24 декабря 2008 г.

Трехмерный свет

Кстати, вот интересное дополнение к моей записи про характеристики света -- новость Поляризация света может закручиваться наподобие ленты Мёбиуса на "Элементах".



Речь там идет про так называемый трехмерный свет -- т.е. световое поле, получающееся интерференцией волн одинаковой частоты, но идущих в самых разных направлениях (в противоположность "параксиальному" свету). В трехмерном свете возникают совершенно новые возможности для поляризации. В частности, возникает поле поляризаций, которое может иметь нетривиальные топологические свойства. Вот про них и говорится в новости.

Тут, кстати, есть такой тонкий момент. Поле поляризаций вложено в обычное трехмерное пространство (точнее, в односвязный кусок его). Поэтому нетривиальные топологические свойства поля поляризаций могут возникать только вместе с сингулярностями этого поля. В данном случае это линии циркулярной или линейной поляризации, при которых один из поляризационных параметров оказывается неопределенным.

Еще в комментариях задали справедливый вопрос: но ведь векторное поле напряженностей электрического поля не может допускать двузначностей! Как это согласуется с двузначностью поля поляризаций? Ответ состоит в том, что однозначное векторное поле задается полем поляризацией и полем фаз. Поэтому поле поляризаций и поле фаз может иметь нетривиальную топологию, а их "произведение" -- уже тривиальную.

23 декабря 2008 г.

Климатология-2008

В климатологическим вестнике издательского дома Nature, Nature Reports: Climate Change, опубликована интересная подборка: пятерка самых важных результатов в 2008 году, касающихся изменения климата, а также пятерка ключевых открытых вопросов.

Результаты:

  • Стали вызывать беспокойство и другие парниковые газы, в частности метан, который снова начал расти в этом году, и NF3, который, оказывается, за последние 30 лет вырос в 20 раз.
  • Подтверждается тенденция чрезвычайно быстрого таяния Арктики (см. запись Снова про Арктику).
  • Начали наблюдаться серьезные изменения в экосистемах из-за климатических изменений.
  • Новые данные еще сильнее подтвердили "клюшку Манна" -- график изменения температуры, который был пологим в течение 1-2 тыс. лет и резко взмыл вверх последние десятилетия.
  • Несмотря на все эти (и другие) изменения, скептиков по-прежнему много, причем на самом высоком уровне (МакКейн-Пэйлин).

Пятерка вопросов, в которых пока нет ясности:

  • Насколько именно поднимется температура к концу века и как быстро она будет подниматься.
  • На какой стабильный уровень концентрации CO2 надо выйти и к какому году, чтобы избежать катастрофических последствий. Считается, что если удастся удержать потепление относительно 1990 года на уровне 2 градусов, то климатические изменения будут еще не сильно катастрофическими. Однако непонятно, каков предельный уровень концентрации CO2, при котором мы удержимся в двухградусном коридоре. Некоторые считают, что 400-450 ppm, но некоторые утверждают, что не выше, чем 350 ppm. Сейчас уровень 385 ppm и растет примерно на 2 ppm в год. Заметьте, что резко сокращение выбросов еще не гарантирует, что концентрация тут же начнет опускаться.
  • Куда девается лишний CO2? Подсчет углеродного баланса (сколько выбрасывается, сколько поглощается биосферой, на сколько увеличивается в атмосфере) не сходится. Считается, из-за того, что заметную долю поглощает океан. Но как именно и где именно -- пока не очень понятно. Возможно, ситуация прояснится в ближайшие годы -- в следующем году на орбиту выйдут два спутника (один от NASA, другой японский), которые как раз будут следить за потоками CO2 в атмосфере.
  • Влияет ли глобальное потепление на интенсивность ураганов? Я как-то писал про нетривиальность этого анализа: Ураганы и глобальное потепление и И снова про связь ураганов с глобальным потеплением.
  • Насколько быстро тает Гренландия (тоже кое-что писал, Про таяние гренландских ледников) и связанный с этим вопрос о повышении уровня моря к 2100 году (сейчас оценки такие: 0,8-2,0 метра).

Ну а в блоге RealClimate появился обзор хороших книг по климату в 2008 году.

21 декабря 2008 г.

Применение радиотрейсеров в биомедицинских исследованиях

Если в глубокой древности человек приручал огонь, то в двадцатом веке он приручал радиоактивность. Радиоактивность, так же как и огонь, существует в разных формах и может использоваться для разных целей. В современном мире применения радиоактивности чрезвычайно разнообразны.

Примерно такими словами начинается небольшой, но очень емкий обзор The uses of radiotracers in the life sciences, посвященный использованию радиотрейсеров в биологии и медицине. Он вышел в журнале Reports on Progress in Physics, причем до середины января статья находится в свободном доступе (но только надо на сайте журнала завести аккаунт).

