Вот меня практически во всех зарубежных университетах, с которыми я близко знакомился, поражает одна вещь. Образование (по крайней мере на физфаке) везде сильно смещено в сторону лекций, а доля семинаров очень мала. Более того, семинары проходят как правило, по лекционной схеме: преподаватель сам рассказывает у доски решение задач, а студенты это себе переписывают.
После нашего ФФ мне это кажется просто диким. Совершенно очевидно, что для подавляющего большинства студентов ключевым моментом реального запоминания материала является процесс самостоятельного решения задачи. Не по шаблону, который только что показали, а именно самостоятельного придумывания того, как использовать полученную на лекции информацию. А такой подход, с которым я встречался в Европе, словно специально подобран так, чтобы эти способности атрофировались. В результате получается так, что студент влёт пишет лагранжиан системы, но не может самостоятельно решить простую задачу не по шаблону.
Поразительно еще и то, что преподаватели, с которыми я разговаривал на эту тему (и которые высоко ценят советскую физическую школу!), вроде бы понимают, что это плохо, что это надо менять. Но до реальных действий -- хотя бы в своих курсах! -- дело никогда не доходит. Всё упирается в то, что менять этот подход надо с самого первого курса, т.е. на уровне факультета целиком, а это административно неподъемная вещь.
Когда я в Италии вел семинары по квантовой механике, я с самого начала объяснял студентам, как я буду их вести. Что решать будут они, а не я, что я буду вызывать к доске -- и это вовсе не наказание, а наоборот, шанс четче понять задачу (а иногда я вызывал к доске сразу двоих для независимого решения), и т.д. Мне студенты попадались хорошие, и хотя это было им непривычно, в течение нескольких семинаров они перестраивались на новый лад. И судя по анонимнх отзывам в конце курса, они оценили пользу от этого. Впрочем, не все -- один назвал меня "Сталиным" :).
Если кто из читателей преподавал в зарубежных универах, расскажите, как обстояло дело у вас? Были ли попытки преодоления такой студенческой пассивности?
31 августа 2008 г.
29 августа 2008 г.
Школьная задачка и удивительный ответ
Кстати, насчет удивительных вещей в физике. Вспомнилась мне такая вот школьная задачка с очень простым решением, но удивительным -- и на первый наивный взгляд даже противоестественным -- ответом.
В школе механические колебания изучают на двух примерах: грузик на пружинке и материальная точка, подвешенная на нерастяжимой нити в поле тяжести.
В первом случае задают массу грузика m и жесткость пружины k, и тогда частота колебаний получается равной:
Во втором случае важными параметрами являются ускорение свободного падения g и длина нити L, и тогда частота (малых) колебаний равна
А теперь рассмотрим маятник на пружинке, подвешенный в поле тяжести. Он задается четырьмя параметрами: k, m, g, L0 (последнее -- это длина нерастянутой пружинки). Этот маятник может колебаться как вертикально (т.е. словно грузик на пружинке), или горизонтально (словно обычный маятник). На основании написанных выше формул может возникнуть естественное ощущение, что частоты этих двух колебаний могут соотноситься друг с другом произвольно -- ведь они выражаются через разные, не связанные друг с другом параметры!
А на самом деле, частота вертикальных колебаний всегда строго больше частоты горизонтальных. Доказывается в одну строчку.
А вообще у этого маятника есть и гораздо более интересные свойства. При соотношении частот ωy=2ωx имеет место так называемый резонанс Ферми. Горизонтальные и вертикальные колебания начинают резонансно взаимодействовать, и энергия перетекает из одних колебаний в другие и обратно. Говорят, Энрико Ферми впервые понял, как за счет этого механизма объяснить спектр колебаний молекулы CO2.
Я всё хочу как-нибудь написать подробнее про этот резонанс, т.к. он, на мой взгляд, служит отличным примером визуализации нестабильных частиц. В данном случае "квант вертикальных колебаний" как бы распадается на два "кванта горизонтальных колебаний".
В школе механические колебания изучают на двух примерах: грузик на пружинке и материальная точка, подвешенная на нерастяжимой нити в поле тяжести.
В первом случае задают массу грузика m и жесткость пружины k, и тогда частота колебаний получается равной:
Во втором случае важными параметрами являются ускорение свободного падения g и длина нити L, и тогда частота (малых) колебаний равна
А теперь рассмотрим маятник на пружинке, подвешенный в поле тяжести. Он задается четырьмя параметрами: k, m, g, L0 (последнее -- это длина нерастянутой пружинки). Этот маятник может колебаться как вертикально (т.е. словно грузик на пружинке), или горизонтально (словно обычный маятник). На основании написанных выше формул может возникнуть естественное ощущение, что частоты этих двух колебаний могут соотноситься друг с другом произвольно -- ведь они выражаются через разные, не связанные друг с другом параметры!
А на самом деле, частота вертикальных колебаний всегда строго больше частоты горизонтальных. Доказывается в одну строчку.
А вообще у этого маятника есть и гораздо более интересные свойства. При соотношении частот ωy=2ωx имеет место так называемый резонанс Ферми. Горизонтальные и вертикальные колебания начинают резонансно взаимодействовать, и энергия перетекает из одних колебаний в другие и обратно. Говорят, Энрико Ферми впервые понял, как за счет этого механизма объяснить спектр колебаний молекулы CO2.
Я всё хочу как-нибудь написать подробнее про этот резонанс, т.к. он, на мой взгляд, служит отличным примером визуализации нестабильных частиц. В данном случае "квант вертикальных колебаний" как бы распадается на два "кванта горизонтальных колебаний".
28 августа 2008 г.
Зачем нужен этот LHC?
Узнав впервые о существовании LHC, повосхищавшись его размерами, поудивлявшись непонятности и практической бесполезности его задач, читатель, как правило, задает вопрос: а зачем вообще нужен этот LHC? (иногда, впрочем, и в более крепких выражениях :) )
Я написал для научно-популярного проекта про LHC страничку Зачем вообще нужен LHC?, где попытался дать ответы на несколько вопросов, которые могут подразумеваться под этим. Ответы, конечно, субъективные, но надеюсь, они кому-то покажутся убедительными и интересными.
