28 марта 2006 г.

Компьютерное моделирование настоящей жизни

Меня очень впечатлило то исследование, о котором недавно писал Александр Сергеев в заметке Построена компьютерная модель живого организма на атомном уровне.

Прочитав заголовок, я вначале подумал, что тут явно какое-то преувеличение, но потом стало понятно, что действительно речь идет о настоящем моделировании процесса жизни на уровне движения отдельных атомов.

Из пресс-релиза было не вполне понятно, какие именно проявления жизни удалось обнаружить. Все-таки промежуток времени мал, и если бы исследователи сообщили о том, что они построили статическую модель вируса и наблюдали только тепловые колебания отдельных атомов, это было бы далеко не так интересно. Поведение отдельных макромолекул сейчас исследуется вдоль и поперек.

Чтение оригинала прояснило картину.

Авторами было проведено 5 различных "прогонов": только оболочка, только вирион и, наконец, полностью вирион+оболочка. Во всех случаях речь вирус был погружен в небольшой объемчик воды с растворенными в нем ионами.
В каждом заходе было промоделировано от 10 до 13 наносекунд жизни этого вируса (шаг по времени составлял 1 фс; 10 нс отвечают 10 миллионам шагов). Но даже в течение такого небольшого промежутка времени действительно были обнаружены явления, которые иначе как "физиология вируса" и не назовешь.

Например, было обнаружено, что оболочка вируса вполне хорошо пропускает воду. Типичные потоки воды внутрь и наружу были порядка 800 молекул за наносекунду. Стандартное поведение вируса было такое: сразу после запуска моделирования концентрация воды внутри вируса резко падала, но затем постепенно возрастала и через нескольких наносекунд стабилизировалась на чуть более высоком значении, чем первоначальное. В случае одной только оболочки стабилизации количества воды не происходило: т.е. действительно наличие РНК изменяет молекулярные потоки сквозь оболочку.

Еще одним важным наблюдением были корреляции между колебаниями отдельных частей вируса. Вообще, тепловое движение хаотично, но если отдельные элементы связаны определенным образом, то их тепловые колебания могут оказаться очень скоррелированными. Именно такие корреляции были найдены и в колебаниях вируса. Т.е. наблюдалось буквально "организованное движение" внутри вируса.

Очень интересны и электрические свойства вируса. Вообще, РНК должно иметь в среднем нескомпенсированный отрицательный заряд. Это наблюдалось и в данной работе, типичное значения заряда РНК составляло примерно -700 элементарных зарядов.

Для того, чтобы наиболее близко промоделировать реальность, в раствор, в котором плавал вирус, добавили ионы магния Mg2+ и хлора Cl-. Выяснилось, что ионы магния усаживались на РНК, что и стоило ожидать, а ионы хлора довольно свободно перемещались как внутри вируса, так и снаружи. Однако было замечено, что небольшая часть ионов хлора связывается изнутри с оболочкой. Это приводит к электростатическим силам, которые как бы отталкивают оболочку от центральной РНК.

Авторы приводят и карту электростатического потенциала внутри вируса (с разностью потенциала в несколько вольт между различными частями вируса). Наверняка, она тоже многое может рассказать специалисту. Моделирование одной только оболочки без вириона показало, что она сама по себе неустойчива, и постепенно начинает схлопываться. За 13 нс весь процесс коллапса оболочки проследить не удалось, однако было видно, что оболочка принимала неправильную форму: отдельные субъединицы оболочки теряли свою симметричную взаимную ориентацию и начинали двигаться внутрь.

Авторы честно признают, что на основании этого пока нельзя сделать вывод о том, к чему в конце концов этот коллапс приведет. Возможно, в конце получится цельная стабильная структура, не обладающая исходной симметрией, а возможно отдельные субъединицы оболочки просто разойдутся и все.

