Ураганы и глобальное потепление

На прошлой неделе в Nature вышла статья Nature 451, 557-560 (31 January 2008), в которой изучается связь между потеплением океана в последние полвека и интенсивностью атлантических ураганов. Сегодня на Газете.ру появилась заметка Пора готовиться к худшему, первая половина которой посвящена этой работе.

На мой взгляд, заметка на Газете.ру, особенно ее вступление

Учёные рисуют всё более ужасающие картины глобального потепления ... Серия работ в Nature и Science пророчит нам голод, засухи и ураганы.

заставляет читателя сделать вывод, что-де ученые четко доказали, что глобальное потепление приводит к усилению атлантических ураганов. Так вот, это неверно -- это НЕ доказано, по крайней мере, пока что. В аннотации оригинальной статьи так и сказано прямым текстом:

Our analysis does not identify whether warming induced by greenhouse gases contributed to the increase in hurricane activity...

Конкретно, пока остается неизвестным, является ли усилившаяся с 1970-х годов ураганная активность в Атлантике прямым результатом дополнительного нагревания океана (значительную роль в котором сыграл человек), или же в основном отражает естественную цикличность, вызванную Атлантическим Междекадным колебанием. Сама эта работа только устаналивает статистическую корреляцию между приповерхностной температурой океана и ураганной активностью, без каких-либо причинных связей и в пренебрежении многими другими возможными степенями свободы, кроме температуры и ветров.

Я добавлю еще две вещи.

Во-первых, чтоб не возникал соблазн переносить эти выводы вообще на все утверждения про глобальные изменения климата. Есть два класса климатических наблюдений: те, которые мы делаем только сейчас, т.е. в последние десятилетия (сюда относится и ураганная активность), и те, которые мы можем делать и в далеком прошлом -- века, тысячелетия, миллионы лет назад -- благодаря анализу отложений (сюда относятся, в частности, концентрация газов, температура, ледовый покров и т.д.). Из наблюдений первой группы можно делать только осторожные выводы (и то, опирающиеся на климатические модели), т.к. пока плохо известна естественная динамика климата (даже при фиксированных внешних условиях!) на масштабах в десятки лет. Из наблюдений второй группы можно делать очень надежные выводы.

Во-вторых, чем плохо, когда журналист делает вывод, намного более сильный, чем в оригинальной статье. В науке часто бывает, что для описания какого-то не очень понятого явления выдвигаются противоположные гипотезы. Иногда даже авторы этих гипотез считают, что те или иные наблюдения их поддерживают. Такая ситуация совершенно нормальна.

Однако если журналист в обоих случаях превратит гипотезу в доказанное утверждение, то получится когнитивный диссонанс бессмыслица -- читатель прочитает, что ученые якобы доказали противоположные вещи. Это в глазах простого читателя обессмысливает достижения современной науки (с пониманием которых у него и так тяжело).

Более подробно см. также дискуссию вот тут (та дискуссия была вызвана сообщениями, что существование черных дыр окончательно доказано, и -- одновременно с ними! -- что существование черных дыр опровергнуто).

Возвращаясь к климатологии, если кому интересна эта тема, то для ознакомления на русском языке я могу порекомендовать "Ответы на часто задаваемые вопросы" из последнего отчета IPCC (ссылка Frequently Asked Questions в Рабочей группе 1, PDF, ~ 10 Мб, 44 стр.)

Химеры в динамических системах

На днях в Physical Review Letters вышла забавная статья Chimera States: The Natural Link Between Coherence and Incoherence, Phys.Rev.Lett.100, 044105 (2008). В этой работе рассказывается, что химерные состояния в динамических системах, открытые несколько лет назад, играют роль переходных состояний между полным хаосом и полным порядком.

Динамическая система -- это, грубо говоря, любой набор предметов, который как-то движется по действием сил, действующих между ними. Очень интересный пример динамической системы -- это набор одинаковых осцилляторов, как-то действующих друг на друга. Если связь между ними слабая, то они будут колебаться не в фазе, некогерентно. Если же связь достаточно сильная, то может наступить синхронизация колебаний всех осцилляторов. Фазовый переход, связанный со спонтанной синхронизацией, возникает в разных областях физики, химии, биологии.

Долгое время во всех изученных случаях система вела себя или целиком некогерентно, или целиком когерентно. Но несколько лет назад обнаружился класс моделей, в которых возникали неожиданные, "противоестественные" решения: в них часть осцилляторов колеблется когерентно, а часть -- беспорядочно. Такие решения назвали "химерными", см. nlin/0407045 ("химера", в классическом значении слова, это животное, противоестественно составленное из нескольких других живых существ).

Вообще, их необычность состоит в том, что они возникают в системах глобально связанных осцилляторов, т.е. когда каждый осциллятор чувствует не соседей, а как бы "среднюю силу" от всех осцилляторов в системе. Казалось бы, если все связаны со всеми одинаковым образом, то тогда все осцилляторы должны колебаться одинаковым образом -- или синхронно, или беспорядочно. Так оно и происходит, когда связь каждого осциллятора со "средним полем" однородна. Химеры возникают тогда, когда сила этой связи неоднородна -- например, сильнее в центре и слабее по краям системы. Тогда в центре осцилляторы будут колебаться синхронно, а на периферии -- беспорядочно.

До сих пор считалось, что химерные решения очень "хрупки". Т.е. если они в какой-то модели и встречаются, то при очень избранных начальных условиях. Чуть изменить начальные условия -- и химеры исчезают. То есть, до сих пор во всех проверенных случаях они казались большой экзотикой.