Конкретные подвопросы:
Если что-то вам показалось очень неубедительным, скажите, приму к сведению на будущее.
Я написал для научно-популярного проекта про LHC страничку Зачем вообще нужен LHC?, где попытался дать ответы на несколько вопросов, которые могут подразумеваться под этим. Ответы, конечно, субъективные, но надеюсь, они кому-то покажутся убедительными и интересными.
Конкретные подвопросы:
- Зачем обществу нужна фундаментальная наука?
- Почему фундаментальной наукой занимаются сами ученые?
- Кому нужны элементарные частицы?
- Зачем надо изучать нестабильные частицы?
- Зачем нужны такие огромные ускорители?
- Зачем нужны такие дорогие эксперименты?
Если что-то вам показалось очень неубедительным, скажите, приму к сведению на будущее.
26 августа 2008 г.
GLAST & PAMELA
Пара коротких новостей.
Сегодня в NASA состоится пресс-конференция, на которой будут объявлены первые результаты недавно запущенного спутника GLAST. Этот спутник детектирует фотоны высоких энергий и особенно полезен для изучения гамма-всплесков.
Для ознакомления с гамма-астрономией рекомендую популярную статью Сергея Попова Экстремальные источники для экстремальных приборов: гамма-наблюдения из космоса
Вторая новость пока на уровне слухов: утверждается, что спутник PAMELA, наблюдающий за высокоэнергетическими позитронами и антипротонами, обнаружил заметное превышение потока позитронов в области 10-60 ГэВ над фоном. Ожидается, что подобные сигналы как раз возникают при аннигиляции частиц темной материи. Т.е. если не будет найдено другое объяснение, этот результат может стать косвенным наблюдением частиц темной материи.
Статья коллаборации готовится к печати в Nature, а пока некоеторые подробности можно узнать из заметки в Nature и блоге Resonaances.
Сегодня в NASA состоится пресс-конференция, на которой будут объявлены первые результаты недавно запущенного спутника GLAST. Этот спутник детектирует фотоны высоких энергий и особенно полезен для изучения гамма-всплесков.
Для ознакомления с гамма-астрономией рекомендую популярную статью Сергея Попова Экстремальные источники для экстремальных приборов: гамма-наблюдения из космоса
Вторая новость пока на уровне слухов: утверждается, что спутник PAMELA, наблюдающий за высокоэнергетическими позитронами и антипротонами, обнаружил заметное превышение потока позитронов в области 10-60 ГэВ над фоном. Ожидается, что подобные сигналы как раз возникают при аннигиляции частиц темной материи. Т.е. если не будет найдено другое объяснение, этот результат может стать косвенным наблюдением частиц темной материи.
Статья коллаборации готовится к печати в Nature, а пока некоеторые подробности можно узнать из заметки в Nature и блоге Resonaances.
Арктика тает
Кстати, есть еще одна вещь (кроме запуска LHC), за которой интересно будет следить в начале сентября -- за таянием арктических льдов.
Каждый год, в районе первых чисел сентября площадь Северного ледовитого океана, покрытая морским льдом, проходит через сезонный минимум. Начиная с 1960-х годов, этот минимум постепенно ползет вниз, но в последние годы это падение совсем ускорилось.
В прошлом году площадь льдов летом резко нырнула вниз, побив все рекорды. В этом году вроде бы льда было побольше, однако последние недели начало происходить нечто интересное -- темп таяния льдов не уменьшается. Причина в том, что новый лед, который намёрз за зиму -- слишком тонок. А тает лед не только сверху, от Солнца и воздуха, но и снизу -- от теплых вод. И сейчас как раз тот этап, когда таяние сверху остановилось, а снизу еще продолжается.
Так что вполне может оказаться, что и в этом году будет в очередной раз побит рекорд летнего минимума. А дальше -- только хуже. Чем больше растает в этом году, тем больше будет процент тонкого льда в следующем, и тем легче он растает следующим летом.
Кстати, самый толстый, многолетний лед находится вовсе не на северном полюсе, а у северных берегов Канады. Так что может оказаться так, что через пару-тройку лет Северный полюс в сентябре будет освобождаться ото льда.
Текущие данные, анализ, архивы наблюдений и т.д. см. на сайте Arctic Sea Ice News & Analysis.
Введение про арктический климат (на трех уровнях подробности) см. на сайте Scientific Facts on Arctic Climate Change.
Площадь морских льдов в Северном ледовитом океане. Источник: Arctic Sea Ice News & Analysis
Каждый год, в районе первых чисел сентября площадь Северного ледовитого океана, покрытая морским льдом, проходит через сезонный минимум. Начиная с 1960-х годов, этот минимум постепенно ползет вниз, но в последние годы это падение совсем ускорилось.
Площадь арктических морских льдов в течение последнего века (источник).
В прошлом году площадь льдов летом резко нырнула вниз, побив все рекорды. В этом году вроде бы льда было побольше, однако последние недели начало происходить нечто интересное -- темп таяния льдов не уменьшается. Причина в том, что новый лед, который намёрз за зиму -- слишком тонок. А тает лед не только сверху, от Солнца и воздуха, но и снизу -- от теплых вод. И сейчас как раз тот этап, когда таяние сверху остановилось, а снизу еще продолжается.
Так что вполне может оказаться, что и в этом году будет в очередной раз побит рекорд летнего минимума. А дальше -- только хуже. Чем больше растает в этом году, тем больше будет процент тонкого льда в следующем, и тем легче он растает следующим летом.
Кстати, самый толстый, многолетний лед находится вовсе не на северном полюсе, а у северных берегов Канады. Так что может оказаться так, что через пару-тройку лет Северный полюс в сентябре будет освобождаться ото льда.
Текущие данные, анализ, архивы наблюдений и т.д. см. на сайте Arctic Sea Ice News & Analysis.
Введение про арктический климат (на трех уровнях подробности) см. на сайте Scientific Facts on Arctic Climate Change.