Тот факт, что отдельно вирион сам по себе стабилен, а отдельно оболочка -- неустойчива, означает, что в процессе жизни вирион сам выстраивает из окружающих материалов себе оболочку (а вовсе не находит готовую пустую оболочку для себя). Очевидно, этот процесс очень долгий и в рамках этого моделирования его не увидишь. Однако кое-какие выводы относительно справедливости уже выдвинутых теоретических предположений можно сделать. Например, моделирование показало, что исходная симметрия оболочки из-за тепловых колебаний вовсе не сохраняется при комнатной температуре. Это значит, что те гипотезы относительно построения оболочки, которые существенно опираются на высокую симметрию, по-видимому, неверны. Конечно, очень хотелось бы въявь увидеть процесс такого построения.

В этой работе на моделирование одной наносекунды требовались полные сутки компьютерного времени на 256 вычислительных узлах суперкомпьютерного центра. Но будем надеяться, что прогресс в вычислительной технике, а также в алгоритмах молекулярной динамики не остановится, так что наверняка в ближайшие годы речь пойдет уже о микросекундах жизни и больше.

Жутко интересно посмотреть, как же действительно живут живые организмы на уровне атомного движения!

[Комментарии на Элементах]

25 марта 2006 г.

Осторожно: уравнение Бернулли!

В гидродинамике широко используется уравнение Бернулли, связывающее давление жидкости со скоростью течения. Для несжимаемой жидкости оно выглядит так:

P + rho v^2/2 + rho g h = const

Вывод его довольно прост, физически прозрачен и вполне доступен для школьника: для того, чтоб разогнать воду, ее надо подтолкнуть, т.е. давление со стороны меньшей скорости течения должно быть больше.

Теперь важный момент: этот вывод о связи скорости с давлением делается не для произвольных двух точек жидкости, а для трубки тока, то есть той линии, вдоль которой жидкость течет. Иногда об этом условии забывают, и тогда неоправданное применение формулы Бернулли приводит к неправильным заключениям или парадоксам.

Пример такого очевидного парадокса.

Пусть есть плоскость, разделяющая заполненное жидкостью пространство на две части: А и В. В полупространстве А жидкость покоится, в полупространстве В -- движется с постоянной скоростью v вдоль плоскости.
Применяя формулу Бернулли, получаем, что давление в А больше, чем в В, т.е. плоскость будет выдавливать в сторону В.

Перейдем в систему отсчета движущейся жидкости. Теперь вода в А движется назад со скоростью v, а в В -- покоится. При этом движется и сама плоскость тоже, но можно всегда ограничить себя рассмотрением идеально скользкой плоскости, которая не оказывает никакого влияния на движение воды. Согласно формуле Бернулли, давление будет больше уже на стороне В. Получается парадокс: вывод о том, в какую сторону выдавливается плоскость, зависит от точки зрения на процесс.

Решение парадокса ясно -- жидкость в двух попупространствах не связана никакой трубкой тока, а значит применять формулу Бернулли нельзя.

Более хитрый случай: когда никаких разделенных областей пространства нет.

Например, при стационарном ламинарном течении жидкости по бесконечной трубе скорость течения зависит от удаленности от оси трубы, но давление при этом постоянно по всей толще трубы. Отдельные линии тока не пересекаются, и поэтому нельзя применять формулу Бернулли для течений жидкости на разных удалениях от центра!

Но это не значит, что формулу Бернулли нельзя применять в задачах обтекания! Все зависит от конкретной постановки задачи. Если, например, известно, что набегающий на тело из бесконечности поток имел первоначально одинаковое давление по всей толщине (т.е. если задано именно такое граничное условие), то формулу Бернулли применять можно и для точек на поверхности тела, не связанных линиями тока. Точнее, они связаны линией тока, котора узодит на бесконечность и возвращается оттуда.

Ну и отдельный класс неправильных интерпретаций уравения Бернулли связан с отрывом течения. В частности, широко распространено неправильное объяснения подъемной силы крыла из-за перепада скоростей. Подчеркну -- это неправильное объяснение.

Что мне хотелось бы найти -- это подробное описание применимости и ошибочных применений уравнения Бернулли к разным задачам. Ведь наверняка это все уже где-то подробно описано. В частности, мне сейчас кажется, что применять уравнение Бернулли к стационарно вращающейся жидкости тоже неправильно. Буду признателен за ссылки или вправление мозгов прямо здесь, in vivo так сказать :)

[Комментарии на Элементах]

20 марта 2006 г.

