Что интересного происходит в науке

Триллион кадров в секунду

2011-12-21T02:40:00.001+01:00

На днях по СМИ и блогам прошла новость про сверхскоростную чудо-камеру, созданную в MIT, которая может снимать видео со скоростью триллион кадров в секунду. Вот страничка на сайте MIT про эту разработку, где можно найти кучу видеороликов и дальнейшие ссылки на литературу. Поскольку я немножко разбирался с быстропротекающими процессами, когда готовился вот к этой лекции, мне есть что сказать по этому поводу.

Если одним предложением, то разработка действительно интересная, но на мой взгляд, авторы её распиарили совершенно нечестным образом. В результате подавляющее большинство людей, услышав про эту камеру, представят себе совсем не то, чем она на самом деле является. На самом деле, это устройство не позволяет заснять с заявленной скоростью отдельный быстропротекающий процесс. Вот некоторые пояснения.

1. Сначала отсеем бред. Бредом являются заголовки СМИ типа «Создана камера, снимающая со скоростью света» или еще хуже «камера, способная заснять скорость света». Это всё получилось из очень неуклюжей, на мой взгляд, формулировки авторов работы, что их камера якобы позволяет увидеть пролетающий мимо луч света. (Собственно, такие заголовки как раз и доказывают, что эта их попытка популяризации была плохой.)

2. Еще одно неудачное заявление: «во вселенной нет ничего, что было бы слишком быстрым для нашей камеры». Это, мягко говоря, больше преувеличение. Посмотрим на числа. Это устройство позволяет получать (как именно, см. ниже) последовательность кадров, отстоящих друг от друга по времени на 2 пикосекунды. Но для современной физики это огромный промежуток времени. Уже давно влегкую изучают и фемтосекундные явления, а не так давно уже забрались и в аттосекундный диапазон. А в ядерной физике и физиче частиц с помощью косвенных методов можно изучать процессы, длящиеся еще на несколько порядков меньше.

Так что есть огромное разнообразие процессов, которые слишком быстротечны для этой камеры. Просто они протекают на микроскопических масштабах, на уровне атомов или ядер. Так что в своем заявлении авторы на самом деле имели в виду только макроскопически процессы.

3. Теперь насчет того, как работает это устройство. Я пересказывать в деталях не буду, на сайте группы всё объяснено. Я лишь кратко обрисую принцип работы.

Основой устройства является стрик-камера. Это устройство, которое не просто посылает изображение на экран, а очень быстро поворачивает его на экране, в результате чего на экране возникает временная развертка быстропротекающего процесса (вот простенький апплет, иллюстрирующий работу стрик-камеры). Однако для того, чтобы изображение не накладывалось на себя, приходится снимать только одномерную полоску. Поэтому на двумерном экране (на CCD матрице) одно направление — это реальное пространственное измерение, а второе направление — время.

Вообще, стрик-камеры — это совершенно стандартная технология, она используется уже не одно десятилетие, а сами камеры выпускаются промышленно. Временное разрешение у топовых стрик-камер обычного типа тоже заметно лучше, в фемтосекундном диапазоне. А в последнее десятилетие активно разрабатывается и используется технология «аттосекундной стрик-камеры». Собственно, тот эксперимент, про который я рассказывал в аттосекундом диапазоне, тоже можно назвать стрик-камерной технологией.

Единственное новшество, которое внесли изобретатели из MIT, состоит в том, что они получают разветку во времени не одно-, а двумерного изображения. Т.е. они показывают не светящуюся полоску, а нормальные снимки. Правда, снимают-то они все равно одномерные полоски, но только эти полоски раз за разом смещаются вниз по изображению (они просто поворачивают зеркальце). Поэтому реальный кадр, а тем более те видики, которые они показывают, получаются не непосредственно в устройстве, а лишь после многократного повторения эксперимента и после компьютерной обработки огромного числа полосок. Это вычисленные, а не снятые кадры.

4. Является ли это устройство видеокамерой?
Из пояснения должно стать понятно, что это устройство не может заснять однократный процесс. Для того, чтобы получить в нем видеоролик, требуется повторять один и тот же эксперимент раз за разом, и надеяться, что он всегда будет развиваться одинаково. Кстати, для того, чтобы получить то видео со световым импульсом, распространяющемся в бутылке, авторам потребовался час работы!

Необходимость повторять эксперимент огромное количество раз сужает тот набор вещей, которые можно так увидеть. Вы, например, не увидите, как разлетаются отдельные кусочки вещества, как на снимках настоящей камерой с миллионом кадров в секунду. Просто потому, что каждый раз ошметки будут вылетать в разные стороны, вы лишь увидите размазанное распыление вещества в целом. (Это словно фотография не отдельного человека, а усредненное фото миллиона отдельных лиц.)

В общем, я подчеркну — никакой способности «видеть» развитие единичного процесса во времени эта камера не дает, увы. Поэтому и видеокамерой ее можно называть только с большой натяжкой. И значит сравнивать с настоящими камерами, которые выдают непрерывный поток кадров (нынешний рекорд — 6 млн. кадров в секунду) просто нельзя, это совсем разные приборы.

Но в конце я еще раз подчеркну: несмотря на мою критику пиара, сам по себе устройство получилось интересное, изображения оно выдает симпатичные, и наверняка пригодится в разных областях. Но только это не видеокамера, которая снимает быстропротекающий процесс с заявленной скоростью.

Дополнение про нейтринную новость

2011-09-27T00:47:00.000+02:00

По поводу этих сверхсветовых нейтрино — есть еще несколько моментов, которые я хочу отметить в дополнение к новости на «Элементах». Они в основном касаются обработки данных. Сложные вопросы, связанные с инструментальными погрешностями измерений времени и расстояний, которые тут, по-видимому, самые важные, я недостаточно понимаю, тут мне надо самому поразбираться.

16 тысяч раз

Многие СМИ написали, что физики, мол, повторили эксперимент 16 тысяч раз, но скорость нейтрино всё равно превышала скорость света. Эта фраза, по идее, должна была поразить читателя тем, какие физики дотошные люди и, самое главное, насколько достоверным является этот результат. На самом деле это совершенно неверное утверждение.

Число 16 тыс. — это столько нейтрино было зарегистрировано в течение трех лет. Все эти 16 тыс. нейтрино были использованы кумулятивно, а не по отдельности. Весь цикл работ по геодезии, по измерению всех расстояний внутри установок, времен задержки аппаратуры и т.п. был проведен только один раз. Поэтому можно сказать, что имело место только одно-единственное измерение. Ну, от силы три — это если разбить всю накопленную статистику на три куска за 2009, 2010 и 2011 годы и для каждого из них поставить отдельную точку (как и сделано в статье). Но только надо помнить, что у всех этих точек не независимые, а сильно коррелированы систематические погрешности, ну и статистическая значимость в 6 сигм возникает только при их объединении.

Сколько нейтрино реально «работают»

На картинках видно, что распределение нейтрино по временам прихода, просуммированное по всем сеансам, имеет примерно трапецивидную форму: резкие передний и задний фронты и широкое плато с небольшими колебаниями. Для измерения времени прихода (т.е. для получения числа 1048,5 +/– 6,9 нс, см. статью или новость) надо совместить эти данные с ожидаемым профилем аналогичной формы. Ясно, что в такой ситуации самую главную роль будут иметь только резкие фронты. Если посмотреть на рис. 3 из новости, то видно, что на фронтах находится примерно несколько сотен нейтринных отсчетов. Вот они в основном и определяют то, как надо оптимально совмещать сигналы.

Тут может показаться странным, что при такой небольшой статистике реально «работающих» нейтрино, они умудрились так хорошо измерить сдвижку. Ширина одного бина на том графике 150 нс, ширина бина на «перебиненом» графике ниже — 50 нс, а они умудряются установить погрешность в одну седьмую часть бина! Это на самом деле не очень удивительно как раз из-за резкого фронта: смещение на один бин резко измеряет хи-квадрат фита, как это видно из картинки.

Передний и задний фронты: фит для нулевого смещения (вверху) и для смещения 60,7 нс (внизу). В первом случае это отвечало бы нейтрино, двигающимся, в пределах погрешностей, со световой скоростью.

Усреднение по сеансам

Однако тут есть такой вопрос. Если посмотреть на типичный профиль протонного сгустка (рис. 2 в новости), то там видны сильные и характерные флуктуации. В усредненной картинке их нет, значит эти пики меняются от сеанса к сеансу и в среднем сглаживаются. Но сглаживание пиков — это как раз плохо, поскольку куча нейтринных данных на плато почти что выкидываются из анализа. Было бы гораздо лучше удерживать информацию о форме протонного пучка в каждом сеансе. Тогда в дополнение к переднему и заднему фронтам имелись бы и резкие фронты внутри трапецивидного сигнала, которые бы заметно улучшили статистическую точность. Но эта информация почему-то выкинута.

Слепой анализ

В физике частиц часто применяют «слепой анализ», которые позволяет избежать предвзятого отношения самих физиков, делающих анализ, к его (ожидаемым) результатам. Перед тем, как какая-то группа будет обрабатывать данные и, например, искать там какой-то сигнал, кто-то другой берет реальные данные и искусственно сдвигает их шкалу (например, по энергии) на какую-то фиксированную величину (например, по энергии). Группе, которая затем проводит весь анализ, эта сдвижка не сообщается. Т.е. они должны находить в данных именно то, что там есть, а не пытаться углядеть что-то там, где они хотят увидеть сигнал. И только после того, как весь анализ проделан и все числа получены, «открывается правда» — группе сообщается сдвижка. Тогда они просто сдвигают все свои данные и наконец-то узнают, как их результаты ложатся на истинную шкалу.

В этом анализе тоже был использован аналогичный прием. Группа специально вначале взяла старые значения всех длин и времен, чтобы получить гарантированно большое расхождение. Поэтому весь статанализ был проделан без знания того, где должна была бы проходить граница между световым и сверхсветовым. А все длины и расстояния были перемеряны тоже без знания, что именно там показывают данные. И лишь в самом конце одно совместили с другим, выянив, насколько именно надо сдвинуть шкалу времени. Получились эти 988 нс, которые на 60 нс не дотягивали до сигнала.

Насколько я понимаю, в правильной процедуре слепого анализа должна быть какая-то проверка правильности. Т.е. если в процессе анализа что-то сделано неправильно, это сразу проявится после возврата на истинную шкалу. Но тут ситуация совсем не такая. Я не вижу никакой возможности проверить по самим данным, была ли какая-то ошибка в статобработке или в измерениях расстояний/времен. Наоборот, если бы была сделана ошибка, это было бы воспринято как положительный сигнал — ведь они делали весь анализ, надеясь на отличие от скорости света. Я, конечно, не экспериментатор, но по-моему это какая-то странная реализация слепого метода.

200 физиков полгода проверяли-перепроверяли...

Это тоже одна из фраз, которую повторяют в СМИ. Я еще раз подчеркну: анализ обычно делает лишь одна небольшая группа, а все остальные члены коллаборации могут лишь комментировать (и то, реально комментирует лишь небольшая доля). В данной ситуации, на самом деле, всё было еще сложнее, поскольку, очевидно, ни к какому консенсусу относительно данных все члены коллаборации придти не смогли. Поэтому только сейчас начинается тот этап, когда все члены коллаборации могут проверять и перепроверять данные и методы их обработки. И надо еще посмотреть, к чему приведет это внутреннее рецензирование.

Теоретики такие теоретики

Ну и ожидаемо теоретики ринулись в бой. В понедельник уже вышло два препринта с обсужданиями этих результатов: один и два. Полистайте их, если интересно, как вообще сейчас теоретики будут обсудать эти данные. Подчеркну — обе эти статьи были посланы в архив препринтов в тот же день, когда появилась статья OPERA. Мое предсказание, что во вторник в архиве появятся еще три теоретических статьи по этому поводу :)

Эксперимент OPERA

2011-09-23T10:52:00.003+02:00

Новость на «Элементах»: Эксперимент OPERA сообщает о наблюдении сверхсветовой скорости нейтрино.

Если в двух словах, то оптимизм преждевремен.

Психоделика хиггсовского бозона

2011-08-24T03:16:00.001+02:00

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 :)

И о погоде... на Титане

2011-08-15T01:38:00.001+02:00

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.

Рубрикатор новостей про LHC

2011-08-11T21:43:00.001+02:00

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:

Квантовые штучки

2011-08-05T00:18:00.001+02:00

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.

Вековое Североатлантическое Колебание

2011-08-01T00:34:00.004+02:00

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.

Оптические микроманипуляторы

2011-06-05T02:37:00.001+02:00

В последнем выпуске журнала Nature Photonics появилась небольшая подборка статей по манипулированию микрочастиц лазерными лучами. Все статьи находятся в свободном доступе, по крайней мере сейчас.

Вот краткое описание.

Ключевой инструмент в этой области — так называемый оптический пинцет, узко сфокусированный лазерный луч, в фокусе которого удерживается микрочастица, отдельные молекулы или много молекул. Держатся они в фокусе самостоятельно за счет того, что в неоднородном световом поле возникают силы, втягивающие диэлектрические частички в область самого сильного поля. С отдельными атомами, правда, ситуация посложнее, нужна четкая подстройка частоты лазера под резонанс, а также требуется охладить атомы, чтоб они не вылетали из оптической потенциальной ямы.

Придумал оптический пинцет Артур Ашкин (в подборке есть интервью с ним) в 1978 году, реализован он был в 1986. Дальнейшее развитие этой методики привело как минимум к двум нобелевским премиям: премия 1997 года за охлаждение и удерживание атомов в оптической ловушке и премия 2001 года за создание атомных бозе-конденсатов.

Как только оптический пинцет был создан, его сразу же применили в биофизике. В фокусе лазерного луча можно удерживать живые клетки или даже отдельные биологически важные молекулы. Их можно двигать, вращать, раздвигать в стороны (двумя лучами), удерживать против течения жидкости и т.д. Более того, утверждается даже, что можно манипулировать отдельными органеллами внутри клеток — получается этакая внутриклеточная хирургия!

Эксперимент по растягиванию молекулы ДНК и график силы в зависимости от длины растяжения. Изображение из Nature Photonics 5, 318–321 (2011).

Такие эксперименты позволяют измерять механические свойства молекул и клеток (в пиконьютоновом диапазоне сил), изучать исчезновение и формирование структуры при распутывании и спутывании длинных молекул под нагрузкой, и так далее. И причем всё это делается не на подложке, не с помощью механических контактов, а буквально в подвешенном состоянии. Сейчас эти биофизические применения оптического пинцета дошли до такой стадии, что удается управлять смещением молекул с точностью в ангстремы и, к примеру, чувствовать отдельные шаги длиной 3,4А, которые делает РНК-полимераза при своем движении вдоль спирали ДНК. Всем этим достижениям посвящен обзор Optical tweezers study life under tension из подборки.

Кроме непосредственно прикладного применения, изучаются и развиваются дополнительные возможности оптических пинцетов, связанные с тонкой настройкой амплитудного и фазового распределения световой волны вблизи фокуса. Вот только один пример, описанный в обзоре Shaping the future of manipulation. Существуют так называемые бездифракционные пучки, в которые центральная яркая сердцевина тянется на ненормально длинные дистанции без дефокусировки. В простейшем случае (бесселевы пучки) эта сердцевина прямая, но есть и более хитрые пучки, в которых сердцевина кривая, в пучках Эйри, например, она имеет форму параболы. Более того, буквально на днях в PRL появилась статья, в которой утверждается, что этой сердцевине можно придать форму произвольной выпуклой кривой!

Получение и распространение некоторых бездифракционных пучков: вверху бесселев пучок, внизу — пучок Эйри. Яркая сердцевина идет практически без дефокусировки. Изображение из Nature Photonics 5, 335–342 (2011).

Так вот, если это реализовать, то захваченная в яркий канал частица будет переноситься вдоль него, не уходя в сторону. Это позволит бесконтактно(!) перемещать клетки на расстояния в миллиметры, заставляя их проходить через разные камеры автоматического микрофлюидного устройства и подвергаться разным воздействиям.

Еще одно направление развития оптических пинцетов — использование лазерного луча с орбитальным угловым моментом, про который я тут недавно рассказывал. Этой теме посвящен обзор Tweezers with a twist. Такие лучи полезны тем, что они позволяют контролировать вращение частиц, а также позволяют удерживать их не в точке, в вдоль кольца.

Наконец, в подборке есть еще статьи про плазмонные и про оптоэлектронные пинцеты.

Задачки на «Элементах»

2011-05-29T23:46:00.002+02:00

На «Элементах» еженедельно добавляются задачки для самостоятельного решения, и среди них есть и мои задачки по физике. Для удобства обсуждения я завожу отдельный пост для комментариев и вопросов по задачкам.

Орбитальный угловой момент фотона — 2

2011-05-05T23:49:00.064+02:00

В продолжение темы про фотоны с орбитальным угловым моментом (ОУМ) — вот чуть более технический пост про то, как орбитальный угловой момент уживается с поляризацией.

Орбитальный угловой момент и поляризация

Прежде всего, я еще раз хочу подчеркнуть: та «закрученность», которая есть у светового луча с орбитальным угловым моментом — это не круговая поляризация, это совсем другая характеристика. Бывает ОУМ без круговой поляризации, бывает круговая поляризация без ОУМ, бывает и то, и другое вместе. Это две разные характеристики светового поля.

Есть знаменитая такая картинка, на которой световая волна изображена этакой крутящейся спиралью:

Она похожа на ту, что я приводил в прошлом посте.

Но надо понимать, что на верхней картинке изображено вовсе не распределение электрического поля в реальном пространстве, а лишь условно показан вектор этого поля вдоль оси движения волны. Эта картинка не меняется при смещении в поперечном направлении, поскольку в плоской волне никакой зависимости полей от поперечных координат нет. Т.е. реально такая волна (если бы мы рисовали именно фазу волны, а не вектор электрического поля) бежит просто вперед, одна плоскость за другой.

А вот на картинке с закрученной волной (скалярной волной, т.е. волной не имеющей никакой поляризации) винтовая поверхность — это поверхность постоянной фазы в реальном пространстве. Такая волна действительно бежит вперед, одновременно накручиваясь вокруг оси.

Разделение спина и ОУМ

На самом деле, во всей этой истории с фотонами, несущими орбитальный угловой момент, есть один сложный и глубокий вопрос — в какой степени можно вообще разделять полный угловой момент фотона на орбитальную и спиновую часть.

Спин (т.е. поляризация) и орбитальный момент — это две разновидности полного момента импульса. В квантовой механике эти две величины описываются своими операторами: и , а оператор полного спина есть просто их сумма . В квантовой механике по построению понятно, что есть ОУМ и что есть спин, поэтому вопросов об их разделении не возникает.

В теории поля (даже не-квантовой) всё хитрее. Там мы вводим многокомпонентное поле и изучаем, как оно преобразуется при переходе к другой системе координат или системе отсчета. Из этого рассмотрения само вытекает понятие сохраняющего углового момента и понятие спина. Полный момент импульса J (а точнее, его плотность) для электромагнитного поля легко записывается через электрическое и магнитное поля: . Эта величина калибровочно-инвариантна и потому наблюдаема.

Однако в квантовой теории разделить ее на два векторных оператора, орбитальный и спиновый, которые обладали бы правильными коммутационными свойствами и были бы еще калибровочно-инвариантными, не удается. Поэтому возникает впечатление, что разделение полного момента импульса на две части для этих частиц нефизично.

Разделение спина и ОУМ в сильных взаимодействиях

Эта проблема еще больше усугубляется в физике элементарных частиц, когда мы вместо электромагнитных взаимодействий рассматриваем сильные взаимодействия (вместо фотонов — глюоны, вместо электронов — кварки). Теория сильных взаимодействий неабелева и потому нелинейна; в ней отделить свойства кварков от свойств глюонов еще тяжелее. Поэтому тут вопрос о том, можно ли разумным образом ввести орбитальный угловой момент кварков и глюонов встает в полный рост.

Из чего складывается спин быстро движущегося протона? Кто главнее: спин кварков, спин глюонов, их орбитальный угловой момент, или же это разделение вообще не очень осмысленно?

И это не праздный интерес. Дело в том, что уже давно известно, что спин быстро летящего поляризованного протона вовсе не складывается из одних лишь спинов кварков (это так называемая «загадка спина протона», краткий обзор нынешней ситуации см. в arXiv:0905.4619). На самом деле поляризация кварков дает совсем небольшой вклад, и значит, почти весь спин протона берется откуда-то еще. На наивном языке обычно приговаривают, что есть мол еще спин глюонов, а также орбитальный момент кварков и глюонов — и всё это должно вместе давать полный спин протона. Сейчас ведутся даже эксперименты, которые пытаются узнать, какой вклад вносят эти компоненты момента импульса в полный спин протона, а тут оказывается, теоретики спорят о том, как вообще определять эти вещи.

Над этой проблемой люди бьются вот уже десяток лет. Почувствуйте ситуацию: тут сложности не в том, как с помощью теории описать экспериментальные явления, а в том, как вообще правильно обращаться с теорией. Желающим посмотреть, что там за баталии, рекомендую недавнюю статью Эллиота Лидера arXiv:1101.5956; там есть сначала подробное обсуждение электродинамики, а затем сильных взаимодействий, и ссылки на разные предыдущие работы.

Так разделяются или нет?

Вернемся снова к фотонам. Что сейчас известно точно?

Во-первых, под разделением спина и ОУМ можно подразумевать разные вещи. Это может быть сильное утверждение о разделении операторов как векторов, может быть более слабое утверждение о разделении только z-компонент операторов (т.е. спиральностей), а может быть и еще более слабое утверждение об осмысленном разделении средних значений этих операторов по тем или иным состояниям фотонов.

Во-вторых, если говорить про самое слабое утверждение, то в параксиальном приближении (т.е. световая волна очень плавно меняется в поперечной плоскости) оно работает. Доказывается это несложно. Мы пишем вектор-потенциал с закрученным профилем (с числом закрутки m) и считаем, что у него есть только одна компонента (например, по оси x), что отвечает линейной поляризации. Считаем плотность полного момента импульса (а он определен однозначно), делим его на плотность потока и получаем m/ω. На квантовом языке это означает, что каждый фотон несет m квантов полного углового момента.