Проблема фермионного знака
В сегоднящнем выпуске архива епринтов появилась статья S.D.H.Hsu, D.Reeb, "Sign problem? No problem -- a conjecture", arXiv:0808.2987, которая имеет шанс стать важной сразу в нескольких областях физики. Она касается так называемой "проблемы фермионного знака", которая возникает при численных расчетах в многофермионных задачах (многоэлектронные молекулы, электроны в твердом теле, КХД при ненулевой температуре и ненулевом химическом потенциале).
Те, кто имеет хоть некоторый опыт численных расчетов, знают, какую мороку доставляет численное суммирование знакопеременных рядов. Попробуйте просуммировать численно в лоб на компьютере такой ряд:
^{n}\over~n!}+\dots)
У вас быстро перестанет хватать точности представления чисел. А между тем, вся эта сумма равна exp(-100).
Нечто подобное есть и в физике -- при численных расчетах методом Монте-Карло квантовых многофермионных систем, например, многоэлектронных молекул или кварк-глюонной плазмы с учетом свободно рождающихся и исчезающих легких кварков. Когда начинаешь что-то вычислять для таких систем (в стафизике обычно начинают со статсуммы и "взвешивают с ней" различные операторы), то искомая величина содержит огромное число слагаемых, часть из которых входят со знаком плюс, а часть -- со знаком минус. Эти слагаемые сильно компенсируются, так что остаточная погрешность в численных расчетах быстро растет с числом слагаемых. В результате этого компьютерное время экспоненциально растет с ростом числа частиц (доказано, что это NP-трудная задача), что делает практически невозможными расчеты для мало-мальски больших систем.
В новой статье делается следующий трюк. Вся статсумма Z разбивается на две части, Z+ и Z-, с положительным и отрицательным значением реальной частиц фермионного детерминанта. Затем после некоторых оценочных выкладок авторы формулируют свою основную гипотезу:
Доказать эту гипотезу авторы пока не могут. Более того, они говорят, что бывают такие задачи, где "особые" области могут быть вовсе не особые, а наоборот, регулярные, и тогда их гипотеза там не пригодится. Но если для общих многофермионных задач ее удастся доказать, то это приведет к резкому прогрессу в некоторых областях физики твердого тела и в КХД на решетках.
Кстати, вот блог одного из авторов этой работы.
Те, кто имеет хоть некоторый опыт численных расчетов, знают, какую мороку доставляет численное суммирование знакопеременных рядов. Попробуйте просуммировать численно в лоб на компьютере такой ряд:
У вас быстро перестанет хватать точности представления чисел. А между тем, вся эта сумма равна exp(-100).
Нечто подобное есть и в физике -- при численных расчетах методом Монте-Карло квантовых многофермионных систем, например, многоэлектронных молекул или кварк-глюонной плазмы с учетом свободно рождающихся и исчезающих легких кварков. Когда начинаешь что-то вычислять для таких систем (в стафизике обычно начинают со статсуммы и "взвешивают с ней" различные операторы), то искомая величина содержит огромное число слагаемых, часть из которых входят со знаком плюс, а часть -- со знаком минус. Эти слагаемые сильно компенсируются, так что остаточная погрешность в численных расчетах быстро растет с числом слагаемых. В результате этого компьютерное время экспоненциально растет с ростом числа частиц (доказано, что это NP-трудная задача), что делает практически невозможными расчеты для мало-мальски больших систем.
В новой статье делается следующий трюк. Вся статсумма Z разбивается на две части, Z+ и Z-, с положительным и отрицательным значением реальной частиц фермионного детерминанта. Затем после некоторых оценочных выкладок авторы формулируют свою основную гипотезу:
В пределе большого числа частиц, Z+ экпоненциально доминирует над Z- почти везде на фазовой диаграмме, кроме особых областей.
Доказать эту гипотезу авторы пока не могут. Более того, они говорят, что бывают такие задачи, где "особые" области могут быть вовсе не особые, а наоборот, регулярные, и тогда их гипотеза там не пригодится. Но если для общих многофермионных задач ее удастся доказать, то это приведет к резкому прогрессу в некоторых областях физики твердого тела и в КХД на решетках.
Кстати, вот блог одного из авторов этой работы.
23 августа 2008 г.
... преодолевая скорость света на тысячи порядков...
Поскольку РИА "Новости" в очередной раз подтвердило свою репутацию флагмана мракобесия, придется прокомментировать недавнее их сообщение об возможности создания двигателя, с помощью которого можно, цитирую, преодолеть световой порог на тысячи порядков.
Источником послужили статьи R.Obousy, G.Cleaver, "Warp Drive: A New Approach" (arXiv:0712.1649) и "Putting the Warp into Warp Drive" (arXiv:0807.1957). Первая статья опубликована в "Журнале Британского Межпланетного Общества", что лишний раз подчеркивает, что ни в каком серьезном журнале по физике микромира или теории гравитации ее не взяли (бы), а вторая пока просто лежит в архиве епринтов.
Идею авторы почерпнули из научной фантастики: для перемещения сжимать пространство впереди себя и расширять позади себя. Конкретная реализация предлагается такая: если в нашем мире существуют дополнительные пространственные измерения, свернутые в маленькие петли (см. популярную заметку Трехмерен ли наш мир?), то увеличивая или уменьшая радиус этих петель, можно добиться большой положительной или отрицательной энергии в пространстве. Область пространства с положительной энергией будет сжиматься, область с отрицательной -- расширяться. В результате кусок пространства вместе с кораблем будет лететь вперед со скоростью, не ограниченной скоростью света.
На этом хоть сколько-нибудь осмысленная часть работ заканчивается и начинается поток безответственных словесных упражнений.
Резюмируя: это не научная работа, это безответственная игра словами и формулами. Эта заметка не отражает никакого научного достижения.
Ну а в самой заметке РИА Новостей стоит отметить, с каким бесстыдством журналисты манипулируют комментариями, взятыми у специалиста. Вся новость написана в очень позитивном ключе, и комментарии специалистов они представили так, словно ученые действительно серьезно рассматривают возможность создания такого двигателя.
Источником послужили статьи R.Obousy, G.Cleaver, "Warp Drive: A New Approach" (arXiv:0712.1649) и "Putting the Warp into Warp Drive" (arXiv:0807.1957). Первая статья опубликована в "Журнале Британского Межпланетного Общества", что лишний раз подчеркивает, что ни в каком серьезном журнале по физике микромира или теории гравитации ее не взяли (бы), а вторая пока просто лежит в архиве епринтов.
