28 апреля 2008 г.

Про нуклоны и принцип запрета Паули

В конце школы/начале университета, когда я уже знал про принцип запрета Паули и строение ядра, но еще не прошел настоящего курса квантовой механики, меня смущал такой момент. С одной стороны, утверждается, что протон и нейтрон можно представить себе как два проявления одной и той же частицы -- нуклона. Но нуклоны являются фермионами, поэтому по принципу запрета Паули два нуклона в одном и том же состоянии находиться не могут. Но с другой стороны, мы же знаем, что протон и нейтрон на самом деле разные частицы, поэтому принцип запрета Паули для протон-нейтронной пары -- не указ.

Конечно, после курса квантовой механики всё становится ясно; но мне кажется, объяснить выход из этого кажущегося противоречия можно и на "любительском" уровне. Попробую это сделать -- может быть, кому-то это и пригодится.

Возьмем протон или нейтрон, находящийся в ядре. У него есть какое-то пространственное состояние и спиновое состояние. Но если его рассматривать как нуклон, то у него появляется еще и третья характеристика -- изоспиновое состояние, которое характеризует его "протонность" или "нейтронность".

У одного нуклона есть два базисных изоспиновых состояния: p или n. У двух нуклонов есть 4 базисных изоспиновых состояния: pp, nn, pn и np. На этот набор удобно взглянуть под слегка иным углом и отклассифицировать эти состояния по их симметричности при замене первого нуклона на второй. Тогда возникают три симметричных состояния: pp, nn, (pn + np) и одно антисимметричное: (pn - np).

Перемешанные состояния надо понимать так: есть один протон и один нейтрон, но неизвестно, кто из двух частиц есть кто. Что значит знак плюс или минус на таком любительском уровне, мне кажется, не объяснишь; просто надо поверить, что эти плюс и минус имеют некоторый вполне конкретный смысл.

Решение парадокса заключается в четком понимании того, что именно запрещает принцип Паули. Он говорит, что два тождественных фермиона обязаны быть в антисимметричном состоянии при одновременном изменении всех своих переменных. То есть, он запрещает двум тождественным фермионам находиться в полностью одинаковом квантовом состоянии, но разрешает им быть одинаковыми по некоторым переменным -- при условии, что они антисимметричны по другим.

Два нуклона в ядре не могут находиться в симметричном состоянии сразу по всем трем характеристикам -- пространственной, спиновой и изоспиновой. Однако они могут быть симметричны по двум характеристикам, и антисимметричны по третьей. Например, они могут находиться в одинаковом координатном и спиновом состоянии, только в том случае, они антисимметричны по изоспиновому состоянию. А это бывает, только когда изоспиновое состояние (pn-np), т.е. для протон-нейтронной, но не для протон-протонной или нейтрон-нейтронной пары.

Вот так получается, что принцип Паули в применении к нуклонам вовсе не запрещает протону и нейтрону сидеть в одинаковом координатном и спиновом состоянии.

Материалы по физике элементарных частиц

Вот небольшая подборка ссылок на образовательные ресурсы по физике элементарных частиц в целом и по LHC. Подборка будет дополняться и обновляться. Если у кого есть полезные ссылки, делитесь.

Образовательные сайты по ФЭЧ


Интерактивные проекты
  • The Hunt for the Higgs -- интерактивная игра "Найди бозон Хиггса".
  • LHC game -- построй коллайдер своими силами.
  • Fermilabyrinth -- несколько игр про ускоритель, детекторы и обработку результатов.


Новостные ленты по ФЭЧ
  • CERN Courier -- ежемесячный бюллетень о новостях в ФЭЧ.
  • CERN Bulletin
  • Fermilab Today.
  • Symmetry -- ежемесячный популярный журнал, издаваемый Фермилабом и SLAC
  • ILC Newsline -- новости, касающиеся разработки линейного электрон-позитронного коллайдера ILC.


Интересные блоги
  • Symmetry Breaking -- блог журнала Symmetry.
  • Tommaso Dorigo -- физик, работающий на коллайдере CDF в Фермилабе.
  • Resonaances -- новости и семинары ЦЕРНовского теоротдела.
  • US/LHC Blogs -- коллективный блог.
  • Interactions Blog Watch -- лента блогов, посвященных физике частиц.


Информация об элементарных частицах и их свойствах

Библиографическая информация

Историческая информация
  • (рус) Хроника открытий в физике ядра и элементарных частиц.
  • History of Physics -- подборка материалов по истории физики Американского физического общества.