Теперь запишем двухкомпонентный вектор-потенциал, причем его комплексные x и y компоненты сдвинуты по фазе на π/2 — это как раз отвечает круговой поляризации. Повторяем расчет и получаем (m+1)/ω для положительной спиральности и (m−1)/ω — для отрицательной. Т.е. спиновой и орбитальный вклад в средние значения момента импульса мило уживаются друг с другом.

А что будет, если выйти за пределы параксиального приближения? Если повторить те же расчеты, то окажется, что спин и ОУМ так просто не суммируются. Однако на эту ситуацию можно посмотреть еще и вот так: в непараксиальном закрученном свете наводится спин-орбитальное взаимодействие (и это в линейной волне!), которое и мешает этому разделению. Такую точку зрения предлагает Константин Блиох в статье arXiv:1006.3876 (и вот еще появившаяся на днях статья arXiv:1105.0331, где он то же описание разрабатывает для релятивистских закрученных электронов).

На всякий случай скажу, что сомнений в том, можно ли экспериментально получать световые пучки, комбинирующие орбитальную закрученность с поляризацией, не возникает — конечно, можно. Вопрос только в том, как правильно такие состояния описывать.

Экзотические поляризационные состояния

Напоследок, есть очень наглядное объяснение, почему непараксиальный случай вообще намного сложнее параксиального, когда дело касается поляризации.

В строгой плоской волне электрическое и магнитное поле лежат в плоскости, перпендикулярной направлению движения волны. Для не-плоской волны такой единой плоскости нет. В результате в какой-то выбранной точке вектор электрического поля может иметь все три компоненты. Конечно, локально этот вектор по-прежнему лежит в плоскости, ортогональной локальному направлению движения волны, но проблема в том, что эти плоскости разные для разных точек пространства.

Такая ситуация называется трехмерный свет. Описание такого поля поляризаций, которое меняется от точки к точке — отдельная интересная тема в оптике. Там есть разные поляризационные сингулярности и нетривиальные топологические штуки. Я как-то рассказывал про них в своем блоге и в новости Поляризация света может закручиваться наподобие ленты Мёбиуса.

Радиально поляризованный свет:вектор электрического поля направлен вдоль радиус-вектора.

В параксиальном приближении ситуация резко упрощается. Мы пренебрегаем z-компонентами полей, и фактически считаем, что все они лежат в единой плоскости. Это конечно резко упрощает описание, но при этом мы теряем некоторые богатства общего трехмерного света. Тем не менее, даже в этой упрощенной ситуации существуют необычные поляризационные состояния света — например, радиальная поляризация, показанная на рисунке выше.

AMS-02: детектор элементарных частиц в космосе

2011-04-29T01:28:00.003+02:00

~~29 апреля поздно вечером~~ (перенесли пока) NASA запускает на орбиту церновский детектор элементарных частиц AMS-02. Строили этот детектор 10 лет, его старшие «собратья» уже вовсю работают на Большом адронном коллайдере, то бишь, под землей, а этот — полетит в космос! :)

Вот церновский пресс-релиз, вот тут будет вестись онлайн-трансляция запуска начиная с 21:30 по средне-европейскому времени, твиттер ЦЕРНа тоже будет передавать сводки. Запуск и всю последующую работу можно отслеживать на сайте эксперимента. А я пока вкратце расскажу про аппарат и научные задачи.

AMS-02 — это самый настоящий детектор элементарных частиц (почти) со всеми его атрибутами. Размер его — 4 метра, масса — 8,5 тонн. Конечно, с такой махиной, как ATLAS, он не сравнится, но для запуска в космос (и установки на МКС) и этого немало.

Если подземные детекторы регистрируют частицы, родившиеся при рукотворном столкновении протонов и иных частиц, то AMS-02 будет регистрировать космические лучи — частицы очень больших энергий, прилетающие к нам из глубокого космоса, разогнанные на «природных ускорителях». Космические лучи, конечно, изучаются уже давно, почти век, но с ними до сих пор связано много загадок.

Самая главная задача нового детектора — со сверхвысокой точностью измерить состав космических лучей. Какова доля антивещества в космических лучях? Как она изменяется с энергией? Нет ли там в небольших количествах каких-то новых тяжелых стабильных частиц (частиц темной материи), которые не удается родить на коллайдерах, но которые смогла породить Вселенная? А может быть, какие-то тонкие особенности в энергетическом спектре обычных частиц укажут на то, что они получились при распаде неизвестных до сих пор сверхтяжелых частиц?

AMS-02 будет изучать эти вопросы, регистрируя пролет частиц космических лучей сквозь вещество детектора и измеряя их импульс, скорость, энерговыделение, заряд. «Окно» оптимальной чувствительности детектора по энергии частиц — от примерно 1 ГэВ до нескольких ТэВ. Это окно покрывает предсказания многих моделей, а также пересекается с окнами чувствительности детекторов на LHC. Но в отличие от Большого адронного коллайдера, тут в качестве ускорителя выступает сама вселенная, и это может иметь далеко идущие последствия.

Субдетекторы и подсистемы AMS-02 (источник).

Так же, как и классические наземные (точнее, подземные) детекторы, он содержит сразу несколько отдельных детектирующих систем, измеряющих разные характеристики частиц. Только в отличие от них, AMS-02 не вглядывается «вовнутрь», а «смотрит наружу»; он похож скорее на один сегмент передового современного детектора.

Кратко устройство описано на сайте эксперимента. Тут есть и трековые детекторы, восстанавливающие траекторию, черенковские детекторы, измеряющие скорость частиц, электромагнитные калориметры, измеряющие энергию частиц, и другие системы. ~~Разделять разные заряды будут сразу два разных магнита~~ (это я наврал). Разделять заряды будет постоянный магнит на 0,125 Тесла из неодимового сплава. И вдобавок, у AMS-02 есть нечто, чего нет у подземных детекторов — GPS датчики и система слежения за звездами :)

Строилось это всё 10 лет, стоимость — порядка 1,5 гигадолларов. В коллаборации AMS числятся 56 институтов из 16 стран.

Главное, чтоб сейчас эта штука удачно улетела. Завтра вечером будем следить за запуском!

Орбитальный угловой момент фотона

2011-04-24T14:28:00.001+02:00

После недавнего поста Сергея Попова и моего (и не только) спора с ним про фотоны, приобретающие орбитальный угловой момент в окрестностях вращающихся черных дыр, я решил кое-что поподробнее написать про закрученный свет вообще.

Вращающиеся волны

В классической механике есть два типа движения твердого тела — поступательное движение (т.е. перемещение центра масс) и вращательное. Величину поступательного движения задают с помощью вектора скорости, величину вращательного — с помощью вектора угловой скорости (направление этого вектора указывает ось, относительно которой вращается тело). То же самое, но немножко в других величинах — импульс и момент импульса; эти величины удобны тем, что для изолированной системы они не меняются во времени (а угловая скорость, например, может меняться).

Обе эти величины — импульс и момент импульса относительно какой-то оси — существуют и для волн. Правда, волна — штука размазанная в пространстве, не точечная, поэтому для нее надо сначала определить плотность импульса и плотность момента импульса, а потом уж говорить про всю волну.

Волна, несущая импульс — это вещь стандартная. А как представить себе волну, несущую момент импульса? Особенно, если речь идет про линейную волну, т.е. волну, которая сама себя не чувствует, сама себя не искажает. Ведь момент импульса — это вращение, а вращение — это движение по кривой траектории, а линейная волна вроде как движется по прямой, она не может сама себя закрутить — по крайней мере так подсказывает интуиция.

На самом деле, тут интуиция дает сбой — как раз потому что волна не точечная штука, а мы привыкли иметь дело с более-менее локализованными объектами. Волны можно накладывать друг на друга, и это наложение будет иметь разные последствия в разных местах пространства. В результате этого в каждой точке пространства волна — локально! — будет бежать в какую-то свою сторону, иногда даже вбок от общего движения волны. Иными словами, энергия волны не просто бежит вперед, но и по пути перераспределяется в пространстве. Это нормально, это одно из следствий интерференции волн.

Так вот, наложение волн можно организовать так, чтоб эти локальные направления движения, этот поток энергии волны закручивался относительно выделенной оси. Вот картинка, которая это примерно иллюстрирует:

Поверхность постоянной фазы в «закрученной» волне. Рис. из статьи Science, 296 (2002) 2316.

Поверхность в виде штопора на этом рисунке — это поверхность постоянной фазы, т.е. те точки пространства, в которых волна находится в одинаковой фазе колебания. Стрелочки, перпендикулярные этой поверхности и идущие по винтовым линиям, показывают локальное направление движения волны. Для обычной плоской волны поверхности постоянной фазы — это просто плоскости, а перпендикулярные стрелочки везде были бы строго параллельны друг другу. А тут поверхность закручивается, и эти стрелочки как бы «обертывают» ось движения.

Именно это обертывающее движение и придает волне «в целом» некоторое вращение: волна летит вперед и вращается вокруг оси движения. Но получается это не из-за того, что волна крутится как твердое тело, а из-за коллективного эффекта наложения волн. Тем не менее это самое настоящее вращение в пространстве. Такая волна несет момент импульса, и если какое-то тело ее поглотит, то момент импульса передастся ему, и оно начнет вращаться.

Немножко формул

На рисунок можно взглянуть и чуть иначе. Представьте себе, что вы рассекаете эту волну плоскостью, перпендикулярной оси z (оси движения волны «в целом»). Тогда разные точки на этой плоскости будут отвечать разным фазам волны. Если на этой плоскости вы обходите вокруг центральной точки по кругу, фаза волны будет постоянно расти, и на полном обороте набег фаз составит 2π. В комплексных обозначениях волновая функция обладает угловой зависимостью exp(iφ), где φ — угол на этой плоскости. Закрутить волну можно и сильнее, организовав на полном обороте набег фаз кратный 2π. Зависимость от угла будет exp(imφ) с каким-то целым числом m.

В классической механике момент импульса точечной частицы определяется через ее положение и импульс:
В волновой механике можно тоже использовать эту формулу (только для плотности момента импульса), но только надо уточнить, чему равен импульс волны (это ключевой шаг!). Это можно сделать, например, на квантово-механическом языке: . Тогда оказывается, что оператор момента импульса в этой ситуации будет выражаться через угловую зависимость: . То есть, волна с множителем exp(imφ) несет m квантов момента импульса.

Спин и орбитальный угловой момент

В квантовой механике момент импульса имеет две разных составляющих: орбитальный угловой момент и спин. Всё, о чем говорилось выше — это именно орбитальный угловой момент, т.е. механическая закрученность волнообразного объекта вокруг оси. Спин — это другая характеристика, которая не связана с механическим движением объекта.

При описании света и в калибровочных теориях вообще осмысленное разделение полного момента импульса волны на орбитальный угловой момент и спин — это отдельная длинная песня, я пока этого касаться не буду. Я просто хочу подчеркнуть, что ОУМ — это совсем не спин, он существует и у бесспиновых частиц (выше как раз такой случай и рассматривался).

Экспериментальные достижения

Я наверно напишу потом более технический пост про частицы с ОУМ, но пока что кратко опишу экспериментальную ситуацию.

Может показаться, что такие закрученные волны организовать очень трудно. На самом деле лазерные лучи, несущие орбитальный угловой момент, были реализованы еще в 1992 году. Такой закрученный свет можно получить, выделяя и складывая возбужденные поперечные моды из лазерного луча, а можно и просто пропустить обычный луч через фазовую пластинку или специальную голограмму. Сейчас такой «закрученный свет» уже рутинно используется в атомной физике, в физике поверхности, им также очень интересуются люди из квантовой теории информации.

Без труда можно получить и закрученные радиоволны. Я как-то писал про станцию HAARP на Аляске, которая облучает ионосферу и смотрит, что там происходит. Так вот, в том же посте есть картинки свечения ионосферы, облученной радиоволнами с ненулевым орбитальным угловым моментом.

Получать закрученные фотоны с энергией выше оптического диапазона трудно. Сейчас есть предложения, как это можно сделать в рентгене и даже в области высоких энергий (в ГэВ-ной области), но пока что это не реализовано. Зато уже получены электронные волны, несущие орбитальный угловой момент. Буквально несколько месяцев назад были получены электроны с энергией 300 кэВ и орбитальным числами m ~ 100.

Тот или не тот орбитальный угловой момент?

А теперь я вернусь к спору, который состоялся у Сергея Попова в ЖЖ. Комментируя недавнюю работу про то, как фотоны приобретают орбитальный угловой момент при пролете вблизи вращающихся черных дыр, он отдельно выделял, что это «не совсем тот» угловой момент, что есть у крутящихся предметов; похожий, но не тот.

Я хочу подчеркнуть еще раз — и надеюсь, благодаря предыдущему тексту это станет яснее — что это не какой-то новый особый вид углового момента, а именно тот самый, обычный, родной вращательный момент импульса, связанный с движением в пространстве. Единственная необычность в его описании связана с тем, что мы его пишем для волны, а не для частицы. Разница тут не в самом угловом моменте, а в том, про какой объект мы говорим — про волну или про частицу.

И кирпич, вращающийся вокруг своей оси, и электрон, сидящий в атоме, скажем, в P-волне, и вот эти закрученные состояния света — все они обладают обычным орбитальным угловым моментом. Этот орбитальный угловой момент описывается одной и той же формулой . Только в случае кирпича эта формула трактуется на классическом языке, а в случае электрона в атоме или световой волны — на квантовом. В обоих случаях имеется поток энергии, обертывающий ось движения, только описывается он иначе — механически или волнообразно.

Недавний результат Тэватрона

2011-04-22T19:16:00.001+02:00

Написал-таки подробную новость про результат коллаборации CDF двухнедельной давности — а то меня уже раз пять спрашивали, что это такое было.

Вообще, если погружаться в такого типа анализ, мне становится как-то не по себе: мало того, что в процессе обработки самих данных огромную роль играет моделирование, так еще в какой-то момент данные начинают смешивать с численными псевдоданными и делать отсюда какие-то выводы. Я в своей собственной работе в такие дебри обычно не залезаю, но иногда при сравнении своих вычислений с данными приходится вникать в то, что именно и как именно находят экспериментаторы. И в отдельных случаях у меня, мягко говоря, возникают вопросы.

В общем, посмотрим, что из этого казуса выйдет. Лично мое мнение, что это артефакт.

Update: чтоб не вставать два раза, кратко написал по поводу разгорающейся шумихи насчет якобы обнаруженного хиггсовского бозона.

Дни науки в Челябинске

2011-04-13T22:07:00.004+02:00

Я сейчас участвую в «Днях науки в Челябинске» — очередном мероприятии из серии «Дни науки», которые фонд «Династия» проводит несколько раз в год в разных городах России. Насколько я понимаю, сейчас у них самая насыщенная программа из всего того, что они делали — целая неделя лекций, встреч, открытых уроков, мастер-класов для учителей с утра до вечера в нескольких населенных пунктах Челябинской области.

У меня тут пять разных занятий (некоторые к тому же повторяются): три разных темы со школьниками («Физика быстропротекающих процессов в задачах», «Всё состоит из атомов — и неожиданные следствия из этого простого факта» и «Необычные волны»), урок для учителей и популярная лекция для широкой аудитории про Большой адронный коллайдер.

Первые впечатления: действительно есть и школьники, и учителя, очень заинтересованных наукой. Ребята на первом занятии приятно удивили — больше полкласса активно решало задачки. Это очень приятно после Европы, где студенты как правило задач боятся и впадают в ступор, когда незнакомый человек предлагает им чего-то решить. А вот учителя показались довольно пассивными: с ними у меня тоже было решение задач (других), но их раскачать не очень получилось. Похоже, для них это был больший стресс, чем для детей :).

Был некоторый контакт с журналистами, но опять же абсолютно упругий. Я интервью не даю, потому что, во-первых, я не могу что-то рассказывать человеку, которому это неинтересно, которому надо только «поставить материал», а во-вторых, как я уже раньше говорил, я считаю вредной ту роль этакого благородного посредника между широкой публикой и учеными, которые агрессивно навязывают СМИ и ученым, и публике.

В дополнение к этому получилась какая-то странная ситуация, когда на челябинском портале было вывешено объявление об онлайн-конференции с моим (и не только) участием и когда уже начали собирать вопросы, но я про нее был вообще не в курсе. Я от участия отказался, потому что я не общаюсь через СМИ. Поэтому если тут есть кто-то из Челябинска, то я хочу сказать: вопросы мне можно и так задавать онлайн, без всяких специальных конференций, хотя бы в комментах к этому посту. Либо их можно будет задать лично до и после моей лекции про LHC, которая состоится в понедельник 18 апреля в 16:00 в зале «Сигма» ЮрГУ.

Мне кажется, такое общение напрямую, без посредников и ограничений по времени куда эффективнее.

PhD и постдок позиции

2011-04-04T15:34:00.001+02:00

Кстати, если кому интересно, у нас в нашей группе открываются две вакансии с этой осени: аспирантская позиция и постдок позиция. Так что если кто интересуется — подавайтесь. Требования и процедура подачи — по соответствующим ссылкам.

(Далеко не) последний пост

2011-04-01T00:17:00.002+02:00

Когда-то это должно было случиться. Теоретическая физика — это конечно хорошо, но ею, увы, не прокормишься. Так что должен сделать маленькое объявление: я перешел на работу в аналитический отдел одной бельгийской финансовой компании и окончательно завязал с наукой и со всей научно-популярной деятельностью. Но блог я не закрываю — ведь в нем есть много чего почитать и из старых материалов. :)

Это была шутка юмора, конечно :) Как я могу завязать с наукой?! Я же — как в том старом анекдоте — всегда о ней думаю. Но то, что столько человек испугалось, мне конечно льстит. :)

На самом деле, у меня есть некий лимит на то время, которое я трачу на популяризацию. Так что если ее много в оффлайне (или если наука прёт), то на блог времени не остается. Тут в Льеже сейчас проходит «Неделя науки», для которой я в последнее время конструировал коллайдер из плексигласа. Надо будет кстати снять его на видео и выложить. А через полторы недели я еду в Челябинск-Озерск-Снежинск участвовать в очередных «Днях науки» фонда «Династия». А между этими мероприятиями у меня конференция в Спа (тот самый Спа, который изначальный Спа, в честь которого потом спа-курорты стали называться). Так что Карлсон пока улетел, но обещал вернуться.

Ну а то, что в блоге есть много чего почитать из старых материалов — сущая правда. Самому иногда интересно почитать, ~~узнаю много нового~~. :)

Ищут давно, но не могут найти...

2011-03-08T02:18:00.002+01:00

Я не знаю, многие или нет в курсе моей жесткой позиции по отношению к «научным новостям» в русскоязычных СМИ. Я в последнее время на эту тему говорю мало, хотя у меня тут есть отдельный тэг «Наука и СМИ». Посмотрите, если кому интересно, особенно старые посты. Если кратко, то моя точка зрения такова: в Рунете нет ни одного СМИ, публикующего хорошие новости науки. Подавляющее большинство «научных новостей» плохие вплоть до вредных, или в отдельных случаях посредственные, как максимум.

Одна из главных причин этого — настойчивое непонимание журналистами того, где и как брать информацию (есть и другие причины, я тут только эту обсуждаю). Практически их все новости построены по схеме: «...эксперт сказал, что...». Для журналистов это очень удобная позиция: я, мол, не сам пишу по теме, которую я не понимаю, а лишь передаю слова знающего человека.

Я считаю эту старую схему вредной для научных новостей. И показательно то, что даже пунктуально придерживаясь ее, СМИ часто садятся в лужу. На днях возник очередной показательный пример, который я хочу тут разобрать: это заметка РИА Новости Большой адронный коллайдер сузил диапазон возможных масс бозона Хиггса.

Если вам интересен разбор, прочитайте, пожалуйста, вначале сам текст новости.

С формальной точки зрения

Сначала посмотрим на формальную сторону. Новостист аккуратно придерживается описанной выше схемы: минимум текста от себя, максимум цитат и фактов. Главное утверждение (вынесенное, в том числе, в заголовок) подается в виде цитаты из статьи:

"Поиск бозона Хиггса Стандартной модели в моде распада на W-бозоны не выявил никаких свидетельств превышения сигнала над фоном... (Существование) бозона Хиггса в интервале масс от 144 до 207 гигаэлектронвольт исключено с уровнем достоверности 95%", - говорится в статье.

Подкрепляет это утверждение цитата, причем не просто какого-то мифического «эксперта», а Эдуарда Бооса, одного из авторов статьи и к тому же завотделом в НИИЯФ МГУ. Таким образом, авторитет источников информации должен придать непоколебимую уверенность в правильности и аккуратности сделанного в новости утверждения.

Проблема только в том, что главное утверждение новости совершенно неверно. Реальное положение дел см. в моей новости про этот результат, а также в моем комментарии по поводу новостей в СМИ. Если кратко, то LHC пока не дал вообще никакого ограничения на массу хиггсовского бозона в Стандартной модели, и разумеется, он вовсе не переплюнул достижения Тэватрона.

На разные мелочи типа «пучков электронов и мюонов» я внимания обращать не буду, а поясню только самое главное — как могло получиться так, что цитата одного из авторов исследования, казалось бы, подтверждает неверное заявление новостиста РИА Новости.

Стандартные модели разной степени стандартности

Для этого надо объяснить тонкости, которые обычно не объясняют. Физики различают разные уровни «стандартности» Стандартной модели. Самая наистандартнейшая из них — минимальная Стандартная модель — это то, что обычно все и называют Стандартной моделью: т.е. обычный хиггсовский бозон, обычные взаимодействиями между всеми частицами и никаких других фундаментальных частиц, кроме уже открытых.

А теперь рассмотрим такой вариант: обычный хиггсовский бозон, обычные взаимодействиями между всеми частицами, но в дополнение к известным частицам пусть имеется еще четвертое поколение очень тяжелых кварков (которые, впрочем, взаимодействуют со всеми частицами стандартным образом). Такую модель можно называть «Стандартной моделью с четвертым поколением кварков», чтоб отличать ее от минимальной СМ.