Идею авторы почерпнули из научной фантастики: для перемещения сжимать пространство впереди себя и расширять позади себя. Конкретная реализация предлагается такая: если в нашем мире существуют дополнительные пространственные измерения, свернутые в маленькие петли (см. популярную заметку Трехмерен ли наш мир?), то увеличивая или уменьшая радиус этих петель, можно добиться большой положительной или отрицательной энергии в пространстве. Область пространства с положительной энергией будет сжиматься, область с отрицательной -- расширяться. В результате кусок пространства вместе с кораблем будет лететь вперед со скоростью, не ограниченной скоростью света.
На этом хоть сколько-нибудь осмысленная часть работ заканчивается и начинается поток безответственных словесных упражнений.
- Авторы хотят произвести впечатление, что теоретически всё возможно, дело только за технологией. На самом же деле описанная манипуляция с размерами дополнительных пространственнх измерений невозможна просто по построению. Дело в том, что мы эти дополнительные измерения не чувствуем как раз потому, что ни вещество, ни поля в него не распространяются. Поэтому никакое устройство из обычного вещества само по себе не способно повлиять на эти измерения.
Дополнительные измерения чувствует только гравитационное поле. Поэтому если мы вообще хотим хоть что-то "запустить" в эти дополнительные измерения, надо научиться создавать сверхкомпактные гравитационные объекты и запулить их в дополнительные пространства. Как это сделать -- непонятно даже в принципе. - Для доказательства реальности областей пространства с отрицательной энергией, авторы приводят эффект Казимира. Более того, они утверждают, что свернутое в петлю дополнительное измерение будет как раз играть роль зазора между пластинами в эффекте Казимира. Это всё глупости, т.к. электромагнитные поля в дополнительные измерения не просачиваются. А создать эффект Казимира на основе грав.поля нереально, т.к. никакое вещество не является непрозрачным для гравитонов.
Кроме того, уже неоднократно подчеркивалось, что эффект Казимира -- это просто ван-дер-ваальсовы силы в определенном режиме. Это не проявление энергии вакуума. Эффект Казимира не имеет прямого отношения к космологической постоянной. См. подробнее hep-th/0503158. - Авторы приводят численные оценки энергии, необходимой для движения (пишут, что надо потратить энергетический эквивалент массы Юпитера). Они умалчивают то, что эта энергия должна быть сконцентрирована в виде гравитационного поля и запульнута в дополнительные измерения. Как это сделать, еще раз повторюсь, неясно даже в принципе. А ведь это надо сделать к тому же дистанционно -- т.е. впереди корабля и позади корабля.
Резюмируя: это не научная работа, это безответственная игра словами и формулами. Эта заметка не отражает никакого научного достижения.
Ну а в самой заметке РИА Новостей стоит отметить, с каким бесстыдством журналисты манипулируют комментариями, взятыми у специалиста. Вся новость написана в очень позитивном ключе, и комментарии специалистов они представили так, словно ученые действительно серьезно рассматривают возможность создания такого двигателя.
16 августа 2008 г.
Конфигурационное пространство запутанных состояний
В посте про запутанные состояния я сказал, что такие состояния можно представлять себе так, словно они "живут" не в обычном конфигурационном пространстве, а в некотором более сложном пространстве, а мы видим как бы его "проекцию" на наше пространство и потому удивляемся свойствам запутанных частиц.
Вот для иллюстрации простой конкретный пример.
Пусть есть две частицы. Рассмотрим сначала случай незапутанного состояния. Пусть волновая функция первой частицы есть ψ(x), а второй -- χ(y), причем эти волновые функции, вообще говоря, разные. Здесь x и y -- обычные вектора из трехмерного пространства R3. Волновая функция этого двухчастичного состояния тогда есть
Ψ(x,y) = ψ(x)χ(y).
Если ввести полусумму и полуразность этих координатных векторов, R = (x+y)/2, r = (x-y)/2, то в новых координатах двухчастичная волновая функция будет
Ψ(R,r) = ψ(R+r)χ(R-r).
При фиксированном R, у нас остается полноправная координата r, пробегающая все точки пространствеа R3 и дающая, вообще говоря, разные состояния.
А теперь рассмотрим конкретный пример запутанного двухчастичного состояния:
Ψ(x,y) = ψ(x)χ(y) + χ(x)ψ(y)
или в новых координатах
Ψ(R,r) = ψ(R+r)χ(R-r) + χ(R+r)ψ(R-r).
При любом фиксированном R, координаты r и -r всегда приводят к одним и тем же состояниям, каковы бы ни были ψ и χ. Т.е. точки r и -r можно считать "склеенными". Т.е. это двухчастичное состояние может быть определено в пространстве, составляющем "половину" R3×R3.
Вот для иллюстрации простой конкретный пример.
Пусть есть две частицы. Рассмотрим сначала случай незапутанного состояния. Пусть волновая функция первой частицы есть ψ(x), а второй -- χ(y), причем эти волновые функции, вообще говоря, разные. Здесь x и y -- обычные вектора из трехмерного пространства R3. Волновая функция этого двухчастичного состояния тогда есть
Ψ(x,y) = ψ(x)χ(y).
Если ввести полусумму и полуразность этих координатных векторов, R = (x+y)/2, r = (x-y)/2, то в новых координатах двухчастичная волновая функция будет
Ψ(R,r) = ψ(R+r)χ(R-r).
При фиксированном R, у нас остается полноправная координата r, пробегающая все точки пространствеа R3 и дающая, вообще говоря, разные состояния.
А теперь рассмотрим конкретный пример запутанного двухчастичного состояния:
Ψ(x,y) = ψ(x)χ(y) + χ(x)ψ(y)
или в новых координатах
Ψ(R,r) = ψ(R+r)χ(R-r) + χ(R+r)ψ(R-r).
При любом фиксированном R, координаты r и -r всегда приводят к одним и тем же состояниям, каковы бы ни были ψ и χ. Т.е. точки r и -r можно считать "склеенными". Т.е. это двухчастичное состояние может быть определено в пространстве, составляющем "половину" R3×R3.
