И снова про связь ураганов с глобальным потеплением

В продолжение темы про связь ураганов с глобальным потеплением.

В прошлый раз я рассказывал о недавней работе, в которой делалась попытка выяснить, с какими именно климатическими изменениями связано усиление активности атлантических ураганов за последние годы. В этой работе использовались довольно аккуратные наблюдательные данные за последние 40 лет, но как оказалось, это слишком короткий период времени для того, чтобы отличить естественную изменчивость ураганной активности от эффекта, вызванного глобальным потеплением.

Для более надежных выводов требуется изучить ураганную активность за более длительный срок. Правда, надежных наблюдательных данных за более длительный период нет, и поэтому ураганную активность приходится восстанавливать косвенными методами. Из-за этого, разумеется, резко ухудшается надежность результатов.

На днях в блоге RealClimate появились два подробных рассказа (первый, второй) о разных подводных камнях при таком анализе.



Во-первых, кое-какие данные по количеству и силе ураганов, достигающих побережья Северной Америки, имеются начиная с 1850-го года. Но из-за несовершенства методов наблюдений, эти данные не совсем точно отражают реальную ситуацию. Поэтому эти данные приходится переобработать, сделав поправки, например, на "пропущенные" тропические циклоны. В первом посте как раз и рассказывается о методах и результатах такого восстановления.

Во-вторых, для анализа ураганной активности в прошлом можно, в принципе, и не привязываться к "хроникам". Достаточно лишь найти какой-то природный процесс (например, придонные океанические отложения, свойства кораллов), который будет чувствителен к усреденной ураганной активности в регионе. В этом случае можно надеяться восстановить эту активность за более длительный срок.

Пример одного такого анализа за последние 270 лет был проделан в статье Low Atlantic hurricane activity in the 1970s and 1980s compared to the past 270 years, опубликованной в Nature полгода назад. Ключевой вывод той статьи состоял в том, что интенсивность атлантических ураганов вообще очень изменчива, и потому ее резкое усиление в последние может являться вполне естественным процессом (т.е. не связана с глобальным потеплением).

Однако на днях в том же журнале Nature были опубликованы возражения к этой статье (см. также и ответ авторов), в которых замечаются многие несостыковки в данных ранее 1940 года. Эти возражения подробно описаны также и во втором посте на RealClimate. Общий вывод там такой -- реконструкции за период ранее 1940 года верить нельзя, что подрывает выводы статьи в Nature.

Общий вывод этих двух постов такой -- наука "палео-темпестология" находится пока что в очень зачаточном состоянии, и потому говорить об установленной связи ураганов с глобальным потеплением пока очень рано.

С общефизической точки зрения, по-моему, это совсем неудивительно. Климат можно представить себе как сложную динамическую систему с многими степенями свободы, реализующимися на сильно разных временных масштабах. Узнать в такой ситуации взаимовлияние быстропеременных и медленно меняющихся степеней свободы -- задача гораздо более нетривиальная, чем узнать связь параметров, меняющихся на одинаковом временном масштабе.

PS На картинке показаны траектории и интенсивность тропических циклонов; подробности см. на сайте GlobalWarmingArt.

Атомно-интерферометрические методы

По поводу эксперимента по измерению гравитации на субмиллиметровых расстояниях в предыдущем сообщении подумалось вот что. Вообще, современный оптический эксперимент позволяет засечь смещение тела, даже если оно в миллиарды раз меньше длины волны света -- для этого, правда, нужно, чтобы луч многократно проходил путь от тела до зеркала и обратно (самый впечатляющий пример -- интерференционные проекты по поиску гравитационных волн).

В этом эксперименте грузик находится на кантилевере -- тоненькой пластинке, которая отклоняется под действием силы гравитационного притяжения грузика (фактически, пылинки!) к другому телу. Типичная величина ее отклонения была на несколько порядков меньше размера атомов, и уж тем более меньше длины волны света. Тем не менее, отклонение детектируется оптическими методами, с помощью интерферометра Фабри-Перо, в котором свет многократно пробегает зазор между блестящим грузиком и поверхностью оптоволокна.

Раз благодаря интерференционным схемам можно детектировать смещение на много порядов меньше длины волны, то интересно было бы попытаться вместо лазерного луча пустить "луч когерентного вещества" -- например бозе-конденсат атомов, но только не пойманный в ловушку, как обычно, а летящий в виде луча. Такой луч уже прозвали атомным лазером (обычный лазер в этой терминологии -- это фотонный лазер). Если научиться разгонять бозе-конденсат без его разрушения, и затем управлять им достаточно надежно, то с его помощью можно тоже будет детектировать смещения много меньше длины волны -- но уже длины волны вещества.

Комптоновская длина волны протона -- порядка фемтометра. Это значит, что даже сильно нерелятивистские протоны (а тем более ядра и целые атомы) могут иметь длину волны много меньше микрона (т.е. много меньше длины волны света в оптическом диапазоне). Например, при тепловых скоростях атомы имеют длину волны порядка ангстремов. Значит, если интерференционую технику удастся развить и для атомного лазера, то вероятно с его помощью можно будет измерять и более мелкие смещения. Только, конечно, эту технику надо вначале развить. В частности, насколько я понимаю, главная техническая проблема на пути к этому состоит в том, как научиться эффективно отражать конденсат без его разрушения.