Сверхпроводимость в MgB2 -- пять лет спустя

Пять лет назад была совершенно неожиданно открыта сверхпроводимость в дибориде магния аж при 40 К. Это оказалось уникальной находкой, поскольку в отличие от высокотемпературных сверхпроводников вещество это очень простое и поддается гораздо более точному расчету, а кроме того, сверхпроводимость в нем, опять же в отличие высокотемпературных сверхпроводников, хорошо описывается старой доброй моделью БКШ.

В первые же месяцы после обнародования этой находки возник шквал публикаций, теоретических и экспериментальных, причем не только по самому дибориду магния, но и по другим похожим соединениям. Научно-популярные сообщения не скупились на слова "прорыв", "революционная находка" и т.д.

И вот прошло 5 лет. Интересно, в каком состоянии сейчас эта область? Сбылись ли "высокие надежды"? Стало ли изучение MgB2 революционным в теории сверхпроводимости? Появились ли какие-то технологии, основанные на этом сверхпроводнике?

[Комментарии на Элементах]

О! Первый раз с итальянским альтернативщиком столкнулся!

Пришел мальчик с новыми идеями относительно устройства мира. Сначала к шефу, а тот его ко мне переправил.

Мальчик признается, что в физике и химии не бум бум. Но однажды в 2002 году ему во сне (!) привиделось, что должен существовать элемент 115, что этот элемент должен быть стабильным и что он должен испытывать антигравитацию. И он уже придумал схему установки, использующей это явление.

Поскольку наука на тот момент элемент 115 не знала, он молчал в платочек, но на днях вдруг выяснил, что элемент-то уже открыли два года назад!! То есть, его сон частично сбылся!

Но тут облом -- элемент-то оказался нестабильный. Как же так? Я так понял, что имнно с этим вопросом он ходит по профессорам физики и химии и пытается выяснить, как же так?!

Итальянцам вообще свойственно не сильно дружить с головой, но такой кадр попался впервые. Я его довольно жестко отправил гулять самостоятельно, пояснив, где кончатеся физика и начинаются бредни (которые он называет гипотезами).

Ушел он со словами "И все-таки периодическая таблица -- это ошибка". Галилей 21-го века :)

[Комментарии на Элементах]

17 марта 2006 г.

Твердый гелий не дает физикам покоя

Пару лет назад была опубликована сенсационная экспериментальная работа, авторы которой утверждали, что обнаружили, что твердый гелий тоже может быть сверхтекучим (см. популярные заметки Сверхтекучесть твердого гелия и Экспериментальное подтверждение сверхтекучести твердого гелия).

Пока теоретики думали, как же такое может быть, появились работы, ставящие вывод о сверхтекучести твердонго гелия под сомнение (см. заметки Сверхтекучесть твердого гелия: сенсация отменяется? и Новые эксперименты с твердым гелием не подтверждают сенсацию).

Сейчас в журнале Physical Review Letters появилось сразу две статьи про свойства твердого гелия.

Во-первых, был поставлен самый что ни есть прямой эксперимент по проверке сверхтекучески (или вообще хоть какой-нибудь текучести) твердого гелия. Просто пьезоэлектрической диафрагмой пытались "протолкнуть" кусочек тверого гелия сквозь капилляры. И ничего не вышло: не течет твердый гелий.

Вторая работа, наоборот, полна оптимизма. Теоретически открыта новая фаза твердого гелия: сверхтекучий стеклоподобный твердый гелий. Такое состояние получают быстрым остужанием некоторого неупорядоченного начального состояния, и в результате получается аморфное метастабльное твердое тело со сверхтекучими свойствами.

Такие вот гелиевые пироги.

[Комментарии на Элементах]

11 марта 2006 г.

Пироэлектрический термояд

Раз тут шумиха поднялась про разные термояды.
В прошлом году термоядерная реакция была получена в простой настольной установке на основе пироэлектрических кристаллов (статья в Nature, сообщение на AIP Physics News Update). В этом году, совсем недавно, этого же добилась еще одна группа (статья в PRL, пресс-релиз).

Поиск в русскоязычном интернете показал, что никаких хороших материалов по этой теме нет.