15 августа 2008 г.
Опубликована самая полная техническая информация по LHC
Всё, что вы давно хотели узнать про LHC, но боялись спросить ленились поискать среди кучи разношерстных материалов -- теперь собрано вместе. В августовком выпуске журнала Journal of Instrumentation появились 7 подробнейших обзоров по устройству самого ускорителя LHC ("машины", как говорят ускорительщики) и шести экспериментов на нем. Все обзоры в свободном доступе (пока, по крайней мере).
Вот подробный список:
Вот подробный список:
- LHC Machine, 164 стр.
- The ALICE experiment at the CERN LHC, 259 стр.
- The ATLAS Experiment at the CERN Large Hadron Collider, 437 стр.
- The CMS experiment at the CERN LHC, 361 стр.
- The LHCb Detector at the LHC, 217 стр.
- The LHCf detector at the CERN Large Hadron Collider, 39 стр.
- The TOTEM Experiment at the CERN Large Hadron Collider, 112 стр.
На фото -- машина для наматывания катушек сверхпроводящих магнитов.
14 августа 2008 г.
Запутанные частицы и скорость света
Несмотря на ночной час, улицы заполнены шумной толпой, а под окном грохочет (типа) музыка. Народ Свободной республики Outremeuse отмечает великий праздник 15 августа. :) Несмотря на постоянное бумкание и крики, попробую сосредоточиться и написать кое-какие комментарии по поводу вчерашней статьи в Nature, наделавшей много шороху в Рунете. Я технические подробности опущу, хотя они тоже интересны, а просто поясню, что на самом деле сделано и чего не сделано в этой работе.
Сначала одним абзацем, в самых простых словах.
В квантовой механике есть непривычные явления, про это слышали наверно все. Почти никто из физиков не верит, что эти квантовые явления можно свести к каким-то наивным механистическим взаимодействиям. Но если всё же на минуту предположить, что такое механистическое взаимодействие существует, то у него обязательно будут очень корявые свойства, например, сверхсветовая передача "сигналов". Вообще-то, это очевидно и так, по построению. Новый эксперимент это подтвердил лишний раз. Всё, больше ничего в нем получено не было.
Теперь подробнее. Букв будет много, но они, я надеюсь, будут понятные.
1.
Сначала -- вводная.
В привычном нам мире составной предмет всегда можно разделить на отдельные части: вот одна часть, вот другая, а вот -- взаимодействие между ними. В микромире (который описывается квантовой механикой) это можно сделать не всегда. В нем возможны такие состояния нескольких частиц, которые невозможно разделить на отдельные частицы с определенными свойствами. Как именно это описывается -- не так важно, главное, такое в нашем мире происходит. Такие состояния называются "запутанными состояниями".
Кстати, знаменитый принцип тождественности частиц, на котором по сути "работают" лазеры, бозе-конденсаты, электронные оболочки атомов, нейтронные звезды и т.д. -- тоже опирается на возможность таких состояний.
Так вот, эти запутанные состояния обладают особыми, квантово-механическими корреляциями между частями. Корреляции -- это когда свойства одной части влияют на свойства другой части. Это не значит, что эти части реально, физически взаимодействуют. Нет. Сам факт существования многочастичного состояния, не расщепляемого на отдельные частицы, уже приводит к таким квантовым корреляциям.
При этом сами части (а точнее, то что мы воспринимаем как отдельные части этой системы) могут находиться сколько угодно далеко друг от друга в нашем обычном пространстве, но тем не менее между ними существует корреляция, условно говоря, в реальном времени. Эти корреляции можно измерить, что уже давно было проделано во многих экспериментах.
2.
Доказано, что такие -- казалось бы, мгновенные -- корреляции не приводят ни к каким нарушениям теории относительности. С их помощью нельзя передать быстрее скорости света ни материю, ни информацию. (Поэтому утверждение некоторых СМИ, что в этой работы была достигнута передача информации быстрее скорости света, просто неверна.) Но всё равно, многим людям от такой ситуации некомфортно, и они пытаются найти способы объяснить такие корреляции более интуитивно понятным способом.
Один из них -- предположить, что есть некий тип сил, который чувствуют исключительно запутанные состояния частиц. Что это могут быть за силы, совершенно непонятно, никаких экспериментальных свидетельств в их пользу не существует -- но как говорится, мало ли!
Главная задача этих сил -- дать возможность запутанным частицам обмениваться "информацией". В кавычках -- потому что это некая своя "внутренняя" информация, которая доступна только этим частицам. Нам она недоступна, использовать ее для передачи сигналов мы не можем. Тогда в рамках этой гипотезы нет никаких загадочных корреляций -- есть просто быстрый переброс "информации" от одной частицы к другой.
Из самой постановки задачи вытекает, что этот переброс "информации" обязать быть сверхсветовым. Но сверхсветовой -- может быть как бесконечно быстрый, так и с конечной (правда, большой) скоростью. В любом случае можно попытаться получить в эксперименте ограничение снизу на скорость такого мифического взаимодействия (при условии, конечно, что оно существует, во что практически никто не верит).
3.
Такие эксперименты проводились и раньше. В них были получены некие ограничения снизу на эту скорость. Новый эксперимент отличается только одним новшеством -- его авторы научились избегать предположений о том, в какой системе отсчета это взаимодействие распространяется с этой скоростью. Они в некотором смысле сразу "прощупали" почти все системы отсчета, и ни в одной из них не обнаружили конечность скорости распространения. Это -- единственная новизна эксперимента.
Всё, на этом работа заканчивается, и все дальнейшие рассуждения остаются на совести их авторов :)
4.
Читатель может всё-таки поинтересоваться -- если физики не верят в такое "механистически-тупое" происхождение квантовых корреляций, то как же они их объясняют?
Увы, они пока не имеют какого-то интуитивно понятного объяснения. Возможно, потому что мы пока не нашли его, но скорее всего -- потому что его просто нет. Ведь наивно думать, что наши органы чувств (а значит, и выработанные на основе них интуитивные ощущения) дают самое объективное отражение реальности. Вполне могут существовать пласты реальности, которые мы не можем себе вообразить из-за ограниченности нашего воображения. Мы просто мы "не научены" их представлять. И ничего страшного или загадочного в этом нет. Просто надо принять это и научиться работать с вещами, которые не можешь вообразить себе.