Некоторые крупные центры экспериментальной ФЭЧ

Образовательные материалы по LHC

Новости LHC

Техническая информация по LHC

27 апреля 2008 г.

Происхождение и эволюция рибосомы

В журнале Biology Direct (кстати, журнал с открытым доступом) на днях появилась интересная статья The origin and evolution of the ribosome. В ней проводится сравнение трехмерной структуры рибосом бактерий, архей и эукариотов, и делаются выводы относительно происхождения разных частей рибосомы.

Рибосома -- это клеточная органелла, отвечающая за трансляцию -- синтез белков по нуклеотидной последовательности РНК. Идентифицированы рибосомы в клетках были полвека назад, но только в районе 2000 года была восстановлена во всех деталях пространственная структура рибосомы. Состоит она из двух субъединиц, малой и большой. Каждая из них -- это клубок РНК цепочек и белков (нуклеопротеид), причем соотношение между белками и РНК разное у бактерий/архей/эукариот. В этой статье подробно изучаются функциональные свойства разных частей рибосомы и делается интересный вывод о том, что большая субъединица -- эволюционно более старая, а малая -- это более поздняя добавка к ней.

Хотелось бы услышать комментарии биологов.

Кстати, забавная политика у этого журнала. PDF статьи содержит не только саму статью, но и отчеты четырех рецензентов (не анонимных!), а также ответы авторов на замечания рецензентов. По-моему, это удачный шаг -- если читатель не является узким специалистом, ему будет полезно тут же почитать, как эту работу воспринимают другие люди из этого же коммьюнити.

26 апреля 2008 г.

О научной лексике

Забавно -- рецензент статьи, которую я послал в PRB, написал:
The expression "plugged into" in section 5.3 is inappropriate for a
scientific journal.

Речь шла про "это значение подставляется в уравнение". Конечно, такое выражение непечатное (в смысле, оно разговорное), и лучше его избегать, но я что-то не помню, чтоб в журналах по физике частиц к таким выражениям придирались. Может в конденсированных средах требуется более рафинированный английский? :)

24 апреля 2008 г.

Про таяние гренландских ледников


В последнию неделю многие СМИ заговорили про таяние Гренландских ледников. Поводом стали две статьи в Science (раз, два), по которым были написаны заметки в Nature (раз, два), заметка в Science , а потом появились подробные комментарии в блоге Real Climate и в блоге Climate Feedback. На русском про эти работы писала Газета.ру (правда, к этому тексту я бы советовал относиться с долей скептицизма).

В этих статьях обсуждаются недавние измерения динамики ледников в Гренландии. Ледники тают, причем похоже, всё быстрее и быстрее, это подтверждается разнообразными данными. Сюда входит картографирование границ ледников, измерение скорости сползания льда (которая в некоторых случаях увеличилась в разы, см. подробности в блоге RealClimate), утоньшение ледникового покрова, и -- самое поразительное -- образование летом многочисленных озер прямо наверху ледников.

На самом деле лед там не совсем лед, а фирн -- пористый ледяной наст. Эти озера мало-помалу просачивались вниз, вымывали себе протоку и потом водопадом стекали вниз, прямо до твердой земли. Пишут, что бывали случаи, когда озеро площадью в несколько квадратных километров и глубиной несколько метров полностью стекало вниз за пару часов (см. вот это видео).


Отступление ледника Якобсхавн из года в год.

Для ученых, которые в этом всем пытаются разобраться, самое неприятное тут то, что надежно предсказать динамику движения ледников не удается -- и это несмотря на кучу моделей и имеющиеся спутниковые и наземные данные. Казалось бы, чего тут сложного -- параметризуй все переменные, подгоняй под данные и получаешь рабочую модель. Но нет. Главная проблема тут в том, что процесс сползания очень сильно зависит от воды, попавшей под ледник. А попасть она может как просочившись сверху, так и затекая с океана. (Просто когда ледник выходит на море, он не сразу обрывается, а еще тянется какое-то время виде языка плавучего льда, механически связанного с основной массой, и под этот язык может затечь вода.) И вот это попадание воды зависит от слишком большого числа факторов (как свойства самого льда, так и то, что происходит на леднике сверху и то, что происходит с океаном рядом). Их пока не удается ни учесть эмпирически, ни вывести микроскопически. Хотя мне, честно говоря, это немножко странно.

В общем, пишут, что в ближайшие годы гляциологи собираются заняться Гренландией очень плотно. А пока про арктический климат можно почитать также в Scientific Facts on Arctic Climate Change.

22 апреля 2008 г.

