30 июня 2007 г.

Негравитация

Любителям всяческой экзотики рекомендую свежую статью arXiv:0706.3898, "Ungravity and Its Possible Test". Это коротенькая работа про еще одну возможность, которую могут реализовать элементарные нечастицы. А именно -- можно построить такую модель с нечастицами, в которой они порождают новую силу, пропорциональную массе тел. Т.е. приводят к добавкам в закон всемирного тяготения, и эти добавки могут оказаться очень необычными.

Теперь чуть подробнее.
Нечастицы -- это некие степени свободы, которые могут возникать в эффективных квантовополевых теориях. Отличительная особенность этих объектов -- их масштабная инвариантность; т.е. например, пропагатор нечастицы не содержит никакого параметра типа массы или ширины, а просто является степенной функцией квадрата импульса. Причем показатель этой степени не обязан быть целым числом -- из-за этого как раз и появляются необычные эффекты.

Поскольку нечастицы появляются в контексте эффективных теорий поля, их взаимодействие нечастиц с обычным веществом при низких энергиях описывается операторами, подавленными множителем (E/M)d, где E -- типичная энергия реакции, M -- энергетический масштаб рассматриваемой эффективной теории поля. Так вот, значение d тоже может быть дробным, и это тоже приводит к интересным эффектам.

В данной работе авторы предположили, что такой эффективный оператор может быть не скалярным, а тензорным, а значит он, в принципе, может быть связан с тензором энергии импульса (гравитация, напомню, тоже обеспечивается через связь с тензором энергии-импульса). А раз так, то между двумя гравитирующими телами может возникнуть новая сила, так же пропорциональная массе, но хитро ведущая себя с расстоянием. Она даст добавку в закон всемирного тяготения (которую авторы и назвали негравитацией), которая будет спадать с расстоянием по степенному закону, но вот показатель этой степени может быть дробным.

Именно благодаря этой особенности можно, в принципе, различить отклонения от закона всемирного тяготения на малых расстояниях за счет дополнительных измерений и за счет негравитации. Если конечно кто-нибудь эти отклонения найдет, в чем я лично сомневаюсь :)

На самом деле мне вообще непонятна осмысленность этих упражнений.
Подавляющее большинство статей в этой опупеи эпопеи про нечастицы вообще не задается вопросом, откуда такие объекты могут взяться; им главно посчитать какие-нибудь последствия. Только в некоторых статьях, например, arXiv:0705.3049, обсуждается возможное происхождение таких объектов. Но опять же, пока не доказано, что в какой-то эффективной теории поля такие объекты появляются естественными образом, серьезно о них говорить не приходится. Но, разумеется, если это пока не запрещено экспериментом, то считать можно всё, что душе угодно.

[Комментарии на Элементах]

27 июня 2007 г.

Основы палеоклиматологии

Заинтересовавшись климатологией, и в частности, палеоклиматом, я взял в библиотеке книжку R.S. Bradley, "Paleoclimatology" (1999 года издания), которую теперь почитываю в свободное время.

С одной стороны, это серьезная монография (одна лишь библиография занимает 80 страниц!), но с другой стороны, вводная, предназначенная для тех, кто не является специалистом ни в одном из разделов климатологии. В ней упор делается на довольно подробном описании "азбучных" вещей: самые разные методы датировки, анализ кернов льдов, морских отложений, континентальных наносов и т.д. Для каждого метода вначале описывается принцип (физический, биологический и т.д.), затем связанные с ним погрешности и неопределенности, затем приводятся имеющиеся данные и рассказывается, что можно из них почерпнуть. Очень интересно видеть, как одно и то же событие в палеоклимате прослеживается в самых разных данных, как из этих данных вырисовывается последовательность климатических изменений, какие сложные цепочки обратных связей есть в глобальном климате.

В общем, мне кажется, некий набор конкретных климатических знаний должен входить в естественнонаучный минимум, в общую культуру человека. Хотя бы для того, чтобы чувствовать элементарные зависимости и понимать то, о чем говорится в отчетах климатологов (например, я уже гораздо лучше понимаю новости Алексея Гилярова). Забавно то, что этот базовый материал оказался даже и нескучным вовсе.