Радиотрейсеры -- это радиоактивные изотопы тех или иных элементов с коротким периодом полураспада (от нескольких минут до нескольких дней). Такие изотопы приготавливаются одним из трех способов: как продукты деления урана или плутония в реакторах, при бомбардировке мишеней протонами, разогнанными на циклотронах, или в так называемых генераторах, в которых из цепочки распада относительно долгоживущих изотопов выделяются короткоживущие. Кстати, в обзоре довольно подробно описана методика всех трех способов.

Полученные ядра "одеваются" в электронные оболочки, а затем их быстро внедряют в те или иные молекулы, и полученный препарат вводят человеку или животному. Вещество проникает в организм и накапливается в той или иной ткани. Спустя некоторое время оно распадается с излучением фотона, позитрона или других частиц. Далее типичные сценарии могут быть такие:

  • Фотонно-эмиссионная компьютерная томография (SPECT): радиотрейсер (обычно метастабильный изомер технеция 99mTc) излучает один-единственный фотон, обычно с небольшой энергией сотни кэВ, который регистрируется детектором. При этом с помощью коллимации удается примерно узнать направление прилета фотонов, на основании чего компьютер вычисляет распределение источника в пространстве.
  • Позитронно-эмиссионная томография (PET): излучается позитрон, который аннигилирует с каким-нибудь электроном и порождает два фотона, разлетающихся примерно в противоположных направлениях, которые и регистрируются кольцом детекторов. По сравнению со SPECT, PET позволяет определить положение "излучателя" без коллимации по пересечению хорд (каждая пара фотонов определяет хорду, на которой должен лежать источник). Недостатком является то, что позитрон перед аннигиляцией может пропутешествовать несколько миллиметров внутри тела, что приводит к смазыванию картинки.
  • Радиоиммунный анализ (RIA): радиотрейсерами помечаются антигены, которые связываются (например, в крови) со специфическими белками. В зависимости от того, сколько связалось помеченных антигенов, можно узнать, сколько было "свободных" белков, а значит, можно вычислить концентрацию исходно присутствовавших непомеченных антигенов. В этом методе нет необходимости строить распределение в пространстве, достаточно измерить только концентрацию связанных антигенов.
  • Локальная радиотерапия: радиоактивное вещество накапливается в тканях со злокачественными образованиями и, распадаясь, оказывает на них радиационное воздействие. Такой метод метод лучше, чем обычная радиотерапия (пусть даже и адронная), при котором тело просвечивается рентгеном или пучками частиц насквозь. Некоторые использующиеся для такой терапии изотопы могут также испускать и гамма-кванты, что позволяет легко наблюдать за их активностью с помощью SPECT.
  • Еще более "нацеленная" радиотерапия: внедрить радионуклид в антитела, которые сами находят раковые клетки и связываются с ними. После излучения альфа- или бета-частицы, ближайшая (т.е. связанная) клетка повреждается с большей вероятностью, чем более далекие. В последние годы начали появляться коммерчески-доступные препараты с мечеными антителами.

Вообще, в статье есть еще и история развития радиомедицины, и перечень используемых сейчас радиотрейсеров и их получение/использование, и краткое описание попыток распространить методику радиомечения и для экосистем.

Интересно, что там с Арктикой происходит?

На графике роста площади арктических льдов наблюдается аномалия:

Голубая кривая -- это данные за текущий сезон. Штриховая линия -- данные за прошлый, рекордный по потере льдов год.

Видно, что в течение последней недели площадь льдов почти не увеличилась. То ли не нарастает новый, то ли где-то растет, где-то тает, в любом случае для середины декабря это мягко говоря странно. Будем ждать объяснений от американского National Show and Ice Data Center, откуда и взята эта картинка.

15 декабря 2008 г.

Эволюция минералов

Просто картинка.

Источник: R.M. Hazen et al, Mineral evolution, American Mineralogist 91 (2008), 1693-1720. Подсмотрено здесь.



По клику откроется большая картинка.

14 декабря 2008 г.

Про децибелы

Кстати, а знаете ли вы, что ноль децибел -- это вовсе не отсутствие звука? Полное отсутствие звука -- это (формально) минус бесконечность децибел. А 0 дБ -- это тот порог, начиная с которого средний человек в стандартных условиях начинает что-то слышать.

И еще -- существует верхний теоретический предел громкости звука, это около 195 дБ. Звука громче просто не может быть, поскольку атмосфера начинает рваться. Правда, это всё относится только к звуку в воздухе и к нормальному давлению. Жидкости и твердые тела держат некоторое отрицательное давление, так что там возможен звук с амплитудой давления больше 1 атмосферы. Ну и звук в газе под высоким давлением тоже может быть громче.

Навеяно Zero dB.

13 декабря 2008 г.