Резон, почему это можно тоже называть в каком-то смысле Стандартной моделью простой. Стандартная модель — это теория взаимодействий, а не теория частиц. Именно структура взаимодействий является ключевым утверждением Стандартной модели, а уж какие именно частицы будут эти взаимодействия испытывать — дело уже второстепенное. Так вот, в этой теории есть стандартный хиггсовский бозон, который ведет себя и распадается так же, как и хиггсовский бозон минимальной СМ. Но вот рождается он в протон-протонных столкновениях в несколько раз лучше, поскольку ему в этом помогают новые тяжелые частицы.

И наконец, есть настоящие расширения Стандартной модели. В них появляются не только новые частицы, но и меняется сила и структура взаимодействий между частицами. В таких теориях есть свои хиггсовские бозоны, часто совсем непохожие на хиггсовский бозон Стандартной модели. Но тут речь не про них.

К чему относятся полученные ограничения

Ограничения на массу бозона, полученные в статье, относятся только ко второму варианту: «Стандартная модель с четвертым поколением кварков». Никакого ограничения на хиггсовский бозон в минимальной СМ пока нет. Зато результаты Тэватрона, которые перечислил новостист и которые, по его словам, улучшил LHC, относились как раз к минимальной СМ. Т.е. тут перемешаны совсем разные данные.

Я не знаю, ответом на какой конкретный вопрос являлась цитата Эдуарда Бооса, но судя по формулировке она могла быть сказана про стандартный хиггс в варианте «СМ с четвертым поколением». Новостист этого не понял вообще, и в результате в самой новости от четвертого поколения не осталось и слова. Именно из-за этого новость стала неправильной.

Зачем я к этому цепляюсь

Я стараюсь раз за разом объяснить, как в общих словах, так и на частных примерах, что анти-новости типа вот этой — они вредны.

Вот смотрите. Новости науки в СМИ широкого профиля — это, в отличие от взрывов и войн, «новости по интересам». Их смысл в том, чтоб давать аккуратную информацию тем людям, которые сами этим интересуются.

Представьте себе человека, который далек от науки, но ему интересно, как там фурычит коллайдер, что в нем новенького и т.п. Он в курсе, что коллайдер запускают долго и очень постепенно, что поиск хиггсовского бозона — одна из главных задач коллайдера, и что эта задача будет сложной. Он даже в курсе, что есть и другой коллайдер, американский, который уже вроде как начал ограничивать хиггсовский бозон и с которым LHC пока что не может тягаться. И тут — бабах! — из этой новости выясняется, что LHC на мизерной статистике уже сильно переплюнул Тэватрон.

Получается, что эта новости не только не проясняет, она наоборот только запутывает читателя, который до этого хоть что-то понимал.

Магнитные шарики-2

2011-02-09T16:19:00.001+01:00

В комментариях к предыдущему посту, а также в гуглобаззе было много разных предложений, почему шарики крутятся так долго, но главную особенность многие угадали сразу: контакт с поверхностью есть только у одного шарика, а второй крутится в воздухе, держась за первый. Вот фотка:

Мое понимание явления такое: два слепившихся шарика представляют собой волчок, который при определенной скорости вращения начинает вставать на дыбы. Кстати, в том же баззе мне дали ссылку на видеоролик с механическими демонстрациями из МИФИ, и там на 0:20 как раз показан этот процесс. Этот волчок не только крутится в горизонтальной плоскости, но и вокруг своей оси (и эту скорость мне пока не удалось измерить). Нижний шарик в результате не скользит, а катается по поверхности. Из-за маленького трения качения энергия этих шариков теряется медленно, и они успевают сделать сотни оборотов, прежде чем угловая скорость упадет до порогового значения, при котором второй шарик касается поверхности. Сразу после этого начинается трение, и происходит остановка.

Поступательное движение гасится как раз потому, что нижний шарик не может катиться вперед. Он уже и так участвует в своем круговом вращательно-катательном движении, так что он может только соскальзывать вперед. А вращение у нас — это не скольжение, а качение, так что связь, про которую я говорил, тут пропадает.

В комментариях еще предполагали, что второй шарик не висит в воздухе, а постоянно подпрыгивает. Я такого не засёк, но и из энергетических рассуждений понятно, что так не должно быть. Я проверил, что если шарик просто кинуть на пол с манькой высоты, он ударится всего несколько раз и остановится за долю секунды, т.е. энергия при ударе тратится слишком эффективно.

Единственное, что мне до сих пор не совсем понятно, откуда берется такой звук. По-видимому, из-за того, что пол и поверхность шарика не совсем ровные — других причин не видно.

В комментариях еще спрашивали: а долго ли вращаются три сцепленных шарика и что при этом происходит? Ответ на это дает еще одна фотка:

Вращающиеся магнитные шарики

2011-02-06T20:24:00.002+01:00

Наверняка многие видели в продаже вот такие магнитные шарики. Это довольно сильные неодимовые магниты, из которых можно делать разные фигурки и вообще познавательно проводить время, вертя их в руках :) Оказывается, с ними можно поставить еще один тип экспериментов — сталкивать их (я до этого сам не догадался, мне показали).

Если два таких шарика катнуть навстречу друг другу с большой скоростью, они, столкнувшись, слипаются и начинают бешено крутиться. Выглядит это примерно так (если встроенное видео не работает, вот прямой линк):

Иногда при столкновении происходят и другие интересные явления: например, оба шарика, сцепившись, могут подпрыгнуть вверх на несколько сантиметров, а изредка они вместо сцепления упруго рассеиваются (без столкновения!) на довольно большие углы.

Но тут я хочу обратить внимание не на эти побочные явления, а на некоторые странности самого вращения. Шарики долго вращаются с довольно большой скоростью, а потом резко останавливаются. Даже если предположить, что шарики при вращении не скользят по полу, а катаются, так что коэффициент трения действительно маленький, то совсем непонятно, с чего это они так резко останавливаются.

Кстати, если предположить, что они не катаются, а скользят, то получается совсем странно. Дело в том, что для более-менее плоских предметов есть такая закономерность: вращение и скольжение останавливаются одновременно. На этом видео не слишком заметно, но если поставить эксперимент с сильным дисбалансом скоростей (например, один из шариков неподвижный), то можно заметить, что поступательное движение прекращается тут же, за долю секунды, а вращение может длиться десяток секунд.

В общем, я тогда взял фотоаппарат и поснимал вращающиеся шарики на разных выдержках. Освещение я настроил такое: яркая почти точечная лампа с одной стороны. В результате на снимках шарики получались размытыми, но яркое отражение на боках прочерчивало четкую дугу. Вот например несколько кадров из одного такого сеанса вращения: в начале вращения, в середине и после остановки.

Выдержка на этих снимках составляла 1/200 сек. Благодаря четкой яркой дуге можно примерно оценить, на какую часть полного круга успели провернуться шарики, а значит вычислить частоту их вращения. Кадры делались примерно раз в секунду, и поэтому можно было промерять дугу на каждом кадре и посмотреть, как скорость вращения менялась со временем. Я не поленился, проделал это с одной серией, и вот какие получилось результаты:

Частота вращения шариков в зависимости от времени.

Тут всё конечно очень приблизительно, погрешность я могу оценить в районе 20%, но общая тенденция видна: скорость вращения падает со временем плавно, а потом вдруг резко обрывается до нуля.

Разглядывая получившиеся снимки, я обратил внимание еще на одну особенность, которую вначале не заметил глазом, — и решил поснимать вращающиеся шарики сбоку.

И как вы думаете, что я там увидел? :)

Update: продолжение — отдельным постом.

Античастицы наступают

2011-01-30T21:12:00.002+01:00

Что-то тема античастиц не дает покоя :) Вот в комментариях к посту про позитроний меня спросили — а что будет, если антипротон попадет в вещество? И только я полез почитать про это, как ЖЖ-юзер antihydrogen (какой релевантный ник!) написал целый пост про чудеса, происходящие с антипротоном в жидком гелии.

А в обычном веществе, насколько я понимаю, ничего особенного с антипротонами произойти не успеет. Он сбросит свою начальную энергию, быстро (если верить antihydrogen-y — за время порядка пикосекунды) упадет на нижнюю орбиту какого-нибудь атома и там очень быстро проаннигилирует. Даже если оставить только чистую аннигиляцию в фотоны, то только за счет нее время до аннигиляции будет примерно в две тыщи раз меньше, чем время жизни позитрония. А с учетом того, что протон-антипротонной паре намного удобнее превратиться в мезоны за счет сильного взаимодействия, чем в фотоны за счет электромагнитного, время до аннигиляции уменьшится еще на несколько порядков. (Модельные оценки ширины протон-антипротонного состояния дают порядка 10 МэВ, т.е. время жизни около 10⁻²² сек).

Тем не менее, у антипротонов есть практические применения. Вот например статья 2003 года из журнала «Hyperfine interactions», которая так и называется Practical uses of antiprotons. Там обсуждается: аннигиляционный двигатель для дальнего космоса (это пока скорее фантастика) и более реальные примерения в медицине — новый способ генерировать на месте радиоизотопы для позитронно-эмиссионной томографии и антипротонная терапия раковых опухолей (это еще более точный и безопасный метод радиотерапии, чем протонная и конечно чем обычная терапия рентгеном). А вот в этом докладе между делом предлагается даже липосакция антипротонами! Интересно, будут ли добровольцы? :)

Для интересующихся — я на время закинул эту и еще одну статью про применения антипротонов в гуглодоки. А вот этот небольшой обзор по антипротонной радиотерапии находится в свободном доступе.

Многомерная таблица Менделеева

2011-01-28T02:50:00.003+01:00

Тут некоторые читатели очень впечатлились от моего рассказа про позитроний: вот, пожалуй, самое возвышенное описание позитрония, которое я когда-либо встречал :) Но только я хочу сделать маленькую поправку относительно его места в периодической системе элементов, ну и заодно напомнить про то, что еще можно сделать с таблицей Менделеева и таблицей изотопов.

Нулевой элемент

Традиционно, нулевым элементом принято считать просто нейтрон. Нуль протонов, 1 нейтрон, такое вот ядро, ну а что оно электроны удержать рядом с собой не может — дело второстепенное. Кстати, тут есть интересный вопрос: а бывают ли другие изотопы у этого нулевого элемента? Ну или простыми словами, могут ли группки из нескольких нейтронов держаться вместе за счет ядерных сил, не разваливаясь?

Это вопрос совсем нетривиальный и более того, до конца не выясненный. Точно известно, что два нейтрона в свободном состоянии вместе удержаться не могут, хотя пытаются — между ними есть притяжение, но оно слишком слабое, чтоб удержать их вместе (это кстати типично квантовый эффект). А могут ли удержаться вместе четыре нейтрона? Лет 8 назад были некие данные с французского ускорителя тяжелых ионов Ganil, в которых вроде бы регистрировались кластеры нейтронов, но что-то эти данные потом воспроизвести не удалось. Теоретики склоняются к тому, что существование таких кластеров вряд ли возможно (уж слишком сильно надо «натягивать» ядерные модели, чтоб такое состояние стало возможным) — но чем черт не шутит. В общем, полной ясности нет.

Антитаблица Менделеева

Таблицу элементов можно, конечно, продолжать и в отрицательную сторону. В природе есть антипротоны, антинейтроны и позитроны, из них можно сложить антиядра и антиатомы. Они будут вполне стабильными, как и обычные атомы, и их можно считать элементами минус один, минус два и т.д. Легчайшие антиядра успешно рождались в экспериментах (и даже на Большом адронном коллайдере), а антиводород уже умеют даже накапливать в виде облачка и охлаждать его. Вот для интересующихся популярная статья из СОЖ 1999 года, вот заметка 2002 года на Сайентифике и совсем свежие статьи в «Популярной механике»: раз и два.

А можно ли объединить вместе в одно ядро протоны/нейтроны и антипротоны/антинейтроны? Формально можно, но ничего хорошего от этого не выйдет, т.к. нуклоны и антинуклоны проаннигилируют или превратятся в легкие мезоны — причем тут же, а не будут долго крутиться друг вокруг друга, как в позитронии. Единственный случай, когда, возможно, имеет смысл говорить о каком-то метастабильном состоянии — это пара протон-антипротон, связанная кулоновскими силами (аналог позитрония, только для протонов). Регулярно появляются экспериментальные намеки на такую возможность, но абсолютно надежно интерпретировать эти намеки пока нельзя. Ну в любом случае это уже относится в физике элементарных частиц, а не к ядерной физике.

Многомерная таблица изотопов

В обычном веществе в ядрах сидят только протоны и нейтроны, из-за чего таблица изотопов получается двумерной. Для каждого химического элемента (т.е. кол-ва протонов — одно измерение) можно менять изотопы (т.е. кол-во нейтронов — второе измерение).

Но в ядра можно также добавлять и другие частицы. Например, лямбда-гипероны (их проще всего), сигма-гипероны и так далее — в общем разнообразные метастабильные тяжелые частицы наподобие протонов и нейтронов, но только сделанные из других кварков. Эти частицы нестабильны, распадаются на наносекунды, и ядра с их участием — тоже, но как мы знаем уже из примера позитрония, наносекунды — это очень много для атомной физики. Так что такие ядра давно и успешно получают и изучают. Называются они гиперядра.

Лямбда-гипероны, сигма-гипероны и т.д. можно добавлять в ядра независимо от протонов и нейтронов. Поэтому такие гиперядра образуют уже не двумерную, а многомерную таблицу — по одному измерению на каждый тип частиц. Правда экспериментально эти дополнительные измерения изучать непросто, но кое-что уже «прощупали». Вот картинка с наброском такой таблицы, на которой по вертикали отложена «странность» гиперядра. Насколько я понимаю, на ней показаны те гиперядра, которые уже наблюдались в эксперименте.

Таблица открытых гиперядер (источник).

Кстати, недавно было зарегистрированно и первое антигиперядро.

И снова про позитроний

Ну и возвращаясь к позитронию — а где же ему полагается находиться в таблице Менделеева или таблице изотопов? А черт его знает :) Лично мне кажется, что ни его, ни другие подобные состояния к ядрам или атомам относить неправомерно. Это просто связанные состояния элементарных частиц.

Update: с подачи antihydrogen узнал, что есть такая экзотическая штука, как антипротонный гелий — ядро гелия, вокруг которого крутится антипротон (ну и электрон для нейтральности). Непонятно даже, считать это атомом или молекулой.

Прокомментируйте, пожалуйста, эту новость

2011-01-25T23:19:00.002+01:00

Поскольку меня время от времени просят прокомментировать те или иные физические новости, кидая при этом ссылки на заметки в СМИ, я хочу сделать небольшое замечение. Да, конечно, я могу высказать своё мнение о тех или иных научных исследованиях, попавших в заголовки (разумеется, в рамках того, в чём я сам разбираюсь или смогу разобраться за короткое время). Но это будут комментарии именно о научной работе, а не о заметке в СМИ. Поэтому давайте договоримся так: просьбу о комментарии сопровождайте ссылкой на саму научную статью, а не на новость в общеновостном издании.

Мне кажется, этот уговор убъет сразу двух зайцев. Во-первых, мне не придется тратить время на объяснения того, что именно неправильно истолковано журналистами — очень часто эти новости пишутся совершенно безответственно, и разбор такого текста полезен лишь в редких случаях. Во-вторых, если вы прочитали о чем-то в СМИ и вам поставлена задача найти вначале ссылку на исходную научную статью, то в процессе поиска вы сами сможете заметить, что некоторые новости действительно опираются на интересные научные статьи, а некоторые высосаны из пальца или подкинуты «выбегаллами». Мне кажется, это будет полезным первым шагом на пути к лучшему пониманию новости, которая вас заинтересовала.

Бурная жизнь позитронов

2011-01-17T01:13:00.003+01:00

Когда в научно-популярных книжках или новостях пишут про антиматерию, то непременно говорят: как только антивещество коснется обычного вещества, тут же произойдет аннигиляция. Это конечно всё так, но только, как мне кажется, обычно чересчур сильно подчеркивается «мгновенность» этого процесса. Возникает впечатление, что если позитрон, летевший через вакуум, попадёт в какую-то твердую мишень, то тут же — как только коснется самого первого электрона мишени! — он и проаннигилирует.

А на самом деле это вовсе не так. Попав в вещество, позитрон может там прожить яркую и насыщенную нетривиальными событиями жизнь. Она вся, конечно, уместится в считанные десятки наносекунд, но для современной экспериментальной физики это огого какой длинный промежуток времени. И за последние пять лет физики сумели проследить за несколькими этапами этой бурной жизни позитрона.

Образование и распад позитрония

Конечно, попав в вещество и будучи окруженным со всех сторон электронами, позитрон может тут же проаннигилировать. Но как ни странно, вероятность этого не так уж и велика. А гораздо вероятнее, что позитрон просто будет раз за разом упруго сталкиваться с электронами вещества, постепенно теряя свою энергию, пока в конце концов не термализуется. Потом он зацепит какой-нибудь электрон и объединится с ним в единую связанную атомоподобную систему — позитроний, Ps.

Сам про себе позитроний, конечно, нестабилен. Если его не трогать, то электрон и позитрон сами собой проаннигилируют — т.е. позитроний распадется на два фотона (если это был пара-позитроний) или на три фотона (если это был орто-позитроний). Пара-позитроний и орто-позитроний отличаются тем, как у электрона и позитрона ориентированы спины относительно друг друга. Казалось бы, такая мелочь, но из-за этих спинов сильно меняется среднее время жизни позитрония. Пара-позитроний живет всего 0,125 нс, а орто-позитроний в тысячу раз больше, 142 нс.

Позитроний в веществе

А если теперь позитроний находится не в вакууме, а прямо в веществе, среди атомов и молекул — успеет ли он что-то сделать за эту сотню наносекунд? Успеет, и немало!

Во-первых, он успеет много раз столкнуться с атомами или электронами. Скажем при скорости 25 км/сек позитроний сталкивается с атомами с частотой сотню тысяч (!) раз за наносекунду. Разрушить позитроний вовсе не так просто — ведь у него тоже есть энергия связи, как у электронов в атомах. Поэтому на масштабе наносекунды он будет вести себя просто как нейтральный атом необычного, сверхлегкого типа. Собственно, в этой науке позитроний как правило и называют атомом, несмотря на то, что у него нет ядра. Кстати, 25 км/сек — это как раз среднеквадратичная тепловая скорость позитрония при комнатной температуре.

Во-вторых, позитроний, дрейфуя в веществе, может довольно быстро выйти на поверхность и залипнуть там — особенно, если мишенью является пористый кварц, с которым обычно проводят такие эксперименты. Это почти как адсорбция на поверхности для обычных атомов, только механизм слегка иной. Это интересный процесс, потому что с точки зрения энергии ему невыгодно ни отцепиться и улететь в вакуум, ни залезть обратно в вещество (хотя конечно за счет тепловых флуктуаций он всё же может улетучиться). В результате позитроний начинает просто блуждать по поверхности. А если поверхность — это маленькая пора нанометрового размера, то он оказывается пойманным в поре на достаточно длительное время.

Наличие вещества рядом, конечно, слегка (раза в два-три) сокращает жизнь орто-позитрония, но всё равно у него остаются в запасе десятки наносекунд. Если например в пористом кварце поры не изолированы, а объединены наноканалами в общую сеть, то «тепленький позитроний», ползая по поверхности, успеет обследовать с тысячу пор. А поскольку позитрониев в таких экспериментах образуется много и почти все они вылезают в поры, то рано или поздно они натыкаются друг на друга и начинают взаимодействовать. И среди прочего они могут образовывать настоящие связанные состояния — молекулярный позитроний, молекулы Ps₂.

И что дальше?

А дальше с позитронием, в атомарном или молекулярном виде, можно проводить интересные эксперименты. Во-первых, можно изучать спектроскопию возбужденных состояний позитрония. Буквально на днях было впервые измерено отличие в энергии первого возбужденного состояния (2P) свободного позитрония и позитрония в поре. Благодаря этим измерениям был вычислен диаметр пор в пористом кварце (в той работе он оказался равным примерно 5 нм). Получается, что с помощью спектроскопии можно удобно измерять размеры пор в таких образцах (скажем, измерять характерные размеры наноскопических разрушений при облучении материалов).

Но это такая, совсем прикладная вещь. А гораздо интереснее другая цель — создать бозе-конденсат из позитрониев. Для этого их надо накопить в поре в достаточном количестве, и они сами перейдут в состояние конденсата. Тут очень полезно, что позитроний очень легкий — он в тысячу раз легче атома водорода и в сотни тысяч легче атомов тяжелых элементов. Из-за этого квантовые эффекты в облачке из позитрониев выражены намного сильнее, чем в обычном веществе, и поэтому ожидается, что бозе-конденсация наступит при температурах намного выше, чем для обычных газов.

Это было бы здорово само по себе, но тут есть еще один поворот — из конденсата позитрониев можно сделать гамма-лазер. Один позитроний, проаннигилировав, породит фотоны, которые смогут «стимулировать» аннигиляцию в других позитрониях. В результате получится лавиообразное рождение гамма-квантов в одном и том же состоянии — т.е. сверхкороткая вспышка когерентного гамма-излучения. Это пока остается мечтой, но вроде бы вполне осуществимой. Если это будет реализовано, появится новый инструмент исследования сразу для нескольких областей прикладной физики.

Наконец, с точки зрения фундаментальной физики позитроний — исключительно «чистая» система. Там нет адронов с их сложной и непонятной структурой, а значит, свойства позитрония можно вычислять с высокой точностью и сравнивать их с данными. Есть даже предложения искать появления нарушения CP и CPT-симметрий и даже так называемой «зеркальной материи».

Последние пять лет

Для иллюстрации того, как движутся дела в этой области, вот небольшая выборка интересных результатов за последние пять лет.