Высокотемпературные сверхпроводники на основе железа набирают обороты


У физиков, изучающих высокотемпературную сверхпроводимость, похоже, начинается бум, связанный с новым классом сверхпроводников -- слоистыми структурами на основе арсенида железа FeAs. Т.е. впервые на арену вышли некупратные ВТСП.

Бум начался с того, что пару месяцев назад японская группа обнаружила сверхпроводимость в соединении LaO1−xFxFeAs с x=0.11 при температуре 26 К. Сверхпроводящим тут является слой FeAs, работающий вместо CuO в купратных ВТСП. Это конечно очень мало по сравнению с рекордсменами среди ВТСП-керамик, но с другой стороны это очень много по сравнению с подавляющим большинством "обычных" сверхпроводников.

За последние недели исследованием этих "железных слоек" начали заниматься всё больше и больше групп. Были опробованы разные редкоземельные металлы, критическая температура повысилась до 43К, затем до 52К, сейчас рекорд -- 55К. По всей видимости, это не предел.

Интерес тут связан не только с тем, что наконец-то получили новый тип слоеных сверхпроводников с другим "рабочим элементом" (вместо меди), но и с тем, что железо, в отличие от меди, обычно любит магнититься. А магнетизм и сверхпроводимость уживаются с трудом. Так что у теоретиков появляется новая возможность проверить свои теории. А поле для исследований, похоже, очень широкое -- в свежей статье arXiv:0804.2582 сообщается о сверхпроводимости в большом классе соединений:
Here we report a novel class of superconductors prepared by high pressure synthesis in the quaternary layered-structure ReFeAsO1-delta (Re = Sm, Nd, Pr, Ce, La) family without F-doping.

Интересно тут еще то, что кроме потери сопротивления непосредственно при Tc, у этих соединений начинаются какие-то аномалии и при гораздо более высоких температурах. Как это связано со сверхпроводимостью, я пока не понял.

Вот список интересных ссылок по теме:


Кстати, очень рекомендую три блога по физике конденсированных сред, на которые я недавно наткнулся:

Напомню также, что на русском языке вот уже который год выходит Экспресс-бюллетень ПерсТ -- всё самое свежее и интересное о сверхпроводниках, нанотрубках, фуллеренах, спинтронике и т.п. Правда вот про новые сверхпроводники там почему-то еще не написали.

13 апреля 2008 г.

Слухи про темную материю

В блоге Symmetry breaking (это блог, связанный с журналом Symmetry magazin, выпускаемый совместно Фермилабом и SLAC -- очень рекомендую!) появилось интересное сообщение про слухи о том, что эксперимент DAMA-LIBRA, возможно, зарегистрировал частицы темной материи. Так это или нет, пока неизвестно, но 16 апреля ожидается доклад этой коллаборации на конференции Neutrino Oscillations in Venice. Дополнительно интерес подогревает то, что на самой страничке эксперимента написано, что первые результаты ожидаются в конце 2008 года.

Вообще, коллаборация DAMA еще в 2000 году объявляла о наблюдении событий, похожих на проявления слабо взаимодействующих частиц темной материи (WIMPs). Физики восприняли те результаты довольно скептически, посмотрим, что удет в этот раз.

А вообще, о том, как в подземных лабораториях ищут частицы темной материи, можно узнать, например, из недавней статьи "сестринского" "материнского" эксперимента DAMA-NaI.

via Not Even Wrong.


Update: написал новость про эту работу, Эксперимент DAMA по-прежнему «видит» частицы темной материи.

Новое в электрослабой теории

На днях в архиве появилась короткая, но очень интересная статья Людвига Фаддеева с соавторами "Non-abelian Supercurrents and Electroweak Theory", arXiv:0804.1544. В ней совершенно классическая тема, описанная во всех учебниках по физике элементарных частиц, -- теория электрослабого взаимодействия -- предстает в новом, довольно необычном виде.

Суть теории электрослабого взаимодействия состоит в том, что изначально строится модель с калибровочной SU(2)xU(1) симметрией, из-за чего все частицы изначально являются безмассовыми. Однако затем эта калибровочная симметрия спонтанно нарушается за счет хиггсовского механизма, появляется ненулевое вакуумное значение хиггсовского поля, и частицы приобретают массы. Эта тема описана во всех учебниках по теории калибровочных взаимодействий и физике элементарных частиц. Наиболее простое объяснение см. в книге Л.Б.Окуня "Лептоны и кварки".