А если кто хочет материал подоступнее, покороче и поновее, то очень рекомендую полный отчет IPCC, Working group 1. Это 433-страничный документ, раздитый на несколько файлов по главам. Я себе распечатал 60-страничную главу про палеоклимат, почитаю. А для совсем простого чтения рекомендую главу с ответами на часто задаваемые вопросы.

[Комментарии на Элементах]

25 июня 2007 г.

Северный Ледовитый океан задышал 18 миллионов лет назад

В Nature появилась занятная статья про историю глубинных вод Северного Ледовитого океана.

Суть такая.
Ключевым фактором, определяющим земной климат, как сейчас, так и в прошлом, является глобальный конвейер океанических течений. В этом конвейере самое важное и "хрупкое" место -- это образование холодных глубинных вод в Северной Атлантике и Северном Ледовитом океане. Теплое течение приносит из тропиков воду, она там остывает, испаряется, становится более соленой, ныряет на дно, обогащая придонные воды кислородом, и затем по дну возвращается назад. Этот процесс зависит от многих факторов, в том числе и от рельефа океанического дна. Но если история Атлантического океана в последние сто миллионов лет более-менее известна, то что происходило с Сев.Лед.океаном -- известно плохо из-за отсутствия данных.

Вообще, данные о климате на Земле в прошлом можно получать самыми разными способами. Если требуется заглянуть в прошлое на миллионы лет, то наиболее удобны керны (цилиндрические столбики пород) океанического дна, получаемые бурением. Теплые океаны бурят уже полвека, а вот до Северного Ледовитого добрались только недавно. В 2004 году был получен 428-метровый керн дна вблизи северного полюса, и сейчас вот публикуют результаты анализа этого керна.

В описываемой статье речь идет про 6-метровый кусочек (с 193 по 199 метров) керна, в котором происходят интересные вещи. Глубже этого места находятся отложения, бедные кислородом, выше -- богатые кислородом. Сам же этот кусочек состоит и большого числа чередующихся полосок то того, то другого. Поскольку отложения характеризуют общее состояние океана, то получается этот слой отвечает довольно краткому периоду перехода от застойного, бедного кислородом, озеро-подобного состояния в богатое кислородом, хорошо "проветриваемое" состояние. Этот переход, впрочем, произошел не одновременно, а сопровождался колебаниями туда-сюда.

Интересно, что удалось довольно точно датировать этот слой (~18,2 млн. лет назад), т.к. он содержит отложения специфических организмов, характерных именно для этой эпохи. Длительность периода (0,7 млн. лет) оценили просто по скорости накопления отложений.

Для того, чтобы разобраться с тем, что же случилось в то время, авторы построили модель изменения профиля океана за счет движения плит (десятки миллионов лет -- этот тот масштаб, когда плиты уже существенно смещались). И выяснили, что по всей видимости ключевым моментом стало открытие глубоководного пролива Фрама, проходящего по океанскому дну между Гренландией и Шпицбергеном. Этот пролив открыл глубоководное сообщение между Атлантическим и Северным Ледовитым океаном, т.е. включил его в конвейер и привел к эффективному перемешиванию вод.

Вообще, если посмотреть на карту этой области, то может показаться, что Северный Ледовитый океан и так прекрасно соединяется с Атлантическим через Баренцево море. На самом деле, это море очень мелкое, не более 500 метров, а для глубоких вод требуется пара километров.

Десятки миллионов лет назад Гренландия была существенно ближе к Европе, и тогда Северный Ледовитый океан был со всех сторон закрыт сушей или мелкими морями. Затем, когда открылся пролив Фрама, вначале узкий, через него пошла вода из Ледовитого океана (утверждается, что за счет простого гидростатического напора). Затем по мере расширения поток стал двунаправленный: в глубине поступала более соленая вода из Атлантики, а сверху вытекала менее соленая вода из Ледовитого океана.