2005: Experiments with a High-Density Positronium Gas, облучение пористого кварца высокоинтенсивными потоками поизтронов и первые косвенные намеки на образование молекулярного позитрония.
2006: Positron annihilation as a method to characterize porous materials, обзор про порозиметрию на основе аннигиляции позитронов.
2007: Physisorption of Positronium on Quartz Surfaces, теоретическая статья, успешно описавшая физисорбцию позитрония на кварце (заметка в Phys.Rev.Focus).
2007: The production of molecular positronium и Interactions Between Positronium Atoms in Porous Silica, взаимодействие между атомами позитрония с образованием молекулярного позитрония; см. популярную статью на «Элементах».
2010: Positronium Cooling and Emission in Vacuum from Nanochannels at Cryogenic Temperature, очень эффективное превращение потока позитронов в холодный газ позитрониев, которые охлаждались за счет ударов об стенки наноканалов и вылетели в вакуум.
2010: Structural and Phase Changes in Amorphous Solid Water Films Revealed by Positron Beam Spectroscopy, красивый пример прикладного использования позитронной спектроскопии: изучения того, как возникают и затягиваются нанопоры в тончайшем слое льда при осаждении пара на поверхность.
2010: Electron-Like Scattering of Positronium, неожиданное экспериментальное обнаружение того, что позитроний рассеивается на многих атомах так же, как и один-единственный электрон, движущийся с той же скоростью. И это несмотря на то, что позитроний нейтрален и имеет вдвое большую массу, чем электрон. Получается, что в этой ситуации рассеяние позитрона каким-то образом экранировано.
2011: Cavity Induced Shift and Narrowing of the Positronium Lyman-α Transition (и полу-популярная статья в журнале Physics), спектроскопические изменения позитрония в порах.

Капли на оконном стекле

2011-01-09T16:27:00.002+01:00

В ответ на один из комментов к задачке про отражения свечки я рассказал, что мне вообще нравится замечать какие-нибудь физические явления в повседневной жизни, их фотографировать, а потом, рассматривая снимки, подмечать там еще больше, чем вначале увидел глазом. Вот сегодня сфотал капельки, сконденсировавшиеся из пара на оконном стекле (по клику откроется большое фото):

В этот раз задачку не задаю, а предлагаю просто полюбоваться на разные стадии процесса роста капель при осаждении пара на холодную поверхность. Хотя если кто-то заметит тут что-то не совсем тривиальное, скажите.

Вообще, этот процесс физики/химики/технологи исследовали уже давным давно в самых разных системах и с самых разных сторон (вот небольшой обзор 1992 года, выкладываю на время pdf статьи; если кто знает обзор получше, скажите).
Обычно тут выделяют четыре стадии: (1) образование зародышей капли и их рост, (2) рост капелек через слияние, (3) образование новых центров роста капель на участках, освободившихся при слиянии крупных капель, (4) стекание капель воды.

Я не следил за ростом капель во времени, но зато на фото есть участки, на которых этот процесс протекает в разных стадиях (оконное стекло слева холоднее, чем справа, поэтому слева процесс начался раньше). А в одном месте ближе к левому краю отлично видна стадия 3, произошедшая дважды:

И еще интересно, что в задаче самосборки наночастиц тоже встречается похожая физика. Вот статья 2004 года в Nature, в которой конденсация капелек воды на субстрате (и последующее их испарение) способствовало образованию регулярной решетки микроскопических наночастиц CdSe. Так что когда в следующий раз будете дышать на холодное стекло, вспоминайте и про приложения этого простого процесса в современных технологиях :)

Вдыхая запах женских слёз

2011-01-07T02:31:00.002+01:00

В качестве пятничного развлечения — совершенно душещипательная статья, вышедшая в журнале Science, про то, что запах женских слёз делает с мужчиной. Оказывается, вдумчивое нюхание женских слёз подавляет сексуальное возбуждение (как по субъективным ощущениям, так и по объективным измерениям, например, посредством функциональной МРТ), а также приводит к снижению уровня тестостерона. И всё из-за того, что в женских слёзах есть какие-то летучие сигнальные молекулы.

Сама статья пока что мне недоступна, но на сайте есть большие «Дополнительные онлайн материалы» к статье, которые, несмотря на сухой язык, читаются как поэма. :)

Вот подробности про то, как проходили эксперименты. Добровольцы-доноры слёз (исключительно женщины) в одиночестве смотрели грустный фильм (строго с 7 до 10 утра!) и плакали в фиал. Среднее количество слёз составляло примерно 1 мл на донора. В качестве нейтральной жидкости у каждого донора брался также образец слюны. Причем чтоб исключить возможное влияние кожи (ведь слёзы сначала стекали по щеке!), капли слюны тоже помещали на щеку, чтоб они по ней стекали в ёмкость для сбора.

Для чистоты эксперимента все образцы слёз нюхались свежими, выплаканными в течение последних 3 часов. От замораживания слёз и последующего растапливания решили отказаться. Эксперименты по унюхиванию проводились в специальной комнате, покрытой нержавейкой и со специальной вентиляцией (для устранения внешних запахов). Эксперименты были дважды слепые (где слёзы, а где слюна, не знает ни испытуемый, ни экспериментатор), всё по-честному.

Сами эксперименты были разные. Например, перед мужчиной-испытуемым ставили 30 пронумерованных кувшинов, 10 со слезами, 20 со слюной; он должен был выбрать три, занюхать их по нескольку раз и зафиксировать свои ощущения. В другом эксперименте ватка с капелькой жидкости прикреплялась ему на верхнюю губу, после чего мужчина разглядывал на экране женские лица разной степени грусти или привлекательности и фиксировал свои ощущения. Или же ему потом показывались видео разной эмоциональной направленности и параллельно на нем производились физиологические измерения (температура и проводимость кожи, ЭКГ, пульс), а также брались образцы слюны для измерения тестостерона. В отдельных случаях выполнялась функциональная МРТ.

Кстати, доноры были исключительно женщины, потому что скупых мужских слёз добыть не удалось. Однако авторы выдвинули научную гипотезу о том, что мужские, а также детские слёзы тоже содержат сигнальные молекулы, которые могут совпадать, а могут и отличаться от женских. Авторы статьи намереваются провести дополнительные исследования для проверки этой гипотезы. Правда они предчувствуют, что это исследование затянется еще на несколько лет.

Любопытные новости с Тэватрона

2011-01-05T02:03:00.001+01:00

Сегодня в архиве епринтов появилась статья arXiv:1101.0034 коллаборации CDF, работающей на американском протон-антипротонном коллайдере Тэватрон. В статье приводятся новые данные по рождению топ-кварков, а конкретно, по измерению асимметрии между угловыми распределениями топ-кварка и анти-топ-кварка. Асимметрия получилась ненормально большой и в области больших инвариантных масс топ-анти-топ пары на 3.4 стандартных отклонения отличается от предсказаний Стандартной модели.

Теперь чуть подробнее (хотя наверно не сильно понятнее :) ).
Сейчас практически все данные по взаимодействуют элементарных частиц великолепно описываются совокупной теорией сильных, слабых и электромагнитных взаимодействий, называемой Стандартной моделью. В отдельных случаях, когда и расчеты по Стандартной модели (СМ), и экспериментальные данные очень точны, они совпадают друг с другом аж с точностью до миллионных долей. Так что СМ прекрасно описывает мир, тут спору нет.

Но с другой стороны, есть теоретические и косвенные экспериментальные намеки на то, что СМ не сможет работать при энергиях столкновений существенно выше 1 ТэВ, она должна как-то измениться. Физики надеются, что при этих энергиях вскроется некая новая форма организации материи — какие-то новые частицы, или новые взаимодействия, или новые симметрии и т.д. Теорий есть много, но какая верна — пока никто не знает. Так что почти все современные эксперименты в физике элементарных частиц нацелены на то, чтоб как-то заглянуть в эту область. LHC заглянет в нее «грубой силой» благодаря высокой энергии столкновений, а эксперименты на более низких энергиях заглянут за счет своей высокой точности (эта новая форма организации материи проявляется и при низких энергиях в виде слабеньких эффектов).

Хоть какие-то отклонения от Стандартной модели будут первыми ласточками этого нового пласта реальности за пределами 1 ТэВ. Их ищут уже давно и кое-что даже нашли (свежайший анализ, общий обзор по СМ). Правда радоваться тут особо нечему — отличия не шибко статистически значимые, всего 2-3 стандартных отклонения («сигмы»). Такое вполне может получиться и случайно, особенно если вы пытаетесь проверить сразу пару десятков величин. К тому же эти отличия наблюдаются в очень тонких измерениях, из которых выжато уже почти всё, что можно, и быстрого прогресса тут не предвидится. А хотелось бы найти отличие посильнее, например на 5 стандартных отклонений, и причем отклонения какие-нибудь новые, сильные.

Два года назад две коллаборации, работающие на Тэватроне, нашли такой тип отклонения, правда всего на 2 сигмы. Это отклонения в асимметрии между топ-кварками и анти-топ-кварками, рождающимися в столкновении протонов с антипротонами. Теория предсказывает, что когда рождается топ-анти-топ-кварковая пара, то топ-кварки чуть-чуть (на уровне 6%) предпочитают вылетать вперед по направлению движения протона, а анти-топ-кварки — вперед по направлению антипротона (что такое «вперед» и «назад» для кварков и антикварков см. на рисунке).

Соглашение о том, что считается полусферой «вперед» и полусферой «назад» для вылетающих топ-кварков и антикварков в протон-антипротонных столкновениях. Частицы показаны красным цветом, античастицы — синим.

Данные же 2008 года показали асимметрию около 24%, правда с очень большими погрешностями. 2 сигма в физике частиц вообще не считаются за что-то серьезное, т.к. подобные флуктуации возникают в данных постоянно. Но вот что хорошо — это были только самые первые данные, с очень небольшой статистикой. Поэтому по мере накопления данных эти измерения должны уточняться. Более того, когда данных много, можно уже изучать разные кинематические распределения и проводить более «жесткие» сравнения с теорией.

И вот сейчас такой анализ проведен. Статистическая выборка выросла настолько, что стало возможным построить распределение по инвариантной массе топ-анти-топ-кварковых пар. И тут выяснилась интересная вещь: почти вся асимметрия в данных берется из области больших масс, больше 450 ГэВ. Данные в этой области дают асимметрию почти 50% (0.475 +/- 0.114) против 9%, предсказанных теоретически. Расхождение составляет 3.4 сигма. Вот распределение по инвариантным массам из статьи:

Асимметрия вперед-назад в зависимости от инвариантной массы. Черные точки — данные, зеленые — моделирование на основе Стандартной модели. Картинка из статьи.

Вот это уже сильнее будоражит воображение. Именно такие отклонения ожидаются при наличии некоторых тяжелых экзотических частиц (например, тяжелые резонансы, несущие цвет и распадающиеся на кварк-антикварки). Коллаборация говорит, что, например, простейшая модель с дополнительным тяжелым глюоном с массой 2 ТэВ неплохо описывает данные.

Очевидно, что еще спустя год-два будет накоплено еще больше данных, и измерения станут еще более точными. Уменьшение погрешности в два раза при сохранившейся разности потянет на очень громкое открытие. Правда, тут еще могут испортить всю малину теоретики, найдя какой-нибудь неучтенный эффект или обнаружив, что поправки еще более высокого порядка ненормально велики. Посмотрим.

Некоторые подробности см. также в блоге Resonaances.

Ну и наконец, самое смешное, что LHC в этом измерении не поможет. На LHC ситуация изначально симметричная, там сталкиваются протоны с обеих сторон. Поэтому там нет очевидного направления вперед-назад, да и доминирующий механизм рождения топ-анти-топ пар там иной. Может быть, что-то можно достичь кинематическими играми, не знаю, но в любом случае это будет намного труднее, чем на Тэватроне. Впрочем, если за всем этим стоит какая-то новая массивная частица, то LHC еще может и напрямую родить.

Кстати, если вы следите за новостями в ФЭЧ, у вас может возникнуть дежавю: полгода назад была шумиха про асимметрию между частицами и античастицами, найденную на Тэватроне, но правда там совсем иные частицы и иная физика. Я про ту работу тоже писал в блоге.

Новогодняя задачка

2011-01-03T00:11:00.001+01:00

Предлагаю пообсуждать такую вот новогоднюю задачку.

За новогодним ужином я сфотографировал отражение свечки в окне:

Окно — обычный двойной стеклопакет, и пламя в нем отразилось много раз. Для удобства изучения вот увеличенный фрагмент фото, на котором отмечены четыре серии отражений (большая картинка откроется по клику):

Задача: объяснить наблюдающиеся закономерности в яркости этих отражений.

Дополнение про локализацию частиц

2010-12-27T18:49:00.001+01:00

Хорошие вопросы становятся поводом для новых постов :)

К прошлому посту про локализацию частиц в детекторе был задан хороший вопрос:

Если рождаются сразу все типы частиц, почему они сразу после рождения не взаимодействуют друг с другом?

Этот вопрос хорошо показывает ограниченные возможности популярного словесного объяснения того, что сразу видно в формулах. Но тем не менее, я попробую ответить на словесном языке.

Начну со знаменитого кота Шредингера.
Когда говорят, что в ящике есть кот в суперпозиции «жив» и «мертв», то вовсе не имеется в виду, что там присутствуют сразу два кота, один из которых точно жив, а второй точно мертв, и которые могли бы взаимодействовать (например, мешать друг другу поместиться в ящик). Там есть только один кот в таком вот квантовом состоянии.

На математическом языке это состояние можно разложить по базису «состояний с четко определенной жизненностью» с ненулевыми проекциями на базисные состояния «жив» и «мертв». Это как вектора в пространстве, которые могут указывать не только строго вдоль координатных осей, но и как-то наискосок. Состояния «жив» и «мертв» — это ортогональные друг к другу состояния, которые не взаимодействуют, так как — условно говоря — они отвечают двум взаимоисключенным возможностям наблюдения.

Теперь вернемся снова к детектору и частицам. Рассмотрим конкретный пример. У нас есть нестабильная частица (W-бозон), которая может распасться на лептон-нейтринную пару, т.е. на электрон и его антинейтрино или на мюон и его антинейтрино (про остальные каналы распада забудем). До взаимодействия с детектором те сферические волны, которые истекают из каждого конкретного W-бозона — это одновременно и электроны, и мюоны, с некоторой амплитудой вероятности. Поэтому вопрос можно сформулировать, например, так: если вылетают и электроны, и мюоны, то будут ли они электрически отталкиваться друг от друга?

Нет, напрямую не будут, потому что они не существуют одновременно. W-бозон в нашем примере испускает лишь одну лептон-нейтринную пару, а не две разные пары одновременно.

Однако, как легко предугадать, всё гораздо хитрее. В квантовой теории поля частицы могут рождаться и исчезать. И если в распаде W-бозона родился электрон и начал расширяться в виде волны, то это еще не значит, что он гарантированно долетит до детектора. Вполне может случиться и так, что эта расходящаяся волна зацепится своих хвостом за такую убегающую же нейтринную волну. Они тогда могут превратиться в W-бозонную волну, которая снова распадется, но на этот раз уже в мюон-нейтринную пару (см. картинку, диаграммка вверху).

В этом случае наличие электрона и мюона уже не взаимоисключено. А раз так, то возможны и всякие дополнительные воздействия, например, прямое электромагнитное взаимодействие за счет обмена фотоном, которое показано на нижнем рисунке. Так что в этом смысле — да, все варианты разлетающихся частиц взаимодействуют друг с другом.

И напоследок дисклеймер: надо четко понимать, что все эти объяснения нельзя воспринимать буквально. Это всё попытки перевести квантово-механические или квантово-полевые формулы в визуальную картинку. Они неизбежно неточны, неполны и ограничены в своей объяснительной силе. Их цель — показать, что еще более простая картинка (про траектории, локализованные изначально) совсем уж неправильная, т.к. она не согласуется с формулами.

И еще технический момент. Интересные комментарии к предыдущему посту появляются сразу в трех местах: в основном блоге, в гуглбаззе и в ЖЖ-синдикате. Я отвечаю везде, но только надо помнить, что в ЖЖ-синдикате через две недели всё автоматически стирается.

Локализация частиц в детекторе

2010-12-26T21:02:00.001+01:00

К одному сообщению в гуглбаззе (про траектории частиц в детекторах) мне задали вопрос: «У квантовых объектов, каковыми являются элементарные частицы, ведь нет траекторий? Или есть?» Если подробнее, имелось в виду следующее:

Квантовая физика говорит, что у частиц нет какой-то определенной траектории, и более того — квантовые частицы движутся сразу по всем возможным траекториям. Так почему мы имеем право говорить о какой-то конкретной траектории, зарегистрированной детектором элементарных частиц?

В этом вопросе есть несколько моментов, про которые мне показалось интересным рассказать отдельным постом.

Соотношение неопределенностей

Первый аспект такой. Строго определенная траектория у квантовой частицы действительно невозможна. Строго определенная траектория подразумевает, что частица локализована в бесконечно узкой полоске пространства, движется вдоль этой кривой и не расплывается в поперечном направлении. Иными словами, что в каждый момент времени у такой частицы есть строго определенная поперечная координата и строго определенный поперечный импульс (равный нулю). Но из соотношения неопределенностей мы знаем, что произведение неопределенности координаты на неопределенность импульса (вдоль того же направления) не может быть сильно меньше постоянной Планка h. Поэтому ситуация с четко определенным импульсом и координатой невозможна в квантовой механике.

В реальности же, когда физики говорят, что они в детекторе проследили траекторию частицы и измерили ее импульс, то они, конечно, не имеют в виду абсолютно точную траекторию и абсолютно точное значение импульса. Трековые детекторы, измеряющие траекторию, имеют некоторую зернистость, которая составляет как минимум десятки микрон и больше. Электрон с такой область локализации имеет разброс поперечной скорости несколько метров в секунду. Поскольку электрон летит вперед с околосветовой скоростью, то угловая неопределенность его направления по порядку величины 10^—11 и меньше. Это совершенно мизерная величина; рельная точность, с которой меряется импульс или направление движения частицы, намного хуже. Поэтому ограничения, связанные с соотношением неопределенностей, никак не сказываются на измерении траектории и импульса рожденных частиц.

Реальная локализация

На самом деле поперечная локализация частиц, пролетающих сквозь вещество, порядка атомного размера и меньше. Рассмотрим для простоты электрон. Ячейка детектора, которая срабатывает при его пролете, может быть большой, но начинается процесс срабатывания как выбивание электрона из оболочки какого-то конкретного атома либо как рождение фотона при пролете вблизи ядра. Даже если начальный электрон имел очень широкое поперечное распределение, после выбивания электрона или рождения фотона он становится локализованным на масштабе процесса, т.е. атомном масштабе. А уж как потом этот выбитый электрон или фотон порождает лавину вторичных частиц и через нее — макроскопический сигнал срабатывания у ячейки, это дело десятое.

Атомная локализация электрона (точнее, сам процесс рассеяния на атоме) приводит к разбросу по поперечному импульсу большему, чем наша оценка выше. От этого момента и до момента следующего столкновения электрон летит не в каком-то строгом направлении, а вдоль узкого конуса — как бы в виде постепенно расширяющегося облачка. Однако после следующего столкновения он снова локализуется на атомном масштабе и потом опять летит в виде расширяющегося облачка. И так — через весь детектор.

Из-за того, что на каждом столкновении электрон приобретает какой-то разброс по поперечному импульсу, его траектория через вещество — не просто прямая, а этакий зигзаг. Этот зигзаг становится особенно явным на излете, когда исходная частица теряет почти всю свою начальную энергию. Но это, наверно, интуитивно понятно и без квантовой механики и локализации.

Как разлетаются частицы

А вот теперь другой вопрос — как разлетаются частицы сразу после столкновения, еще до того, как они коснулись стенок вакуумной трубы и первых слоев детектора? Какая у них тогда траектория? Какой у них тогда размер поперечной локализации?

И вот тут есть нечто, что кажется поначалу необычным даже студентам-физикам, хотя это основывается на простейшей квантовой механике и по сути не отличается от стандартного опытя с двумя щелями.

Когда рассказывают про то, как элементарные частицы рождаются в столкновениях внутри коллайдера, разлетаются из точки столкновения и пролетают через весь детектор, то обычно рисуют картинку наподобие вот этой:

Здесь красными точками показаны сработавшие ячейки трекового детектора; именно по ним восстанавливается траектория частиц.

От такой картинки складывается впечатление, что в столкновении родились частицы с какими-то более-менее конкретными импульсами, которые потом летят в определенных направлениях, протыкают слои детектора и оставляют на них ионизационные следы. Впрочем, как известно, в столкновении исходных частиц могут рождаться конечные частицы с самыми разными импульсами, поэтому — продолжается впечатление — в каждом конкретном столкновении направления этих частиц получаются какими-то своими, но тоже вполне определенными.

Так вот, такое впечатление неверно.

В реальности процесс следует себе представлять так, как нарисовано на этой картинке:

Частицы, которые рождаются в столкновении, не имеют никакого строгого направления разлета. Это сферические волны, расходящиеся во все стороны из точки рождения, правда сила этой волны может плавно зависеть от углов, как показано на рисунке слева. (Существуют, впрочем, процессы, при которых частицы рассеиваются на очень малые углы вперед; я для простоты говорю не о них, а о типичных жестких столкновениях частиц). Поэтому никакой поперечной локализации у родившейся частицы нет; ее траектория — это не линия, а этакая сфера, раздувающаяся с околосветовой скоростью.

Когда эти сферы раздулись и начали проникать в слои детектора, они начинают «пытаться» воздействовать на атомы этого вещества — причем сразу на все, до кого дотянутся. Можно сказать, что в этот момент ставится сразу огромное число микро-экспериментов типа «энергетическая частицы пытается выбить электрон из данного конкретного атома». Рано или поздно один из этих экспериментов реализуется, и вот в этот момент происходит резкая локализация раздувшейся сферы до атомного масштаба.

Как именно это происходит — это отдельный очень сложный вопрос, вокруг которого физики ломают копья уже почти век — проблема измерения в квантовой механике. Я его касаться не буду. Я просто хочу подчеркнуть, что именно в этот момент из всего набора возможных направлений, которые запасены в расходящейся сферической волны, реализуется какое-то конкретное направление. Именно в этот момент у частицы появляется траектория (приблизительная, конечно, в соответствии с соотношением неопределенностей). Это показано на рисунке справа.