Как выглядит ультрарелятивистский протон - 2

В прошлом посте я рассказывал, что такое партоны и как выглядит состоящий из них ультрарелятивистский протон. Оказалось, что протон "отказывается" сжиматься в продольном направлении, сохраняя некоторую примерно постоянную толщину при сколь угодно высоких энергиях. И это вовсе не вступает в противоречие с теорией относительности, а есть, в конце концов, следствие квантово-полевых эффектов.

Однако на самом деле приведенный там анализ перестает работать при энергиях выше некоторого предела, при котором начинает сказываться насыщение глюонных плотностей внутри протона. Этот пост -- о том, что происходит с формой протона выше этого предела.

Проследим, что происходит с партонными плотностями при большой энергии протона. При этом сам протон можно не трогать, а достаточно просто нам самим переходить из одной системы отсчета в другую.

При каждом акте расщепления количество партонов прирастает на единицу. Количество актов расщепления, которые успевает сделать партон за время своего полета рядом с кварками, растет с энергией. Поперечный размер протона с энергией растет очень медленно, поэтому рано или поздно наступает такой момент, когда партонов (в особенности, глюонов) становится чересчур много.

Как можно предположить, начиная с этого момента вся эволюция партонных плотностей меняется. Концентрация глюонов столь велика, что еще один добавочный глюон скорее рекомбинирует с кем-то уже существующим, чем потеснит их. То есть, новые расщепления партонов оказываются бесполезными -- прироста партонных плотностей они практически не дают.

Такое явление называется насыщением партонных плотностей. Попытки разобраться с тем, как происходит переход к насыщению (т.е. какое именно нелинейное уравнение описывает эволюцию партонных плотностей при приближении к этому режиме), а также то, в терминах каких степеней свободы следует описывать протон за этой границей -- это всё является сейчас одним из самых активных разделов теории сильных взаимодействий. Одна из самых ярких моделей динамики партонных плотностей -- так называемая модель "конденсата цветового стекла" (color glass condensate). Подробности см. в статье Леонидова Плотная глюонная материя в соударениях ядер, УФН 175, 345 (2005).

При какой плотности глюонов происходит насыщение? Вероятность рекомбинации нового глюона, по самой грубой оценке, можно записать как концентрация глюонов в поперечном фазовом пространстве помножить на константу сильного взаимодействия αs. Можно представлять себе, что фазовое пространство разбито на ячейки, в каждой сидит ноль, один или даже несколько глюонов (это называется "числа заполнения"), и что новый глюон рекомбинирует с уже имеющимся глюоном с вероятностью αs. Тогда насыщение наступит при типичных числах заполнения порядка 1/αs.

Как я уже рассказывал в прошлый раз, глюонные плотности растут с уменьшением доли импульса протона (x). Значит, при каком-то значении x, когда глюонная плотность достаточно вырастет, дальшейший рост прекратится. Иными словами, не удастся излучить глюоны с еще меньшим значением x -- они тут же кем-то поглотятся. В результате возникает некий нижний порог по величине x (назовем его xкрит.), ниже которого можно считать, что глюонов почти нет. (Впрочем, этот xкрит. не фиксирован, а уменьшается с ростом энергии, но не очень быстро.)

Но как мы помним, каждому партону с долей x соответствует своя длина волны: 1/(xE). В случае линейной эволюции (без учета рекомбинации) x мог быть очень маленьким, вплоть до μ/E, что приводило к длине волны (а значит, и к толщине облака таких партонов) порядка 1/μ. В случае насыщения максимальная длина волны составляет 1/(xкрит.E), а эта величина уже может быть маленькой, много меньше 1/μ, и более того, она уменьшается с энергией.

В результате этого анализа получаем такую картинку. Если энергия протона очень велика, то глюонная плотность внутри него начинает выходить на насыщение. Поскольку быстро летящий протон состоит в основном из глюонов, то у него начинаются вырисовываться некие более-менее четкие очертания. И эти очертания действительно сжимаются в продольном направлении с дальнейшим увеличением энергии, хотя и медленнее, чем у тела фиксированной формы.

И последний штрих. Глюонная плотность зависит от расстояния до центра протона, а точнее, до оси, вдоль которой летит центр масс протона. При одних и тех же кинематических условиях глюонная потность больше на оси и меньше на периферии. Это значит, что с ростом энергии насыщение начнется в центральной области протона раньше, чем на краях. Получается, максимальная длина волны глюонов в центре будет меньше, чем на краях. То есть, протон в центре будет тоньше, чем на краях. Протон станет напоминать двояко-вогнутую линзу.

Все эти рассуждения, вместе с подробными расчетами (в дважды-логарифмическом приближении, правда) приведены в недавнем препринте "On the shape of a rapid hadron in QCD" (arXiv:0811.3737). Там рассматривался конкретно случай "формы протона" при глубоко-неупругом рассеянии (т.е. в столкновении виртуального фотона с протоном). Причем все вычисления проводились на самом деле в системе покоя протона, и величина, за которой авторы следили -- была длина когерентности флуктуаций фотона в кварк-антикварковую пару. При переходе в систему отсчета с ультрарелятивистским протоном именно эта величина и превращалась в продольный размер глюонного облака.