Вообще, сейчас атомно-интерферометрические методы уже применяются в экспериментах, и даже для изучения гравитации, см. например новость Гравитационная постоянная измерена новыми методами. Но там постановка эксперимента пока иная, и там не используется многократное пробегание пути между зеркалами, при котором набегает фаза.

Поиски отклонения от закона всемирного тяготения

В свежем препринте "Improved constraints on non-Newtonian forces at 10 microns" (arXiv:0802.2350) описываются результаты эксперимента по поиску отклонений от закона всемирного тяготения Ньютона на расстояниях порядка 10 микрон. Отклонений не обнаружено, и это накладывает более жесткие ограничения на некоторые экзотические теории.

Этот эксперимент интересен тем, что он использует не крутильный маятник, как многие более ранние эксприменты, а грузик на кантилевере. Авторы утверждают, что в ближайшеим будущем можно будет улучшить чувствительность установки еще на 1-2 порядка.

Вообще, в последнее десятилетие в физике элементарных частиц появились разнообразные теории, в которых гравитационное взаимодействие на расстояниях меньше некоторого предела начинает заметно отклоняться от закона всемирного тяготения. Обычно такие отклонения экспоненциально спадают с расстоянием, и их часто учитывают с помощью такой формулы для гравитацонного потенциала:

Коэффициенты α и λ описывают относительную силу и масштаб расстояний, на котором чувствуются эти отклонения, и их значения свои для каждой теории.

Оказывается, для многих теорий λ оказывается не такой уж очень маленькой, в районе микронов. Это значит, что подобные гипотезы об устройстве микромира можно проверить в обычном, неускорительном эксперименте, если аккуратно измерить силу гравитационного притяжения на таких расстояниях.

Подобные эксперименты ставятся давно, и ни в одном из них отклонений пока не нашли. Но расстояния постепенно уменьшаются, и если 10 лет назад речь шла при 1 мм, то сейчас проверяются уж расстояния порядка 10 микрон. Новая работа "проникла" еще глубже в микрометровую область и "отгрызла" небольшой новый кусок в пространстве параметров этих моделей (см. рисунок). Если авторам работы действительно удастся улучшить чувствительность в 10-100 раз, то отгрызенный кусок будет значительно больше. Правда, судя по картинке, это не закроет модели окончательно, а лишь наложит ограничения на их параметры.

Новая идея в теории сверхпроводимости -- куперовские квартеты

По наводке Юрия Ерина познакомился с препринтом "Superconductivity from four Fermion complexes" (arXiv:0802.1271). В этой статье рассматривается новый тип сверхпроводимости -- когда вместо образование куперовских пар, четверки электронов объединяются в куперовские квартеты.

График, приведенный в статье, наводит на мысль, что этот механизм может даже привести к более высоким температурам перехода в сверхпроводящее состояние. Правда, у меня при чтении статьи возникли кое-какие сомнения.

С одной стороны, идея вполне имеет право на существование, ведь сложное взаимодействие во многочастичной системе, вообще говоря, вовсе не сводится к набору попарных взаимодействий. В ней существуют и трехчастичные, и четырехчастичные и т.д. взаимодействия. А в классической теории БКШ используются только парные корреляции между электронами. Поэтому возникает вопрос: что будет, если учесть четверные корреляции между электронами?

Автор утверждает, что если им ничто не мешает, то они смогут объединиться в квартеты с некоторой энергией связи, и эти квартеты сформируют конденсат. Автор замечает, что, еонечно, это всё не относится к уже существующим сверхпроводникам, но может быть когда-нибудь откроют и экзотический материал с таким типов сверхпроводимости.

Всё это интересно, но тут есть такой вопрос. Автор для простоты предположил, что есть только четверичные взаимодействия, а парных -- нет вообще. Так конечно проще, но по-моему, такой вариант имеет чисто академический интерес по двум причинам.

Прежде всего, мне трудно представить, как это в БКШ теории с электрон-электронным взаимодействием за счет фононного обмена можно устроить так, чтобы парных корреляций не было, а четверичные были. Автор этого не обсуждает. Единственное, что может придти на ум -- это аналог ефимовских состояний, когда притяжение между двумя частицами слишком слабо для образования связанного состояния, а между тремя или больше -- уже достаточно сильно. Но как-то сомнительно, что для электронов в твердом теле такое сработает.

Если же учитывать как парные, так и четверичные корреляции, то тогда обязательно надо учитывать взаимодействие между двумя конденсатами -- парным и четверичным. Получается задача с двумя взаимодействующими параметрами порядка, и основное состояние системы может оказаться нетривиальным.

Наконец, график, приведенный в статье, довольно обманчив. Он говорит, что если сверхпроводимость квартетами имеет в несколько раз более высокую температуру, чем сверхпроводимость обычная, парная -- при условии, конечно, что соответствующие константы равны! Но пока нет микроскопической теории, нет никаких оснований считать, что они равны, и вообще, что они одного порядка. Без таких реалистических оценок все выводы статьи подвисают в воздухе.

