Все мы смотрели и читали научную фантастику. Многие выросли на книгах Саймака, Хайнлайна, Азимова и других писателей "золотого века". Будущее в этих книгах было удивительным: роботы и люди, летающие машины, космические корабли, инопланетяне. Частенько "прекрасное далёко" приходилось на наше время, но вот ты выглядываешь в окно – и не видишь ни одной летающей машины.

Читайте также: Журналистикой будущего будут заниматься роботы. Но людям в ней тоже найдётся место

Митио Каку, популяризатор науки и физик-теоретик, в книге "Физика невозможного" разбирал концепты технологий в научной фантастике и объяснял, почему многое из того, что описано в литературе, невозможно и никогда не будет возможно. Так, физические законы нашего мира не позволяют межпространственных путешествий в параллельные вселенные, но на деле современная наука намного интереснее самых смелых предсказаний фантастов. Искусственный интеллект и роботы – уже часть нашей жизнь. А что ещё?

Управление памятью

Все мы иногда стремимся избавиться от неприятных воспоминаний – боль потери и расставания, унижение, стыд. Немало научной фантастики построено на идее управления мозгом: где-то в голову можно закачать информацию, как на флешку, где-то, как в "Вечном сиянии чистого разума", изменить воспоминания с помощью гипноза, а герой фильма "Области тьмы" становится гением, выпив таблетку. И это не фантастика. Ну, почти.

Кадр из фильма "Вечное сияние чистого разума"

Благодаря открытию белка-ингибитора PKMzeta стало возможным частично контролировать память. В 2013 году учёные доказали, что человеческий мозг – это не просто "накопительное устройство", где откладываются знания и хранится память. С помощью различных белков мозг контролирует процесс запоминания, отсеивает какую-то часть информации во сне и очищает себя от лишнего, сортирует нужное. Контролируя белок-ингибитор, можно также контролировать процессы, которые лежат в основе обучения и запоминания – помогать человеку забывать ненужную информацию и заставлять думать о "нужной".

Создание жидкой брони

Щиты с энергетическим силовым полевым и лазерные мечи нам ещё не доступны (и, возможно, не жаль), но зато есть жидкая броня. Исследователи из Польши сумели представить миру защитную броню из специальной жидкости, разработку которой они вели с 2011 года.

Раствор называется "сгущающейся жидкостью"(STF). STF не соответствует модели ньютоновских жидкостей – например, воды. Ньютоновские жидкости меняются под действием на них температуры или силы – подстраиваются под внешнее воздействие. STF ведет себя иначе: затвердевает при ударе, обеспечивая защиту от проникновения высокоскоростных снарядов. Причём чем больше сила воздействия на "неньютоновскую" жидкость, тем прочнее становится связь молекул и выше сила противодействия.

Кадр из фильма "Железный человек"

Точный состав STF известен только его изобретателям в Военном институте технологии вооружения в Варшаве, но баллистические испытания доказали устойчивость "жидкой брони" к огромному спектру снарядов.

"Зелёное" электричество

Ученые из MIT изучили способ, которым растения получают энергию из солнца и воды – фотосинтез – и создали на основе своих разработок искусственные "листья".

За миллиарды лет растения и фотосинтезирующие бактерии создали эффективные клеточные структуры для сбора энергии солнца. Этот процесс требует захвата фотонов и преобразования их в экситоны – особый тип квазичастиц, которые могут сохранять энергию. Затем энергия этих экситонов передаётся другим молекулам в комплексе белков и пигментов и в конечном итоге используется растением для создания молекул сахара.

Кадр из фильма "День триффидов"

Хотя ученые разработали надёжные методы переноса электронов (полупроводники) и фотонов (волоконная оптика), разработка способов управления экситонами оказалась более сложной задачей.

Учёные Бате, Аспуру-Гузик и Ян шесть лет назад начали работать над синтетическими конструкциями, которые могли бы имитировать растения и бактерии способом "сбора" света.

При помощи редактирования и репрограммирования ДНК растений ученые смогли создать "ДНК-оригами" – белковые каркасы, которые имитировали органы растений, отвечающие за фотосинтез. Эти искусственные "листья" способны вырабатывать (и добывать) энергию и превращать её в электричество, что открывает огромный простор для "зелёной" энергетики будущего.

Органы, напечатанные на принтере

Донорство органов станет бессмысленным, потому что учёные научились печатать органы с помощью 3D-печати. 3D-печать сама по себе – это что-то из разряда научной фантастики, а тут – печатают целые органы для человеческого организма.

Трёхмерная биопечать – это процесс послойной 3D-печати с использованием био-чернил, состоящих из тканей или клеток человека. Цель 3D-биопечати – развитие функционирующих органов: почек, печени, сердца, – становится с каждым днём все ближе.