Таким образом, в каждом конкретном столкновении начальная ситуация всегда одна и та же — из точки столкновения разлетается набор сферических волн. А вот точка первого контакта с детектором, а значит, и материализующиеся траектории частиц, в каждом случае получаются разными.

Кстати, это всё тоже связано с соотношением неопределенностей. Исходно частицы рождаются в очень малой области, где происходит жесткая реакция. Это значит, что их импульс (вдоль любого направления) имеет очень большую неопределенность, сравнимую с самим импульсом. Именно поэтому получается такой максимально большой угловой разброс.

Квантовая запутанность

Вспоним теперь, что частицы рождаются вовсе не поодиночке. Пусть у нас родились ровно две частицы, которые разлетаются в разные стороны. По закону сохранения импульса, у них должны компенсироваться поперечные импульсы.

Пока частицы разлетаются внутри вакуумной трубы, каждая из них — это всё та же сферическая волна. Но только эти волны, отвечающие двум частицам, скоррелированы по импульсу; частицы эти квантово запутаны. И та, и другая — летят сразу во все стороны, но так, что полный поперечный импульс скомпенсировался.

Для того, чтоб у этих частиц появилась траектория, достаточно, чтобы только одна из них совершила первый акт взаимодействия с детектором. Эта частица при этом сразу локализуется, и следовательно, тут же локализуется (в координатном и импульсном пространстве) и вторая частица. Она локализуется, даже если она сама при этом еще не долетела до детектора — таковы многократно проверенные на опыте законы квантовой механики запутанных частиц.

Теперь для тренировки желающие могут представить себе, как разлетаются несколько частиц и что с ними происходит при первом контакте с детектором.

Но и эти хитрости — еще далеко не всё. Все описанные выше рассуждения относятся не только к локализации в обычном пространстве, но и к локализации в абстрактном «пространстве сорта частиц», которые могут рождаться в столкновениях.

Дело в том, что в большинстве реакций при одних и тех же начальных частицах могут рождаться самые разные конечные частицы. И опять же неверно думать, что в каждом конкретном столкновении рождается и разлетается какая-то определенная комбинация частиц. На самом деле с соответствующими амплитудами вероятности рождаются сразу все типы конечных частиц, которые в принципе возможны. И все они разлетаются в виде квантово-запутанных сферических волн. И пока эти волны не долетели до стенок вакуумной трубы, нельзя сказать, кто именно родился!

Лишь взаимодействие с детектором, т.е. сам процесс измерения, вытаскивает какую-то одну возможность из всего бесконечного списка (т.е. конечное состояние локализуется в этом списке). И вот тогда мы говорим, что в этом конкретном эксперименте родился именно этот набор частиц. Но приговаривая эти стандартные слова, надо помнить, что реально рождается сразу всё, а это конкретное состояние материализуется при ударе об детектор.

Странный дибарион на решетке

2010-12-23T00:54:00.005+01:00

На днях в архиве е-принтов появилась статья Evidence for a Bound H-dibaryon from Lattice QCD. В статье приводятся результаты решеточных КХД расчетов, которые свидетельствуют в пользу того, что в природе скорее всего должен существовать шестикварковый адрон — так называемый H-дибарион, скаляр и изоскаляр с кварковой структурой uuddss. Энергия связи (при массе пиона 389 МэВ) оценивается 16.6 +/- 2.1 +/- 4.6 MeV.

А теперь то же самое простыми словами.

Непонятки с наивной кварковой моделью

Посталкивав полвека протоны, электроны и иные частицы на ускорителях (а еще раньше — поподставляв стопки эмульсий под космические лучи), физики открыли к настоящему времени сотни элементарных частиц. Подавляющее большинство из них — это адроны, частицы, участвующие в сильных взаимодействиях. В экспериментах 60-70-х годов выяснилось, что все адроны состоят из еще более элементарных кирпичиков — кварков или антикварков.

Bзвестно всего шесть сортов (на жаргоне физиков «ароматов») кварков: u, d, s, c, b, t; впрочем последний распадается так быстро, что не успевает поучаствовать в образовании адронов. Однако эти кварки могут объединяться в самые разные комбинации, да и к тому же могут по-разному двигаться относительно друг друга (как электроны в атоме могут сидеть на разных оболочках). Именно из-за этого возникает многообразие кварковых комбинаций, т.е. адронов. Протон — это uud, нейтрон — udd, заряженный пи-мезон (переносчик ядерных сил) — это u-анти-d, легчайший среди так называемых странных барионов (Λ, лямбда-гиперон) — это uds в определенном состоянии, и так далее.

У этой «кварковой комбинаторики» (или по-научному наивной кварковой модели) есть странная черта. Природа «любит» конструировать адроны по три кварка или по парам кварк-антикварк (это-то физикам понятно), но почему-то «не любит» объединять эти тройки или пары вместе (я про это странное свойство рассказывал в популярной лекции).

Если вы возьмете и насильно поместите рядом шесть кварков, они не образуют единый шестикварковый адрон. Они разобьются потрое (скажем, на пару протон-нейтрон) и каждая тройка будет жить внутри своего адрона. Или можно посмотреть на то же иначе: если взять протон и нейтрон и попытаться их вжать друг в друга, они будут жутко сильно отталкиваться на малых расстояниях, не захотят пролезать друг в друга. Это то, что ядерные физики называют «жесткой сердцевиной» нуклон-нуклонных взаимодействий (по-английски «hard-core», да-да, не смейтесь).

Долгое время было вообще непонятно: это прямо такой железный закон сильных взаимодействий? Но тогда как его вывести из исходных уравнений фундаментальной теории сильных взаимодействий, квантовой хромодинамики (КХД)? Или же многокварковые адроны могут существовать — но почему их тогда не видно в эксперименте?

В последние годы всё же были экспериментально найдены мезоны, которые не вписываются в простую кварк-антикварковую схему, а должны получаться объединением как минимум двух таких пар, но вот по дибарионам (т.е. объединением двух троек в единую шестерку) надежных данных нет. Это может означать либо то, что барионы объединяться не желают, либо то, что мы с нашими конкретными эксприментами не умеем эффективно их объединять.

Вычисления на решетках

Параллельно с этими экспериментальными поисками развивалась и другая область — численный расчет свойств адронов под названием КХД на решетке. С одной стороны это чисто теоретический подход, который не опирается на какие-то приближенные модели, а честно численно считает всё, что есть в КХД. Но с другой стороны, численный счет исключительно труден, суперкомпьютерные ресурсы ограничены, и поэтому приходится делать многочисленные упрощения и приближения для численного расчета, а потом стараться углядеть, во что превратяться результаты при экстраполяции к реальному миру. (Подчеркну, это не приближения теории, а приближения численных методов.) Простое объяснение того, как считают на решетках, см. в новости четырехлетней давности Наступает новая эра в теоретической ядерной физике.

В мире есть довольно много групп, которые занимаются расчетами свойств адронов на решетках. Поскольку компьютерные мощности растут, уточняются и наши знания о структуре и взаимодействиям адронов. Если раньше решетки были небольшие и на них «помещался» только один адрон, то теперь уже помещается пара, и можно изучать их взаимодействие. Несколько лет назад в этих расчетах начали даже проступать намеки на реальные ядерные силы между протонами и нейтронами, в частности, жесткая сердцевина — именно про это была новость по ссылке выше. В общем, можно сказать, что ядерные силы теперь можно вычислять (с некоторой точностью) из первых принципов. Есть даже специальные группы, которые как раз занимаются изучением ядерных сил на решетке, например, NPLQCD Collaboration (Тuclear Physics with Lattice QCD) — они авторы той новой статьи, с которой я начал пост. Вот недавний обзор прогресса в этой области от этой группы.

И теперь - про дибарион

Так вот, раз ядерные силы становятся более-менее реалистичными, можно попробовать проверить, а будут ли другие барионы расталкиваться или же они могут слиться в шестикварковые комбинации, дибарионы. На самом деле эта тема совсем не нова. Еще в 1977 году на основе некоторой простой теоретической модели было высказано предположение, что если взять два лямбда-гиперона, то они могут объединиться в единый шестикварковый адрон с кварковой структурой uuddss, названный H-дибарион. Энергия связи (относительно развала на две лямбды) оценивалась в районе 80 МэВ.

Потом в течение десятилетий этот дибарион пытались искать в эксперименте и на решетках. Свидетельства как в пользу, так и против его существования то появлялись, то исчезали (разнообразные результаты объявлялись даже в этом году). И вот теперь группа NPLQCD утверждает, что скорее всего он всё-таки существует. Правда энергия связи у него довольно мала, не сотня, а десятка МэВ (может поэтому его так трудно было углядеть раньше). Впрочем, это конечно не последнее слово — ведь экстраполяция использовалась и тут. Посмотрим, останется ли этот вывод в силе в будущем, по мере улучшения точности расчетов.

Ну и сразу отвечу на вопрос — кому это надо. Это надо, прежде всего, для лучшего понимания свойств сильных взаимодействий (а через это — лучшее понимание ядерной физики), а также для астрофизики — ведь эти дибарионы могут образовываться в центре нейтронных звезд и сказываться на кривой стабильных нейтронных звезд на диаграмме «масса-радиус».

Update: и буквально через неделю появилась статья про H-дибарион японской коллаборации HAL QCD: arXiv:1012.5928. У них дибарион получается тоже связанным, с энергией связи 30-40 МэВ, но правда там приближение более далекое от реальности (масса пиона там 673-1015 МэВ).

Пустые жидкости

2010-12-14T01:19:00.003+01:00

На днях, просматривая ленту последних публикаций, я зацепился взглядом за необычный термин «пустые жидкости» (empty liquids). Прочитал саму статью и пару предыдущих работ и подивился тому, как много нового и необычного продолжает появляться в таком казалось бы приземлённом разделе науки как физика дисперсных систем. Вот небольшой рассказ о том, что это за пустые жидкости.

Дисперсные системы

Сначала немного базовых вещей. Со школы все знают про три агрегатных состояния вещества: твердое тело, жидкость, газ. Но это всё относится к однородным вплоть до молекулярного уровня веществам. Однако есть взять разные несмешивающиеся вещества и попытаться насильно их смешать друг с другом, то получится странная смесь, в которой микроскопические кусочки одного вещества внедрены в «матрицу» другого. Кусочки эти маленькие, глазом не видные, поэтому если рассмотреть отдельный кусок такого вещества, то оно будет казаться однородным, но только с необычными свойствами. Это и называется дисперсной системой.

Дисперсные системы можно классифицировать по агрегатным состояниям «вкраплений» и «матрицы». Например, если имеются микроскопические вкрапления твердого тела в жидкости, то это называется суспензия, а если наоборот — связанные друг с другом вкрапления жидкости в твердом теле — то это получается капиллярная система; пример — почва. Вкрапления газа в жидкости — это, например, пена; вкрапления жидкости в газе — это, например, туман. Бывают и вкрапления газа в твердом теле (пенопласт) или твердого тела в газе (дым). Для справок: большой pdf то NIST с номенклатурой и свойствами дисперсных систем.

У текучих дисперсных систем есть явление коагуляции, когда самые мелкие частички начинают слипаться во все более крупные. Конечный результат коагуляции (или еще говорят, старения дисперсной системы) зависит от конкретной дисперсной системы. Например, вкрапления могут в конце концов просто выпадать в осадок в виде хлопьев. Макроскопически в этих системах наблюдается разделение фаз — первоначально однородная система (например, суспензия) распалась на два сильно разных слоя: богатая и бедную вкраплениями фазы.

Или же вещество может остаться однородным, но потерять текучесть: во всем веществе может установиться более-менее прочная каркасная структура из слипающихся частичек, которая держит форму при небольшом механическом воздействии. Так получается гель.

Искусственные коллоидные системы

Вообще, всяких разных молекул в природе много, взаимодействуют друг с другом они по-разному, и потому имеется огромное разнообразие природных коллоидных и дисперсных систем. Но физикам, конечно, этого мало — им всегда хочется создать еще и нечто такое, что в природе само по себе не реализуется :)

Наверно из этих побуждений физики начали думать над созданием искусственных коллоидных систем — пятнистых коллоидов (patchy colloids). Самый простой пример — это микрошарики, на которых есть несколько «липких» пятнышек.

Рис.1 Модель пятнистых коллоидов: шарики с липкими пятнами, благодаря которым они могут связываться друг с другом (источник).

Если таких шариков накидать в жидкость, то они будут слипаться друг с другом только липкими пятнышками и образовывать кластеры определенной формы. Если научиться массово изготавливать такие шарики, контролируя при этом количество, размер и относительное расположение пятнышек, то можно искусственно получать дисперсные системы с совершенно необычными свойствами. В Риме, в университете «La Sapienza» есть группа, которая уже много лет активно занимается этими системами; именно ее статьи описываются ниже.

Вот например посмотрим, как будет меняться дисперсная система при изменении количества пятнышек M (или в химической терминологии, «валентность» шарика). При этом будем рассматривать самый интересный случай, когда концентрация шариков мала (порядка процента и меньше).

Ясно, что если M=2 и два пятнышка расположены примерно напротив друг друга, то шарики смогут создавать лишь длинные, но не разветвляющиеся нити. Эти нити будут плавать в жидкости, иногда перекрещиваться, ломаться, срастаться концами, но общую сеть они не образуют.

Если M велико (например, 4 и выше), то шарики смогут создавать настоящий кристалл (только не из молекул, а из шариков) с довольно плотной упаковкой. Правда при маленьких концентрациях шариков они всё же предпочтут объединяться в отдельные компактные микрочастицы, которые будут сталкиваться и сливаться друг с другом (т.е. будет идти обычная коагуляция).

А что получится, если смешать в некоторой пропорции шарики с M=2 и M=3, так чтоб среднее число M было близко к двум? Именно это исследовалось теоретически в статье 2007 года Phys.Rev.Lett. 97, 168301 (вот pdf в свободном доступе). В этом случае по-прежнему будут нити, но они иногда будут разветвляться и благодаря этому они уже могут создать ажурную сеть. И вот тут начинается интересное, потому что в зависимости от температуры и концентрации шариков, а также от того, насколько среднее M близко к 2, возможны самые разные варианты.

При высокой температуре нити будут часто рваться и воссоединяться. Система будет выглядеть скорее как набор небольших кластеров, которые постоянно объединяются друг с другом и тут же разваливаются. Никакой общей каркасной структуры они не образуют.

При более низких температурах кластеры могут быть более-менее устойчивыми и уже довольно большими (однако по-прежднему много меньше всего образца). Они будут подвижны относительно друг друга, но уже не настолько, чтоб свободно перемещаться — ведь они просто мешают друг другу своими переплетенными «ажурными рогами».

Самое главное, что концентрация шариков в целом может быть очень мала (сущие проценты), но эти большие ажурные кластеры по-прежнему будут сильно мешаться друг другу. Именно это состояние и названо авторами «пустая жидкость»: несмотря на то, что отдельные кластеры плотно друг с другом взаимодействуют (словно этакая искусственная жидкость из мега-молекул), реальная концентрация шариков очень мала. Если закрыть глаза на буферную жидкость, которая держит эту всю структуру, то вообще можно сказать, что система почти что пуста.

Наконец, если концентрация (или валентность) чуть побольше, то кластер может вырасти и до размеров всего образца. В этом случае у нас будет единая ажурная сеть, держащая свою форму — практически как гель. Только этот гель никуда не эволюционирует, не старел и не стареет, это уже конечное состояние системы. Поэтому авторы называли его «равновесный гель».

Эксперименты

А вот свежая эксприментальная работа всё той же итальянской группы Observation of empty liquids and equilibrium gels in a colloidal clay, опубликована только что в Nature Materials (препринт свободно доступен в архиве: arXiv:1007.2111 [cond-mat]).

В этой статье изучалась фазовая диаграмма лапонита — синтетической глины, состоящей из микродисков, у которых поверхность заряжена отрицательно, а кромка — положительно. Из-за этого они при большой плотности кучкуются, «втыкаясь» друг в друга под углом, см. рис.2.

Рис.2 Микродиски лапонита втыкаются друг в друга за счет электрического взаимодействия (источник).

Вообще лапонит, оказывается, вовсю используется в промышленности и даже в косметике. Но про то, как устроены взвеси лапонита при очень маленьких весовых концентрациях этих частичек, до сих пор идут жаркие споры. Вот пара статей про фазовую диаграмму лапонита: раз, два, три.
Так вот, в новой статье описываются результаты эксперимента, который длился аж семь лет (и наверняка еще продолжается). Эти результаты авторы интерпретируют как доказательство того, что во взвеси лапонита, при определенных концентрациях, действительно образуется и пустая жидкость (правда, в остекленевшем состоянии), и равновесный гель. Вот пара картинок из статьи.

Рис.3 Взвесь лапонита в начале эксперимента, спустя полгода и спустя три с половиной года (источник).

На рис.3 показана пробирка со взвесью в три разных момента. В начале эксперимента (A) взвесь представляла собой однородную жидкость (пробирка наклонена, уровень горизонтальный). Спустя почти полгода (B) жидкость превратилась в однородный гель. Пробирка всё это время была вертикальной, а для фото ее наклонили — видно, что уровень не выровнялся. И наконец спустя еще три года (C) произошло расслоение фаз: нижняя фаза держит форму, а верхняя — жидкая. Именно в нижней фазе наблюдаются необычные состояния вещества. В последующие четыре года картина не изменилась, из чего авторы делают вывод, что система, по-видимому, доэволюционировала до более-менее стабильного состояния.

Авторы подчеркивают одну необычную вещь в старении этой взвеси. Обычно разделение на фазы происходит довольно быстро (секунды, минуты, дни) и протекает в жидкости. А тут сначала взвесь превращается в гель, и уже в состоянии геля очень медленно начинается разделение фаз.

Рис.4 Неравновесная фазовая диаграмма взвеси лапонита и три точки на ней. По вертикали отложено время ожидания с момента начала эксперимента, в часах (источник).

Рис.4 иллюстрирует конечное состояние при разных концентрациях и положение этих состояний на фазовой диаграмме. Тут показана неравновесия фазовая диаграмма: по горизонтали отложена весовая концентрация частичек, а по вертикали — время ожидания (измеренное в часах). Три примера отвечают: разделению фаз (нижняя фаза при этом — остекленевшая пустая жидкость), равновесному гелю, и «вигнеровскому стеклу» — фазе, при которой отдельные кластеры держат форму за счет электростатического отталкивания при слишком плотной упаковке. Более-менее прослеживается линия (т.е. время) фазового перехода из жидкости в эти состояния.

Так что современное материаловедение — это не только создание суперпрочной брони или супер-антипригарного покрытия, но и изучение вот таких довольно фундаментальных вопросов.

Физика на Stack Exchange

2010-11-24T22:10:00.000+01:00

Stack Exchange (SE) — это платформа для создания тематических сайтов вопросов-ответов. Удобный движок, подробная статистика, поддерживается латех в формулах. Там преобладают около-компьютерные темы, но есть и кое-что научное (например, очень успешный отдельный сайт для математиков MathOverflow).

В принципе, каждый может предложить тему для нового тематического раздела, но для того, чтоб площадка не захламлялась сиюминутными желаниями и заброшенными проектами, на SE существует многоступенчатая система «созревания» заявок. Сначала должна набраться достаточная инициативная группа для определения новой темы и очерчивания круга вопросов, затем набираются добровольцы, обязующиеся уделять проекту на начальной стадии свое время, и лишь затем запускается бета-версия сайта.

Физики, видя успех MathOverflow, естественно захотели создать нечто свое. Так несколько недель назад открылся в бета-версии раздел Physics.StackEchange. Каждый теперь может там свободно зарегистрироваться, задавать вопросы и отвечать на них.

Однако почти сразу, буквально через неделю-две у многих возникло разочарование тем, куда движется проект. Пошел поток явно скучных вопросов, интересные вопросы уходили вниз и терялись, но самое главное часто терялись также и грамотные ответы на вопросы. Те эксперты, которые поначалу активно отвечали, приутихли. В общем, ситуация стала очень напоминать википедию.

Тогда, пообсуждав, люди решили оставить Physics.SE для «общеобразовательной» физики, а для серьезных вопросов-ответов создать отдельный сайт. В общем-то, и по математике есть общеобразовательный раздел Math.SE, а есть и MathOverflow для вопросов исследовательского уровня. Так появилась заявка на раздел Theoretical Physics.SE (почему именно «теоретическая физика», не знаю, были отдельные обсуждения по этому поводу).

Эта заявка очень быстро прошла через первую стадию (это вообще сейчас одна из самых горячих заявок из всего списка проектов). Cейчас в проект набираются добровольцы, которые готовы будут потратить свое время на вопросы/ответы, когда сайт заработает в бета-версии. Так что я призываю всех тех, кто хочет пообсуждать серьезные вопросы по физике, регистрироваться там и подписываться на проект.

Физика живой клетки

2010-10-17T21:50:00.005+02:00

В последнем выпуске журнала «Nature Physics» опубликована подборка обзорных статей про биофизику клетки. Из этой огромной области были выделены лишь четыре конкретные темы: биомеханика живой клетки, физика вирусов, динамика (природных) нейронных сетей и моделирование фолдинга белков.

Вся подборка находится в свободном доступе; можно скачать ее в виде единого pdf-файла или читать отдельные статьи. Вот краткий их пересказ.

Биомеханика клетки. Про живую клетку обычно рассказывают с точки зрения биологии: как она делится, как питается, как умирает, какие в ней происходят биологические процессы, в общем — как она живет. Но жизнь — жизнью, а клетка кроме всего этого является еще и сугубо материальным объектом: со своими механическими и электрическими свойствами, со своими неравновесно-термодинамическими процессами внутри нее.