В 1975 году Элицур доказал теорему о том, что локальную симметрию в калибровочных теориях спонтанно нарушить невозможно. Спонтанно могут нарушиться только глобальные симметрии. Это утверждение входило бы в противоречие с только что описанной электрослабой теорией, если бы не одно "но". В электрослабой теории мы вначале вынуждены фиксировать калибровку (нарушая, таким образом, исходную калибровочную симметрию руками), а лишь затем находим фазу, в которой вакуум нарушает калибровочную симметрию. Т.е. получается, ни на каком этапе мы с теоремой Элицура в конфликт не вступаем.

Тем не менее, с применимостью теоремы Элицура всё равно должны в этом случае быть какие-то проблемы, т.к. между симметричной и хиггсовской фазой существует настоящий фазовый переход.

После этого вступление вернёмся к статье arXiv:0804.1544. В ней сделано следующее довольно простое, но до сих пор никому (?) не приходившее в голову замечание.

Возьмем для простоты гамильтониан абелевой хиггсовской модели в 3-мерном пространстве, скажем, в том виде, как он используется при описании сверхпроводимости:

Он записан в терминах скалярных и калибровочных полей, в определении которых есть свобода действий (калибровочная свобода). Т.е. эти поля можно преобразовывать, но лагранжиан при этом остается инвариантен.

Авторы статьи выразили эти поля через новые переменные и записали лагранжиан через них. Получилось довольно простое выражение, обладающее совершенно замечательным свойством: в нем все степени свободы уже калибровочно инвариантны. Иными словами, в новых выражениях у нас уже нет никакой свободы определения, а значит, нет никакой калибровочной группы, которую мы могли бы нарушать. Таким образом, аргументы, восходящие к теореме Элицура, уже просто неприменимы.

При этом ни на каком этапе не требовалось фиксировать калибровку!

Для настоящего гамильтониана электрослабой теории конструкция идейно такая же, но только чуть сложнее. Там, после записи в новых переменных, остается U(1)-симметрия, которая впрочем потом и не нарушается (она отвечает фотону). Т.е. и в этом случае никакого нарушения локальной симметрии (в новых переменных) не наблюдается.

Оказалось, что это на этом хитрости не кончаются. Авторы умудрились найти для хиггсовского потенциала необычную роль. Оказывается, без массового члена лагранжиан можно переписать в виде теории, реализующейся в плоском, но конформном пространстве-времени с некоторым произвольным масштабом. При этом модуль хиггсовского поля становится дилатоном в этой теории. А массовый член потенциала предстает в роли скалярной кривизны, которая нарушает конформную инвариантность. В результате масштабный параметр становится не произвольным, и именно он (а не минимум потенциала!) задает массы бозонов.

Остается один вопрос -- является ли этот трюк только переписыванием уже известного, или же он вскрывает нечто новое в электрослабой теории.

Какое милое название статьи

Статья в свежем выпуске PNAS с названием "Major evolutionary transitions in ant agriculture" -- Основные эволюционные переходы в муравьином сельском хозяйстве.

Речь идет про то, как муравьи в ходе эволюции научились выращивать для себя грибки. Это, кстати, не единственное проявления сельского хозяйства у муравьев -- они еще занимаются и животноводством, тлей пасут.

Вообще, в аннотации статьи написано, что кроме человека, ещё известны три группы животных, развивших некое сельское хозяйство -- муравьи, термиты и жуки-короеды.

12 апреля 2008 г.

Изучение активности головного мозга путем свечения лазером в лоб

Заголовок -- вовсе не шутка и не черный юмор, а реально работающая методика наблюдения за активностью внешних отделов головного мозга без какого-либо механического вмешательства в организм (то, что по-английски называется non-invasive diagnostics).

Выглядит это примерно так. Человеку на череп светят коротким (меньше наносекунды) импульсом света совсем небольшой мощности, например, как от лазерной указки. Этот световой импульс частично отражается от поверхности, а частично заходит внутрь ткани и начинает там рассеиваться и поглощаться. Фотоны хаотично блуждают внутри ткани, многократно рассеиваясь на оптических неоднородностях, и при этом изредка возвращаются обратно на поверхность. Причем чем глубже фотоны забурились внутрь ткани, тем позже -- и тем меньшая их доля! -- выйдет наружу. Эти фотоны можно отловить фотодатчиком, изучить распределение вышедших фотонов по времени, и таким путем восстановить оптические (рассеивательные и поглощательные) свойства тканей на разной глубине.