Кадр из фильма "Потрошители"

Материалы для 3D-печати обычно состоят из альгинатных или фибриновых полимеров, которые связываются с клеточным материалом (донора, например) и материалами, помогающими скреплять это соединение. Такие полимеры специально предназначены для поддержания структурной стабильности и восприимчивости к клеточным соединениям. Термин "био-чернила" (bioink) используется для классификации материалов, совместимых с 3D-биопечатью.

Материалы для печати должны соответствовать множеству критериев, главный из которых – биосовместимость. Получающиеся в результате каркасы, образованные 3D-печатными материалами, должны быть физически и химически подходящими для деления и роста клеток в организме, куда их будут имплантировать. Кожу и кости уже печатают.

Генная инженерия

Генная инженерия изменяет черты живых организмов, редактируя информацию, закодированную в их ДНК.

Генетическая информация хранится в ДНК с использованием четырёх различных химических веществ: аденин, цитозин, гуанин и тимин. Эти основные химические вещества соединяются, образуя связи или пары оснований, которые удерживают вместе две спирали, составляющие каждую молекулу ДНК.

Генетическая последовательность любого организма известна как его "геном" и содержит миллионы, а часто и миллиарды пар оснований ДНК. Например, ДНК человека содержит около трёх миллиардов. Вместо того чтобы работать с отдельными парами оснований, генная инженерия занимается большими сегментами ДНК, известными как гены. Геном человека содержит от 20 000 до 25 000 различных генов и впервые был исследован в рамках проекта Human Genome Project. Проект был запущен в США в 1990 году и завершён в 2003-м, но анализ полученных данных все ещё продолжается.

Кадр из фильма "Гаттака"

Существуют методики секвенирования генома, такие как CRISPR/Cas9, а недавно появилась информация о том, что китайский ученый создал иммунных к ВИЧ девочек-близняшек. Записей эксперимента и самих близняшек, правда, никто не видел, поэтому новость вполне может оказаться инсинуацией.

И хотя вокруг редактирования генома человека много морально-этических и технологических проблем (а технология генной инженерии может вызвать целый ряд опасных для человечества последствий), фильм "Гаттака" постепенно становится реальностью.

Нанотехнологии

Еще в 1959 году, когда физик Ричард Фейнман выступил с идеей нанотехнологий – инженерии на атомном уровне – это было научной фантастикой. Сегодня это стало реальностью благодаря новым материалам атомного масштаба – таким как графен и квантовые точки.

Возможные области применения для нанотехнологий бесчисленны и не уместились бы в статью. Даже если бы она была полностью посвящена им.

Кадр из фильма "Остров"

Однако особенно интересны в нанотехнологиях материалы, которые программируются на молекулярном уровне. Эта область всё ещё находится в зачаточном состоянии, но к 2031 году мы сможем загружать новые виды вещей и продуктов практически так же, как мы загружаем программное обеспечение на компьютер сегодня.

Другое важное применение нанотехнологий, которое Фейнман представил в своем первоначальном выступлении, – это медицина. Работая с устройствами размером меньше радиуса человеческого волоса, врачи смогут удалять или лечить самые малые очаги заболеваний, делая процедуры и хирургию менее инвазивными.

Квантовое программирование

Традиционные или "классические" компьютеры созданы из кремниевых чипов, которые содержат миллиарды миниатюрных транзисторов. Каждый из этих транзисторов представляет какое-то значение – "1" или "0" – и либо включён, либо выключен. Обычные компьютеры сохраняют и обрабатывают данные, используя двоичные коды или биты.

Квантовые компьютеры работают с квантовыми битами или "кубитами". Они могут использовать квантово-механические свойства отдельных атомов, субатомных частиц или сверхпроводящих электрических цепей.

Из-за своеобразных законов квантовой механики кубиты могут существовать в более чем одном состоянии или в "суперпозиции" в один и тот же момент времени (это как с котом Шрёдингера, который одновременно и жив, и мёртв). Это позволяет кубиту принимать значение "1" или "0", или оба значения одновременно. Каждый кубит, добавленный к квантовому компьютеру, увеличивает его мощность.

Помимо суперпозиции кубиты могут стать "запутанными". "Запутывание" является ещё одним ключевым квантовомеханическим свойством и означает, что состояние одного кубита может зависеть от состояния другого. Это полезно: наблюдение за одним кубитом может выявить состояние его ненаблюдаемого "напарника".

Создание кубитов и управление ими очень сложно. Многие из современных экспериментальных квантовых процессоров должны охлаждаться почти до абсолютного нуля (около минус 272 градусов по Цельсию), а также им требуется существенное экранирование от фонового шума и очень много работы по исправлению ошибок.

И если 50 лет назад квантовые компьютеры были научной фантастикой, то 100 лет назад – чем-то сродни магии.

Другие материалы автора:

Что читать в 2019 году? Самые значимые релизы книг

Как создают компьютерные игры и сколько денег приносит индустрия видеоигр?