24 августа 2011 г.

Психоделика хиггсовского бозона

Как наверно многие знают, Большой адронный коллайдер сейчас добивает хиггсовский бозон. В связи с этим регулярно появляются новые доклады и срочные недо-статьи под названием «physics analysis summary» (интересный жанр публикаций, я о таком раньше не знал). Так вот, просматривая одну такую свежую недо-статью коллаборации CMS, я увидел график, которым не могу не поделиться:
Поиск хиггсовского бозона на детекторе CMS в канале два легких лептона + два тау-лептоны.
Этот график меня прямо поразил какой-то своей психоделической символичностью. Разбираться в деталях, что там изображено, не надо — это просто результаты поиска хиггсовского бозона в одном из каналов распада.

Главное тут другое. На этой картине словно изображена битва физиков с природой. Всякие цветные гистограммы с кучей подробностей и вариантов развития событий — это то, что теоретики сосчитали, а потом модельеры промоделировали; они характеризуют те мелкие подробности, в которых мы знаем или хотим узнать окружающий мир. Но на это всё наложена грубая, правдивая, природная реальность — одна экспериментальная точка, показывающая одно-единственное зарегистрированное в этом канале событие, которое вольготно расположилось со своими усами посреди графика. И что это событие означает — есть ли хиггс, нет ли хиггса, фон ли это и если да, то какой — мы, глядя на эту одну-единственную точку, никогда не узнаем, несмотря на всё наше детальное моделирование.

Такая вот проза жизни :)

15 августа 2011 г.

И о погоде... на Титане

На Титане, спутнике Сатурна, есть погода. Температура на поверхности составляет 90 К (у полюсов) до 95 К (на экваторе) и практически не зависит от долготы (см. pdf презентации с графиками). Там есть довольно плотная атмосфера, дуют ветра, много метановых облаков, и даже идут дожди, тоже метановые (среднегодовое кол-во осадков в среднем по планете Титану — несколько см). А также там есть сезонные изменения — в общем атмосфера достаточно богатая для того, чтобы говорить о метеорологии и климате Титана.

Вообще, сезоны на Титане меняются медленно: один местный год составляет почти 30 земных лет. Настоящие метеорологические наблюдения там начались в 2004 году, когда в систему Сатурна прилетела космическая станция Cassini, и с тех пор протикала лишь четверть полного сезонного цикла. Однако уже этого достаточно, чтоб заметить сезонные изменения в атмосфере Титана. (К слову, в оптическом диапазоне почти ничего не увидишь, поскольку тропосфера скрыта под слоем «органического тумана», Titan haze. Поэтому рассматривать поверхность и облака надо в специальном окне прозрачности в инфракрасной области.)

Описание изменений по результатам наблюдения Cassini приводятся в статье, опубликованной в GRL полгода назад (pdf статьи доступен на сайте NASA). Вкратце: в 2004 году в южном полушарии было лето, и оно там сопровождалось большими облачными образованиями. Это было, в общем, ожидаемо — обычные облака, возникающие за счет конвекции при нагреве поверхности. В августе 2009 года Титан перешел через равноденствие, и теперь в северном полушарии весна, в южном — осень.

И вот тут появились изменения в атмосфере, которые были не совсем понятными. В сентябре-октябре 2010 года были замечены крупные облачные образования в экваториальных широтах. Во время пролета мимо Титана в сентябре 2010 года Cassini увидел вот это (белая стрелка показывает направление вращения Титана):
Поверхность Титана в ИК диапазоне по наблюдениям Cassini 27 сентября 2010 года: белым цветом показаны метановые облака, разные градации серого — топографические детали. Север сверху. Изображение из статьи Seasonal changes in Titan's meteorology.

Шутка. Белая стрелка — это облака. Т.е. в экваториальной зоне возникло мощное облачное образование размером свыше тысячи км, по форме напоминающее стрелку. Три недели спустя эту стрелку уже видно не было, но все равно в экваториальной области остался большой след из облаков.

