать газы, а Ягхи научился проектировать каркасы под задачу, как архитектор.

Главный фокус в площади. Если развернуть все внутренние стенки одного грамма такого кристалла, получится несколько тысяч квадратных метров, это размер футбольного поля. Поэтому каркасы хорошо впитывают газы и пары.

• Вода из воздуха. Группа Ягхи испытала в пустыне Аризоны устройство, которое ночью впитывает влагу из сухого воздуха, а днём под солнцем отдаёт её как питьевую воду.
• Углекислый газ. Каркасы испытывают для улавливания CO₂ из труб заводов.
• Водород и вредные газы. В них можно хранить водород для топлива и удерживать ядовитые вещества.

Ягхи придумал для этого направления название «ретикулярная химия», от латинского слова «сеточка». Химики теперь не просто смешивают вещества и смотрят, что выйдет, а заранее чертят будущую решётку и подбирают к ней детали. За тридцать лет создали десятки тысяч разных каркасов.

В школе это связано с темой кристаллических решёток в 8 классе: атомные, ионные, молекулярные и металлические. Металлоорганический каркас как бы соединяет две из них: ионы металла держатся за целые органические молекулы.

Медицина: кто останавливает иммунитет

Лауреаты: Мэри Бранкоу, Фред Рамсделл и Симон Сакагути, за открытия, связанные с периферической иммунной толерантностью.

Иммунитет должен уничтожать вирусы и бактерии, но не трогать собственные клетки организма. Когда эта система сбоит, начинаются аутоиммунные болезни: например, при диабете первого типа иммунитет разрушает клетки поджелудочной железы.

Раньше считали, что «неправильные» иммунные клетки просто отсеиваются в вилочковой железе. Сакагути в 1995 году нашёл особые клетки, регуляторные Т-лимфоциты. Это своего рода полиция иммунитета: они успокаивают другие клетки, если те атакуют своё. Бранкоу и Рамсделл в 2001 году нашли ген FOXP3, без которого у мышей развивалась тяжёлая аутоиммунная болезнь, а потом выяснилось, что поломка того же гена вызывает редкую болезнь у людей. Сакагути связал два открытия: ген FOXP3 управляет развитием регуляторных клеток.

Сейчас на основе этих работ испытывают лекарства от аутоиммунных болезней и способы уменьшить отторжение пересаженных органов. А в лечении рака задача обратная: ослабить «полицию», которая мешает иммунитету атаковать опухоль.

Чему учат эти истории

Все три открытия сделаны больше двадцати лет назад. Учёные часто занимались вещами, которые выглядели чистым любопытством: странная схема в лаборатории, красивые кристаллы, мыши с непонятной болезнью. Практическая польза пришла потом.

Для школьника тут хороший вывод: знания из разных предметов соединяются неожиданно. Ток и сопротивление из физики 8 класса, кристаллические решётки из химии и строение клетки из биологии привели к трём Нобелевским премиям.

Частые вопросы