Η αρχή του Μπρους Λη. The Bruce Lee Principle

Since Naturalness seems violated, why expect something at LHC-14? Why is tuning of 1 per 1000 acceptable but 1 per 10000 unacceptable?

Όταν οι ελεύθερες παράμετροι ή οι φυσικές σταθερές που εμφανίζονται σε μια θεωρία λαμβάνουν σχετικές τιμές της «τάξης του 1», τότε λέμε ότι η θεωρία έχει «φυσικότητα (naturalness)». Δηλαδή, μια «φυσική» θεωρία θα πρέπει να έχει παραμέτρους με τιμές π.χ. 2,31 και όχι 231000 ή 0,00000231.

Αυτό έρχεται σε αντίθεση με το Kαθιερωμένο Πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων το οποίο περιλαμβάνει μια σειρά από παραμέτρους που διαφέρουν κατά πολλές τάξεις μεγέθους και απαιτούν «λεπτή ρύθμιση (fine tuning)».

Μια θεωρία αντιμετωπίζεται ως ύποπτη (ή αφύσικη) αν, προκειμένου να εξηγήσει παρατηρήσιμα φαινόμενα, απαιτεί τη χρήση εξαιρετικά μεγάλων ή μικρών αδιάστατων αριθμών. Ένας αδιάστατος αριθμός είναι μια αριθμητική τιμή χωρίς μονάδες μέτρησης. Το μέγεθος ενός ατόμου, για παράδειγμα, έχει διαστάσεις μήκους, μπορεί να είναι πολύ μικρό όταν μετρηθεί σε εκατοστά, αλλά είναι πάντα δυνατόν να βρούμε μια άλλη μονάδα μέτρησης, στην οποία το άτομο να μην είναι πολύ μικρό.

Όμως, ένας αδιάστατος αριθμός, όπως ο λόγος μεταξύ ενεργειακών σταθμών σε ένα άτομο, ή ο λόγος μαζών που προκύπτουν σε μια δεδομένη οικογένεια στοιχειωδών σωματιδίων, δεν εξαρτάται από τις μονάδες μέτρησης. Η εμφάνιση ενός μεγάλου ή μικρού αριθμού σε έναν τέτοιο λόγο δεν οφείλεται σε μοιραίο γεγονός για τους θεωρητικούς φυσικούς.

Ίσως να οφείλεται σε κάποιο φυσικό αίτιο το ότι μια διεργασία πραγματοποιείται πολύ σπάνια σε σύγκριση με άλλες παρόμοιες διεργασίες, ή για το ότι η μάζα κάποιου σωματιδίου είναι πολύ μικρή. Ωστόσο, δεν είναι αποδεκτό να απαιτείται μια, εν γένει αδικαιολόγητη, «λεπτή ρύθμιση» προκειμένου να συμφωνήσει με τις παρατηρήσεις κάποιος αδιάστατος αριθμός.

Για παράδειγμα, έστω ότι προκειμένου να συμφωνήσουν κάποιες παρατηρήσεις, οι ρυθμοί για δυο ανεξάρτητα υπολογισμένες φυσικές διεργασίες πρέπει να διαφέρουν μεταξύ τους στο 21ο δεκαδικό ψηφίο, δηλαδή, η διαφορά τους να είναι 20 τάξεις μεγέθους μικρότερη από καθέναν από αυτούς. Στην περίπτωση αυτή, μπαίνουμε στον πειρασμό να πούμε ότι μια θεωρία, στην οποία, χωρίς κάποιον αποχρώντα φυσικό λόγο απαιτείται μια τέτοια διαφορά, έχει τόσες πιθανότητες να είναι σωστή, όσες και δυο τυχαία επιλεγμένοι αριθμοί να ταυτίζονται μέχρι το 20ο δεκαδικό ψηφίο.

The cosmological constant was originally introduced by Einstein in 1917 as a repulsive force required to keep the Universe in static equilibrium. In modern cosmology it is the leading candidate for dark energy, the cause of the acceleration of the expansion of the universe.

Ένα από τα χειρότερα προβλήματα λεπτής ρύθμισης στη φυσική σχετίζεται με την κοσμολογική σταθερά Λ. Αν η ποσότητα αυτή είναι μη μηδενική, αλλά μικρή, τότε φαίνεται να απαιτεί μια λεπτή ρύθμιση περίπου 120 δεκαδικά ψηφία!

Savas Dimopoulos is a particle physicist at Stanford University.

Στο βίντεο που ακολουθεί ο Σάββας Δημόπουλος, με μεγάλη δόση χιούμορ, συνδέει την «αρχή του σύγχρονου φιλοσόφου» Μπους Λη με το πρόβλημα της «Φυσικότητας (Naturalness)» και τις προσδοκίες μας από τα πειράματα του LHC.