И еще вот что пришло в голову. В парном взаимодействии спин-синглетное состояние пары выгодно, потому что спиновая волновая функция получается антисимметричной, а значит координатная волновая функция будет симметричной -- значит, частицы сидят ближе друг к другу и сильнее притягиваются, чем в спин-триплетном случае. Если же взять четыре электрона, то полностью антисимметричное (по спинам любой пары!) состояние создать невозможно, а значит, максимально симметричную координатную волновую функцию тоже не создашь. Т.е. притяжение будет не настолько эффективным, как хотелось бы.

Обзор по квантовому магнетизму для неспециалистов

Quantum magnetism and criticality (arXiv:0711.3015) -- обзор для неспециалистов по квантовым многочастичным явлениям, включая квантовые фазовые переходы и квантовые критические состояния, на примере магнетизма.

Хаос в сложных экосистемах -- экспериментальное доказательство

В последнем выпуске Nature появилась шикарная статья Chaos in a long-term experiment with a plankton community, в которой описывается экспериментальное наблюдение динамического хаоса в сложном экологическом сообществе. Причем доказано это было не с помощью какого-нибудь там компьютерного моделирования (как я сначала подумал), а в самом настоящем натурном эксперименте, который длился свыше 6 лет. Результаты эксперимента -- и вытекающие из него выводы -- очень впечатляют (по крайней мере меня как неспециалиста в экологии).


Проводился эксперимент так. Взяли большой бак, влили туда морскую воду и заселили его планктоном из Балтийского моря. Популяция была "многоярусной": был фитопланктон разного размера, зоопланктон, плюс бактерии и другие переработчики отмершей органики, которые замыкали биологический круговорот. В целом было 10 групп существ, и они образовывали сложные взаимодействующие пищевые цепочки. В этом было первое отличие от предыдущих экспреиментов, которые ограничивались двумя-тремя популяциями и искусственно простыми пищевыми цепочками.

Этот "мезокосм" запустили кваситься в собственном соку при постоянных внешних условиях (температура, цикл освещенности и т.п.), и два раза в неделю брали образцы и считали объем всех 10 популяций (плюс концентрацию питательных веществ). И так длилось 2319 дней (получился массив из 690 наборов данных). С точки зрения планктона эксперимент растянулся на несколько сотен поколений (и даже несколько тысяч поколений для бактерий). В этом состояло второе отличие от других экспериментов -- те длились всего месяц-другой и затрагивали от силы несколько поколений.


И вот какие получились результаты.

• Наблюдалась очень сильная (в десятки раз!) изменчивость популяций (см. рисунок). Эта изменчивость была вовсе не периодической -- там наблюдались осцилляции на самых разных частотах, от месяца и почти до года, причем у разных групп характер осцилляций был разный. Поскольку всё это происходило при постоянных внешних условиях, получается, что такая сильная изменчивость -- внутреннее свойство этой сложной системы, а не вызвана какими-то внешними силами.
  
• Наблюдались статистически значимые (из-за длительности эксперимента) корреляции между некотроыми популяциями, как положительные, так и отрицательные. Отрицательные корреляции отвечают, например, конкретным отношениями типа "хищник-жертва" между какой-то парой групп, а положительные -- это может быть результат косвенного кооперирования ("враг моего врага -- мой друг").
  
• Первая проверка на хаотичность состояла в том, что специально обученная нелинейная нейронная сеть пыталась предсказать дальнейшую эволюцию этого мезокосма. На несколько дней вперед она действительно предсказывала всё хорошо, но затем предсказательная способность неуклонно падала. Предсказать состояние мезокосма через месяц нейронная сеть была не в состоянии. Именно такими свойствами и обладает система со своим внутренне обусловленным динамическим хаосом (в отличие от регулярной системы, подверженной внешнему шуму).
  
• Наконец, были по-настоящему измерены ляпуновские экспоненты. Вообще, динамический хаос -- это когда два близких состояния экспоненциально расходятся с течением времени. Коэффициент в экспоненте -- это и есть ляпуновская экспонента. Обычно (например, в компьютерном моделировании) ляпуновские экспоненты вычисляют так: параллельно запускают два чуть-чуть отличающихся начальных условия и смотрят, как они расходятся.
  
  Но тут так не сделаешь -- ведь тут один-единственный эксперимент. Вместо этого авторы воспользовались большой длительностью эксперимента и просто проверяли данные за весь промежуток времени и искали такие моменты, когда состояния мезокосма случайно оказывались очень похожими. Вот такую пару (которая могла быть разделена годами) затем и сравнивали. Для планктонных популяций ляпуновская экспонента получилась 0.03-0.07/день, а для бактериальной -- 0.08-0.20/день.
  

Какие отсюда авторы делают выводы?

• Даже в постоянных внешних условиях экосистема с достаточно сложными пищевыми цепочками вовсе не стабильна, а спонтанно генерирует очень сильные непериодические осцилляции. Это настоящий динамический хаос, и по-видимому он вовсе не мешает устойчивому существованию экосистемы в целом, по крайней мере в течении сотен поколений. Это естественный способ "жизни" сложной экосистемы.
  
• Эти данные, по мнению авторов, решают "планктонный парадокс".
  