Приток атлантических вод и обогатил кислородом глубины Ледовитого океана, поскольку внутри самого Ледовитого океана никакой особой глубинной конвекции не было. Однако из-за колебания уровня моря (порядка 15-30 метров в Миоцене) этот приток то исчезал, то появлялся вновь -- это и порождало полоски, то бедные, то богатые кислородом. И лишь когда пролив расширился достаточно (по оценкам авторов, 40-50 км уже хватит), там организовалась горизонтальная циркуляция вод. Приток атлантических вод стал бесперебойным и кроме того, не только глубинным, но и поверхностным. Это еще больше вовлекло Северный океан в глобальный конвейер и обогатило его кислородом. Так Северный Ледовитый океан задышал.

Авторы еще замечают, что этот момент примерно совпадает с так называемым климатическим оптимумом в среднем миоцене, но непонятно, какая связь между этими явлениями.

В Рунете уже есть несколько сообщений по этой работе (источником служит новость на Newscientist), но они, как водится, содержат ошибки (даже банальные переводческие -- например, никто так и не удосужился перевести Svalbard как Шпицберген). И еще не могу не поиздеваться над переводчиками. Как вам такая фраза:
"Около 20 миллионов лет назад Северный Ледовитый океан представлял из себя большое озеро, чья пресная вода попадала в Атлантический океан через тонкий пролив в его южной части."

Где у Северного Ледовитого океана южная часть? :) (на NewScientist написано: "...текут на юг через узкий пролив...")

Кстати, статья свободно доступна на домашней страничке одного из авторов (листайте вниз, последняя статья с гиперссылкой). В статье и в сопровождающих материалах есть красивые картинки :)

[Комментарии на Элементах]

21 июня 2007 г.

Ускорение радиоактивных распадов

В свежем Phys.Rev.Letters появились сразу две интересные статьи про то, как ускорить распад нестабильной частицы.

В одной из них, Radioactive Decay Speedup at T=5 K: Electron-Capture Decay Rate of 7Be Encapsulated in C60, описываются новые эксперименты с ускорением распада бериллия-7 внутри фуллерена.
Идея, вкратце, в том, что этот распад происходит за счет захвата электрона ядром, и значит, если электронную плотность вблизи ядра повысить, то и распад случится быстрее, правда ненамного, на доли процента. Подробности см. в новости Искусственное ускорение ядерного распада.

В новой работе показано, что при низких температурах (5 кельвинов) ускорение распада получается больше, чем при комнатной -- аж полтора процента. Это число, конечно, невелико, но возможно когда-нибудь путем еще большего увеличения электронной плотности вблизи ядра удастся существенно ускорить распад. Кроме того, благодаря этому явлению можно и просто изучить, как меняется распределение электронов в допированном фуллерене в зависимости от температуры. Бериллий-7 в этом случае выступает в роли "подарка природы" -- готового инструмента для определения величины электронной плотности.


Вторая работа не экспериментальная, а теоретическая, зато там речь идет про ускорение распада мюона аж в десяток раз, Laser-Assisted Muon Decay.
В ней приводятся вычисления скорости распада мюона в поле сильного лазерного излучения. Вообще, тот факт, что в сильных внешних полях изменяются свойства частиц, известно давно. Например, в случае облучения электрона лазерным лучом электрон начинает мелко метаться в пространстве под действием электромагнитного поля в световой волне, причем чем мощнее лазер, тем сильнее мечется электрон.

Мюон, как известно, тяжелее электрона почти в 200 раз, и поэтому там, где электрон метался бы сильно, мюон лишь лениво двигается туда сюда. Однако мюон хочет распасться на электрон и пару нейтрино/антинейтрино, поэтому электрон -- виртуальный! -- как бы тоже есть в мюоне, но только он ждет возможности "актуализироваться" (это все условные картинки, визуализирующие формулы, так что не надо их воспринимать как отражение реальности). Так вот, этот виртуальный электрон чувствует поле лазерного луча; оно ему помогает высвободиться.

В результате когда поля достигают значений 10^6 В/см, время жизни мюона начинает катастрофически уменьшаться. Теперь осталось это проверить экспериментально.

[Комментарии на Элементах]

8 июня 2007 г.

Документальный фильм про электрон

Сегодня при просмотре новостей взгляд буквально напоролся на вот это: Физики США сумели снять документальный фильм о движении отдельных электронов, который ссылается на ИТАР-ТАСС. Кроме этого в Рунете тот же текст появился на некоторых других сайтах, а также отдельное сообщение появилось и на сайте "Вокруг света" (В жидком гелии зафиксированы вихри). Поскольку я неравнодушно дышу на все, что мельче атома :), то не смог удержаться от комментария.