Вот эта стрелка задала планетологам (или как правильно их называть?) задачку — как такое могло образоваться. Оказалось, оно может образоваться спонтанно, и современные трехмерные модели глобальной циркуляции на Титане даже могут ее в общих чертах воспроизвести. В свежей статье в Nature Geophysics (pdf препринта можно найти в гугле) показаны результаты моделирования, которые воспроизводят, ну может не прямо стрелку, но такую шевроно-подобную загогулину. Ключевую роль в их возникновении играют планетарные волны, колебания атмосферы размером с весь Титан. Возникающие из-за них течения в атмосфере, сталкиваясь лоб в лоб, приводят к образованию таких уголков мощной облачности размерами в тысячу км и больше.

Впрочем, сами авторы моделирования говорят, что там не всё гладко. Это моделирование предсказывает, что такие мощные облака порождают и мощные ливни, которые должны бы заметно изменять топографию местности за счет метановых рек и эрозии. Топографические изменения после «стрелки 2010 года» действительно были, но далеко не такие сильные. Значит, модель сильно переоценивает связь облаков с осадками, и надо работать дальше.

Но вообще хорошо, что появился еще один объект для проверки и отлаживания моделей глобальной циркуляции, и прикольно наблюдать, какие Титан дает загадки и как их пытаются разгадать.

11 августа 2011 г.

Рубрикатор новостей про LHC

На «Элементах» в разделе про Большой адронный коллайдер появился рубрикатор новостей LHC. Мне самому этого давно не хватало; надеюсь, будет интересно и другим. По крайней мере теперь удобнее отслеживать определенные темы. Выкладываю пока сюда в виде единого списка:

5 августа 2011 г.

Квантовые штучки

Вчера просматривал журналы и обратил внимание сразу на несколько статей, касающиеся разных аспектов квантовой механики. Не претендуя на какое-то глубокое понимание этих работ, просто перечислю, что мне в них показалось любопытным.

«Двухцветный» фотон

В статье E.Zakka-Bajjani et al, Quantum superposition of a single microwave photon in two different ’colour’ states, Nature Physics 7, 599–603 (2011), сообщается о том, что научились излучать фотоны в состоянии суперпозиции разных энергий (т.е. двух «цветов»). Не два фотона с разной энергией, пусть даже и квантово-запутанные, а один фотон в состоянии суперпозиции.

Вообще, забавно. В стандартном курсе квантовой механики такие состояния, не являющиеся собственными состояниями гамильтониана, изучаются рутинно для этакой абстрактной квантовой частицы. Электрон в состоянии суперпозиции, находящийся одновременно на двух разных уровнях энергии, тоже худо-бедно представить можно. А вот фотон в суперпозиции двух разных частот уже визуализировать труднее. Слишком засела в голову картинка, что фотон — просто волна.

Про расширение и происхождение квантовой механики

R.Colbeck, R.Renner, No extension of quantum theory can have improved predictive power, Nature Communications 2, 411 (2011); статья в открытом доступе.

Статья на тему оснований квантовой механики, в которой делается довольно сильное заявление.

Квантовая механика говорит, что если у нас есть абсолютно четко заданная квантовая система и мы измеряем какую-то величину, мы можем получить разные значения. Квантовая механика позволяет лишь вычислить вероятности того, что в результате измерения будет получено то или иное значение; какой именно результат будет получен в каждом конкретном измерении, предсказать нельзя. Такое отсутствие детерминизма (а также расплывчатость понятия измерения) беспокоит людей, и поэтому делаются попытки вложить квантовую механику в какую-то более хитрую теорию, в которой детерминизм восстанавливается. Ну или если не полностью восстанавливается, то хотя бы позволяет (в принципе!) предсказать чуть больше про результаты измерения, чем обычная квантовая механика.

Так вот, в этой статье утверждается, что никакой более «прозорливой» теории существовать не может. Доказательство идет в виде математических теорем и базируется на двух основных предположениях: квантовая механика верна (а не приближенно верна) и при измерении величин у нас есть полная свобода выбора, что измерять. Самое поразительное, что такие вещи люди доказывают, даже не прибегая к каким-то конкретным построениям этой более прозорливой теории. Они даже не делают никаких предпроложений относительно того, какого типа информацию может эта новая теория давать.

Кстати, насчет того, откуда вообще можно вывести квантовую механику: вот в этой недавней статье (Informational derivation of Quantum Theory, см. также полупопулярный пересказ в журнале Physics) квантовую механику выводят из общих законов манипулирования информацией. Звучит круто, но непонятно :)

Квантовые вычисления

X. Zhou et al, Adding control to arbitrary unknown quantum operations, Nature Communications 2, 413 (2011); статья тоже в открытом доступе.