• Авторы предполагают, что эти законы вовсе не специфичны для планктонного сообщества, а вообще универсальны по всем достаточно сложным экосистемам. И вполне могут работать, например, для наземной экосистемы растения/травоядные/хищники/микробы. Более того, они предполагают, что типичное время, за которым теряется предсказуемость, составляет порядка десятков поколений для самых разных существ.
  

В общем, впечатляет :)

Вот только интересно еще было бы посмотреть, как меняется генотип этих популяций. В нем тоже развивается такой же динамический хаос? Наверняка лет через 10 будут уже и такие эксперименты.

Новое направление развития БФКЛ физики

На днях в архиве епринтов появилась статья Льва Липатова и коллег, "BFKL Pomeron, Reggeized gluons and Bern-Dixon-Smirnov amplitudes" (arxiv:0802.2065), в которой обрисовывается стратегия вычисления ядра уравнения БФКЛ в NNLO приближении. Похоже, она начинает новое направление в БФКЛ-физике.

Уравнение БФКЛ (Балицкий-Фадин-Кураев-Липатов) -- это подход, позволяющий изучать процессы в теории сильного взаимодействия (и в других похожих теориях) при очень высоких энергиях, но не в жестких столкновениях (см. популярный, но правда неоконченный рассказ о том, что это за такие процессы: часть 1, часть 2). Это одно из самых знаменитых уравнений в теории сильных взаимодействий; оно стало еще более знаменитым в последние 10 лет, когда некоторые предсказанные ею явления были обнаружены в эксперименте.

Суть БФКЛ-метода, вкратце, заключается в следующем.
Рассмотрим процесс рассеяния двух кварков при высоких энергиях, но с небольшими передачами импульса. Стандартный пертурбативный подход -- рисовать фейнмановские диаграммы и считать их вклад. Если константа связи численно невелика, то казалось бы, можно ожидать, что вклад всё более сложных диаграмм должен уменьшаться. Однако как раз при такой кинематике он не уменьшается. Среди всех диаграмм есть специальные, в которых каждая степень константы связи усиливается большим логарифмом от энергии делить на поперечный импульс. Идея выделить эти диаграммы во всех порядках и просуммировать сразу все их и есть БФКЛ подход.

На самом деле, БФКЛ-подход -- это не просто метод пересуммирования, но и новый взгляд на то, что с частицами творится в t-канале (т.е. то, чем обмениваются кварки при рассеянии). Там возникает явление реджеизации глюонов, появляются динамические объекты в t-канале и т.д.

В буквально таком подходе получится уравнение БФКЛ в первом логарифмическом приближении (LLA = leading log approximation), когда суммируются только те диаграммы, в которых на каждую α_s приходится по логарифму. В этом приближении оно было выписано и сразу решено в классических работах Фадина-Кураева-Липатова и Балицкого-Липатова в 1977-78 годах (статьи имеют уже почти 2000 цитирований!). Во втором приближении (NLA = next-to-leading log approximation), когда одного логарифма не хватает, изучение этого уравнение продолжалось почти 20 лет и завершилось только в последние год-два. Хотя Липатову наверняка всё было понятно давным-давно :) -- на одной конференции он как-то сказал "Доказательства этого утверждения пока нет, но оно несомненно правильное."

Так вот, изучение уравнения БФКЛ в третьем приближении (NNLA) теми же методами было бы совсем неподъемным трудом. Однако судя по новой статье, в случае КХД с большим числом цветов, похоже, NNLA вычисления удастся провести гораздо меньшими усилиями. Помочь в этом должна развитая в последние годы техника расчета многоглюонных амплитуд и, выступающая в качестве тестирующего примера теория N=4 SYM, в которой тоже в последние годы обнаружилось много чего интересного.

Пара слов, для чего это надо. С сугубо "расчетной" точки зрения, NLO поправки в вычислении сечений конкретных процессов оказались страшно большими. Это означает, что NNLO поправки тоже скорее всего окажутся довольно большими и могут быть численно важны для описания экспериментальных данных.

С чисто теоретической точки зрения, уравнение БФКЛ приводит к многим нетривиальным явлениям. Самое недавнее из них -- это подозрение, что как раз в теории N=4 SYM Померон в пределе большой константы связи превратится в подобие гравитона (эта связь вытекает из AdS/CFT соответствия). Вот для этого полезно знать поправки следующего порядка в этой теории.

В тему: Л.Н. Липатов, Свойства интегрируемости в квантовой хромодинамике высоких энергий при большом числе цветов // УФН, т.174, стр.337 (2004).

Хроники одной несостоявшейся сенсации

В архиве епринтов появилась небольшая и получительная с методической точки зрения статья "The treatment and rejection of two "strange" candidate events in the SLIM experiment" (arxiv:0802.2056). В ней описывается, как в эксперименте SLIM (см. статью arxiv:0801.4913) по поиску магнитных монополей в космических лучах обнаружились два чрезвычайно странных трека, пхожих на следы каких-то совсем экзотических частиц. Однако после тщательного изучения они оказались вовсе не треками, а редким дефектом в полимерном слое.