Кстати, в той статье было сделано и еще одно занятное замечание. Если провести тот же анализ для тяжелых ядер вместо протонов, то там глюонная плотность будет больше, чем у протона, а значит, насыщение наступит раньше. Получается, что ультрарелятивистское ядро может оказаться тоньше (особенно по центру), чем каждый из составляющих его нуклонов. Такое, с наивной точки зрения, парадоксальное явление происходит потому, что глюонные поля от отдельных протонов деструктивно интерферируют.

Как выглядит ультрарелятивистский протон - 1

Я уже как-то рассказывал про необычные свойства адронов с большими энергиями: см. Дифракция в физике элементарных частиц: рассказ первый и Дифракция в физике элементарных частиц: рассказ второй. Сейчас будет пара постов в продолжение этой темы.

Один из самых известных эффектов теории относительности -- сокращение продольных размеров быстро летящих тел. Если в системе покоя тело имело продольный размер L, то наблюдатель, движущийся мимо с околосветовой скоростью, будет в своей системе отсчета видеть продольный размер L/γ. Поперечный размер при этом не меняется, так что ультрарелятивистский шарик выглядит сильно сплющенным диском.

Этот эффект не яляется специфичным для осязаемых тел. То же самое происходит, например, и с электрическими полями. Скажем, электрическое поле, которые было сферически симметричным в системе покоя заряда, в ультрарелятивистской системе отсчета тоже сплющивается в гамма раз, так что оно становится локализованным примерно в плоскости, ортогональной движению заряда, и там оно усиливается в гамма раз. (В дополнение к этому, конечно, появляется и магнитное поле, так что ЭМ поле все больше напоминает поток почти реальных фотонов).

Так вот, это, казалось бы, универсальное правило не выполняется для ультрарелятивистского протона (ну и всех адронов вообще). Он вовсе не сжимается в гамма раз, а остается довольно "толстым". И причина этого -- не нарушение теории относительности, а неприменимость к быстрому протону обычного понятия "состоит".

Что такое партоны

Во всех научно-популярных книжках пишут, что протон состоит из трех кварков, связанных глюонными силами. На самом деле, это описание работает только для неподвижного или медленно движущегося протона. При движении со скоростью, близкой к скорости света, протон состоит уже из других объектов (партонных плотностей), и при этом состав протона уже не является чем-то фиксированным, а зависит от системы отсчета.

Как такое получается?

Прежде всего, обращу внимание на то, что "состав" у составной частицы -- совершенно нетривиальное понятие в квантовой теории поля (КТП) со взаимодействием. Причиной нетривиальности является "закон несохранения" элементарных частиц: их количество не фиксировано, они могут рождаться и поглощаться. Например, глюонное взаимодействие между кварками так и осуществляется: глюоны излучаются и поглощаются, приводят к силовому взаимодействию. Но похожие флуктации глюонных и кварковых полей существуют и в вакууме: ведь вакуум в КТП -- не мертвая пустота, а вполне себе "бурлящее" состояние. Поэтому такие квантовые флуктуации, которые есть и в вакууме, и внутри составной частицы, не могут полноценно считаться составляющими этой частицы. "Состав" составной частицы -- это то, что отличает ее от вакуума.

Рассмотрим теперь ультрарелятивистский протон. Вся динамика внутри этого протона нам теперь кажется сильно замедленной. Те виртуальные глюоны, которые раньше излучались и тут же поглощались, теперь долгое время летят рядом с кварками, и только потом поглощаются. При этом они могут еще на некоторое время излучить новые глюоны или даже расщепиться на кварк-антикварковые пары. В результате, если мы сделаем "моментальный снимок" протона, то увидим, что кроме исходных кварков в нем присутствует большое количество глюонов и даже кварк-антикварковых пар.


Это всё те же флуктуации кварковых и глюонных полей, но только сейчас они происходят в такой кинематике, которая практически отсутствует в вакууме. Именно поэтому эти партоны можно считать составными частями быстро летящего протона. Причем чем ближе скорость протона к скорости света, тем дольше живут эти флуктуации. Это значит, что они успеют породить более сложное "дерево" вторичных флуктуаций, т.е. сделать структуру протона более сложной.

Кинематика партонов

Во всех этих расщеплениях, разумеется, выполняется закон сохранения импульса. В ультрарелятивистском протоне доминирует продольный импульс, поэтому обратим внимание на него. Каждый конкретный партон может нести какую-то долю, x, от импульса всего протона. При расщеплении на два других партона этот x делится на x1 и x2 в некоторой пропорции (конкретный закон задают так называемые функции расщепления). Причем при излучении глюонов (не важно, от кварков или из других глюонов) преимущество получают "мягкие" глюоны, т.е. с очень маленьким x1/x.