В случае с запутанными частицами, надо просто принять, что квантовые частицы "живут" не в привычном нам трехмерным пространстве, а в своем, более сложном конфигурационном пространстве. А мы видим как бы проекцию этого пространства и удивляемся, какое оно необычное.
Update: написал на "Элементах" новость, в которой чуть больше подробностей про сам эксперимент.
Сначала одним абзацем, в самых простых словах.
В квантовой механике есть непривычные явления, про это слышали наверно все. Почти никто из физиков не верит, что эти квантовые явления можно свести к каким-то наивным механистическим взаимодействиям. Но если всё же на минуту предположить, что такое механистическое взаимодействие существует, то у него обязательно будут очень корявые свойства, например, сверхсветовая передача "сигналов". Вообще-то, это очевидно и так, по построению. Новый эксперимент это подтвердил лишний раз. Всё, больше ничего в нем получено не было.
Теперь подробнее. Букв будет много, но они, я надеюсь, будут понятные.
1.
Сначала -- вводная.
В привычном нам мире составной предмет всегда можно разделить на отдельные части: вот одна часть, вот другая, а вот -- взаимодействие между ними. В микромире (который описывается квантовой механикой) это можно сделать не всегда. В нем возможны такие состояния нескольких частиц, которые невозможно разделить на отдельные частицы с определенными свойствами. Как именно это описывается -- не так важно, главное, такое в нашем мире происходит. Такие состояния называются "запутанными состояниями".
Кстати, знаменитый принцип тождественности частиц, на котором по сути "работают" лазеры, бозе-конденсаты, электронные оболочки атомов, нейтронные звезды и т.д. -- тоже опирается на возможность таких состояний.
Так вот, эти запутанные состояния обладают особыми, квантово-механическими корреляциями между частями. Корреляции -- это когда свойства одной части влияют на свойства другой части. Это не значит, что эти части реально, физически взаимодействуют. Нет. Сам факт существования многочастичного состояния, не расщепляемого на отдельные частицы, уже приводит к таким квантовым корреляциям.
При этом сами части (а точнее, то что мы воспринимаем как отдельные части этой системы) могут находиться сколько угодно далеко друг от друга в нашем обычном пространстве, но тем не менее между ними существует корреляция, условно говоря, в реальном времени. Эти корреляции можно измерить, что уже давно было проделано во многих экспериментах.
2.
Доказано, что такие -- казалось бы, мгновенные -- корреляции не приводят ни к каким нарушениям теории относительности. С их помощью нельзя передать быстрее скорости света ни материю, ни информацию. (Поэтому утверждение некоторых СМИ, что в этой работы была достигнута передача информации быстрее скорости света, просто неверна.) Но всё равно, многим людям от такой ситуации некомфортно, и они пытаются найти способы объяснить такие корреляции более интуитивно понятным способом.
Один из них -- предположить, что есть некий тип сил, который чувствуют исключительно запутанные состояния частиц. Что это могут быть за силы, совершенно непонятно, никаких экспериментальных свидетельств в их пользу не существует -- но как говорится, мало ли!
Главная задача этих сил -- дать возможность запутанным частицам обмениваться "информацией". В кавычках -- потому что это некая своя "внутренняя" информация, которая доступна только этим частицам. Нам она недоступна, использовать ее для передачи сигналов мы не можем. Тогда в рамках этой гипотезы нет никаких загадочных корреляций -- есть просто быстрый переброс "информации" от одной частицы к другой.
Из самой постановки задачи вытекает, что этот переброс "информации" обязать быть сверхсветовым. Но сверхсветовой -- может быть как бесконечно быстрый, так и с конечной (правда, большой) скоростью. В любом случае можно попытаться получить в эксперименте ограничение снизу на скорость такого мифического взаимодействия (при условии, конечно, что оно существует, во что практически никто не верит).
3.
Такие эксперименты проводились и раньше. В них были получены некие ограничения снизу на эту скорость. Новый эксперимент отличается только одним новшеством -- его авторы научились избегать предположений о том, в какой системе отсчета это взаимодействие распространяется с этой скоростью. Они в некотором смысле сразу "прощупали" почти все системы отсчета, и ни в одной из них не обнаружили конечность скорости распространения. Это -- единственная новизна эксперимента.
Всё, на этом работа заканчивается, и все дальнейшие рассуждения остаются на совести их авторов :)
4.
Читатель может всё-таки поинтересоваться -- если физики не верят в такое "механистически-тупое" происхождение квантовых корреляций, то как же они их объясняют?
Увы, они пока не имеют какого-то интуитивно понятного объяснения. Возможно, потому что мы пока не нашли его, но скорее всего -- потому что его просто нет. Ведь наивно думать, что наши органы чувств (а значит, и выработанные на основе них интуитивные ощущения) дают самое объективное отражение реальности. Вполне могут существовать пласты реальности, которые мы не можем себе вообразить из-за ограниченности нашего воображения. Мы просто мы "не научены" их представлять. И ничего страшного или загадочного в этом нет. Просто надо принять это и научиться работать с вещами, которые не можешь вообразить себе.
В случае с запутанными частицами, надо просто принять, что квантовые частицы "живут" не в привычном нам трехмерным пространстве, а в своем, более сложном конфигурационном пространстве. А мы видим как бы проекцию этого пространства и удивляемся, какое оно необычное.
Update: написал на "Элементах" новость, в которой чуть больше подробностей про сам эксперимент.
9 августа 2008 г.
LHC на "Элементах"
На "Элементах" запущен новый научно-популярный проект, посвященный экспериментам на Большом адронном коллайдере.
Проект только начался, там еще не очень много материалов, но они будут постепенно добавляться -- планов выше крыши. Большинство материалов написаны общепонятным языком, но некоторые страницы всё же получились довольно сложными.
Комментарии, вопросы, предложения, замечания можно посылать по указанному там емайлу, а на первое время -- можно и сюда.