Тут на картинке, слева, показан кусочек этого странного "следа". Справа -- типичный вид следов от настоящего прохождения высокоэнергетических ядер через слой полимерного пластика CR39. Странный след, с одной стороны, похож на настоящие следы -- он тоже состоит из конусообразных "ямок", но с другой стороны -- эти ямки ориентированы как-то беспорядочно.

Было поведено детальное исследование, которое показало, что этот "трек" есть всего лишь результат дефект при изготовлении полимера, который вот так проявился после вытравливания щелочью (подробности см. в статье). Так что в результате 4 лет наблюдений этот эксперимент зарегистрировал, к сожалению, нуль событий. Что, впрочем, позволило наложить ограничения сверху на поток монополей сквозь Землю.

Бозонные звезды

С некоторым удивлением обнаружил недавно обзор, посвященный бозонным звездам: arxiv:0801.0307. С удивлением, потому что мне казалось, что бозонные звезды будут нестабильными. Ведь обычные компактные звезды -- белые карлики, нейтронные звезды -- удерживаются от гравитационного коллапса, по сути, принципом Паули. Для бозонов этого ограничения нет, и более того, они даже стремятся сесть в состояние с пространственным перекрытием.


Полистав этот обзор, я понял еще одну причину, почему мне бозонные звезды казались невозможными. Те бозоны, с которыми я привык иметь дело (фотоны, глюоны, хиггсы), не обладают законом сохранения числа частиц. Все они могут рекомбинировать. В этом их принципиальное отличие от, например, бозе-конденсата в облачке нейтральных атомов. Поэтому если создать очень большую "глюонную звезду" и затем начать ее сжимать, то глюоны начнут рекомбинировать, энергия оставшихся частиц будет расти, размер звезды будет уменьшаться, и в конце концов она просто взорвется.

А тут, похоже, предполагается, что это не произвольные бозоны, а бозоны с неким сохраняющимся квантовым числом, которое препятствует рекомбинации. Занятно.

На изображении вовсе не бозонная звезда :), а просто звезда Вольфа-Райе WR124 (источник)

Наночастицы в шаровой молнии

Над объяснением шаровой молнии физики ломают голову уже не первый век. Предлагаются разные модели, печатаются большие обзоры, но до сих пор прогресс был небольшой. Главное препятствие в том, что пока не удается воспроизводимо получать шаровую молнию в лаборатории. То, что получалось (например, в газоразрядных опытах Капицы) было очень непохоже на природное явление ни по поведению, ни по методу возникновения.

В последние годы ситуация изменилась после того, как нескольким независимым группам экспериментаторов удалось получить файерболы (плазменные шарики), в чем-то напоминающие природные шаровые молнии.

Два года назад двое израильских физиков опубликовали работу, рассказывающую об успешном создании файерболов путём вытягивания её из расплава под действием мощного микроволнового излучения, см. популярную заметку Получен новый вид лабораторных шаровых молний (в СМИ эти объекты окрестили "шаровыми молниями в микроволновке"). Поведение такого объекта было похожим на поведение природной шаровой молнии, за тем лишь исключением, что она "жила" только при включенном резонаторе и быстро исчезала при его выключении (т.е. она как-то подпитывалась микроволнами).

На днях в журнале Physical Review Letters появилась статья, в которой рассказывается о новых экспериментах с этой лабораторной шаровой молнией. С помощью рассеяния рентгеновских лучей было установлено, что этот файербол наполнен наночастицами (предположительно окисла кремния) размером порядка 10 нм.
Исходя из свечения файербола, можно оценить, что температура этих наночастиц составляет порядка 1000 К, а значит, активно идет испускание электронов наночастицами. Элекстроны, в свою очередь, взаимодействуют с микроволновым излучением, и похоже, они как бы стабилизируют всю конструкцию. В целом, получается, что этот объект состоит из "пыльной плазмы" (а вовсе не из чистой газообразной плазмы, как предполагается во многих теориях шаровой молнии).

По мнению авторов работы, их результаты поддерживают теорию Абрахамсона и Диннисса, см. Nature 403, 519-521 (3 February 2000). В ней утверждается, что энергетика шаровой молнии -- чисто химической природы и как раз основана на медленном окислении кремниевых наночастиц.

На всякий случай, еще раз подчеркну, что устройство настоящей природной шаровой молнии пока еще неизвестно. Да и в лаборатории, кроме "микроволновых" файерболов уже научились делать и "подводные", и долгоживущие "тяжелые" файерболы. Какие из них ближе к природной ШМ -- пока непонятно. В частности, остается открытым вопрос -- есть ли наночастицы в природной ШМ?

В данной работе изучалось устройство именно "микроволновых" файерболов, без претензий (пока) на решение загадки природной ШМ. Это интересно и само по себе, но возможно после многочисленных подобных экспериментов наконец-то выяснятся какие-то общие и четкие закономерности, на основании которых можно будет уже уверенно говорить и про природную шаровую молнию. Пока что можно говорить, что к теории Абрахамсона и Диннисса постепенно склоняется всё больше специалистов.

Если у кого нет доступа к PRL, можно посмотреть доклад авторов на конференции XXVIII International Conference on Phenomena in Ionized Gases (PDF в свободном доступе).