Начну с того, что текст ИТАР-ТАСС неправильный совершенно, и я надеюсь, это станет очевидным после моего объяснения. Такую ситуацию мы уже проходили: по-хорошему, надо разбирать и объяснять ошибочность чуть ли не каждой фразы, как это сделано в Анатомии одной новости, только времени это займет с десяток часов. Поэтому буду относительно краток :)

Во-первых, в описываемой новости следили не за электронами, а за пузырьками. Ну и по-хорошему, никакого видео там и не было. Скорость видеосъемки составляла 4 кадра в секунду, частота освещения короткой световой вспышкой 20 герц, вот и получалось, что на каждом кадре было несколько изображений пузырька, а на следующем кадре часто был уже другой пузырек (или вообще ничего).

Во-вторых, по большому счету, это есть всего лишь визуализация траектории частицы. Такой визуализацией траекторий электронов, протонов и других частиц физики занимаются уже почти век. По этой причине громкие слова о том, что-де впервые проследили за движением электрона, совершенно неверны. Впервые научились визуализировать пузырьки и жидком гелии -- это может быть, но и это надо понимать правильно. Дело в том, что судя по публикациям сами пузырьки с электроном внутри изучаются уже как минимум с десяток лет. Собственно, именно это физикам и нужно -- изучать, и не обязательно визуально. А тут их научились снимать на видеокамеру. В этом собственно и прогресс.

В-третьих, совершенно дикие фразы: "... считалось, что невозможно запечатлеть перемещения в пространстве отдельно выделенного электрона..." и затем "Но и невозможное оказалось преодолимым." За такие фразы надо бить по рукам, и я попробую объяснить, почему.

Неграмотная новость о научном исследовании приносит вред. Вред заключается в том, что читателю прямым текстом сообщают, что ученые занимают самопротиворечивыми вещами (типа "это считалось невозможным, но это сделали"). Или бессмыслицей (квантовая механика полна парадоксов и противоречий, и ученые, мол, сами не понимают то, что они изучают -- это вообще излюбленный штамп при описании квантовых явлений). Или занимаются никому не нужными детскими играми (смотрят на движение электронов). В результате из неграмотной новости читатель не видит никакого контекста (почти все конкретные работы -- лишь отдельные шажки на каком-то длинном пути), не видит никакой настоящей осмысленной цели, а видит лишь глупости, которыми балуются ученые. Более развернуто я про это уже писал в блогах: В чем вред от неправильных научно-популярных новостей, и заодно Не требуется быть всезнайкой.

Вот этот текст на ИТАР-ТАСС, растиражированный другими изданиями, как раз и подчеркивает: смотрите, какой лабудой занимаются физики.

В-четвертых, истинная цель исследования состояла вовсе не в "документальном фильме о движении электронов", а в разработке новой методики наблюдения за вихрями в сверхтекучем гелии. По-хорошему, тут надо сделать отступление про сверхтекучесть и трудности ее изучения, почему вихри в нем так интересны и т.д., но ладно, ограничусь только словами, что это большой и активный раздел физики квантовых конденсированных сред. Так вот, с экспериментальными методиками тут напряг, потому что гелий прозрачный, потому что сверхтекучесть -- хрупкое состояние, которое легко разрушить, поэтому визуализировать вихри трудно. Но можно -- это уже делалось другими методами, так что и тут слово "впервые" не годится. Однако эта методика довольно дешевая, потому ее надо развивать.

Исходно авторы хотели с помощью радиоактивного материала напустить много электронов, которые в своих пузырьках должны были рассесться вдоль вихрей и таким образом показать его форму. Этого пока не достигнуто, к этому они будут стремиться в будущих работах. Это и есть смысл этой деятельности. А пока что они просто сконструировали установку и погоняли видеокамеру без радиоактивного материала и обнаружили непонятно откуда взявшиеся электроны. (Они так и пишут -- мы не знаем, откуда они берутся).