Отдельное обращение к специалистам. Я буду рад любой вашей помощи, от исправления ошибок до написания новых страничек. :)
Проект только начался, там еще не очень много материалов, но они будут постепенно добавляться -- планов выше крыши. Большинство материалов написаны общепонятным языком, но некоторые страницы всё же получились довольно сложными.
Комментарии, вопросы, предложения, замечания можно посылать по указанному там емайлу, а на первое время -- можно и сюда.
Отдельное обращение к специалистам. Я буду рад любой вашей помощи, от исправления ошибок до написания новых страничек. :)
7 августа 2008 г.
Объявлена официальная дата запуска LHC
Вниманию всех заждавшихся! Сегодня в ЦЕРНе была объявлена дата запуска LHC -- 10 сентября (см. пресс-релиз ЦЕРНа). В этот день в ускоритель предполагается запустить первый протонный пучок.
По этому поводу на сайте ЦЕРНа появился специальный раздел First LHC beam, в котором висит уже официальный счетчик до запуска LHC, несколько видеороликов про ЦЕРН и LHC, а в дальнейшем тут вероятно будут появляться другие материалы, касающиеся первого пучка.
Сейчас все секции коллайдера уже охлаждены ниже 4 К и близки к расчетной температуре 1,9К. В эти выходные будут проведены тесты системы инжекции пучка из предварительного ускорителя SPS в основное ускорительное кольцо. Правда, этот пучок пройдет не по всему кольцу, а только по небольшой дуге и будет поглощен коллиматорами. Цель этого упражнения -- проверить, что линия передачи пучка работает как надо.
Схема соединения предварительного ускорителя SPS с основным кольцом LHC. Желтым цветом подсвечен путь пучка во время тестов линии инжекции, намеченных на 9-10 августа. Источник: LHC Injection Test
В сентябре будет запущен только один пучок, и пройдет минимум месяц, прежде чем начнутся столкновения протонов.
Конечно, никто не может гарантировать того, что какая-то техническая неполадка не отодвинет снова срок запуска LHC. Но раз объявлена официальная дата, значит специалисты считают, что вероятность этого невелика.
6 августа 2008 г.
Пара ссылок
Месяц назад я писал про две работы, в которых предлагалось применить идеи теории суперструн в физике конденсированных сред (см. новость на Элементах и запись в блоге). На днях эти статьи были опубликованы в журналах, и в онлайн-журнале Physics появилась умеренно-популярная заметка про них.
Кстати, те статьи, про которых пишут эти заметки в Physics, свободны для скачивания.
Вторая ссылка: новые данные по поиску хиггсовского бозона на Тэватроне, которые были упомянуты на завершившейся только что конференции ICHEP-08, появились сегодня в архиве епринтов в виде отдельной статьи: arXiv:0808.0534.
Кстати, те статьи, про которых пишут эти заметки в Physics, свободны для скачивания.
Вторая ссылка: новые данные по поиску хиггсовского бозона на Тэватроне, которые были упомянуты на завершившейся только что конференции ICHEP-08, появились сегодня в архиве епринтов в виде отдельной статьи: arXiv:0808.0534.
5 августа 2008 г.
ICHEP-08
На проходящей сейчас конференции по физике элементарных частиц ICHEP-08 наступила самая интересная часть -- обзорные доклады.
Во-первых, три доклада, посвященных скорому запуску LHC и подготовке к работе двух основных детекторов -- ATLAS и CMS. Про LHC ничего особенно нового, правда, не сказали, только подтвердили последовательность шагов, которые надо будет пройти.
Конкретные сроки там не назывались, потому что ориентируются там не на даты, а на последовательность проверок и отладок. Но если всё будет по графику, то пучки начнут циркулировать в где-то сентябре, столкновения начнутся в октябре.
В 2008 году ожидается накопленная интегральная светимость около 10 обратных пикобарн на эксперимент, что дает пока очень небольшую статистику. В 2009 году эта статистика возрастет в сотни раз.
В докладах про детекторы есть много разных красивых картинок отдельных компонентов в процессе сборки.
Стоит отметить еще доклад, посвященный поиску хиггсовского бозона, с новыми результатами с Тэватрона. У Тэватрона сейчас есть еще примерно год в запасе, чтобы попытаться открыть хиггсовский бозон или же, по крайней мере, сказать, в какой области масс бозона нет. Несколько месяцев назад они по чувствительности уже вплотную подошли к этому (см. заметку Тэватрон скоро начнет «чувствовать» хиггсовский бозон), а вот сейчас наконец-то они начали исключать некоторые области масс (по этому поводу, кстати, появился пресс-релиз Фермилаба).
На этой картинке показана шкала масс хиггсовского бозона (эта величина заранее неизвестна), и узенькая полосочка около 170 ГэВ -- это область, исключенная новыми данными. Область ниже 114 ГэВ была исключена более ранними экспериментами на электрон-позитронном коллайдере LEP (он раньше размещался в том же ускорительном кольце, в котором сейчас находится LHC).
Скачать все презентации можно на странице докладов (пленарные доклады в самом низу).
Во-первых, три доклада, посвященных скорому запуску LHC и подготовке к работе двух основных детекторов -- ATLAS и CMS. Про LHC ничего особенно нового, правда, не сказали, только подтвердили последовательность шагов, которые надо будет пройти.
Конкретные сроки там не назывались, потому что ориентируются там не на даты, а на последовательность проверок и отладок. Но если всё будет по графику, то пучки начнут циркулировать в где-то сентябре, столкновения начнутся в октябре.
В 2008 году ожидается накопленная интегральная светимость около 10 обратных пикобарн на эксперимент, что дает пока очень небольшую статистику. В 2009 году эта статистика возрастет в сотни раз.
В докладах про детекторы есть много разных красивых картинок отдельных компонентов в процессе сборки.
Стоит отметить еще доклад, посвященный поиску хиггсовского бозона, с новыми результатами с Тэватрона. У Тэватрона сейчас есть еще примерно год в запасе, чтобы попытаться открыть хиггсовский бозон или же, по крайней мере, сказать, в какой области масс бозона нет. Несколько месяцев назад они по чувствительности уже вплотную подошли к этому (см. заметку Тэватрон скоро начнет «чувствовать» хиггсовский бозон), а вот сейчас наконец-то они начали исключать некоторые области масс (по этому поводу, кстати, появился пресс-релиз Фермилаба).