Про квантовые вычисления расписывать много не буду; это перспективная штука и люди давно пытаются ее реализовать на практике. Среди разнообразных трудностей есть и такая. Во многих алгоритмах квантовых вычислений требуется использовать операции, управляемые извне (т.е. внешний контрольный кубит говорит, запускать эту операцию или нет). Обычно оказывается, что встраивать эти контрольные кубиты очень сложно, поскольку это встраивание зависит от самой операции.

А в этой статье предлагается некий универсальный способ встраивать контрольные кубиты, даже если квантовая операция совершенно неизвестна. Авторы обещают прогресс и прорыв.

1 августа 2011 г.

Вековое Североатлантическое Колебание

Вот чем мне интересны науки о климате (ну кроме, конечно, того, что это реальный мир вокруг нас и что нам в этом мире жить), так это тем, насколько сложная и сильносвязанная это система, земной климат. Причем не «беспорядочно сложная», как какой-нибудь белый шум, а иерархически сложная. В климате есть явно заметные степени свободы, которые «живут» на самых разных масштабах времен и пространственных размеров, и что самое интересное, они взаимодействуют друг с другом.

То, что в климате есть эти степени свободы, не совсем тривиальный факт. Вот например, если говорить про временные масштабы. В повседневной жизни мы видим один четкий период изменения «климата» (а точнее, погоды) — 1 год. Его «движущая сила» (т.е. внешная причина) очевидна, и никакого удивления такая периодичность не вызывает. Существуют также очевидные движущие силы с периодичностью в десятки и сотни тысяч лет (колебания параметров земной орбиты), и они тоже вызывают отклик климата примерно с таким периодом — циклы оледенения и межледниковья. И это тоже само по себе неудивительно (хотя, впрочем, несколько удивляет амплитуда отклика климата на довольно слабые воздействия).

Однако у земного климата есть очень заметные колебания с периодом в несколько лет и даже в несколько десятков лет (не совсем строго периодические, конечно). Это, например, Эль-Ниньо/Ла-Нинья (оно же ENSO) со средним периодом около 5 лет, Североатлантическое Колебание (NAO) с характерным масштабом в несколько лет, но без четкой периодичности, на которое накладывается Североатлантическое Мультидекадное Колебание (AMO) с периодом около 50 лет, и т.д. Несмотря на то, что существуют какие-то внешние воздействия с подобной периодичностью (тот же 11-летний цикл солнечной активности), однозначно и напрямую связать эти колебания с какими-то внешними воздействиями нельзя. В земном климате так много петель обратной связи, что он не следует пассивно за внешними воздействиями, а живет своей динамической жизнью. Эти колебания — это настоящие внутренние степени свободы климата, которые могут раскачиваться, затухать, взаимодействовать друг с другом.

Так вот, в свежей статье Revisiting the humid Roman hypothesis: novel analyses depict oscillating patterns люди анализируют большую выборку палеоклиматических данных за последние 3 тыс. лет по всему Средиземноморью и замечают в них (а точнее, в их специфичной корреляции друг с другом) еще одно, совсем долгопериодическое колебание с периодом порядка 500–1000 лет, которое они назвали Вековое Североатлантическое Колебание (Centennial North Atlantic Oscillation, CNAO). Правда, по физическом меркам статистическая значимость этого эффекта мала, всего 2 стандартных отклонения.

Вверху: расположение 21 источника палеоклиматических данных по влажности/сухости климата в последние 3 тысячелетия. Внизу: временная зависимость влажности/сухости для этих мест. Синим отмечен относительно влажный климат, зеленовато-желтым — относительно сухой. Характерное свойство Векового Североатлантического Колебания, предсказанная по климатическим моделям — противофаза для западного и восточного Средиземноморья.

Кстати, цель того исследования была вполне конкретная: проверить широко распространенную гипотезу, что именно массивная вырубка лесов, сопровождавшая расцвет и распространение Древне-Римской цивилизации, привела к заметному «иссушиванию» средиземноморского климата. Ответ, к которому пришли авторы — вряд ли. Просто Древний Рим удачно попал в относительно влажную фазу этого колебания, которая после него сменилась относительно сухой.