Данные типичного эксперимента (см., например, недавнюю статью Phys.Rev.Lett. 100, 138101 (2008)) такие: выходящие фотоны еще видны через несколько наносекунд после импульса и отвечают глубине 1-2 см (т.е. проходят через череп, чувствуют поверхностные отделы мозга и возвращаются обратно). Легко увидеть, насколько диффузным является рассеяние фотонов: за такое время они проходят суммарную дистанцию порядка полуметра, но при этом не выходят за пределы области размером в несколько сантиметров.

Конечно, поскольку любая биологическая ткань не абсолютно прозрачна, свет будет частично поглощаться. Однако в мягких тканях поглощение не такое сильное, как можно было бы навскидку предположить -- в основном там идет рассеяние. Наверно многие "баловались" с лазерной указкой -- если в темной комнате посветить ею на ладонь, то с тыльной стороны видно, что рука как бы светится, а на месте костей есть заметные затемнения. Т.е. несколько сантиметров мягкой ткани свету пройти не проблема.

С черепом сложнее, но и его можно просветить насквозь, ведь это тоже не сплошная перегородка, а пористая среда. Конечно, при этом значительная доля фотонов поглотится, но для современной регистрирующей аппаратуры это не страшно. Милливаттный лазер дает порядка 1016 фотонов в секунду. Даже если обратно вернется всего одна триллионная доля фотонов, то все равно 10 тысяч фотонов в секунду фотодатчик легко зарегистрирует.

Такие эксперименты на человеке делались уже достаточно давно, правда ссылку на первую работу я пока не нахожу. Цитированная выше работа вовсе не пионерская, а посвящена чисто техническим усовершенствованиям этой методики. Но в ней описан простой реальный эксперимент на человеке. Пациент выполняет простое моторное задание (стучит пальцем руки по столу), а лазер с датчиком, установленные напротив левой моторной области коры головного мозга (которая управляет движениями правой руки), пытаются увидеть мозговые проявления этого действия. И действительно, были заметные четкие различия между случаями, когда пациент стучал пальцем левой руки, правой руки или вообще не стучал. В биологию этого явления (что именно там в могзу начинает сильнее отражать фотоны) авторы не вдаются, а только показывают работу этой методики.

В общем, вывод такой -- иногда для диагностики активности мозга не требуется дорогая и сложная аппаратура или высокотехнологические методики. Достаточно посветить лазером в лоб. У этого есть, конечно, и свои минусы -- невысокая (пока что!) разрешающая способность (порядка 1 см) и ограниченность только поверхностными слоями. Но зато эта методика, в отличие от МРТ, простая, дешева и мониторит активность мозга в реальном времени.

11 апреля 2008 г.

В поисках первоначал

Побывав недавно дома, на Камчатке, я нашел книжку, с которой начался мой сознательный интерес к физике элементарных частиц. Это книга "В поисках первоначал", автор Анатолий Томилин.

Вообще, какие-то отрывочные знания я вычитывал в разных книжках в глубоком детстве. Я очень смутно вспоминаю большую по формату иллюстрированную книжку для младшеклассников про ускоритель, которую я прочитал во втором классе. (Я совершенно не помню ни автора, ни названия -- если кто-то встречал такую, подскажите!) Потом была Детская Энциклопедия 1960-х годов выпуска, которую можно было листать и листать. Потом были другие отдельные книжки, от которых почти ничего не запомнилось. И потом -- "В поисках первоначал", классе в восьмом, которая сразу выстроила хронологию, последовательность познания мира, и вплела в нее все эти разрозненные факты.


Сейчас перечитал ее снова, и она меня приятно удивила. Я, конечно, не знаю всех научно-популярных книжек про устройство мира, которые издаются в последнее время в России, но кое-что я все-таки листал. Ничего лучше этой книги на таком же уровне я не припоминаю.

В этой книге изложена классическая последовательность тем: изучение свойств вещества (алхимия, затем химия, как пришло осознание элементов, периодическая система), затем изучение мельчайших частиц вещества (спектры, свет как волна/частица, радиоактивность, устройство атома, создание квантовой механики), и наконец изучение ядра и элементарных частиц, включая историю открытия разных частиц, развитие ускорителей и т.д., заканчивается кварками, КХД и J/psi мезоном.

Все изложено довольно доступно (я помню с детства, что отдельные факты и иллюстрации буквально врезались в память), последовательно, и удивительно полно для такого уровня. Описание физики перемежается рассказами об ученых, но это сделано как-то гармонично, это передает чувство заинтересованности в тайнах природы -- в отличие от совершенно антинаучной попсы Брайсона "Краткая история почти всего на свете", в которой наука изображена каким-то клоуном.