Есть какие-то тексты из CNews, краткое сообщение на Компуленте, сообщение с Ореанды. Но это все утрамбованные переводы без разъяснений и зачастую с ошибками.

Может быть, есть какая-то хорошая ссылка, которую я пропустил?

Кстати, Cnews, на мой взгляд, вообще пишет неграмотные новости, что видно хотя бы по тем же термоядерным новостям (там все -- реальная наука и лабуда -- подается в единой куче).

[Комментарии на Элементах]

1 марта 2006 г.

Пятитомник Сивухина

Придется пояснить, что я имею в виду, когда говорю, что пятитомник Сивухина -- слишком слабый учебник для настоящего изучения физики.

Прежде всего, я не собираюсь разделять физику на "общую" и "теоретическую". Для меня, по большому счету, вообще непонятно, в каком смысле надо понимать слова "общая физика" в противовес теоретической. Это когда знаешь, например, слова "спин электрона прецессирует в магнитном поле", но не имеешь ни малейшего понятия, как это вывести, потому что никогда не работал со спинорами? Извините, но это знанием физики ни в коей мере не может считаться, хотя, похоже, что учебник Сивухина именно такое образование и пытается дать.

Взглянем на учебник Сивухина, например, первый том, механика.

Фундамент, конечно, есть. Однако сразу бросаются в глаза темы, которые очень важны для дальнейшего изучения более сложных разделов физики, но которые отсутствуют у Сивухина.

Ни слова про принцип наименьшего действия, лагранжев и гамильтонов формализм!

В главе "Гармонические колебания" описаны только самые тривиальные примеры. Нет затухающих колебаний, нет колебаний под действием вынужденной силы, нет резонанса (а я вообще-то вначале хотел найти "параметрический резонанс", куда там), нет анализа фазового портрета колебаний, нет связанных колебаний, нет важнейшей для последующей физики главы про колебания в системах с симметрией.

Нет главы про рассеяние частиц на потенциалах, сечение рассеяние.

Движение в центральном потенциале описано только на примере кеплеровой задачи. Вопрос про устойчивость и замкнутость орбит не рассматривается. Про вектор Рунге-Ленца я вообще не говорю.

То, что я перечислил -- это вовсе не частные и не факультативные вопросы. на ФФ НГУ эти вопросы входят в обязательные программы по механике (на 1 курсе) и аналитической механике (на 2 курсе).

Отдельно отмечу шокировавший меня факт, что Сивухин легко оперирует релятивистской массой. Стр. 126: "...однако при вычислении ... надо учитывать зависимость массы от скорости. Масса определяется формулой: ...".
Одного этого факта достаточно, чтоб не рекомендовать изучать по Сивухину релятивистскую динамику (впрочем, ее внятного изложения я в первом томе попросту не нашел).

(Я не собираюсь доказывать, почему вредно и контрпродуктивно использовать понятие релятивистской массы; этому посвящено достаточно много текстов, см например статью Окуня в УФН).

Идем далее. Открывает сразу 5 том, часть первая, квантовая механика.
Тоже один из фундаментальный для физического образования курсов.

Уравнение Шредингера написано и простейшие задачи решены. В одномерном случае, по крайней мере. Но уже и тут есть большие пробелы.

Системы из нескольких ям и их взаимодействие -- отсутствует.
Квазистационарные сосотяния -- отсутствуют.
Гармонический осциллятор -- прошел впустую, поскольку самое важное его применение для квантовой механики, операторный формализм, отсутствует.

А где такие огромные и важнейшие разделы, как квазиклассическое приближение, теория возмущений в стационарном и нестационарном случаях, теория рассеяния? Спиноры, сложные атомы и т.д. уже явно тут лишние.

А ведь все это должно входить в обязательный курс квантовой механики для физфака.

В целом, скажу так. Если физике обучаться на уровне "узнать много по верхам", то учебник Сивухина, конечно пойдет. У него огромный плюс -- он начинает с самых азов и поднимает образование до неплохого (для нефизика) уровня.

Но как учебник для физфака он категорически не годится. Максимум, как его можно использовать -- это как начальную ступень изучения (будь то механика или что-то еще). По-настоящему научиться физике по Сивухину невозможно.

[Комментарии на Элементах]