Скончался Борис Валерианович Чириков

Грустная новость. 12 февраля на 80-м году жизни скончался Борис Валерианович Чириков -- один из крупнейших российских физиков-теортиков, основатель целого раздела физики (теория динамического хаоса, а затем, и квантового хаоса). Вот краткая его научная биография на сайте УФН. Очень жаль.

Новый подход к изучению КХД

Стандартная ситуация в теоретической физике -- когда сформулированная теория слишком сложна для изучения, можно подыскать другую теорию с похожими чертами, но попроще, изучить ее в деталях, а потом попробовать осторожно перенести выводы и на исходную ситуацию.


Таким приемом давно пользуются, например, при изучении КХД -- теории, описывающей сильное взаимодействие между кварками и глюонами. Например, из опыта известно, что при не слишом высоких температурах в КХД есть конфайнмент -- принудительное объединение "цветных" кварков и глюонов и "бесцветные" комбинации. Описать конфайнмент в деталях в настоящей КХД пока не удается; однако в моделях попроще кое-какие результаты уже получаются, и их пытаются экстраполировать на полную КХД. Иногда получаются очень занятные выводы.

Сегодня в архиве епринтов появилсь большая статья Михаила Шифмана и Митат Унсал QCD-like Theories on R_3\times S_1: a Smooth Journey from Small to Large r(S_1) with Double-Trace Deformations, которая предлагает новый способ подобного "косвенного" изучения КХД.

Речь в этой статье идет про КХД (и КХД-подобные) теории не в обычном пространстве-времени, а на "цилиндре", свернутом в направлении времени. Такая теория с "циклическим" временем может по-началу показаться бессмысленной, но на самом деле математически она эквивалентна КХД при ненулевой температуре. Чем меньше радиус компактификации, тем выше температура.

Эта теория удобна тем, что в ней появляется дополнительный параметр -- размер компактификации R, причем eсли R очень велико, то теория постепенно переходит в обычную КХД. Поэтому возникает новая возможность -- вычислить что-нибудь при малых, но ненулевых R (а это, оказывается, проще, чем в настоящей КХД), а затем экстраполировать в область больших R. Но к сожалению, эта попытка наталкивается на "стену" -- фазовый переход первого рода. Экстраполировать величины через фазовый переход малореально.

В новой работе авторам удалось найти такую модификацию теории при малых R, которая плавно переходит в настоящую КХД при больших R, без фазовых переходов. Это значит, что вычисления при малых R уже имеют шанс что-то рассказать про настоящую КХД. В частности, при малых R действительно прямым вычислением обнаружились все основные свойства КХД: конфайнмент и спонтанное нарушение киральной симметрии.

Правда, утверждение об отсутствии фазового перехода еще не доказано в строгом смысле, но авторы приводят аргументы в его пользу. Кроме того, конфайнмент при малых R получается абелевый, но так даже получается интереснее -- проследить как абелев конфайнмент плавно переходит в неабелев при увеличении R. Авторы предлагают специалистам по КХД на решетках внедрить эту теорию в решеточные вычисления и во всех деталях изучить этот переход.

Вероятно, этой работой откроется новый этап в настоящем теоретическом (не описательном) изучении теории сильных взаимодействий.

И снова про машины времени на LHC

В дополнение к предыдущей заметке, вот и Грани.ру поддались всеобщей трескотне и написали про путешествие во времени на LHC. И причем ровно в том же духе, что и остальные -- что для Максима Борисова несколько даже удивительно.
В заметке не подчеркнута самая главная мысль -- все эти гравитационно-экзотические штуки могут рождаться, только если одна очень смелая гипотеза о природе гравитационного взаимодействия окажется верной. Если же гравитация будет такая, какой мы ее всегда считали, то никаких черных дыр и машин времени на LHC не будет.

Зато статья начинается со слов, которые заставляют читателя подумать, будто всё это рассматривается очень серьезно:

Вокруг предстоящего запуска Большого адронного коллайдера... опять разгораются нешуточные страсти.

Да нет, страсти разгораются исключительно в СМИ! А сами физики, связанные с LHC, говорят про это вот так:

In the best of the reporting on this idea, LHC-affiliated scientists are politely very, very skeptical.

Машинки времени на LHC

С подачи желтого издания The Daily Telegraph в Рунете тоже стала распространяться всякая фигня про "путешествие во времени с помощью Большого адронного коллайдера". Вот типичная новость на Newsru.com: Российские ученые: остались недели до открытия "портала", через который к нам смогут проникать гости из будущего.

Это всё, конечно, только страшилки. Речь идет про то, что если вдруг гравитационные явления действительно имеют Тэвный, а не планковский масштаб, то на LHC будут рождаться разные гравитационно-экзотические конфигурации, например, микроскопические черные дыры. В этот список недавно добавились и микроскопические машинки времени.

Вообще, это конечно чисто теоретические разговоры -- очень маловероятно, что гравитация действительно реализуется на Тэвном масштабе. Но даже если это так, то все такие гравитационно-экзотические конфигурации все равно будут жить очень короткое время и тут же распадаться на более стабильные частицы. Наблюдатель ничего особого не увидит -- просто какой-то набор частиц, ровно так же, как это происходит при других жестких столкновениях. Использование этих машинок времени для связи с "цивилизацими будущего" -- выдумки исключительно журналистские.