Судя по всему, эта книга после второго издания в 1990 году не переиздавалась, и сейчас ее можно найти только в букинистических магазинах. Жалко, потому что она намного лучше многочисленных попыток перевести что-нибудь эдакое красочно-западное и современное. Если эта книжка попадется кому, очень ее рекомендую, особенно для среднего и старшего школьного возраста.

Меня очень умилил последний абзац в книге:
А может быть, моей таблице предстоит лежать в папке до тех пор, пока на смену сегодняшним физикам не придут новые... Не исключено, что в их числе будет кто-то из вас, мои читатели. Тогда, пожалуйста, вспомните эту книжку и напишите мне о своей работе. Я буду ждать...

Действительно, надо связаться с автором.

На всякий случай еще добавлю, что книга, конечно, не идеальная -- в ней есть неточности и ошибки. Ну и, к сожалению, время от времени встречаются пространные ссылки на марксизм-ленинизм и на роль Ленина в неисчерпаемости электрона. Но всё это, на мой взгляд, не принципиально -- главное, книга хорошо передает дух исследований микромира.

9 апреля 2008 г.

Битва с детектором

Вчера в 5 утра живущий у нас на кухне детектор угарного газа вдруг решил, что у него истощились батарейки, и он пронзительным визгом стал требовать их заменить. Визг был не непрерывный (как при тревоге), а очень короткий взвизг каждый 30 секунд.

Правда, это не единственный детектор в квартире -- тут по закону требуется устанавливать еще и противопожарные детекторы, коих у нас три по разным комнатам. В результате я, выйдя на середину квартиры, спросонья пытался понять, кто из них пищит. Не удалось -- мне пищалось со всех сторон. То ли акустика квартиры такая, что все многократно отражается, то ли звук по частоте близкий к 1-2 кГц (при этих частотах способность определять направление резко ухудшается, т.к. разность фаз между двумя ушами становится уже порядка 2пи), но я так ничего и не понял. Пошел по очереди снимать детекторы и только на третий раз понял, кто пищит. Интересно, что даже когда я держал его в руках, мне все равно казалось, что пищит с разных сторон.

Детектор был лишен права голоса до вечера, когда он получил новую порцию батареек и успокоился.



PS Оказалось, что частота писка 3,4 +/- 0,5 кГц. И громкость 85дБ на расстоянии в 25 см.

Дарвиновская эволюция на чипе

На днях в журнале PLoS Biology появилась совершенно поразительная статья под названием Darwinian Evolution on a Chip. В ней описываются результаты полностью автоматизированного эксперимента по управлению эволюцией коротких молекул РНК в постоянно ухудшающихся условиях.


Схема экспримента и фотография автоматизированного микрожидкостного устройства, внутри которого и происходила эволюция. Источник: статья в PLoS.

Ставился эксперимент так. Взяли "бульон" коротких молекул РНК, способных связываться с заданным субстратом (тоже куском РНК) и фактически воспроизводить себя. Чем лучше та или иная РНК-молекула связывается с субстратом, тем больше у нее шансы на быстрое размножение. Компьютер ждал то время, пока концентрация молекул не увеличилась в 10 раз (это делалось по наблюдению за флуоресценцией бульона), затем все перемешивали и разводили 1 к 10. И снова цикл эволюции.

Потом, после примерно 100 циклов, субстрат разбавлялся -- т.е. молекулам приходилось уже плодиться в более суровых условиях. Вначале цикл 10-кратного роста был очень медленный, но постепенно молекулы за счет отбора рпиноравливались и снова переходили на быстрое размножение. Через 100 циклов происходило новое разбавление, и так далее.

"Фенотипические" результаты эволюции наблюдались в реальном времени как постепенное ускорение воспроизводства РНК при заданной концентрации субстрата. Оказалось, что в конце эксперимента получились молекулы с 90-кратно повышенной эффективностью размножения на данном субстрате, чем в начальном бульоне. Вот вам налицо приспособленность к новым условиям.

Генетические изменения состояли в том, что в конечных молекулах наблюдались 11 точечных мутаций в разных местах РНК молекулы. Почему получились именно такие -- непонятно, но совершенно очевидно, что это именно "правильные" мутации -- ведь они сделали молекулы более "плодовитыми".


Поскольку управлял всеми этими процессами компьютер по заданной программе, получилось фактически устройство, "программирующее эволюцию". Можно легко представить себе ситуацию лет через 10, когда такие устройства станут легко доступными, а специально обученные программисты будут писать "эволюционные программы" для достижения той или иной цели.