И тут, оказывается, есть куча интересных с точки зрения физики тем для изучения. Можно взять, например, вискоэластические (т.е. упруго-текучие) свойства клетки, которые описывают то, как клетка поддается на внешнее механическое воздействие. Оказывается, эти свойства не какие-то произвольные, а специально адаптированы для более эффективной работы клетки. Более того — клетки могут сами их настраивать. Например, клетки на коллагеновую подложке цепляются за нее по-разному в зависимости от упругости подложки и в зависимости от внешних сил, ее деформирующих. Прикладывая внешнюю силу к подложке, мы локально ее растягиваем; клетка это чувствует через свои механические контакты, этот сигнал передается в клетку и она модулирует экспрессию тех или иных белков. Возникает белковый ответ на внешнее воздействие, который может менять механические свойства клетки — например, увеличивает ее жесткость клетки в сотню раз или же резко ослабляет ее «липкость».

Эта «игра с клеткой» исключительно важна для понимания распространения раковых опухолей. Сейчас предполагается, что в раковых клетках может запускаться такой механизм, при котором клетка в ответ на гомеостатическое давление, оказываемое делящимися клетками-соседями, резко теряет свою липкость, отцепляется от соседей и разносится по организму — т.е. образует метастазы.

Механический отклик контрактильной клетки в опухоли в ответ на механическое воздействие, вызванное лазерным импульсом. Источник рисунка.

Подробнее про биомеханические изменения в раковых клетках написано в другой статье из подборки. Среди прочего там описывается недавнее предложение измерять биомеханический отклик клеток из подозрительных новообразований для раннего выявления ракового перерождения. Во многих случаях раковые клетки намного мягче обычных, и это можно заметить с помощью довольно простого и быстрого теста. Такой тест можно было бы применять для широкого скрининга раковых заболеваний.

В статье «Физическая вирусология» описываются механические свойства вирусных частиц, а точнее капсида — внешней белковой оболочки вируса. Эксперименты по продавливанию капсида на атомно-силовых микроскопах показывают, что для его описания можно применять модели из области обычного материаловедения. В капсиде можно заметить даже явление «усталости материала», с которым человеку регулярно приходится сталкиваться в повседневной жизни. На самом деле, даже удивительно, что макроскопические модели из материаловедения так хорошо работают для нанометровых объектов.

Результат продавливания капсида атомно-силовыми методами. Источник рисунка.

В обзоре «Самовозникающая сложная нейронная динамика» рассказывается о том, как «выглядит» с точки зрения статистической физики общая картина спонтанной (т.е. не стимулированной) активности в головном мозге человека. Оказывается, эта активность не беспорядочна и не циклична; в ней наблюдаются неритмические колебания, характерные для так называемого критического состояния (этот пример был бы очень в тему в книжке Филипа Болла «Критическая масса»). Характерной особенностью критического состояния является отсутствие каких-то жестких временных и пространственных масштабов. Всё меняется и колеблется и на мелких расстояниях, и на масштабах всего мозга; на коротких и на длительных временах.

Закон распределения размера «лавин нейронного возбуждения» в нейронных сетях в экспериментах с разным числом электродов. Источник рисунка.

Кстати, есть такой нейрофизиолог Дьёрдь Бужаки (Gyorgy Buzsaki) и у него есть популярная книжка «Ритмы мозга». В ней, кроме прочего, он высказывает такую спекулятивную мысль по поводу того, что такое (с точки зрения физики!) сознание у человека, т.е. ощущение собственного «я», ощущение того, что «я мыслю». Он говорит, что у животных нет такого безмасштабного паттерна спонтанной мозговой активности, как у человека. По его мнению, именно эта безмасштабная непрекращающаяся активность, которая гуляет по мозгу, может как-то «замечать саму себя». И тогда она ощущается нами как самоосознание. Это всё, конечно, очень спекулятивно, но интересно то, что нейрофизиология в принципе может тестировать такие гипотезы; это уже не просто фантазии, а нечто проверяемое. И это, конечно, жутко интересно!

Последняя статья из подборки, «Трудности моделирования фолдинга белков», рассказывает о нелегкой доле вычислителей, которые из первых принципов (т.е. из взаимодействия атомов и молекул) пытаются вычислить, во что именно свернется тот или иной белок [Update: см. в комментариях более аккуратные пояснения от специалистов]. Главная светлая мечта в этом направлении — научиться вычислять биологическую функцию той или иной молекулы, исходят из чистой атомной физики. Это исключительно сложная вычислительная задача, и как ее упростить и можно ли это сделать вообще — совершенно непонятно. Я тут дам лишь пару ссылок на популярные заметки про недавние работы: Миллисекундный барьер взят! и Помогать науке можно играя (кстати, классная штука по ссылке, рекомендую поиграться).

И напоследок, если для вас словосочетание «вычислить жизнь» звучит слишком фантастично, почитайте мой старый пост про одну интересную новость.

Описание или объяснение

2010-10-02T21:25:00.001+02:00

Вот любопытная иллюстрация того, насколько по-разному физики из разных областей могут понимать фразу «Теория объясняет эксперимент».

У нас тут недавно прошло аспирантское мероприятие, на котором аспиранты департамента должны были кратко рассказать о своей работе. Департамент в основном астро- и геофизический, но наша группа (физика элементарных частиц) тоже к нему относится. Люди в комиссии тоже были поголовно астро/геофизики. И вот одна аспирантка, делая свой доклад по физике за пределами стандартной модели, произнесла стандартную в общем-то фразу:

Стандартная модель с высокой точностью описывает экспериментальные данные, но есть целый ряд вещей, которые она объяснить не может. Поэтому теоретики строят теории за пределами Стандартной модели для того, чтобы найти им объяснение.

После доклада астрофизик ее спрашивает:

Что же тогда хорошего в вашей Стандартной модели, если она не может объяснить много вещей? Вот вы предлагаете теории вне Стандартной модели, потом окажется, что они не смогут объяснить какие-то новые данные, и тогда вам опять придется что-то придумывать и подстраивать, и так до бесконечности. Разве это нормальный метод?

Аспирантка что-то ответила, но совсем мимо цели. А правильный ответ, на мой взгляд, должен быть вот каким.

Стандартная модель — это теория взаимодействий элементарных частиц, причем теория с очень жестко заданной структурой. Ее проблема в том, что в ней есть пара десятков свободных параметров, которые не вычисляются, а задаются на основании экспериментальных данных (большая часть из них — это просто массы фундаментальных частиц). Однако как только они зафиксированы, теория больше не позволяет никакой вольности. Она дает четкие предсказания, которые отлично подтверждаются в экспериментах (есть, конечно, случаи, когда вычислительные препятствия мешают сделать аккуратное предсказание, но это отдельный разговор).

Именно поэтому можно сказать, что теория отлично описывает мир, причем честно, без подгонки и подстройки. Но она не может объяснить некоторые ключевые концепции, т.е. она не может вычислить параметры, расписать их происхождение из каких-то более фундаментальных принципов.

Я подозреваю, что тот астрофизик, который задавал вопрос, не осознавал этой разницы между «описать» и «объяснить». Я с астрофизикой знаком не слишком глубоко, но в некоторые темы мне приходилось влезать. У меня осталось впечатление, что подавляющее большинство того, что астрофизики воспринимают как «теории», на самом деле является моделями с большим числом разных «если» и большим количеством настроечных параметров. (Впрочем, в физике элементарных частиц, в особенности в теории взаимодействий адронов, тоже есть такая прискорбная тенденция.) И я подозревают, что когда астрофизик говорит, что теория/модель объясняет наблюдательные данные, то это значит, что она их всего лишь описывает. В таком понимании слова утверждение о том, что теория «не объясняет» данные, действительно может являться для нее приговором — ведь она не отражает реальность.

Чтоб это не выглядело камнем в огород астрофизики, хочу спросить самих астрофизиков (а также специалистов из других областей): как, на ваш взгляд, воспринимается утверждение «теория/модель (не) объясняет данные» в вашей среде, изнутри?

«Элементы» — учителям

2010-09-30T15:58:00.001+02:00

Оказывается, на «Элементах» недавно открылся новый раздел: «Элементы» — учителям. Кроме образовательных плакатов, которые уже давно есть на сайте, там выложены видео мастер-классов и научно-популярные лекции ученых. Материалы в основном со Дней науки, которые регулярно проводит в разных городах фонд «Династия». Там, кстати, разместили и видео с моей лекцией про экстремальные состояния вещества, слайды которой я как-то выкладывал в блог.

Еще одна загадка

2010-09-28T21:55:00.004+02:00

Вот еще одна картинка-загадка: что это такое?

Отгадка: это действительно протонный пучок на Большом адронном коллайдере, вид в поперечной плоскости; цвета искусственные, они просто передают интенсивность. А образуют они такую странную закорючку вот почему. Этот пучок уже не в самом ускорителе, а на выходе из него. В конец сеанса работы «поюзанные» пучки выводят по специальному туннелю по касательной и сбрасывают его на массивные жаропрочные блоки (не забываем, что в каждом пучке запасено несколько мегаджоулей). Однако если бы пучок оставался так же хорошо сфокусированным, как и в самом ускорителе, то он бы прошил эти блоки насквозь, испарив вещество на своем пути, и ушел бы в стенку подземного зала. Чтобы этого избежать, пучок на выходе из кольца «расфокусируют» всеми возможными способами для того, чтобы та же энергия пришлась уже на большую площадь. Для этого резко включают очень быстрый магнит с переменным полем, который «разбрызгивает» отдельные протонные сгустки в стороны, так чтоб они больше не летели друг за другом.

Для того, чтобы отслеживать, насколько хорошо произошло это «разбрызгивание», в 30 метрах после магнита прямо поперек пучка стоит тонкий экран из оксида алюминия. Сгустки пронзают его насквозь, выделяют там энергию, которая и запечатлена на этой картинке. Конкретно на этой картинке имеется 152 сгустка — 19 «составов» (их можно пересчитать) по 8 сгустков. Если начинать из центра и идти по спирали против часовой стрелки, то как раз получим последовательность сгустков, как она шла в ускорителе. По координатам отложены миллиметры — т.е. видно, что в месте экрана пучок разошелся в попереной плоскости на десяток сантиметров. Эту картинку можно увидеть на главном онлайн-мониторе LHC сразу после сброса очередного пучка.

О последнем открытии на CMS

2010-09-23T07:14:00.000+02:00

Написал новость на «Элементах» про открытие дальних корреляций на CMS. Если есть комментарии или вопросы, можно оставлять там, можно тут.

И о высоком

2010-09-05T12:48:00.003+02:00

В качестве воскресного развлечения: отгадайте, чьей кисти это полотно и что на нем изображено?

Отгадка: это фитопланктон в Баренцевом море, фото в естественных цветах. Разные цвета — это разные виды и разные концентрации. В блоге угадали быстро, зато в баззе были очень интересные варианты :)

Кольцо вокруг сверхновой SN1987A

2010-09-04T14:18:00.005+02:00

В последнем выпуске Science вышла статья про наблюдения остатка от взрыва знаменитой сверхновой SN1987A в Магеллановом облаке. Вот видео из статьи, составленное из изображений 1994-2006 годов:

Кольцо вокруг центра — это газопылевое облако, которое состоит из вещества, выброшенного примерно 20 тыс. лет назад той же звездой, которая потом стала сверхновой. Вот недавний обзор ионного состава и плотности вещества в этом кольце. Вообще, это кольцо начало светиться сразу после вспышки сверхновой из-за ионизации излучением. А возникшие позже яркие вспышки по его периметру — это результат прохождения через это облако ударной волны от вспышки (а точнее, blastwave). По отдельным линиям в спектре этого свечения можно узнать о том, в каких условиях там находится газ (после столкновения ударно волны с исходным облаком), с какой скоростью он движется, насколько ионизован и т.д. В статье сказано, что наблюдения 2010 года показывают, что яркость свечения продолжает расти. Видно также, что излучение центральной части резко тускнеет по мере того, как расходится и остывает вещество.

Если подумать, это вообще-то уникальный объект для астрофизики, прямо-таки самодиагностирующийся объект. Ведь элементных состав этого кольца, сначала «посвеченного» самой вспышкой, а потом «взболтанного» ударной волной, позволяет узнать, какие условия существовали на звезде за 20 тыс. лет до гарантированной(!) вспышки сверхновой. Интерпретация — дело, конечно, непростое, но по крайней мере объект — вто он, висит в небе, предоставлен для изучения кому угодно.

Кстати, вопрос на засыпку: как вы думаете, почему кольцо вспыхивает в виде «ожерелья» (т.е. отдельные яркие точки), а не равномерно по всему периметру?

Ответ: насколько я понимаю, считается, что причина в том, что в кольце имеются периодические выступы вовнутрь («fingers»), возникшие из-за гидродинамических неустойчивостей при выбросе массы и расширении кольца. Ударная волна, дойдя до кольца, сталкивается вначале с этими выступами. Вот тут и вот тут есть хорошие иллюстрации явления.

Навеяло мысли

2010-09-03T00:09:00.002+02:00

И еще вдогонку про солнечные вспышки и радиоактивность. Когда я читал статьи Йенкинса и Фишбаха, меня неприятно поразило то, насколько «фрическая» у них точка зрения на все эти вещи. Они говорят точно так же, как типичные альтернативщики, а пресс-службы ничтоже сумняшеся передают их слова. Вот три конкретных вещи, которые я хочу подчеркнуть.

1. Я уже как-то говорил это, но повторю снова. У людей, которые очень плохо представляют, что такое наука (т.е. у большинства), сложилось убеждение, что все нетривиальные знания держатся одно за другое буквально на ниточках. И стоит одной ниточке оборваться, как сразу же рассыпется в прах куча теорий и выводов. Они не осознают, насколько сильно-связанный граф научных знаний.

Мне кажется, очень существенную роль в таком совершенно искаженном восприятии науки играют СМИ — благодаря той легкости, с которой СМИ объявляют на ровном месте об открытиях, о закрытиях, об опровержениях. И причем так делают не только желтые издания, но и те, которые себя считают качественными источниками научных новостей. Но это отдельная тема, я как-то про нее писал в посте В чем вред от неправильных научно-популярных новостей.

2. Как следствие первого пункта — вырабатывается ощущение, что добавить что-то своё в науку тоже очень просто. Этой мыслью и руководствуются альтернативщики. Мол, достаточно прицепить на тоненькую ниточку свою сногсшибательную идею к какому-то одному факту, и это уже будет солидная научная гипотеза. То, что при таких попытках надо сразу проверять то, как эта идея соотносится с многочисленными другими фактами, им кажется второстепенным.

Эта точка зрения буквально сквозит в словах Йенкинса и Фишбаха, когда они предлагают то нейтрино, то солнечные вспышки, то третье, то десятое. Каждое их предложение наталкивается на кучу возражений, но они их не видят, они видят только свою «ниточку»: ага, раз сквозь Землю, значит нейтрино; раз совпало со вспышкой, значит ею и вызвано; ах, не совпало, а опередило — значит нейтрино вызывают и распад, и вспышку; и так далее.

3. У большинства альтернативщиков есть такая точка зрения: вот я вам предлагаю свою оригинальную идею, а вы уж детали доработайте, вы это умеете лучше меня. Это очень удобный способ уйти из-под критики. Йенкинс и Фишбах ведут себя ровно так же: мы-де не в курсе, как нейтрино может воздействовать на распад, но это интересная идея, — и потому ценна сама по себе! — а с деталями уж пусть разбираются другие.

Понятно, что такие идеи ценности не имеют. Ценность идеи — не в оригинальном сочетании слов («а давайте вот это применим сюда»), а в идее, как бы ни тавтологично это звучало; в том многообразии интересных и согласованных с другими фактами возможностей, которые она открывает. Но этого, похоже, не понимают ни Йенкинс и Фишбах, ни пресс-службы университетов.

Сколько хиггсовских бозонов УЖЕ родилось на LHC?

2010-08-30T23:41:00.003+02:00

Как уже всем, наверно, известно (в том числе и из СМИ), главной задачей Большого адронного коллайдра является поиск хиггсовского бозона. Иногда при этом справедливо добавляют, что рождается бозон довольно редко, поэтому для этого надо провести большое число протон-протонных столкновений. В результате может сложиться ощущение, что этот самый «поиск» и заключается в том, чтобы долго-долго сталкивать протоны и дождаться хотя бы одного хиггсовского бозона. Зато когда он родится, нам об этом объявят: «Бозон родился, поиск прошел успешно».

На самом деле, на Большом адронном коллайдере к настоящему моменту уже родилось около сотни хиггсовских бозонов (если, конечно, предположить, что бозон Хиггса существует, что он стандартный, и что его масса лежит в самом «ожидаемом» диапазоне). И не беспокойтесь, все эти события не потерялись, они честно записаны детекторами и хранятся в соответствующих файлах.

Проблема только в том, что пока нет никакой возможности их опознать. А значит, нет никакой возможности сказать, есть они там на самом деле или нет (т.е. верны ли написанные выше предположения). Эти события, если на них смотреть по одиночке, выглядят ровно так же, как многие другие, не шибко интересные события, коих насчитываются миллионы. Выявить вклад хиггсовского бозона можно только статистически, как некую «припупинку» в распределении. И вот для такого анализа статистики пока маловато. Сто событий против миллиона ничего не дадут, но вот уже сто тысяч против миллиарда — на соответствующем графике! — станут заметными. Именно это и есть пресловутый «поиск хиггсовского бозона».

Дополнение про влияние Солнца на радиоактивность

2010-08-29T16:26:00.002+02:00

В комментариях к прошлому посту мне пеняют на то, что «эффект»-то был зарегистрирован на одних изотопах, а опровергают его на других. И где тут логика?

Вообще, я в конце того поста написал, что копаться можно и дальше, так что тем, у кого есть свои вопросы, возражения и контрвозражения, я рекомендую внимательно почитать статьи Йенкинса и Фишбаха и возражения на них. Но раз уж возник вопрос, давайте действительно поговорим про универсальность «эффекта».

Прежде всего, исходная позиция Йенкинса и Фишбаха как раз и состояла в том, что эффект вовсе не специфичен для конкретных ядер и даже для конкретных взаимодействий, что он универсален, но возможно имеет разную силу для разных распадов. Дело в том, что в двух конкретных примерах, которые они использовали, речь идет вообще о разных типах распада: в случае ³²Si — это бета-распад (т.е. слабые взаимодействия), в случае ²²⁶Ra — это альфа-распад (т.е. сильное взаимодействие). Так что авторы сами предлагали искать подобные эффекты в любых других ядрах.

Но в дальнейшем Йенкинс и Фишбах стали почему-то напирать именно на слабое взаимодействие. Тут показателен один пример, когда изотоп был одинаковый в экспериментах, которые они считают «за» и в экспериментах «против». А именно, в статьях 2009-2010 годов они цитируют еще один пример эксперимента с сезонными вариациями, проведенный в некотором медицинском центре. Там исследовалась активность ²³⁸Pu — ровно тот же изотоп, который используется в реакторе на аппарате Кассини, про который я писал в прошлом посте. Казалось бы, вот оно, прямое опровержение, поскольку Кассини проверил эффект в гораздо более лучших условиях, чем этот эксперимент в медицинском центре, и ничего не обнаружил.

Но Йенкинс и Фишбах так просто не сдаются. Они говорят, что разница состоит в том, что если на Кассини меряется непосредственно поток испущенных нейтронов, то в медицинском эксперименте измеряется гамма-активность ⁵⁶Fe, который есть дочерний продукт бета-распада ⁵⁶Mn, который есть дочерний продукт активации ⁵⁵Mn нейтронами. В такой цепочке, они говорят, всегда найдется место ~~подвигу~~ осцилляциям.

Бог с ним, пусть поток нейтрино как-то усиливает именно слабые распады (хотя никаких осмысленных идей, как это может быть, не противоречащих другим данным, пока нет). Но слабые распады тоже были проверены. В статье-возражении были приведены данные по изотопам, которые распадаются за счет альфа-, бета-плюс- и бета-минус-распадов, а также за счет электронного захвата. В экспериментах, описанных в этой статье, регистрируются не сами альфа- или бета-частицы, а гамма-кванты, излучение которых сопровождает процесс распада. Для того, чтобы устранить неизвестную зависимость от времени эффективности самого детектора, берется не просто частота отсчетов какого-то одного изотопа, а отношение частот отсчетов счета двух изотопов с разными распадами (так проводились и эксперименты, на которые ссылаются Йенкинс и Фишбах, и эксперименты-возражения). В этих отношениях никаких достоверных флуктуаций нет, ни для каких проверенных пар взаимодействий.

Но по-хорошему, я еще раз подчеркну, тут можно разговаривать только после того, как будет какая-то осмысленная формулировка эффекта.

И чтоб еще раз убрать возражения типа «Да какая разница, каков механизм, вот они данные!». Лично мое мнение — в тех экспериментах, где есть сезонные флуктуации, их причиной является какой-то недоучтенный эффект окружающий среды. Кстати, я сейчас прочитал, что в одном случае эффект в конце концов списали на сезонные флуктуации радона и его дочерних продуктов, которые модулировали ток разряда детекторов.

Влияние Солнца на скорость радиоактивных распадов

2010-08-28T23:19:00.004+02:00

Вот уже несколько лет Йере Йенкинс (Jere Jenkins) и Ефраим Фишбах (Ephraim Fischbach) пытаются доказать всему миру, что Солнце влияет на скорость распада радиоактивных элементов. Как именно влияет и как именно они пытаются это доказать — см. ниже. Они пишут статьи и даже публикуются в журналах, хотя по моим критериям наукой это не является (почему — опять же см. ниже).

Иногда им удается попасть в СМИ благодаря пресс-релизам своего университета. Похоже, что нечто подобное происходит и в этот раз. Вот новость от Стэнфордского университета, вот заметка в журнале Symmetry, который издается совместно Фермилабом и Стэнфордской национальной ускорительной лабораторией; на всякие онлайн СМИ я уже ссылок не даю. На мой взгляд в обоих случаях — просто безответственно сработали пресс-центры.

Честно говоря, мне не хотелось писать на эту тему, но кое-что уже стало появляться и в Рунете, и не исключено, что станет время от времени появляться и в будущем. Поэтому мне кажется полезным один раз со своей колокольни написать подробно про эту историю. Если лень всё читать — вот вывод: глупости всё это, наукообразные и даже опубликованные глупости. Никакой физики за этим не стоит.