В англоязычном инете сообщения разной степени недостоверности про эту работу появились во многих изданиях. По этому поводу см. язвительный пост в блоге Not Even Wrong.

Я, кстати, уже чуть-чуть рассказывал про эту работу, когда только вышел препринт.

PS
Кстати, расписание LHC: пучок запустится в начале лета, но первые столкновения ожидаются только в августе-сентябре. Первые несколько месяцев при пучке с низкой светимостью будут изучаться уже известные процессы в Стандартной модели, и только в 2009 году ожидается начало чего-нибудь интересного.

Свежие лекции: AdS/QCD, аномалии и нетривиальные черные дыры

В архиве епринтов сегодня появились три лекции, которые можно полистать и неспециалисту в физике частиц.

Stanley J. Brodsky, Guy F. de Teramond, AdS/CFT and Light-Front QCD, arxiv:0802.0514.
Речь идет про модную нынче тему, как с помощью AdS/CFT соответствия узнать что-нибудь про КХД в режиме сильной связи (несмотря на то, что для КХД такого соответствия нет). Описываются недавние результаты по вычислению волновых функций адронов на световом конусе с помощью этого соотношения и их приложения.

Adel Bilal, Lectures on Anomalies, arxiv:0802.0634.
108-страничные лекции по аномалиям в квантовой теории поля. Начинается с расчета в лоб треугольной диаграммы и заканчивается сокращением аномалий в суперструнных теориях.

Niels A. Obers, Black Holes in Higher-Dimensional Gravity, arxiv:0802.0519.
Лекции по чернодырным решениям уравнений гравитации в многомерном пространстве. Оказывается, там есть нетривиальная фазовая диаграмма таких решений.

Темные звезды -- новая фаза в формировании самых первых звезд

В Physical Review Letters появилась интересная статья Dark Matter and the First Stars: A New Phase of Stellar Evolution, Phys.Rev.Lett. 100, 051101 (2008). Полный текст доступен в архиве епринтов: arxiv:0705.0521.

В этой статье высказано предположение о том, как происходило формирование самых первых звезд в нашей Вселенной (их называют звезды населения III). Те звезды были очень массивны, быстро сгорели и до нашего дня не сохранились. Поэтому в их изучении наблюдения помочь не могут (точнее почти не могут), и приходится изучать их в основном теоретически. Однако известно наверняка, что помогала им формироваться темная материя, поскольку она кучкуется быстрее.

В этой статье рассказывается интересная идея о том, что темная материя могла не только помогать формироваться этим первым звездам, но и на определенной стадии -- стадии темной звезды -- мешать.

В статье описывается такой сценарий. Пусть в природе реализуется суперсимметрия, и темная материя состоит из легчайших суперсимметричных частиц ЛСЧ (это одна из самых популярных сейчас гипотез). Эти ЛСЧ сами по себе стабильны, но если ЛСЧ встретится с анти-ЛСЧ, то произойдет аннигиляция в обычные частицы, в том числе и в фотоны.

Исходное протозвездное облако содержало как темное вещество, так и обычные водород и гелий. Когда оно начало сжиматься, то плотность темного вещества в центре стала расти, и энерговыделение из-за аннигиляции ЛСЧ с анти-ЛСЧ тоже быстро росло. В какой-то момент это энерговыделение стало таким сильным, что остановило сжатие. В результате получилась "темная звезда" -- большое (размером порядка 1 а.е.) облако, в котором свечение поддерживается не термоядерной реакцией, а аннигиляцией ЛСЧ. И только потом, когда все ЛСЧ исчерпались, этот источник кончился, и облако обычного вещества стало сжиматься дальше, и загорелась привычная нам звезда.

Эта новая фаза в звездообразовании может сильно повлиять на процессы в ранней Вселенной (например, реионизацию), поэтому авторы предлагают изучить эту возможность более пристально.

На закуску -- книжка Протозвёзды: Где, как и из чего формируются звёзды, В.Г.Сурдин, С.А.Ламзин, "Наука", 1992.

Контактный пост

Контактный пост для общих вопросов и обсуждений.

Ураганы и глобальное потепление

На прошлой неделе в Nature вышла статья Nature 451, 557-560 (31 January 2008), в которой изучается связь между потеплением океана в последние полвека и интенсивностью атлантических ураганов. Сегодня на Газете.ру появилась заметка Пора готовиться к худшему, первая половина которой посвящена этой работе.

На мой взгляд, заметка на Газете.ру, особенно ее вступление

Учёные рисуют всё более ужасающие картины глобального потепления ... Серия работ в Nature и Science пророчит нам голод, засухи и ураганы.

заставляет читателя сделать вывод, что-де ученые четко доказали, что глобальное потепление приводит к усилению атлантических ураганов. Так вот, это неверно -- это НЕ доказано, по крайней мере, пока что. В аннотации оригинальной статьи так и сказано прямым текстом:

Our analysis does not identify whether warming induced by greenhouse gases contributed to the increase in hurricane activity...