7 апреля 2008 г.

Кто удобряет Амазонскую долину?

Какое-то время назад долина реки Амазонки представляла собой большую загадку для экологов. Такая огромная и пышущая жизнью низменность должна потреблять очень много минералов. Однако почвы там минералами бедные, с гор тоже мало что приходит, а значит, главный источник минералов какой-то иной.

Этим источником оказалась минеральная пыль из Сахары. Может показаться удивительным, но ветра в Сахаре действительно поднимают высоко в атмосферу пыль, и она большими облаками за несколько дней долетает до Амазонской низменности и удобряет ее. Конечно, по пути большая часть пыли оседает в океане, но как показали спутниковые наблюдения, до Амазонки из Сахары все равно долетает примерно 40 млн. тонн пыли ежегодно.


Когда попытались проследить, из каких именно районов Сахары летит в Амазонку пыль, обнаружилась поразительная вещь: больше половины этой пыли летит из одного-единственного места на юге Сахары -- впадины Боделе, которую еще называют самым пыльным местом на Земле. Эта впадина находится между двумя сходящимися горными цепями и служит как бы соплом, аэродинамической трубой, "фокусирующим" северо-восточные ветра, дующие там в осенне-зимний период. Они-то и поднимают такую пыль.

Потоки тропосферных аэрозолей на севере Африки; яркое пятно посередине -- это и есть впадина Боделе. Источник: проект BoDEx

Статья с описанием этих результатов (I.Koren et al, Environ.Res.Lett. 1 (2006) 014005, статья в свободном доступе) была опубликована полтора года назад и основывалась на спутниковых наблюдениях 2003-2004 годов. В 2005 году туда отправилась наземная экспедиция BoDEx для более точного измерения климатических условий и состава пыли.

Вообще, подумать только: эта область составляет всего 0,2% от площади Сахары и 0,5% от площади бассейна Амазонки, но именно она питает всю Амазонскую низменность минералами. Интересно, а что произойдет с Амазонкой, если эта труба перестанет работать, или просто ослабнет? И вообще как давно работает этот источник и надолго ли его хватит?

А вообще, по-моему это довольно неожиданный пример такой прямой и сильной связи между климатическими системами, разнесенными на 5 тысяч километров. Я еще понимаю, когда так взаимодействуют большие области размером с континент (например, пыль из Южной Америки долетает и осаждается в Антарктиде; кстати по этому поводу см. свежую статью в Nature и популярную статью про нее) -- и там, и там большие масштабы. Но когда маленькая область влияет на климат половины континента -- это необычно. Это кстати еще один пример того, что в земном климате есть нетривиальные связи между степенями свободы сильно разного масштаба.

В этом самом пыльном месте на Земле иногда встречаются и такие вот плоды цивилизации. Источник: проект BoDEx.

5 апреля 2008 г.

Асимптотическая свобода: история и интерпретации

В архиве появилась интересная статья Андрея Грозина Asymptotic freedom: history and interpretation. В ней кратко рассказывается ранняя история открытия отрицательной бета-функции в неабелевых калибровочных теориях (без излишнего пафоса, просто кто что когда сделал), а затем дается подробный вывод результата двумя разными способами. Статья, мне кажется, будет полезна изучающим квантовую теорию поля, там всё очень подробно разжевано.
Заодно порекламирую лекции того же Андрея Грозина по вычислению петлевых диаграмм: hep-ph/0508242. Тоже все разжевано очень подробно и сгодиться для первого систематического изучения техники вычисления.

Шапка-невидимка, шапка-неслышимка и шапка-недотрожка

Наверно уже многие слышали про то, что ученые придумали шапку-невидимку (т.е. оболочку, делающую невидимым для посторонних глаз и себя, и помещенное внутрь тело). Недавно было описано и аналогичное устройство для звуковых волн -- этакая "шапка-неслышимка". А в недавнем выпуске Physical Review Letters появилась статья, где рассказывается об аналогичном устройстве, экранирующем тело от "облучения" волнами материи.

Суть шапки-невидимки проста -- надо создать оболочку с такими электромагнитными свойствами, чтобы световые волны (или электромагнитные колебания из другого диапазона), падающие с любой стороны, плавно огибали бы сердцевину и снова восстанавливали бы свой прежний ход на выходе из оболочки. В результате с какой бы мы стороны ни освещали шапку, и с какой бы стороны не глядели на нее, мы не увидим ни ее саму, ни спрятанное внутри тело.