Утверждения Йенкинса и Фишбаха

В своей статье Astropart.Phys.32:42-46,2009 (текст доступен в архиве препринтов arxiv:0808.3283) Йенкинс и Фишбах вместе с еще несколькими авторами из университета Пердью утверждают, что скорость радиоактивного распада некоторых изотопов не постоянна, а меняется с периодичностью в 1 год. В подтверждение этого они приводят результаты двух старых (чужих) экспериментов: измерение периода полураспада изотопа ³²Si в Брукхэвенской национальной лаборатории с 1982 по 1986 годы и измерение радиоактивности изотопа ²²⁶Ra в немецком центре PTB c 1984 по 1999 годы. То, что непосредственно измерялось в обоих экспериментах — это частота отсчетов детектора, регистрировавшего события распада. На графике частоты отсчетов от времени имеются четко заметные сезонные усиления и ослабления активности на уровне в доли процента (см. рис.1):

Рис. 1. Годичные осцилляции в данных PTB. Изображение из статьи arxiv:0808.3283.

Сами авторы тех экспериментов говорят, что они не могут объяснить эти осцилляции. Это объяснение решили предложить Йенкинс и Фишбах. Они считают, что сезонные изменения связаны с тем, что Солнце за счет какого-то неизвестного науке механизма ускоряет радиоактивный распад этих изотопов. Земля в своем годичном движении то подходит ближе к Солнцу, то отходит дальше, из-за чего и наблюдаются сезонные осцилляции радиоактивности.

Впрочем, в качестве «рабочей гипотезы» авторы предлагают нейтрино, которые, как известно, в больших количествах испускает Солнце. Почему именно нейтрино? Аргументация очень интересная. В еще одной своей статье Astropart.Phys.31:407-411,2009 (препринт arxiv:0808.3156) они описывают свой собственный эксперимент длительностью в один месяц по измерению радиоактивности изотопа ⁵⁴Mn. В ходе этого эксперимента 13 декабря 2006 года произошла сильная солнечная вспышка, и как раз в это время на графике частоты отсчетов обнаружилась небольшая впадина (рис.2):

Рис. 2. Частота отсчетов в эксперименте Йенкинса/Фишбаха и график солнечной активности в рентгене в декабре 2006 года. Изображение из статьи arxiv:0808.3156.

Авторы посчитали это совпадение неслучайным, и предположили, что солнечная вспышка тоже повлияла на скорость распада. Правда незадача — в момент солнечной вспышки в США была ночь. Значит, решили авторы, сигнал от солнечной вспышки смог беспрепятственно пройти сквозь Землю, а на это способны только нейтрино.

Вообще, хорошему физику вся эта логика сразу покажется дикой. Обсуждение, в чем тут дикость, я пока отложу, а пока поговорю про сами эксперименты.

Обсуждение экспериментов

Даже если вы никогда не ставили экспериментов по регистрации частиц, вы можете догадаться, что это совсем не простое дело. Детектор — это вовсе не «телепат», который тут же узнаёт о каждом распаде внутри образца. При распаде из образца вылетают заряженные частицы с заметной энергией. Они оставляют в веществе детектора ионизационный след, который затем регистрируется либо визуально, либо электронно. (Вот для примера как устроены типичные детекторы в современных ускорительных экспериментах.)

Далее, мы все на уровне Земли постоянно подвергаемся бомбардировке космическими лучами — это тоже частицы высокой энергии, которые прилетели их космоса (или рожденные ими частицы при входе в атмосферу). Такие частицы тоже могут попасть в детектор и оставить в нем свой след. Бывают еще и частицы-продукты распада радиоактивных изотопов тех элементов, из которых состоит сам детектор, или даже продукты распада газа радона, который присутствует в атмосфере и накапливается в подвалах и прочих низинах, в том числе просто в Земле (и кстати, известно, что концентрация радона меняется от сезона к сезону).

Так что детектор — он еще не «телепат» в том смысле, что он не в курсе, откуда взялась частица, оставившая след. Поэтому требуется хорошая экранировка от космических лучей, требуются радиочистые материалы для детектора и требуется правильная обработка данных, чтобы отделить нужные события от фоновых, связанных с естественным радиационным фоном. Все эти проблемы известны, с ними при конструировании детекторов частиц стараются бороться, как могут, но дело это непростое и в нем есть много подводных камней.

Дополнительная сложность возникает в длительных экспериментах, поскольку на длинных промежутках времени «всё плывет»: меняются неизвестным образом характеристики детектора, меняются условия, в которых находится лаборатория, меняется в конце концов атмосфера над лабораторией. Причем всё это меняется по неизвестному заранее закону — никто ведь не калибрует детектор в течение 15 лет перед тем, как начать сам эксперимент! Предвидить все такие сложности и правильно оценить возникающую из-за них погрешность тоже очень непросто.

По этой причине считается общепринятым, что лучше всего достоинства и недостатки своего детектора понимают именно те люди, которые непосредственно его настроили, откалибровали, снимали данные и обрабатывали их с учетом своего знания. И если кто-то посторонний начинает обрабатывать сырые данные или самостоятельно пытается оценить систематические погрешности — это выглядит несерьезно.

Особенно, когда это делается так, как попытались сделать Йенкинс и Фишбах в еще одной своей статье NIMR A, 620, 332-342 (2010) (препринт arxiv:0912.5385). Там они проверили три сезонных фактора, которые могли бы повлиять на поведение детектора: температуру, давление и влажность. Они выяснили, что осцилляции нельзя списать целиком на какой-то один фактор. Но можно ли списать на одновременное действие всех трех факторов, они признаются, что уже сказать не могут.

Чтобы сравнить, как такой анализ делается по-настоящему, можно почитать, например, в статье коллаборации DAMA/LIBRA, которая занимается поиском частиц темной материи (см. новость Эксперимент DAMA по-прежнему «видит» частицы темной материи). Там, кстати, тоже искомый сигнал проявляется в виду сезонной вариации некоторых событий, и этот сигнал там действительно виден. Но из-за сложности эксперимента до сих пор мало кто верит, что этот сигнал надо интерпретировать как регистрацию частиц темной материи. Уж слишком много иных сезонных эффектов тут может вмешаться!

И наконец, иногда эксперименты бывают настолько тонки, что даже сами создатели установки после многократных проверок так и не могут понять, что же в их эксперименте идет наперекосяк. Вот буквально на днях я писал про измерение гравитационной постоянной, в которой три разных эксперимента получили сильно различающиеся результаты и так и не могут пока придти к консенсусу. Есть и другие подобные примеры. И кстати не всегда с течением времени ситуации разрешаются; иногда они так и остаются в подвешенном состоянии. Поэтому надо понимать, что иногда бывают конкретные эксперименты, авторы которых так и не смогли разобраться до конца в установке и отловить все фоны и источники погрешностей.

Проверки и возражения

Опять же, не надо быть никаким специалистом, чтобы задаться простым вопросом: почему Йенкинс и Фишбах ограничились только этими двумя экспериментами? Неужели за всю историю физики не было других экспериментов по измерению скорости радиоактивных распадов других изотопов?

Экспериментов, конечно, была уйма, но подавляющее большинство из них были кратковременными. Тем не менее, и длительные эксперименты тоже проводились. Сразу после препринтов Йенкинса и Фишбаха в 2008 году появились два других препринта, результаты которых опровергают гипотезу Йенкинс/Фишбаха о влиянии Солнца на радиоактивность.

В первой статье Astropart.Phys.31:135-137,2009 (препринт arxiv:0810.3265) просто приведены данные трех более свежих экспериментов по измерению радиоактивность других изотопов. Вот, например, результаты одного из них (рис.3):

Рис. 3. Данные по радиоактивности изотопа бария-133 и ожидаемое поведение данных, если бы гипотеза Йенкинс/Фишбаха была верна. Изображение из статьи arxiv:0810.3265.

Синусоида здесь показывает ту осцилляцию, которая проступила бы в данных, если бы гипотеза Йенкинс/Фишбаха была верна. Никакого намека на нее в данных нет.

Во второй статье Astropart.Phys.31:267-269,2009 (препринт arxiv:0809.4248) сделан еще более замечательный анализ. Ведь у нас, фактически, и так уже есть многолетние эксперименты по измерению уровня радиоактивности источников на разных расстояниях от Солнца — на космических спутниках, запущенных к другим планетам. Проверка того, как ведет себя радиоактивность на расстояниях от Солнца, существенно ближе или дальше, чем Земля, будет гораздо более сильным аргументом. Особенно с учетом того, что на спутниках нет земных времен года.

Например, аппарат Кассини, который сейчас благополучно изучает систему Сатурна, в течение первых двух лет своего пути два раза пролетал мимо Венеры, и тем самым он «прощупал» расстояния до Солнца от 0,7 до 1,6 астрономических единиц. На аппарате установлен ~~ядерный реактор~~ радиоизотопный генератор на ²³⁸Pu с периодом полураспада 88 лет. Мощность, вырабатываемая генератором, отслеживается ежедневно с высокой точностью. Есть, правда, технический вопрос о том, как меняется его КПД со временем, но его тоже можно оценить, исходя из данных (тут помогает тот факт, что на своей траектории Кассини 5 раз проходил через точку 1 а.е., так что эти данные «самокалибрующиеся»).

Рис. 4. Мощность плутониевого генератора в космическом аппарате Кассини за вычетом эффектов КПД и распада (черные точки) и ожидаемое поведение данных (красная кривая), если бы гипотеза Йенкинс/Фишбаха была верна. Изображение из статьи arxiv:0809.4248.

На рис. 4 показаны данные по мощности генератора, скорректированные относительно распада и КПД (черные точки). А красной линией показано то, как должны были вести себя эти данные, будь гипотеза Йенкинс/Фишбаха верна. Ничего похожего.

Обсуждение «научных гипотез» Йенкинса/Фишбаха

Теперь поговорим про интерпретации, которые предлагают Йенкинс и Фишбах. Слова «научные гипотезы» я взял в кавычки, потому что никакие это не научные гипотезы, а безответственная игра словами.

1. «Ну мало ли!» Сами авторы неоднократно признаются, что они не имеют ни малейшего представления, как Солнце может влиять на скорость радиоактивных распадов на Земле. Никаких попыток построить хотя бы простейшую динамическую модель, в которой реакция распада шла бы быстрее под действием потока испускаемых Солнцем частиц, будь то нейтрино, или что-то иное, они не предъявляют. Они просто и наивно говорят: «Ну мало ли!»

Я хочу специально подчеркнуть, что это «ну мало ли» — ненормально. В современной физике постоянно рождаются идеи о том, что наш мир обладает какими-то свойствами, которые мы до сих пор не открыли (новые частицы или взаимодействия, суперсимметрия, струны, многомерные модели, сложная топология вселенной и т.д.). Но всегда, когда физики предлагают что-то подобное, они свое предложение описывают формулами. В без них — нет никакой идеи, есть просто болтовня.

Кстати, про другой пример такой безответственной болтовни я как-то писал в блоге.

Чтоб не придирались и не перевирали мои слова, отдельно скажу вот что. Я ни в коей мере НЕ утверждаю, что всё, что не попадает в рамки общепринятой сейчас физики, надо гнать в шею. Я говорю, что если вы хотите предложить гипотезу о строении мира, предъявите хоть какую-нибудь ее математически осмысленную формулировку. И даже если у вас есть какие-то абсолютно железобетонные, неоспоримые, воспроизводимые данные, которые совсем никак не вписываются в современную картину мира (тут, разумеется, не этот случай), то вы имеете право только сказать «вот четкие данные, которые не вписывают в картину мира» (на Нобеля этого хватит, не беспокойтесь), а не бежать сломя голову выдумывать разные «мало ли».

2. Нейтрино. Со стороны может показаться, что для выбора нейтрино в качестве объяснения у Йенкинса и Фишбаха были какие-то серьезные основания. Ничего подобного. Они выбрали нейтрино, потому что все остальные частицы точно не подходят: то, что Земля непрозрачна ни для чего больше, понятно всем.

Правда, они физику нейтрино просто не понимают (это видно по некоторым утверждениям), и со своей нейтринной идеей они вляпались сразу в две проблемы, от которых они, впрочем, открещиваются теми же словами «ну мало ли». Первая касается физики нейтрино. Это вовсе не мистические частицы, как иногда пишут СМИ; про нейтрино уже много чего известно. В частности, известно, что из-за своего очень малого сечения взаимодействия, солнечные нейтрино взаимодействуют с веществом очень редко. Поэтому нейтрино никак не могут дать настолько сильный эффект — каков бы ни был вообще механизм усиления радиоактивности.

Кстати, не задумываясь о механизме воздействия, авторы естественно не в курсе того, что вообще-то воздействие нейтрино зависит от энергии. Реакции не случаяются просто от того, что нейтрино где-то рядом. Этот ляп прекрасно виден в их «научном предложении» искать реликтовые нейтрино — ведь их много и они повсюду. Правда, то, что они обладают очень малой энергией и соответственно очень малым сечением, Йенкинса и Фишбаха не беспокоит.

3. Нейтрино и солнечные вспышки. Своим предположением о солнечной вспышке и нейтринном потоке авторы вляпались еще в одну проблему — они мимоходом «опровергли» всю солнечную физику. Они предположили, что солнечные нейтрино могут как-то воздействовать на само Солнце и в частности, порождать солнечные вспышки. Опять же из-за малого сечения взаимодействия, ничего подобного нейтрино сделать не могут. И аргумент «ну мало ли» тут несостоятелен — нейтрино (причем не только солнечные) изучены хорошо, и если бы такой эффект мог произойти, это кардинально бы поменяло все результаты остальных экспериментов с нейтрино.

4. А может и не нейтрино. На самом деле, им совершенно не важно, нейтрино это или какие-то другие экзотические частицы, которые, типа, испускает Солнце. Экзотические частицы даже лучше, тут уж физики не смогут придраться, что знают их свойства, как в случае с нейтрино (ура! значит, можно использовать аргумент «ну мало ли»!). И вообще, можно предположить, что Солнце является источником еще двух полей какого-то нового типа, которые меняют значение постоянной тонкой структуры и отношение масс протона и электрона. (Это не шутка, это их реальное предположение, которое кочует из статьи в статью.) Тогда можно заставить Солнце менять скорость распада. Правда, о том, что при накроется медным тазом вся спектроскопия, которая промеряна с точностью в миллиардные доли, их не беспокоит.

5. Логика. На закуску — некоторые проблемы с логикой. Например, они хотят, чтобы нейтрино (или новые частицы) одновременно и проникали сквозь вещество (чтоб могли пролететь насквозь через всю Землю) и не проникали (чтобы достаточно сильно повлиять на скорость распада ядер в махоньком радиоактивном образце в лаборатории). Или вот — они хотят, чтобы само бурлящее Солнце не блокировало нейтрино (чтоб поток нейтрино из центра Солнца был стабильным) и одновременно, чтобы блокировало, порождая (неизвестно как) вспышки. Или вот — свой подход «ну мало ли» они применяют к фундаментальной физике, но не применяют к поиску природных причин, могущих привести к сезонной вариации чувствительности детектора (как я говорил, потенциальные источники не исчерпываются температурой, влажностью и давлением).
Ну или можно еще раз вернуться к рисунку 2 и поинтересоваться, как авторы объясняют совпадения/несовпадения между другими пиками рентгена и флуктуациями в частоте отсчетов.

Если покопаться, можно найти еще много чего интересного, но писать это всё что-то уже лень. Группа продолжает выпускать препринты и даже печататься в журналах, но никакого смысла от этого во всей этой деятельности не появляется.

См. также дополнение про (не)универсальность.

Неловкая ситуация с гравитационной постоянной

2010-08-24T22:15:00.003+02:00

Гравитационная постоянная, та самая G, которая входит в закон всемирного тяготения, до сих пор измерена на удивление плохо. Если другие фундаментальные физические константы известны с точностью 10⁻⁷-10⁻⁸, то у G неопределенность составляет аж 10⁻⁴, т.е. одну десятитысячную (а в 1998 году вообще одно время точность решили «ухудшить» до одной тысячной!). Я про эту историю писал как-то в новости Гравитационная постоянная измерена новыми методами.

Так вот, сейчас прочитал в Nature News заметку про то, как ситуация изменилась за прошедшие три года. Оказывается, она не только не улучшилась, но даже еще более усугубилась. Несмотря на то, что точность отдельных экспериментов улучшается, общая ситуация запутывается еще больше. Очень неловкая ситуация в метрологии.

Вообще, есть несколько групп, которые пытаются измерить G разными способами. Атомно-интерферометрические методы, конечно, очень перспективны, но что-то прогресс в них пока медленный. В результате гравитационную постоянную измеряют пока старым механическими способом, по притяжению двух макроскопических грузиков, только методы для измерения отклонения используют разные. Таких измерений за последние годы было сделано несколько. В каждом из них точность неплохая, порядка 10⁻⁵. Беда только в том, что эти такие аккуратные измерения страшно расходятся друг с другом.

Вот картинка с некоторыми результатами измерения G, которую я стащил с тематической странички Стефана Шламмингера. Зеленая точка с усами — это «официально рекомендованное» значение G. Обратите внимание на три самые верхние красные точки. Это результаты самых последних измерений: Parks, Faller (2010), Luo et al. (2009) (у них есть и более свежее измерение, которое отличается несильно) и измерение калифорнийской группы, которое опубликовано, похоже, только в диссертации одного из ее членов. Видно, что эти три точки отстоят друг от друга на десяток стандартных отклонений. При этом, каждая группа пишет, что она несколько лет(!) перепроверяла всё на свете, что только могла предположить. Ясно, что у каких-то двух (либо у всех трех) экспериментов есть неучтенные источники погрешностей или просто ошибки экспермента, но у каких именно, непонятно.

Интересно, как CODATA собирается усреднять эти данные для своего следующего «сборника констант» в 2011 году. Не исключено, что они будут вынуждены будут взять средее и еще больше увеличить погрешность по сравнению с текущим значением.

Дополнение от 19 июля 2011: новое официальное значение G составляет (6.67384 ± 0.00080) * 10⁻¹¹ m³kg⁻¹s⁻². То бишь, значение сдвинуто в сторону новых результатов и ошибка ухудшена.

Филип Болл, «Критическая масса»

2010-08-15T19:44:00.005+02:00

Дочитываю сейчас научно-популярную книжку Филипа Болла «Критическая масса». Это книга про физику сложных систем — про то, как в наборе из большого числа взаимодействующих элементов сами собой возникают новые коллективные явления, не заложенные в систему изначально. Причем иллюстрируются эти явления не на чисто физических, а на самых разных социальных и экономических примерах: транспортные потоки, паникующая толпа, динамика численности фирм и компаний, военные противостояния, выборы в условиях демократии и т.д.

Книга устроена как череда рассказов про многочисленные попытки найти и обосновать математические закономерности в социальных явлениях. Но это канва. А суть в том, что по ходу дела автор знакомит читателя с некоторыми терминами и явлениями из статистической физики (фазовая диаграмма, фазовые переходы, критическая точка, самоорганизованная критичность, гистерезис, энергетический ландшафт, фрустрация и т.п.) и — что важно — дальше уже обсуждает конкретные примеры на этом статфизическом языке. Очень приятно, что эти термины не «висят» сами по себе, а тут же интерпретируются в понятных словах на конкретных примерах. Скажем, не просто «фазовый переход», а «резкая криминализация общества» или «неожиданное возникновение пробки в казалось бы однородном потоке транспорта».

В общем, автор не просто показывает физические явления в казалось бы разрозненных социальных фактах. Он обучает читателя их видеть и анализировать самому. А это умение, на мой взгляд, очень полезно любому человеку.

Недостатки тоже есть: на мой взгляд, слишком много «воды» и чужих цитат (этим вообще почему-то принято пичкать научно-популярные книги), слишком поверхностное описание некоторых тем (подозреваю, по экономике тоже), зацикливание на многочисленных примерах численного моделирования. Но может быть, это недостатки для меня, а для массового читателя без математического или естественнонаучного образования такой стиль как раз самое то. Так что книжку я рекомендую. Ну и для специалиста она тоже может быть интересной - своими социальными/экономическими примерами.

«Для всех» и «для каждого» в контексте мегагрантов

2010-08-06T15:47:00.005+02:00

«Словесный» язык, которым математики озвучивают утверждения, очень жесткий, и это позволяет избежать двусмысленностей. Например, есть два стандартных выражения: «для всех» и «для каждого». Содержащие их фразы могут выглядеть очень похоже, но имеют они разный смысл. Вот например:

Для каждого x из множества A существует такой y, что ... (выполняется некое условие)...
Для всех x из множества A существует такой y, что ... (выполняется некое условие)...

Причем, вторую фразу можно сформулировать и вот так:

Существует такой y, что для каждого x из множества A ... (выполняется некое условие)...

В обоих фразах каждому иксу сопоставляется некоторый игрек, выполняющий условие. Разница в том, что в первой фразе игреки могут быть разными для разных иксов, а во второй — игрек один, универсальный, удовлетворяющий условию сразу для всех иксов. Это более сильное утверждение.

[Дополнение. Раз вторая фраза вызывает недопонимание, я скажу так: в первой фразе делается сразу много копий утверждения о существовании специального игрека, по одному для каждого икса. Во второй фразе делается одно утверждение — о существовании одного игрека сразу для всех иксов. Если вторая фраза вызывает двусмысленность, то тогда лучше действительно ее избегать и проговаривать ее в виде третьей фразы.]

Так вот, в контексте мегагрантов МинОбрНауки. В официальном списке принятых заявок есть чудесная фраза, как раз иллюстрирующая эту разницу:

Всего в конкурсную комиссию поступило 512 конвертов с 507 заявками от 179 вузов. Все поступившие заявки будут направлены на экспертизу 2 российским и 2 зарубежным экспертам.

Конечно, тут имелось в виду, что каждая заявка (а не все вместе!) будет направлена 4 экспертам, и эти эксперты для разных заявок могут быть разными (но могут и совпадать, частично или полностью).