Πρόκειται για τον επίλογο της ομιλίας που πραγματοποιήθηκε στα τέλη του Αυγούστου στην Τεργέστη, στα πλαίσια του συνεδρίου SUSY 2013:

Η ομιλία του Σάββα Δημόπουλου είχε τίτλο «The Abundance of Nothing» και μπορείτε να την παρακολουθήσετε ολόκληρη ΕΔΩ.

Τα επιστημονικά επιτεύγματα του 2013. Science's Top 10 Breakthroughs of 2013

V. Altounian/Science

Η ανοσοθεραπεία κατά του καρκίνου, δηλαδή η στρατολόγηση του ανοσοποιητικού συστήματος για την εξουδετέρωση των όγκων, ανακηρύχθηκε από την επιθεώρηση «Science» τo σημαντικότερο επίτευγμα του 2013, «έτος καμπής» στον πόλεμο κατά του καρκίνου.

Το κορυφαίο περιοδικό εξηγεί το σκεπτικό του και παρουσιάζει μια λίστα εννέα ακόμα σημαντικών εξελίξεων, από την κατανόηση της χρησιμότητας του ύπνου μέχρι τον διάφανο εγκέφαλο.

Νέα στρατηγική, Cancer Immunotherapy

Domino effect. One such treatment, with the antibody in pink at the top, works by blocking a protein receptor, in purple, on a T cell. That sets off a chain reaction that allows T cells to target a tumor cell (bottom left).

«Η ανοσοθεραπεία κατά του καρκίνου κέρδισε την πρώτη θέση επειδή αλλάζει τον τρόπο σκέψης των ερευνητών για το πώς μπορεί να αντιμετωπιστεί ο καρκίνος» αναφέρει η επιθεώρηση στο αφιέρωμα Breakthrough of the Year.

Εφέτος, τρεις προσεγγίσεις κατά του καρκίνου, οι οποίες βασίστηκαν σε ανακαλύψεις τη δεκαετία του 1980 και 1990, απέδειξαν την αποτελεσματικότητά τους σε ένα σημαντικό ποσοστό των ασθενών στους οποίους δοκιμάστηκαν.

Η πρώτη αφορά την CTLA-4, μια πρωτεΐνη που υπάρχει στην επιφάνεια των T-κυττάρων του ανοσοποιητικού συστήματος και ουσιαστικά φρενάρει τη δράση τους. Το 1996, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι ένα αντίσωμα που μπλοκάρει τη CTLA-4 επιτρέπει στα Τ-κύτταρα να επιτίθενται σε όγκους.  Το 2012, η εταιρεία Bristol-Myers Squibb, στην οποία πέρασαν τα δικαιώματα του αντισώματος, ανέφερε ότι η θεραπεία είναι η πρώτη που προσφέρει μια έστω και μικρή παράταση ζωής σε ασθενείς με μεταστατικό μελάνωμα.

New antibody therapies, depicted here, are stimulating the immune system to destroy cancer cells. CREDIT: V. ALTOUNIAN/SCIENCE

Η δεύτερη ανοσοθεραπεία στην οποία αναφέρεται η επιθεώρηση αφορά το PD-1, ένα ακόμα μόριο που πιστεύεται ότι φρενάρει τη δράση των Τ-κυττάρων. Κλινική μελέτη που ξεκίνησε το 2006 έχει ήδη δείξει ότι ένα αντίσωμα του PD-1 συρρικνώνει τους όγκους σε διάφορες μορφές καρκίνου.

Μια τρίτη τακτική ανοσοθεραπείας, ελαφρώς διαφορετική από τις δύο προηγούμενες, αφορά την απομόνωση Τ-κυττάρων από τον οργανισμό του ασθενούς, την προσθήκη στα κύτταρα αυτά επιπλέον γονιδίων, και την μεταφορά τους πίσω στον ασθενή. Προκαταρκτικά αποτελέσματα κλινικών δοκιμών δείχνουν ότι προσέγγιση εξαφανίζει τη λευχαιμία σε σημαντικό ποσοστό των ασθενών.

Οι δοκιμές τώρα συνεχίζονται, και οι επιστήμονες θα προσπαθήσουν τα επόμενα χρόνια να κατανοήσουν γιατί οι ανοσοθεραπείες δείχνουν να είναι αποτελεσματικές σε ένα μέρος μόνο των ασθενών. Αυτό θα μπορούσε τελικά να βοηθήσει και τους υπόλοιπους.

Καθαρτήριος ύπνος, To Sleep, Perchance to Clean

Scientists watched dye flow through the brain of a sleeping mouse. Credit: Courtesy of Nedergaard Lab, University of Rochester Medical Center.