Подробнее про разные аспекты этого устройства см. в популярных заметках Эльфийский плащ стал реальностью, Возможность существования плаща-невидимки сведена к математической теореме, Шапка-невидимка в оптическом диапазоне: первые экспериментальные результаты,

Три месяца назад в Physical Review Letters появилась статья про похожую конструкцию, прячущую предмет от звуковых волн (см. например заметку Акустические невидимки). Метод абсолютно аналогичен -- надо сделать так, чтобы звуковые волны огибали сердцевину. Добиться этого можно специальной подстройкой механических свойств вещества оболочки, напимер, плотности и упругости. Работа эта пока только теоретическая, но каких-то принципиальных преград для реализации таких устройств не видно. Применения у них могут быть разнообразные -- от военных (экранировка подводных лодок) до житейских (экранировка концентрного зала от внешних шумов).


В свежей статье (доступной и в архиве как arXiv:0801.2223) аналогичную схему предложили и для волн материи. Идея снова та же -- надо создать такую оболочку, чтобы летящий сквозь нее атом огибал серцевину, а потом снова восстанавливал бы свое направление движения.

В том, что такое в принципе возможно, ничего удивительного нет. В конце цонков в квантовой механике известны безотражательные потенциалы, когда частица какой-то энергии проходит сквозь сложный потенциал со стопроцентной вероятностью. Правда, в простейших примерах такой "резонанс" наступает только при определенных энергиях, и надо постараться, чтобы расширить окно (почти) полной прозрачности на большой диапазон энергий. Но это тоже кажется вполне возможным -- в той же квантовой механике известны примеры простых одномерных потенциалов, в которых окна почти полной прозрачности довольно широки.

Вопрос только в том, как это сделать на практике. Для электронов проводимости внутри вещества, вероятно, это было бы совсем просто -- ведь прохождением электронов уже давно управляют специальным подбором сверхрешетки (многослойной структуры, составленной из чередующихся разных материалов). А для атомов, летящих в пространстве, в этой статье предлагается использовать оптическую решетку из стоячих световых волн. Медленные атомы, проходя через переменное оптическое поле, будут дифрагировать, и при правильном подборе оптической решетке -- огибать сердцевину и снова выходить наружу в исходном направлении. Подчеркну -- тут не свет дифрагирует на веществе, а волны вещества дифрагируют на световой решетке.

Впрочем, это всё пока касается только отдельных медленно летящих атомов, и работает такая схема тоже при фиксированной энергии налетающих частиц. От более сильного механического воздействия (например, от тыкания пальцем) центральный предмет не спрячешь. По крайней мере, пока. Но вот применения в физике пучков или в атомной физике эта схема вполне может найти.

4 апреля 2008 г.

Вернулся

Вернулся из поездки на Камчатку и в Новосибирск.
Гугл-ридер забит под завязку интересными научными статьями и новостями -- буду постепенно разгребать завалы.


На Камчатке (я там родился и вырос) не был уже шесть лет, и за это время Петропавловск сильно поменялся. Стал какой-то стихийно-капиталистический. Огромная концентрация наружной рекламы на отдельных километрах "красной линии". Огромное количество машин, как между домамиЮ так и на улицах. Регулярные пробки утром и вечером, причем не только в Петропавловске, но и в Елизово. Я понимаю, Москва, Новосибирск, но от П-К такого не ожидал. Забавно: большая часть машин -- с правым рулем, и с этим не борются, а подстраиваются (на выезде из аэропорта шлагбаумы стоят и справа, и слева от будки, и стоят указатели -- правый руль, туда, левый руль, сюда).

Китайцы не только одевают и обувают, но и кормят Камчатку. Фрукты/овощи практически исключительно китайские. И безвкусные. Местные овощи бывают -- в сезон, конечно -- но стоят они раза в два дороже китайских. Поразило, как корабельные грузовые контейнеры, поставленные на рынке или на улице (часто теми же китайцами), обустраиваются внутри и снаружи и превращаются в двухэтажные дома. На некоторых таких контейнерах уже висят таблички -- улица, дом.

Помог какой-то бабушке дойти до подъезда в гололед. Она сказала спасибо, подумала, и спросила -- "Наверно, вам надо сколько-то денег дать? 10 рублей?" В Европе бы таких мыслей ни у кого и даже и не возникло. Грустно от такого капитализма.

Такси до аэропорта в Новосибирске днем стоит дороже, чем ночью. Ибо пробки.
Лес в Академгородке продолжают вырубать -- строят новые дома.