На этой картинке показана шкала масс хиггсовского бозона (эта величина заранее неизвестна), и узенькая полосочка около 170 ГэВ -- это область, исключенная новыми данными. Область ниже 114 ГэВ была исключена более ранними экспериментами на электрон-позитронном коллайдере LEP (он раньше размещался в том же ускорительном кольце, в котором сейчас находится LHC).
Скачать все презентации можно на странице докладов (пленарные доклады в самом низу).
2 августа 2008 г.
Комфортная влажность
Недавно пришла в голову одна простая мысль. Вот известно, что человек чувствует себя комфортнее всего при влажности воздуха 50-60%. А какая влажность воздуха является "самой естественной" для природы, с точки зрения физики? Ясно, что 100% -- при меньшей влажности воздух "впитывает" влагу, заставляя испаряться все свободные водные поверхности. Так что если бы у климата была возможность придти в полное термодинамическое равновесие и не было бы никаких возмущений, то влажность повсюду стремилась бы к 100%.
Получается, что комфортная для человека влажность возникает только за счет того, что климат далек от равновесия. Даже если в какой-то момент распределить в атмосфере столько водяного пара, что везде влажность станет 100%, то спустя некоторое время из-за перепадов температур, ветров и т.д. в каких-то областях влажность понизится, а в каких-то -- превысит 100%, и тогда там выпадет дождь. То есть, и сухость, и дожди -- это все результат неравновесного состояния атмосферы.
У этой мысли есть столь же простое следствие, но которое уже звучит не столь тривиально. Когда говорят про глобальные климатические изменения, то часто упоминают, что будет увеличиваться как сила засух, так и интенсивность ливней. Парадокс? Вовсе нет -- ведь именно такой эффект ожидается при усилении неравновесности атмосферы.
На этом рисунке показана карта ожидаемого к концу 21 века изменения количества осадков в сценарии хозяйственной деятельности A1B (это вовсе не самый пессимистичный, а умеренно сбалансированный сценарий между ростом экономики и плавным переходом на энергосберегающие технологии). Источник рисунка. По ссылке, кстати, есть и анимации того, как это распределение будет меняться (в том или ином сценарии) в течение 21 века. Рекомендую посмотреть, как Европа будет становиться все более и более засушливой.
Получается, что комфортная для человека влажность возникает только за счет того, что климат далек от равновесия. Даже если в какой-то момент распределить в атмосфере столько водяного пара, что везде влажность станет 100%, то спустя некоторое время из-за перепадов температур, ветров и т.д. в каких-то областях влажность понизится, а в каких-то -- превысит 100%, и тогда там выпадет дождь. То есть, и сухость, и дожди -- это все результат неравновесного состояния атмосферы.
У этой мысли есть столь же простое следствие, но которое уже звучит не столь тривиально. Когда говорят про глобальные климатические изменения, то часто упоминают, что будет увеличиваться как сила засух, так и интенсивность ливней. Парадокс? Вовсе нет -- ведь именно такой эффект ожидается при усилении неравновесности атмосферы.
На этом рисунке показана карта ожидаемого к концу 21 века изменения количества осадков в сценарии хозяйственной деятельности A1B (это вовсе не самый пессимистичный, а умеренно сбалансированный сценарий между ростом экономики и плавным переходом на энергосберегающие технологии). Источник рисунка. По ссылке, кстати, есть и анимации того, как это распределение будет меняться (в том или ином сценарии) в течение 21 века. Рекомендую посмотреть, как Европа будет становиться все более и более засушливой.
Back on track
После переезда (на этот раз не виртуального, а реального) можно вернуться и к физике.
Для начала -- пара ссылок про LHC. Дела на LHC постепенно продвигаются. Охлаждение практически завершено, сейчас идут разнообразные тесты инфраструктуры, а на 9-10 августа запланирован тест линии впрыскивания протонов в LHC из предварительного ускорителя. Это будет первый пучок в LHC, правда он пройдет не по всему кольцу, а лишь по небольшой дуге и будет затем поглощен.
Тем временем, сейчас в Филадельфии проходит конференция ICHEP-08 -- это самая крупная и важная конференция в физике элементарных частиц. Первые три дня были посвящены частными вопросам, а в воскресение, понедельник и вторник будет самое интересное -- пленарные доклады. Первыми среди них будут доклады о текущем состоянии дел на LHC и на двух главных его экспериментах, ATLAS и CMS.
Последующие доклады тоже будут интересными. Забавно -- во вторник будет два доклада про "раннюю" и "позднюю" вселенную, соответственно. Поздней там названа вселенная старше 1 микросекунды :)
Ну и напоследок, для любителей -- рэп про Большой адронный коллайдер. Там объяснено самыми доступными (английскими :) ) словами, что такое LHC и для чего он нужен.
Для начала -- пара ссылок про LHC. Дела на LHC постепенно продвигаются. Охлаждение практически завершено, сейчас идут разнообразные тесты инфраструктуры, а на 9-10 августа запланирован тест линии впрыскивания протонов в LHC из предварительного ускорителя. Это будет первый пучок в LHC, правда он пройдет не по всему кольцу, а лишь по небольшой дуге и будет затем поглощен.
Тем временем, сейчас в Филадельфии проходит конференция ICHEP-08 -- это самая крупная и важная конференция в физике элементарных частиц. Первые три дня были посвящены частными вопросам, а в воскресение, понедельник и вторник будет самое интересное -- пленарные доклады. Первыми среди них будут доклады о текущем состоянии дел на LHC и на двух главных его экспериментах, ATLAS и CMS.
Последующие доклады тоже будут интересными. Забавно -- во вторник будет два доклада про "раннюю" и "позднюю" вселенную, соответственно. Поздней там названа вселенная старше 1 микросекунды :)
Ну и напоследок, для любителей -- рэп про Большой адронный коллайдер. Там объяснено самыми доступными (английскими :) ) словами, что такое LHC и для чего он нужен.