Но из наличия этой фразы в официальном документе ясно видно, что написавший ее человек — а также, корректоры, если они были — не имеет (настоящего) математического образования. Иначе бы эта разница смыслов, сидящая в подкорке, не позволила бы такое написать.

Неверная интерпретация одного эксперимента

2010-07-22T23:33:00.003+02:00

Сегодня в Science вышла чрезвычайно странная статья Ruling Out Multi-Order Interference in Quantum Mechanics. Скажу даже сильнее — неправильная статья. Там описывается некий интерференционный экспримент, к нему вопросов нет, но выводы из него делаются совершенно дикие. Про эту работу уже написали в Nature News, а также в желтых изданиях PhysOrg и ScienceDaily, откуда «научные журналисты» и черпают новости — и везде дается совершенно неверная интерпретация результатов. Можно не сомневаться, завтра-послезавтра новость пойдет по Рунету, полностью запутывая всех, кто попытается ее понять.

Везде, начиная от аннотации к самой статьи в Science и заканчивая желтыми изданиями, делается два совершенно неверных утверждения:

Утверждается, что в квантовой механике интерферируют только пары путей.
Утверждается, что это называется «правилом Борна».

Второе утверждение можно считать терминологической несуразицей, бог с ней (вот что такое правило Борна на самом деле). А вот первое утверждение у любого физика вызовет, мягко говоря, недоумение. Потому что на самом деле в квантовой механике интерферируют друг с другом все пути, ведущие из заданного начального состояния в конечное, сколько бы их ни было — хоть два, хоть три, хоть бесконечно много. Знаменитый фейнмановский интеграл по путям — это как раз и есть математическое выражение этого факта. На самом деле, если открыть саму статью и прочитать первые строчки, всё становится понятным. Но поскольку авторы работы не удосужились объяснить результаты грамотным языком, придется хоть как-то скомпенсировать эту путаницу здесь.

Речь в статье идет про самую обычную интерференцию света. Свет проходит через заслонку с двумя щелями, в результате чего на экране появляются интерференционные полосы. Стандартная интерпретация: каждый фотон, испущенный источником, проходит сразу через обе щели, ЭМ поля после прохождения по этим двум путям складываются друг с другом (это называется принцип суперпозиции), и получившаяся освещенность есть квадрат от суммы полей. Этот квадрат суммы отличается от суммы квадратов на интерференционное слагаемое, которое периодически меняется на экране и порождает полосы. Символьно, это можно записать так:

P_AB = (A+B)² = A² + B² + 2AB = P_A + P_B + I_AB.

(Векторы, комплексные числа, модули для простоты опущены).

Пусть теперь у нас есть три щели (именно это и было «новшеством» эксперимента в работе). Суммарное поле на экране есть сумма полей от всех трёх путей, и освещенность на экране тогда запишется так:

P_ABC = (A+B+C)² = P_A + P_B + P_C + I_AB + I_AC + I_BC.

Наблюдение: в случае такой много-путевой интерференции все величины нам уже известны, и никакой новой «тройной интерференции» I_ABC тут нет. Иными словами, если мы знаем картину освещенности при открытии пар щелей A+B, B+C, A+C, а также от каждой щели по отдельности, то мы можем предсказать интерференционную картину, когда открыты все три щели. Эксперимент как раз состоял в проверке этого утверждения (оно, разумеется, подтвердилось).

Это всё ещё нормально. Проблема в том, что авторы работы выражают этот результат такими словами: доказано, что интерферируют только пары путей. Это исключительно корявая формулировка — она звучит так, словно кто-то с кем-то не интерферирует. На самом деле, ещё раз повторюсь, все пути интерферируют друг с другом, и мы это только что учли в вычислении! Правильная интерпретация этого эксперимента такова — мы проверили, что освещённость выражается квадратом, а не какой-то другой степенью, поля. (Вы можете убедиться самостоятельно: если бы освещенность выражалась бы, например, как куб поля, то в выражении для P_ABC возникло бы новое слагаемое I_ABC, которое отсутствовало при интерференции на двух щелях.)

И еще пара недоуменных замечаний про ценность этого эксперимента. Авторы его позиционируют так: это, конечно, простой эксперимент, но почему-то никто не додумался провести его раньше, поэтому полученный результат является новым. Я тут могу заметить вот что: если бы освещенность вычислялась не по квадратичному закону, это давным давно бы обнаружилось в куче других — намного более чувствительных! — экспериментов. Причем не только с фотонами, но и с электронами и с другими элементарными частицами. Поэтому лично мне кажется, что эта работа представляла бы интерес как лабораторная работа для студента-оптика. Публиковать это в Science — смешно.

Ну и наконец, рассуждения про непростые взаимоотношения между квантовой механикой и гравитацией, с которых начинается статья, приведены только для красного словца. К самой работе они не имеют никакого отношения.

Апдейт: вот кстати уже есть пример: «... Другими словами, распространение волн во всех трёх щелях сразу не рассматривается...», о чём я и говорил.

Египетские фараоны и ядерная физика

2010-06-27T15:22:00.007+02:00

Неделю назад в Science вышла статья про уточнение времени правления египетских фараонов с помощью радиоуглеродного анализа. Сообщения про эту работу появились в некоторых СМИ (например, на Газете.ру, на Инфокс.ру, чуть подробнее с исторической стороны — на Ленте.ру). На мой взгляд, все эти новости довольно пресные — после их чтения возникает чувство «ну, проверили, уточнили, молодцы». А на самом деле, если почитать оригинальную статью, там всплывают занятные вещи, касающиеся «скучной» методологии. Мне вообще кажется, что эта конкретная работа может послужить отличной иллюстрацией того, как сильно разные разделы наук опираются друг на друга.

Вот некоторые моменты.

Прежде всего, сама по себе радиоуглеродная датировка — вещь нетривиальная. Сейчас, конечно, про нее знает всякий, кто интересуется наукой, ну и объяснить ее несложно даже школьнику. Но вот только эти объяснения описывают картину «задом-наперед»: поясняется, почему в старых органических образцах мало углерода-14 и как это связано со временем, а потом добавляется, что углерод-14 попадает в биосферу из атмосферы, где он постоянно образуется из-за космических лучей.

60 лет назад, когда Уиллард Либби додумался до этого метода, и космические лучи, и радиоактивный изотоп углерода были сравнительно недавно открытыми явлениями. Количественных результатов было мало, и требовалась прозорливость, чтобы почти с нуля догадаться, что космические лучи могут «накачивать» биосферу радиоуглеродом. Цепочка такая: протоны из космических лучей в стратосфере выбивают из ядер нейтроны, нейтроны сталкиваются с ядрами азота и порождают ядра ¹⁴C, углерод окисляется до CO₂, и постепенно за счет конвекции спускается в тропосферу, где и поглощается растениями при фотосинтезе (и дальше вверх по пищевым цепочкам) или диффундирует в океан. Причем самое главное — надо было доказать, что эта цепочка не просто в принципе существует, а что она эффективна, что она реально работает и дает какую-то заметную долю радиоуглерода в живых организмах.

Есть интересные рассказы о том, как радиоуглеродный метод развивался в самые первые годы после открытия. Вот например воспоминания E. H. Willis, который как раз был аспирантом в созданной в начале 50-х годов Лаборатории радиоуглеродного датирования в Кэмбридже, и интересная полуисторическая статья The Remarkable Metrological History of Radiocarbon Dating. Любопытно было там прочитать такую историю. Вообще, идея о том, что в живых организмах есть постоянная радиоактивность от углерода-14, какое-то время оставалась неподтвержденной. Первые попытки проверить это экспериментально с помощью газовых пропорциональных счетчиков ничего не давали из-за очень большого фона от тех же самых космических лучей. Грубо говоря, камера давала 1000 «щелчков» в минуту за счет космического фона, в то время как радиоуглеродный сигнал ожидался на уровне нескольких отсчетов в минуту.

Либби пытался заэкранировать камеру с образцом, как мог, но все равно ожидаемый сигнал тонул в фоне от космических лучей. А всё из-за того, что мюоны проникают на сотни метров в толщу вещества (физика элементарных частиц в действии!). Либби тогда осознал, что раз от космических лучей не спрячешься, то можно камеру облепить счетчиками снаружи — и игнорировать те срабатывания внутреннего счетчика, которые происходят одновременно с внешними (т.е. обращать внимание только на те внутренние срабатывания, для которых нет совпадающего по времени наружнего срабатывания). Так Либби догадался до устройства, которое сейчас называется «триггер по антисовпадениям» и рутинно используется на детекторах элементарных частиц (в том числе и на Большом адронном коллайдере).

Впрочем, сейчас есть гораздо более точный метод определения доли углерода-14 — ускорительный масс-спектрометрический анализ (и именно он использовался в статье в Science). Ионы углерода, предварительно разогнанные в линейном ускорителе, пролетают сквозь область магнитного поля и отклоняются на угол, зависящий от отношения заряда к массе. То есть, ¹²C попадает в одно место, ¹⁴C — в другое. Благодаря тому, что тут считают сами ядра, а не их распады (которые очень редки), чувствительность возрастает на порядки по сравнению с обычной методикой. В результате достаточно 1 миллиграмма вещества для определения возраста. Подробности см. в популярной статье Масс-спектрометрический метод радиоуглеродной датировки с использованием ускорителя из журнала «В мире науки» за 1986 год.

Сама по себе эта идея, конечно, выглядит тривиальной, но опять же, тут самым сложным было доказать, что методика работает не «в принципе», а реально. А для этого надо было преодолеть проблемы, самая главная из которых — слабый сигнал от ¹⁴C начисто забивается ионами азота-14, несущими на один электрон больше, чем углерод. В 1977 году придумали, как с этим справиться — через промежуточную стадию создания отрицательно заряженных ионов, которые азот почему-то не образует — и тогда-то научились «видеть» сигнал от ¹⁴C и таким способом.

Ладно, читаем дальше статью про фараонов. Все СМИ отметили, что для анализа были взяты 211 образцов семян, текстиля, фрагменты плетеных корзин и других образцов из трав. Но почему именно травы, а не дерево? Тут, оказывается, надо знать кое-какие привычки древних египтян. Дерево в Египте было достаточно дефицитно, и поэтому нередко объекты вырезались не из свежесрубленного дерева, а из какого-то более старого предмета. Т.е. если предмет найден в захоронении какого-то фараона, то нет гарантий, что эта древесина «жила» именно в то время. Почему не использовались сами мумии? Потому что значительная доля диеты египтян, а также веществ для мумификации имели морское или речное происхождение, т.е. они привносили в организм старый углерод. Так что самым безопасным выбором с этой точки зрения являются именно травы.

Впрочем, и тут есть интересный подводный камень. Известно, что радиоуглеродный возраст образцов не совпадает в реальным возрастом из-за того, что естественный уровень ¹⁴C в атмосфере не оставался постоянным. Он меняется со временем, и на него оказывает влияние, среди прочего, и солнечная активность (т.е. в анализ вмешивается солнечная физика и еще раз физика атмосферы). Поэтому для образца вначале вычисляется «радиоуглеродный возраст» в предположении о постоянстве концентрации, а затем пересчитывается в абсолютный возраст по калибровочной кривой. А калибровочная кривая строится (на масштабе в тысячи лет), в основном, по годичным кольцам, т.е. использует древесину.

И тут возникает еще куча тонкостей, одна из которых относится исключительно к ботанике: сезоны основного роста трав и роста деревьев не идентичны. Но концентрация ¹⁴C не остается постоянной круглый год, а имеет внутрисезонные колебания в несколько тысячных долей. Получается, что растущие в один и тот же год травы «записывают» в себе слегка иную концентрацию радиоуглерода, чем деревья. Если этим пренебречь, то сравнение радиоуглеродного возраста трав со стандартной калибровочной шкалой будет давать систематически смещенную абсолютную датировку для трав.

Как преодолеть эту проблему? Для этого авторы работы взяли 66 ботанических образцов, которые были собраны в Египте в 18-19 веках и для которых точно известен год сбора. Их тоже «прогнали через ускоритель», сравнили с кривой и получили возраст, примерно на 20 лет старше, чем он есть на самом деле. Это и есть тот сезонный сдвиг, на который надо откорректировать датировки древнеегипетских образцов (в предположении, конечно, что он был примерно тем же и несколько тысяч лет назад).

В общем, получается, что абсолютная датировка времени правления фараонов с точностью в несколько десятков лет использует следующие разделы естественных наук: ядерную физику, астрофизику (косм. лучи и солнечная физика), физику ускорителей (и немножко — физику элементарных частиц), физику и химию атмосферы, ботанику и экологию (калибровочная кривая, пищевые цепочки, сезоны роста), химию (очистка образцов от поздних загрязнений, про это я не говорил вообще). Может быть, еще что-то вскроется, если покопаться в детальном описании методик. По-моему, шикарная коллекция.

Кстати, меня удивила еще такая вещь: оказывается, реальный период полураспада ¹⁴C до сих пор известен довольно плохо (на мой взгляд, конечно): с точностью около 1%. Более того, судя по этой заметке, самое последнее измерение было произведено аж в 1968 году, и никто с тех пор не удосужился его уточнить. По-видимому, причина в том, что это число само по себе не так важно для датировки. Традиционно принято вычислять радиоуглеродный возраст не по реальному периоду полураспада (5660 +/- 40 лет), а по периоду, который использовал Либби — 5568 лет. Калибровочная кривая как раз переводит полученный таким образом «радиовозраст» в абсолютный возраст. В результате истинный период полураспада оказывается вообще не при чем, и можно было бы вместо него использовать любое другое значение. Главное, что это значение должно быть тем же самым и при датировке, и при построении кривой. Этакая «масштабная инвариантность».

И напоследок: большая подборка статей про датировку артефактов, в частности, про радиоуглеродную датировку.

Решение задачки

2010-06-08T20:51:00.235+02:00

Выкладываю отдельным постом решение задачки про колебание бруска.

Сначала — качественное обсуждение.

На первый взгляд кажется, что брусок упадет при любом отклонении от положения (неустойчивого) равновесия. И жизненная интуиция подсказывает, что отсутствующее трение только усугубляет проблему: без трения брусок может свалиться, как перевернувшись, так и просто соскользнув. Поэтому первый шаг к решению — это понять, где тут вообще колебание и представить его себе наглядно.

На самом деле, отсутствующее трение — такое, казалось бы, безобидное предположение — «расширяет» свободу движений бруска. Он теперь не просто качается на бревне, но и может скользить. То есть, у бруска есть две степени свободы. Это значит, что надо попытаться представить себе, что будет, если бруску придать эти два типа движения «в фазе» или «в противофазе». Немножко подумав, можно ощутить, что именно движение «в противофазе» имеет шанс быть колебанием.

На рисунке выже показаны три момента такого движения. Первая картинка — крайнее левое положение: брусок отклонился влево, но наклонился вправо, и в этот момент всё на мгновение замерло. Центр масс находится немножко левее точки опоры. В таком состоянии брусок стремится соскользнуть вправо и начать прокручиваться влево (т.е. против часовой стрелки). Через четверь периода он перейдет в симметричное состояние (средняя картинка), при котором у него будет угловая скорость вращения влево и линейная скорость смещения вправо. Затем еще через четверть периода он займет крайнее правое положение и на мгновение замрёт в нём, а затем снова начнет скользить-вращаться обратно.

Получается, что брусок не «колеблется», а — как удачно выразились на форуме linux.org.ru — «елозит» по бревну.

Еще один момент — про положение центра масс. Я пронаблюдал, что в трех разных местах независимо люди пришли к предположению о том, что центр масс всегда находится строго над точкой опоры, — и именно поэтому брусок н падает. В рамках этого предположения всё считается и получается некий ответ. Проблема только в том, что это предположение (казалось бы, такое «интуитивно-физическое») неверно.

Вот самый простой способ это понять. Если бы центр масс был строго над точкой опоры, то силя тяжести не создавала бы никакого вращательного момента сил. Сила реакции опоры тоже не может создать вращательный момент, поэтому никакого вращения никогда бы не было. Но брусок обязан вращаться! Апдейт: это был неправильный аргумент. Я имел в виду моменты сил относительно точки опоры, но смотреть их нужно относительно центра масс, а тут уже сила реакции опоры имеет плечо. Поэтому для простого пояснения лучше всего заметить, что у силы реакции опоры есть горизонтальная составляющая, и из-за неё центр масс не может всё время оставаться на вертикали, а будет смещаться вбок.

Наконец, замечание про устойчивость. Конечно, брусок может и упасть. В системе с двумя степенями свободы существует два независимых типа движения. Одно из них описано выше, а второе — когда сдвиг и наклон в одну сторону — приводит к тому, что брусок тут же падает. Поэтому для того, чтобы реализовать именно колебание, надо так выверенно толкнуть брусок в начальный момент времени, чтобы «раскачалось» только правильное, колебательное, движение, а амплитуда «убегающего» движения равнялась бы строго нулю. В реальном эксперименте этого, конечно, добиться нельзя. В результате даже микроскопически неправильное (например, на один размер атома) начальное отклонение будет экспоненциально нарастать, и брусок опрокинется максимум через пару периодов.

Количественное решение. Аккуратное решение состоит в стандартной последовательности: выбрать две координаты, характеризующие движение, честно записать кинетическую энергию и потенциальную энергию бруска, упростить выражения в предположении о том, что амплитуда движения много меньше размеров бруска, записать кинетическую и потенциальную энергию как квадратичные формы с матрицами M и K, составить матрицу M⁻¹K и найти собственные числа этой матрицы, которые и будут квадратами частоты колебания. Получив ответ, в нем можно уже сделать упрощение, что длина бруска 2L много больше его толщины, d.

Всё это аккуратно это написал в своем блоге Григорий Кирилин (правда, не через матрицы, а через уравнение четвертого порядка). А я здесь напишу решение попроще, сразу с учетом d << L. Это, конечно, нечестно, т.к. в ходе решения будет использоваться ответ (в том смысле, что я буду знать, где и чем можно пренебрегать), но зато формулы должны быть доступны и тем, изучал механику совсем чуть-чуть.

Вот брусок, выведенный из положения равновесия. Две координаты, которые характеризуют движение, это x, смещение вдоль бруска, и α, угол наклона. Именно они должны периодически и синхронно колебаться во времени. Обе эти величины считаются малыми; в частности, x << d.

Кинетическая энергия движущегося и вращающегося тела есть сумма кинетических энергий центра масс и вращения тела вокруг центра масс:

Момент инерции I для удобства запишем как ml₀² (для палочки длины 2L введенная здесь величина l₀ равна ). В предположении d << L скорость центра масс равна скорости изменения x (именно здесь заключается маленький обман: для этого вывода уже надо знать ответ). Поэтому кинетическую энергию можно записать как

Теперь удобно вместо угла α ввести переменную размерности длины:

Тогда кинетическая энергия будет совсем симметричной:

Потенциальная энергия (относительно положения равновесия) записывается просто:

Так как угол мал, можно разложить синус и косинус и записать

Опять пренебрегая d/L и заменяя угол на q, получим

Теперь можно сделать поворот на 45 градусов между x и q, введя две настоящие степени свободы бруска, не связанные друг с другом в этом приближении:

Тогда и кинетическая, и потенциальная энергия запишутся как суммы двух слагаемых: одно зависит только от q₁, другое — только от q₂:

Всё, вычисления закончены. Теперь смотрим на результат. Для координаты q₁ потенциальная энергия выглядит «правильным» образом: квадратично растет с отклонением q₁ от нуля. Это и есть нужное колебание. Его частота получается делением коэффициентов в потенциальной энергии и кинетической энергии:

. А вот для колебания типа q₂ потенциальная энергия квадратично убывает с ростом |q₂| — это неустойчивое движение, приводящее к опрокидыванию бруска. Поэтому для того, чтобы наблюдать колебания, надо сделать так, чтобы q₂=0, т.е. чтобы q=x. Если брусок вывести из положения равновесия так, чтобы это соотношение выполнялось, то брусок начнет колебаться.

Послесловие. Эту систему, конечно, можно изучать не только в пределе малых колебаний, но правда при больших отклонениях формулы становятся существенно нелинейными. Кстати, эта же самая система изучалась вот в этой статье: physics/0409154.

А еще у этой задачи есть «практическая» польза. Представьте себе, что в вас бросили копье, а у вас для защиты нет ничего, кроме другого такого копья. Зато вы можете аккуратно рассчитать движение копья и свою реакцию. Так вот, когда копье будет подлетать к вам, вы сможете (держа свое копье вертикально вверх двумя руками) так провести им из стороны в сторону, что вражеское копье опишет похожую траекторию скольжения-вращения древку вашего копья, развернется и улетит обратно. Так можно отражать летящие на вас копья :) Для человека это, конечно, нереально, но какой-нибудь робот с быстрой реакцией вполне может справиться с этой задачей.

Update: для пущей визуализации выкладываю анимацию, сделанную Александром Макушкиным (за что ему спасибо!). Движущаяся картинка откроется по клику.

Задачка про колебания бруска

2010-06-07T00:04:00.007+02:00

У меня тут на днях придумалась вот какая задачка по классической механике.

Начну с одной «стандартной» задачи (рис.1).

На закрепленном круглом бревне радиуса R покоится палочка длины 2L и пренебрежимо малой толщины. Проскальзывания между бревном и палочкой нет, т.е. трение бесконечное. Палочку чуть-чуть толкнули, и она начала колебаться около положения равновесия. Дано ускорение свободного падения g. Найти частоту малых колебаний палочки.

Эта задача может быть решена даже с помощью школьной механики. А вот теперь я дам задачу с условием как бы «наоборот» (рис.2).

На закрепленном круглом бревне пренебрежимо малого радиуса находится брусок длины 2L и ширины d. Трение между бревном и бруском отсутствует. Дано ускорение свободного падения g. Найти частоту малых колебаний около положения равновесия.

Вообще у этой задачи есть решение при произвольном соотношении L и d, но для простоты будем считать, что L много больше d. Какие будут идеи?

Апдейт: раскрываю комментарии! См. также обсуждение этой задачи на форуме linux.org.ru.

Апдейт 2: с задачей справился Rostik. Решение задачи идет отдельным постом.