Εφέτος είχαμε τις πρώτες ενδείξεις για το πώς ο ύπνος βοηθά στον καθαρισμό του εγκεφάλου. Όταν ο εγκέφαλος πέφτει σε ύπνο, μικρά κανάλια που υπάρχουν ανάμεσα στα κύτταρα αρχίζουν να διευρύνονται. Το εγκεφαλονωτιαίο υγρό μπορεί έτσι να εισχωρήσει βαθιά μέσα στον ιστό και να απομακρύνει τοξίνες που συσσωρεύονται στη διάρκεια της ημέρας -ίσως και τις τοξίνες που συνδέονται με τη νόσο του Αλτσχάιμερ.

Νυστέρι για DNA, Genetic Microsurgery for the Masses

A gene-editing technique called CRISPR touched off an explosion of research in 2013, leading Science's editors to name it a runner-up for the 2013 Breakthrough of the Year. The technique is based on a protein called Cas9, which bacteria wield as a weapon to slice up the DNA of predatory viruses. In 2012, researchers showed they could turn Cas9 into a scalpel to perform microsurgery on genes. This year, more than a dozen teams wielded it to manipulate specific genes in mice, rats, bacteria, yeast, zebrafish, nematodes, fruit flies, plants, and human cells, paving the way for understanding how these genes function and possibly harnessing them to improve health.

Οι γενετιστές που χειρουργούν το DNA έχουν στη διάθεσή τους ένα νέο νυστέρι ακριβείας. Είναι το CRISP, ένα σύμπλοκο πρωτεϊνών που κανονικά βοηθά κάποια βακτήρια να κόβουν κομματάκια το DNA των ιών που τους επιτίθενται. Δεκάδες ερευνητικές ομάδες χρησιμοποίησαν εφέτος το CRISP για να πραγματοποιήσουν μικροχειρουργικές επεμβάσεις σε γονίδια και να κατανοήσουν τη λειτουργία τους.

Θεραπευτική κλωνοποίηση, Human Cloning at Last

Researchers announced they had derived stem cells from cloned human embryos, a long-awaited research coup that Science's editors chose as a runner-up for Breakthrough of the Year. Stem cells can develop into any of the body's cell types, an ability that makes them potentially useful for studying and treating diseases. Several types of animals have been cloned, but human cells have proved much trickier to work with. This year, a new recipe—including a dash of caffeine—solved the problem.

Το 2013 οι επιστήμονες κατάφεραν για πρώτη φορά να απομονώσουν πολύτιμα βλαστικά κύτταρα δημιουργώντας ανθρώπινα έμβρυα μέσω κλωνοποίησης. Αυτό είχε ήδη γίνει σε πολλά είδη πειραματόζωων, οι άνθρωποι όμως είναι λίγο πιο ιδιότροποι. Για την κλωνοποίησή τους, όπως φαίνεται, απαιτείται μια δόση καφεΐνης.

Περισσότερο ρεύμα από τη λιακάδα, Newcomer Juices Up the Race to Harness Sunlight

Up-and-coming solar cell materials called perovskites made such rapid progress this year that the editors of Science picked them as a runner-up for Breakthrough of the Year. Perovskites are cheap and easy to make. In the lab, they can convert 15% of the energy in sunlight into electricity—still behind commercial silicon solar cells, but gaining fast.

Μια νέα κλάση υλικών, οι «περοβσκίτες»,  υπόσχονται αποδοτικότερα, φθηνότερα φωτοβολταϊκά. Μέσα σε μόλις τέσσερα χρόνια, η αποδοτικότητά τους έφτασε το 15%, ποσοστό μικρότερο από ότι στις σημερινές τεχνολογίες, το οποίο όμως μπορεί να αυξηθεί. Οι ημέρες των πάνελ πυριτίου ίσως είναι μετρημένες.

Εμβόλια στα μέτρα μας, In Vaccine Design, Looks Do Matter

In work that Science ranked as a runner-up for Breakthrough of the Year, researchers used structural biology—the study of the molecules of life—to design the key ingredient of a vaccine against a dangerous childhood disease. Respiratory syncytial virus (RSV) infections hospitalize millions of infants every year. This year, scientists crystallized an antibody the body uses to combat RSV; then they analyzed its structure and used the information to design an immunogen that may lead to a vaccine. Other researchers hope a similar approach will yield new HIV drugs.

Ερευνητές ανέπτυξαν εφέτος ένα εμβόλιο για τον συγκυτιακό αναπνευστικό ιό (RSV), ο οποίος προσβάλλει συχνά τα παιδιά, χρησιμοποιώντας τεχνικές δομικής βιολογίας. Το εμβόλιο περιέχει μεταλλαγμένες μορφές μιας πρωτεΐνης του ιού, σχεδιασμένες έτσι ώστε να αυξάνουν την πιθανότητα παραγωγής αντισωμάτων από το ανοσοποιητικό σύστημα. Τέτοιου είδους σχεδιασμένα αντιγόνα θα μπορούσαν στο μέλλον να χρησιμοποιηθούν και κατά του HIV.