Итак, в результате всей эти динамики в ультрарелятивистском протоне складывается некое "равновесное" распределение партонов по доли продольного импульса. Причем в случае глюонов оно резко растет в сторону малых x (глюоны начинают доминировать при x меньше, чем примерно 0,01-0,05). В физике сильных взаимодействий есть целый раздел, условно называемый "КХД при малых x" -- это по сути изучение глюонной плотности внутри адрона и тех динамических структур, которые в нем создаются.

Насколько малым может стать x? До каких пор продолжается каскадное излучение глюонов? До тех пор, пока излученный партон не становится слишком мягким, т.е. неотличимым от типичной вакуумной флуктуации. Такие флуктуации уже не считаются принадлежащими протону. Если обозначить типичный энергетический масштаб сильных взаимодействий через μ (примерно 200-300 МэВ, радиус протона в системе покоя R ~ 1/μ), то минимальный x будет порядка μ/Eпротона.

Продольный размер быстро летящего протона

Длина волны партона с долей импульса x есть 1/(xE) ~ 1/(x * γmp) (используются единицы c=h=1). Эта длина почти в (1/x) раз больше, чем "наивная" оценка толщины ультрарелятивистского протона 1/(γμ). Среди всех партонов, максимальную длину волны (порядка 1/μ) имеют партоны с минимальным x, и как уже сказано, таких партонов на самом деле очень много (правда, импульс они в целом несут небольшой).

В итоге, возникает такая картина быстро летящего протона: он вовсе не сплющен, а имеет сопоставимые продольный и поперечный размеры (порядка 1/μ ~ 1 фм; впрочем, поперечный размер медленно увеличивается, но это очень слабая зависимость), причем независимо от гамма-фактора. Если мы перейдем в другую систему отсчета, где у протона еще больший импульс, то эта картинка сплющится, но мы вынуждены будем начать учитывать новые партоны, которые в предыдущей системе отсчета относились к вакуумным флуктуациям. И поэтому в целом картина остается примерно той же.

Взаимодействие составных частиц

То, что понятие "состава" составных частиц зависит от системы отсчета, не нарушет лоренц-инвариантность наблюдаемых величин, например, сечений процессов рассеяния. Когда сталкиваются два протона лоб в лоб при очень большой энергии, то детальное описание зависит от системы отсчета (см. рисунок ниже). В системе покоя одного протона мы видим второй налетающий протон со сложной структурой (т.е. со своим развившимся каскадом вторичных партонов). Но если мы теперь перейдем в другую систему отсчета, то часть этих партонов уже будет считаться отошедшей к структуре второго первого протона, а часть будет просто считаться взаимодействием. Свертка этих величин -- структура одного, структура другого, взаимодействие -- остается инвариантной.



Вот такие нетривиальные вещи следуют из одного лишь факта, что протон -- не "неделимый" кусок вещества с четкой границей, а динамический составной объект.

Если кто хочет почитать подробнее, то могу порекомендовать лекции Владимира Грибова, прочитанные на Зимней школе ЛИЯФа в 1973 году. Перевод на английский доступен в архиве: hep-ph/0006158.

В следующем посте я расскажу, что при очень высоких энергиях всё это описание изменяется, в результате чего протон всё-таки начинает уплощаться, но при этом он принимает форму двояко-вогнутой линзы.

Update: в комментариях к новости мне подсказали интересную ссылку: Leonard Susskind, Strings, Black Holes and Lorentz Contraction. Там описывается по сути то же, но только для гравитационных взаимодействий. Очень примечательный момент: когда Сасскинд пишет про несжимающийся протон, он ссылается вот как: "Впервые я услышал об этом нарушении лоренцева сокращения от Бьоркена".

10 декабря 2008 г.

Погода на внесолнечных планетах

Еще одна статья из серии "до чего дошел прогресс", на этот раз из свежего Nature: Strong water absorption in the dayside emission spectrum of the planet HD 189733b.

Речь идет о наблюдениях света от экзопланеты (т.е. планеты около другой звезды) HD 189733b. Это одна из самых близких (расстояние до системы 19 парсек), крупных (радиус = 0,155 от радиуса звезды) и самых горячих (температура порядка 1000 кельвинов) экзопланет. Кроме того, она затменная, т.е. при наблюдении с Земли она то частично заслоняет свет звезды, то сама скрывается за ней. Поэтому несмотря на то, что отдельно в телескоп звезду и планету разделить (пока) не удается, можно без проблем изучать свет от самой планеты и его спектр путем сравнения общего света до и во время затмения планеты. Ну а через спектр, можно изучать и атмосферу планеты.