Конкретно, пока остается неизвестным, является ли усилившаяся с 1970-х годов ураганная активность в Атлантике прямым результатом дополнительного нагревания океана (значительную роль в котором сыграл человек), или же в основном отражает естественную цикличность, вызванную Атлантическим Междекадным колебанием. Сама эта работа только устаналивает статистическую корреляцию между приповерхностной температурой океана и ураганной активностью, без каких-либо причинных связей и в пренебрежении многими другими возможными степенями свободы, кроме температуры и ветров.

Я добавлю еще две вещи.

Во-первых, чтоб не возникал соблазн переносить эти выводы вообще на все утверждения про глобальные изменения климата. Есть два класса климатических наблюдений: те, которые мы делаем только сейчас, т.е. в последние десятилетия (сюда относится и ураганная активность), и те, которые мы можем делать и в далеком прошлом -- века, тысячелетия, миллионы лет назад -- благодаря анализу отложений (сюда относятся, в частности, концентрация газов, температура, ледовый покров и т.д.). Из наблюдений первой группы можно делать только осторожные выводы (и то, опирающиеся на климатические модели), т.к. пока плохо известна естественная динамика климата (даже при фиксированных внешних условиях!) на масштабах в десятки лет. Из наблюдений второй группы можно делать очень надежные выводы.

Во-вторых, чем плохо, когда журналист делает вывод, намного более сильный, чем в оригинальной статье. В науке часто бывает, что для описания какого-то не очень понятого явления выдвигаются противоположные гипотезы. Иногда даже авторы этих гипотез считают, что те или иные наблюдения их поддерживают. Такая ситуация совершенно нормальна.

Однако если журналист в обоих случаях превратит гипотезу в доказанное утверждение, то получится когнитивный диссонанс бессмыслица -- читатель прочитает, что ученые якобы доказали противоположные вещи. Это в глазах простого читателя обессмысливает достижения современной науки (с пониманием которых у него и так тяжело).

Более подробно см. также дискуссию вот тут (та дискуссия была вызвана сообщениями, что существование черных дыр окончательно доказано, и -- одновременно с ними! -- что существование черных дыр опровергнуто).

Возвращаясь к климатологии, если кому интересна эта тема, то для ознакомления на русском языке я могу порекомендовать "Ответы на часто задаваемые вопросы" из последнего отчета IPCC (ссылка Frequently Asked Questions в Рабочей группе 1, PDF, ~ 10 Мб, 44 стр.)

Химеры в динамических системах

На днях в Physical Review Letters вышла забавная статья Chimera States: The Natural Link Between Coherence and Incoherence, Phys.Rev.Lett.100, 044105 (2008). В этой работе рассказывается, что химерные состояния в динамических системах, открытые несколько лет назад, играют роль переходных состояний между полным хаосом и полным порядком.

Динамическая система -- это, грубо говоря, любой набор предметов, который как-то движется по действием сил, действующих между ними. Очень интересный пример динамической системы -- это набор одинаковых осцилляторов, как-то действующих друг на друга. Если связь между ними слабая, то они будут колебаться не в фазе, некогерентно. Если же связь достаточно сильная, то может наступить синхронизация колебаний всех осцилляторов. Фазовый переход, связанный со спонтанной синхронизацией, возникает в разных областях физики, химии, биологии.

Долгое время во всех изученных случаях система вела себя или целиком некогерентно, или целиком когерентно. Но несколько лет назад обнаружился класс моделей, в которых возникали неожиданные, "противоестественные" решения: в них часть осцилляторов колеблется когерентно, а часть -- беспорядочно. Такие решения назвали "химерными", см. nlin/0407045 ("химера", в классическом значении слова, это животное, противоестественно составленное из нескольких других живых существ).

Вообще, их необычность состоит в том, что они возникают в системах глобально связанных осцилляторов, т.е. когда каждый осциллятор чувствует не соседей, а как бы "среднюю силу" от всех осцилляторов в системе. Казалось бы, если все связаны со всеми одинаковым образом, то тогда все осцилляторы должны колебаться одинаковым образом -- или синхронно, или беспорядочно. Так оно и происходит, когда связь каждого осциллятора со "средним полем" однородна. Химеры возникают тогда, когда сила этой связи неоднородна -- например, сильнее в центре и слабее по краям системы. Тогда в центре осцилляторы будут колебаться синхронно, а на периферии -- беспорядочно.

До сих пор считалось, что химерные решения очень "хрупки". Т.е. если они в какой-то модели и встречаются, то при очень избранных начальных условиях. Чуть изменить начальные условия -- и химеры исчезают. То есть, до сих пор во всех проверенных случаях они казались большой экзотикой.

А в новой работе показано, что в широком классе динамических систем химеры не только не являются экзотикой, но и возникают стабильно при типичных начальных условиях. Более того, показано, что химерные решения являются естественным переходным состоянием между полностью синхронным и беспорядочным колебанием; т.е. столь же полноправным "агрегатным состоянием" динамической системы, как и первые два.

Теперь предстоит узнать, в каких именно динамических системах возникают химеры. А там, может быть, найдутся и практические приложения (как это в свое время произошло со стохастическим резонансом).

Квантовый эффект Зенона в домашних условиях

Квантовый эффект Зенона в домашних условиях: если засыпающего человека время от времени спрашивать "Ты уже уснул? Ты уже уснул?", то скорость его засыпания уменьшится. :)