Διάφανος εγκέφαλος, CLARITY Makes It Perfectly Clear

A new brain-imaging technique that turns brain tissue transparent made the short list of runners-up for Science's Breakthrough of the Year. Called CLARITY, it removes the biggest obstacle to traditional brain imaging: The fatty lipid molecules that make up cellular membranes scatter light, making brain tissue opaque. By replacing lipids with molecules of a clear gel, the technique makes brain tissue see-through but leaves nerve cells and other structures visible so that researchers can stain, label, and study them. Scientists say CLARITY could make tasks such as counting neurons much faster and more efficient.

Μια νέα τεχνική χημικής κατεργασίας ιστών, με την ταιριαστή ονομασία Clarity («Καθαρότητα») αντικαθιστά τα αδιαφανή λιπίδια του εγκεφάλου με μόρια διαφανούς τζελ. Η νέα μέθοδος για διαυγείς εγκεφάλους αφήνει ανέπαφη τόσο τη μικροσκοπική όσο και τη μακροσκοπική δομή, επιτρέποντας έτσι στους ερευνητές να βλέπουν ταυτόχρονα και το δέντρο και το δάσος.

Καλλιεργημένα όργανα, Dishing Up Mini-Organs

In research that Science's editors chose as a runner-up for Breakthrough of the Year, scientists coaxed cells called pluripotent stem cells to grow into tiny "organoids"—liver buds, mini-kidneys, and even rudimentary human brains—in the lab. Although the brains have no blood supply and grow no bigger than an apple seed, their tissue and structure are surprisingly similar to those of developing human brains. Researchers have already used them to gain new insights into microcephaly, a condition in which the brain doesn't grow to its full size.

Οι τεχνολογίες καλλιέργειας ιστών είναι τα τελευταία χρόνια ένα από τα πιο καυτά ερευνητικά πεδία. Βλαστικά κύτταρα που αφέθηκαν να αναπτυχθούν πάνω σε τρισδιάστατες σκαλωσιές χρησιμοποιήθηκαν εφέτος για την καλλιέργεια μίνι νεφρών ή ακόμα και μίνι ανθρώπινων εγκεφάλων. Προς το παρόν, αυτά τα «οργανοειδή» δεν διαθέτουν νεύρα και αιμοφόρα αγγεία, είναι όμως χρήσιμα στην κατανόηση της ανάπτυξης και της φυσιολογίας του ανθρώπου.

Η προέλευση των κοσμικών ακτίνων, Cosmic Particle Accelerators Identified

This year, astronomers traced high-energy particles called cosmic rays back to their birthplaces in the debris clouds of supernovae—a feat that Science's editors chose as a runner-up for Breakthrough of the Year. Theorists had long suspected that most cosmic rays are accelerated in the shock waves from massive exploding stars called supernovae. But magnetic fields in space scramble the particles' trajectories, making it impossible to trace them back to their sources. Instead, astronomers looked for the radiation signatures of reactions that cosmic rays trigger when they crash into thinly scattered atoms in interstellar space. This year, the Fermi Gamma-ray Space Telescope found them—right where they were supposed to be.

Η Γη βομβαρδίζεται συνεχώς από σωματίδια υψηλής ενέργειας που διαπερνούν το Ηλιακό Σύστημα. Οι πορείες τους όμως επηρεάζονται από τυχόν μαγνητικά πεδία που συναντούν στον δρόμο τους, οπότε είναι δύσκολο να προσδιορίσει κανείς την προέλευσή τους. Φέτος, οι αστρονόμοι έδωσαν απάντηση σε ένα ερώτημα 100 ετών: οι κοσμικές ακτίνες προέρχονται από γηρασμένα άστρα που εκρήγνυνται σε σουπερνόβα.

Τα μικρόβια μέσα μας, Your Microbes, Your Health

Researchers have found that the trillions of bacteria living inside the human body play vital roles in determining how the body responds to challenges as different as malnutrition and cancer—a realization that Science's editors named a runner-up for Breakthrough of the Year. To be effective, future personalized medicine treatments will need to take these microbial guests into account.

Μια νέα μελέτη για τα τρισεκατομμύρια μικρόβια που φιλοξενεί το ανθρώπινο έντερο εμφανιζόταν σχεδόν κάθε εβδομάδα σε όλη τη διάρκεια του 2013. Οι φιλοξενούμενοι μέσα μας διαπιστώνεται ότι συνδέονται με την παχυσαρκία, με τον καρκίνο, ακόμα και με την ανθρώπινη συμπεριφορά. Για την καταπολέμηση μιας ποικιλίας ασθενειών, θα πρέπει τώρα να μάθουμε πώς να χειραγωγούμε την πολύτιμα μικροχλωρίδα.