Инфракрасный спектр планеты был снят впервые пару лет назад. Сейчас, в новой работе рассказывается о повторении этих наблюдений, но уже чуть в более широком спектральном диапазоне и чуть точнее, чем раньше. Вот два главных вывода:

  • В спектре присутствуют сильные линии поглощения водяных паров. Т.е. в верхней атмосфере есть вода, и ее немало.
  • Спектр, снятый сейчас, отличается от предыдущего измерения. Кроме того, новое наблюдение подчеркивает непонятки относительно того, как именно тепло распределяется в верхней атмосфере.

По первому пункту всё ясно -- это круто! :)
По второму пункту. Поскольку оба измерения проводились на одном и том же спутнике (на Спицеровском космическом телескопе), то все систематические погрешности остались практически неизменными, так что маловероятно, чтобы отличие было вызвано какой-то инструментальной ошибкой. Значит, скорее всего речь идет об изменениях на самой планете.

Вообще, теоретические модели предсказывают, что в подобных условиях в верхней атмосфере должны иметь место какие-нибудь глобальные погодные явления. Вот по-видимому Спитцер их и наблюдает. В планах группы -- продолжать пристальное наблюдение за планетой.

А для любителей фантастики приведу такой отрывок из этой статьи. При обсуждении конфликтующих данных по распределению тепла в атмосфере, авторы в качестве одной из возможностей говорят:

... либо причиной этого может быть то, что HD189733b имеет внутренний источник энергии и излучает больше энергии, чем получает от своей звезды.

Дальше фантазируйте сами :)

PS. Вот еще заметка на PhysicsWorld: Water confirmed on distant planet.

Полупрозрачная Земля

А вот еще одна интересная статья по геофизике, на этот раз из последнего выпуска Science: Optical Absorption and Radiative Thermal Conductivity of Silicate Perovskite to 125 Gigapascals. Если вкратце, то авторы приходят к выводу, что в нижней мантии, вплоть до границы с ядром, доминирует лучистая теплопередача. То бишь, тепло сквозь мантию передается в основном через свет, в инфракрасном и оптическом диапазонах. (Откуда, спросите, такой "подземный свет"? Так ведь температуры там тысячи градусов, вот все и светится.)

Как пришли к этому выводу? Вообще, нижняя мантия считается состоящей в основном из минерала алюмосиликатного (Mg,Fe)-перовскита (или как там его правильно называть). При обычных условиях это полупрозрачный минерал -- не такой прозрачный, как например стекло, но все равно, отдельные крупинки вполне прозрачны. Однако долгое время считалось, что при высоких давлениях, таких как в нижней мантии, он становится сильно поглощающим, т.е. непрозрачным.

Какое-то время назад возникло подозрение, что его полупрозрачность может держаться довольно долго с ростом давления. И вот сейчас провели прямые эксперименты вплоть до давления 125ГПа (т.е. 1,25 млн. атмосфер, что соответствует нижней границе нижней мантии) и сняли спектры поглощения в ИК и оптической области. Оказалось, что коэффициент поглощения растет с давление, но не шибко сильно. Типичная длина пробега фотонов даже при столь высоких давлениях составляет 100-200 микрон. Ну, это примерно как слюда. Да и визуальное наблюдение крупинки этого минерала толщиной 30 микрон прямо внутри алмазной наковальни при давлении в 1,25 млн. атмосфер показало, что она вполне себе окрашенно-прозрачная.

На основе этих спектров поглощения был вычислен коэффициент лучистой теплопередачи, и он оказался вполне нехилым, вплоть до 10 Вт/м/К. Утверждается, что это больше, чем простая теплопроводность. Т.е. выходит, что тепло передается через мантию в основном светом, который как бы просачивается через "полупрозрачное" вещество мантии ("полупрозрачное", конечно, это сказано очень условно).

Тут есть правда одно "но". Спектры в опыте были получены при выских давлениях, но комнатных температурах, а в Земле температуры высокие. Но поскольку воспроизвести их в лаборатории трудно, авторы на основании каких-то теоретических аргументов говорят, что спектры не должны измениться сильно.

7 декабря 2008 г.

Пара статей из свежего Nature Geoscience

В свежем выпуске Nature Geoscience (а точнее, даже не в выпуске, а в предварительных онлайновых публикациях) появились две очень разные статьи, которые однако можно охарактеризовать общей фразой: статьи о том, как сложные вещи получаются естественным образом.

В первой статье, Biomolecule formation by oceanic impacts on early Earth, описаны результаты эксперимента, моделирующего столкновение метеоритов с молодой неорганической Землей. Исследователи интересовались происходящие в момент столкновения химические реакции, а конкретно -- образование органики.