Текст в "Вокруг света" более осмыслен, чем у ИТАР-ТАСС. По крайней мере, упор больше делается не на "документальном фильме про электрон", а на изучении вихрей (а это и есть конечная цель исследования). Но, конечно, ошибок и тут довольно много: вихри зафиксированы не впервые, открытие сделано не случайно, "следы взаимодействия электронов со средой" -- неправильно, сама интерпретация как наблюдение вихрей этим способом -- это пока только предположение, а не факт, и наконец совершенно неверная интерпретация волнообразного движения -- это вовсе не закручивание пузырька в потоке (сверхтекучая компонента не увлекает пузырек, на то она и сверхтекучая!), это его скольжение вдоль изогнутой оси (ось торнадо ведь тоже не всегда прямая). Плюс иллюстрация -- красивая, но сбивающая с толку.

В-пятых, возвращаясь к наблюдению электронов. На самом-то деле отдельные электроны уже 40 лет как наблюдаются невооруженным взглядом. Это стало возможно в 60-е годы в накопительных кольцах. Есть в сети очень захватывающий рассказ о том, как группа под руководством Бруно Тушека во Фраскати конструировала электронный ускоритель на встречных пучках (AdA:The First Electron-Positron Collider, pdf, 330 kb). Там рассказывается о том, как в первое время в накопительное кольцо впрыскивали буквально несколько электронов, и они там крутились, крутились, и время от времени высвечивали синхротронные фотоны. Можно было видеть, как мощность света растет или падает ступеньками, когда впрыскивается или уходит отдельный электрон. А в темноте можно было видеть (и сфотографировать на Polaroid) и свет от одного электрона. Это куда более прямой способ наблюдать за электронами.

Всем спасибо за внимание.

[Комментарии на Элементах]

3 июня 2007 г.

Нетривиальные квантовые эффекты в биологии

Наткнулся в архиве на любопытную статью ArXiv:0705.1232, "Нетривиальные квантовые эффекты в биологии: скептическая точка зрения физиков". Это небольшая заметка (с очень хорошей библиографической подборкой), написанная для готовящегося к выпуску сборника статей "Квантовые аспекты жизни".

Первое впечатление, возникшее после её прочтения -- удивление тем, как много, оказывается, существует попыток "притянуть за уши" квантовые явления для функционирования биологических систем. Причем зачастую эти попытки во многом базируются на обычной неграмотности, поскольку уже простые оценки по порядку величины закрывают некоторые предложения. В этой статье терпеливо и довольно подробно объясняется — по-честному, по-физическому, — почему те или иные предложения либо неверны, либо сверхспекулятивны.

Вначале, чтобы не было недоразумения, авторы четко очерчивают предмет критики. Конечно, квантовые эффекты в молекулярной (!) биологии важны -- это и динамика возбуждения биомолекул, туннелирование протонов и электронов и т.д. (например, есть основания считать, что обоняние использует, кроме всего прочего, и резонансное туннелирование электронов в рецепторах). Это все "очевидные" — тривиальные — квантовые эффекты, и относятся они скорее не к биологии, а к молекулярной физике.

Утверждение авторов статьи состоит в том, что никаких предпосылок для более нетривиальных квантовых проявлений в живых системах нет.

Ниже перечислены некоторые из попыток привлечь квантовую механику в биологических системах и их критика авторами статьи.

1. Возникновение наследственности

С "наивно-химической" точки зрения возникновение живых (а точнее, скажем проще, размножающихся и адаптирующихся) систем кажется чрезвычайно маловероятным. (Этот аргумент, кстати, любят использовать и проповедники религии.) Как из таких простых начальных соединений могли возникнуть такие сложные и высоко специфические молекулы как, например, ДНК? Как природа "нашла" удобные молекулы для передачи наследственной информации?

При попытке ответить на этот вопрос возникло предложение "как-то приплести" квантовую механику -- ведь в ней можно осуществить "сверхэффективный квантовый перебор вариантов" и относительно быстро найти молекулы, удобные для передачи информации.

На самом деле, это лишь ничем не подкрепленное желание, не более того. Никаких конкретных механизмов возникновения в системе тенденции к возникновению химической реакции синтеза какой-то редчайшей молекулы никто не предложил. И более того, это пока и не требуется, поскольку спонтанное усложнение хим. состава происходит в определенных условиях само собой. Самоорганизация -- спонтанное возникновение относительно устойчивых структур, гораздо более сложных, чем можно было бы получить за то же время случайным конструированием -- хорошо известное в физике явление.