В эксперименте снаряд разгонялся до скорости около 1 км/сек и врезался в контейнер со смесью неорганического углерода, железа, никеля, азота и воды (это совершенно нормальный начальный состав для столкновения хондрита с молодой Землей). При столкновении возникала ударная волна, которая на короткое время нагревала смесь до нескольких тысяч градусов при давлении в пару тысяч атмосфер (а при реальном падении метеоритов давления были заведомо выше). Как показал последующий анализ, при этом образовывались разнообразные органические молекулы -- карбоновые кислоты, амины, анимокислоты.

Авторы даже оценили "органический КПД" такого столкновения: как минимум 2,5*10−5 от первоначального твердого углерода образовывало разнообразную органику. Очень даже неплохо. Получается, на раннем этапе жизни Земли простое падение метеоритов могло легко породить достаточно большое количество первоначальной органики.

Вообще, то, что органические молекулы могут синтезироваться сами собой в достаточно агрессивных условиях, конечно, совсем не новость (см. например заметку Получены новые результаты старого эксперимента Стэнли Миллера). Но в этой работе интересно то, что для образования органики, получается, не требуется долго "колбасить" первоначальный неорганический бульон. Достаточно одного удара, и ударная волна сама всё сделает.

Вторая статья, The role of the stratosphere in the European climate response to El Niño, по климатологии.

Как известно, климат (т.е. условно говоря, усредненная за год погода) живет своей жизнью даже при фиксированных внешних условиях. У него имеются разнообразные многолетние климатические осцилляции, самая сильная из которых ENSO (Эль-Ниньо-Южное Колебание). Она зарождается в тихоокеанских тропиках, но влияет не только на ближайшие регионы (Южную Америку), но и глобально. В частности, наблюдения показывают, что фаза этого колебания влияет на погодные тенденции в Европе в конце зимы: теплая фаза Эль-Ниньо коррелирует с холодным климатом на севере Европы (см. подробную статью ENSO influence on Europe during the last centuries, она вроде бы в свободном доступе). Однако проблема долгое время была в том, что не был понятен механизм такого четкого и регулярного воздействия.

В новой статье сообщается, что моделирование в рамках модели общей циркуляции HadGAM1 неплохо воспроизводит эту тенденцию. И в рамках этой модели видно, что влияние идет через стратосферу. Хотелось бы теперь проверить, показывают ли другие модели то же самое.

5 декабря 2008 г.

Задачка по математике из скетча Монти Пайтона

Смотрел недавно один скетч Монти Пайтона, про покупку кровати. И там в самом начале формулируется отличная задачка по математике, но только почему-то они ее не обыграли в полной мере (а может даже и не осознали). В общем, предлагаю эту задачку в небольшой переформулировке.

Пришел в магазин покупатель и спрашивает: сколько стоит кровать?

Первый продавец ему отвечает: 600 фунтов.
Покупатель удивляется, что очень дорого, но тут второй продавец ему говорит: "Знаете, у первого продавца есть особенность -- он все числа называет в 12 раз больше, чем они есть на самом деле. А в остальном он совершенно прав."

"Ну хорошо", говорит покупатель первому продавцу, "значит я понял, что кровать стоит 50 фунтов, поскольку Вы все увеличиваете в 12 раз".
Тот на это отвечает: "Это Вам кто сказал, мой напарник? Знаете, у него есть одна особенность -- он все числа преуменьшает в 3 раза. А так, в остальном он совершенно прав."

Вопрос: сколько стоит кровать на самом деле?

Update: поскольку люди ждут "авторского" ответа, то вот он -- 100 фунтов. Решение уже было приведено в комментариях.

2 декабря 2008 г.

Неандертальцы в современном обществе

Кстати, а вот такой есть этический вопрос. Предположим, что нам удалось клонированием воссоздать неандертальца (в принципе, это уже не кажется таким невозможным, геном неандертальца частично прочитан). Пусть он вырос здоровым и обученным в меру своих способностей.

Считали бы вы его человеком? Или всё же просто умным животным? Относились бы к нему как к личности? Приняли бы вы его в современное общество? Ограничили бы его социальную активность? Или же держали бы в специальных заведениях и "на волю" не выпускали?

1 декабря 2008 г.

Гнутые кристаллы и физика элементарных частиц

В рассказах про Большой адронный коллайдер есть одна вещь, которая меня самого впечатляет и которую я стараюсь демонстрировать при всякой возможности --
это то, насколько разнообразные физические явления используются в работе ускорителя, причем даже в самых рутинных элементах. Расскажу сейчас об одном таком явлении, которое пока находитя в стадии изучения и разработки, но вполне возможно, что оно будет внедрено в LHC при его модернизации.

Когда протонный пучок высокой энергии попадает в вещество, то протоны то и дело натыкаются на ядра, передавая им часть своей энергии и разрушая вещество. Собственно, именно так интенсивный пучок прожигает все на своем пути. Казалось бы, этот процесс универсален -- какая разница протонам, что именно разрушать?!