В дополнение к этому авторы отдельно обсуждают распространенное заблуждение, что якобы квантовый компьютер позволяет осуществить быстрый поиск в классической базе данных. Это неверно: быстрый поиск работает только в квантовой базе данных, т.е. база данных уже должна находится в когерентном состоянии. Если этого нет, то квантовый компьютер не дает никакого ускорения.

2. Туннелирование сквозь промежуточные формы

Другой вариант той же идеи: оптимизация естественного отбора при эволюции простейших форм жизни в более сложные.

Как известно, одно из первых возражений к дарвиновскому принципу естественного отбора состояло в том, что не наблюдаются промежуточные формы. Как природа умудряется пропустить их и сразу "слепить новое существо"?

Этот вопрос уже не является каким-то принципиальным препятствием для современного эволюционного учения, но есть и более экзотические предложения, основанные, в частности, на том же квантовом поиске.

Пропоненты "квантовой идеи" говорят, что этот процесс можно представить как квантовый поиск живучей мутации. Однако -- кроме очевидного возражения о квантовой когерентности -- возникает и такой вопрос: непонятно, что именно должна искать природа. Мутация закрепится, если она окажется более приспособлена к выживанию во внешних условиях. Но на выживаемость надо проверить хотя бы пару-тройку поколений -- только после этого можно сказать, удачная мутация или нет. Т.е. получается, нужно чтоб квантовая когерентность поддерживалась не только в течение жизни одной особи, но и сохранялась между потомками. Но поскольку они будут взаимодействовать с окружающим миром, то это кажется совершенно невероятным.

3. Квантовый мозг

Есть попытки описать деятельность мозга как работу некоторого "квантового компьютера". Предполагается, что нейроны играют роль кубитов, между которыми поддерживается квантовая когерентность. При всей своей будоражащей воображение привлекательности это предложение сразу наталкивается на возражение: декогеретность объектов размером с клетку в обычных условиях (ведь нейроны в мозг находятся вовсе не в вакууме при сверхнизких температурах!) составляет порядка 10^(-20) сек. За это время не только не успеет пройти никакой сигнал, но и даже электронные облака едва успеют шелохнутся в самых активных химических реакциях.

Контрвозражение, что есть-де есть механизм коррекции квантовых ошибок, позволяющий устранить разрушающее действие декогеренции, несостоятелен, потому что порог, при котором этот механизм начинает действовать очень высокий. Ориентировочно, требуется, чтобы в каждом единичном акте квантовых вычислений вероятность ошибка составляла не более, чем доли процента, только тогда их можно скорректировать. Но для этого требуется, чтобы время когерентности было существенно больше хотя бы единичного акта квантового вычисления, что конечно в мозге не выполняется.

4. Квантовое сознание

Наконец, есть предложение, восходящее к Пенроузу, о том, что внутри полых трубочек, формирующих цикоскелет нейрона, происходит вызванный гравитацией(!) коллапс волновой функции. Этот коллапс, предполагается, приводит к ощущение самоосознания у высших жизненных форм.

Авторы эту идею, по-настоящему, не критикуют, замечая только, что она опирается на чрезвычайно спекулятивную, никак не проверенную связь между квантовой механикой и гравитацией. Авторы уделяют этому моменту много места, считая, по-видимому, что среди биологов (или просто не-физиков, интересующихся описанными вопросами) нет четкого понимания статуса разных теорий в фундаментальной физике.

Я тут замечу лишь то, что и в обычной нейронауке есть механизмы (связанные с незатухающими нелокализованными возбуждениями с сети нейронов, специфические для мозга с большой поверхностью коры головного мозга), могущие объяснить самоосознание. Конечно, эти предположения требуется проверять экспериментально, но по крайней мере они основаны на "кондовой" физиологии, а не на идеях о квантовой гравитации.

В общем, многие скептические утверждения, приведенные в статье, мне кажутся очевидными, но раз есть группа энтузиастов, которые их не учитывают, то подробное перечисление действительно полезно.

[Комментарии на Элементах]