Однако некоторая разница всё же есть. Если на пути пучка окажется монокристалл, причем ориентированный так, что одна из его осей будет параллельна пучку, то пучок пройдет сквозь намного свободнее, с гораздо меньшими "разрушениями". Такой режим прохождения называется каналированием.

Так происходит потому, что кристаллографические плоскости представляют с точки зрения налетающего протона ровные параллельные потенциальный барьеры. Так что если поперечные колебания протонов в пучке невелики, то каждый отдельный протон не может "перевалить" через этот потенциальный барьер и вынужден лететь строго вдоль оси кристалла (см. подробности в статье Каналирование).


Рис.2 Потенциальная энергия для поперечного движения ультререлятивистских протонов вдоль кристалла и схематичное изображение траектории в кристалле. Каналирующие частицы (красные) и неканалирующие (синие). Источник: статья Phys.Rev.Lett. 98, 154801 (2007).
Возьмем теперь кристалл и изогнем его (это будет, разумеется, упругая деформация, поэтому кристалл надо удерживать силой в изогнутом состоянии). Если кривизна небольшая, то каналирующая частица никуда не денется и послушно пойдет туда, куда ее уводят кристаллографические плоскости. Так возникает первое применение гнутых кристаллов в физике элементарных частиц -- для отклонения пучков частиц.


Рис.3 Та же потенциальная энергия, но для гнутого кристалла. и схематичное изображение траектории в кристалле. Источник: статья Phys.Rev.Lett. 98, 154801 (2007).

Однако в гнутом кристалле может происходить и еще одна интересная вещь -- объемное отражение пучка. Это можно легко себе представить, если снова нарисовать потенциальную энергию, но уже для гнутого кристалла. Эта потенциальная энергия, правда, уже относится к радиальному движению, т.е. к поперечному движению относительно изогнутых кристаллографических плоскостей. А как известно из классической механики, для радиального движения необходимо к просто потенциалу прибавить еще центробежный потенциал. Из-за этого эффективная потенциальная энергия для радиального движения протонов будет иметь вид, как на Рис.3.

Если теперь налетает неканалирующая частица, то она, достигнув какой-то кристаллографической плоскости, отразится назад. Конкретное место отражения зависит от начального угла, с которым протон влетает в кристалл, и может находиться в любом месте объема кристалла.

Явление объемного отражения пучков гнутым кристаллом было теоретически предсказано Таратиным и Воробьевым в 1987 году и было экспериментально открыто всего два года назад (Phys.Rev.Lett.97, 144801 (2006)). Сейчас это явление всесторонне изучается, в том числе в ЦЕРНе (да-да, в ЦЕРНе есть и другие эксперименты, кроме LHC, и их немало!) на специальной линии с 400-ГэВными протонными пучками из ускорителя SPS (который будет служить предварительным ускорителем для LHC). Например, в свежей статье Phys.Rev.Lett. 101, 234801 (2008) искался способ сделать объемное отражение более эффективным для того, чтобы использовать по возможности более короткие кристаллы.

Объемное отражение дает еще одно применение гнутых кристаллов для физики элементарных частиц -- в качестве первичных коллиматоров. Вообще, коллиматор -- это устройство, "чистящее" пучок частиц ускорителе (см. страницу об устройстве LHC, последний раздел). Обычно это просто "болванки" вещества, которые пододвигаются на пару миллиметров к пучку и поглощают гало пучка -- частицы, выбившиеся далеко от главной оси пучка. Эти частицы рассеиваются в веществе коллиматора в самые разные стороны, и в том числе снова в направлении пучка. В результате для того, чтобы надежно отрезать гало пучка, приходится ставить коллиматоры второго и третьего уровня. Это делает всю конструкцию громоздкой.

В отличие от обычных коллиматоров, гнутые кристаллы отклоняют частицы из гало пучка в определенном направлении, уменьшая радиационную нагрузку на окружающие элементы ускорителя. Ну и кроме того, они будут просто меньше греться, в отличие от обычных коллиматоров, которые буквально раскаляются, поглощая гало пучка.

Три постдок-позиции в нашей группе

В нашей группе в Льежском университете открылись три новых позиции для постдоков: одна по адронной физике (скорее всего, КХД при высоких энергиях), вторая и третья -- по astroparticle physics.

Первая и вторая позиции -- для молодежи. Для них есть требование, чтоб степень (PhD или к.ф.-м.н.) была получена не ранее октября 2003 года. Крайний срок подачи заявок на эти де позиции -- 31 декабря.

Третья позиция формально тоже считается постдоковской, но не имеет ограничений по времени получения степени. Кроме того, у нее нет фиксированного дедлайна.

Все три позиции начнутся осенью 2009 года, первые две -- на 3 года, третья -- на 2 года. Зарплата везде -- около 2000 евро в месяц чистыми.

Более подробную информацию см. на страничке нашей группы, вверху.