А в новой работе показано, что в широком классе динамических систем химеры не только не являются экзотикой, но и возникают стабильно при типичных начальных условиях. Более того, показано, что химерные решения являются естественным переходным состоянием между полностью синхронным и беспорядочным колебанием; т.е. столь же полноправным "агрегатным состоянием" динамической системы, как и первые два.

Теперь предстоит узнать, в каких именно динамических системах возникают химеры. А там, может быть, найдутся и практические приложения (как это в свое время произошло со стохастическим резонансом).

Квантовый эффект Зенона в домашних условиях

Квантовый эффект Зенона в домашних условиях: если засыпающего человека время от времени спрашивать "Ты уже уснул? Ты уже уснул?", то скорость его засыпания уменьшится. :)

Прохождение маленькой черной дыры сквозь Землю

В архиве епринтов появилась короткая статья И.Б.Хрипловича с соавторами, arxiv:0801.4623, про возможность обнаружения микроскопических черных дыр при их движении сквозь Землю. Это краткое описание простыми словами результатов более подробной и технической статьи arxiv:0710.3438.

Речь тут идет, конечно, не о крупных ЧД со звездными массами -- такие ЧД будут заметны издалека на подлете к солнечной системе, а про микроскопические ЧД, оставшиеся со времен большого взрыва. Их масса может составлять "всего" миллиард тонн, при размере на несколько порядков меньше атомного. В астрономических масштабах такие объекты незаметны, и поэтому их присутствие надо искать среди воздействия на обычную материю, например, на вещество Земли при прохождении сквозь нее.

Если вы думаете, что такая ЧД оставит в Земле дырку насквозь, то ошибаетесь. :) При размере много меньше атомного, даже пройдят насквозь, она поглотит очень немного материи. Главное воздействие -- это упругое рассеяние на атомах, фактически разбрасывание атомов во всех стороны на своем пути. На это тратится энергия ЧД, но тоже не так много, как может показаться -- оценки для массы в миллиард тонн дали число порядка ГДж, т.е. порядка тонны в тротиловом эквиваленте. Причем это энерговыделение будет не точечным, а растянется на несколько минут и по всему пути ЧД.

Существенная часть этой энергии пойдет в звук, причем с учетом того, что ЧД будет сверхзвуковая -- этот звук будет излучаться в черенковском конусе. Именно такие акустические события можно искать, в том числе, в существующих нейтринных подводных (подледных) экспериментах.

Прямое детектирование подойдет, если такие ЧД пролетают сквозь Землю достаточно часто. А что делать, если они полетают редко? Тогда можно посмотреть вот на что. Если масса ЧД не очень велика, то у нее может быть довольно сильное хокинговское излучение. Значит, ЧД на своем пути оказывает очень сильное радиационное воздействие на вещество, сильно его перестраивая. Вероятно, такая "трубка" из сильно перестроенного вещества может сохраняться долго даже по геологическим масштабам; а значит, их можно искать в Земле. Было бы интересно увидеть конкретные предсказания того, что именно должно произойти с веществом в таких условиях.

Молекулы ДНК как нанороботы

Иногда поражает, насколько резко реальные научные исследования уходят от "наивных" прогнозов.

Вот есть такая область научных исследований -- создание метаматериалов, т.е. периодических структур, построенных не просто из атомов, а из более крупных однотипных объектов. Например, кубическая решетка из золотых шариков размерами в несколько нанометров. Если это научатся делать, то будет крупный прорыв в оптике, связанный, кроме прочего, с такими модными темами, как отрицательный коэффициент преломления, шапки-невидимки, и т.д.

Наношарики сейчас создавать умеют, а вот собирать их в крупные регулярные структуры -- пока нет. Причина в том, что если между шариками есть притяжение, то они сами по себе слипаются в аморфную кучу, а вовсе не в периодический кристалл. Возникает задача -- как научиться "укладывать" шарики в нужную структуру?

Фантасты, да и ученые тоже, уже давно мечтают создать этаких нанороботов, которые будут в огромных количествах бегать по поверхности материала, хватать наношарик, класть его на место, бежать за следующим. Правда, тут возникает вопрос, как создать таких нанороботов, как их запрограммировать и как их подпитывать энергией. Ученые над этим бьются, и то и дело появляются работы про микромашины, движимые светом, про нанопропеллеры и т.д. Хотя конечно до полноценного наноробота еще очень далеко.

И вдруг -- оказывается, что на самом деле всё может оказаться гораздо проще и совсем не так, как обрисовывают фантасты.

В последнем выпуске Nature появились две статьи, в которых УЖЕ рассказывается об экспериментах по созданию метакристаллов с правильной решеткой из коллоидных наночастиц золота. Роль "укладчиков" наночастиц в решетку выполняли определенные короткие молекулы ДНК, прикрепленные к каждой наносфере. Связь осуществляется через комплементарные последовательности (т.е. там было два сорта наночастиц, с комплементарными окончаниями ДНК; одинаковые друг с другом не соединялись, а комплементарные соединялись). Иными словами, вместо того, чтобы заново изобретать велосипед программируемые рабочие нанообъекты, физики использовали то, что уже есть у природы.



Анализ показал, что получается объемоцентрированная кубическая решетка наночастиц, причем довольно ажурная -- сами частицы занимают около 4% объема. Главное, что решетка довольно устойчива, как механически, так и термодинамически; при нагревании она теряется, но при охлаждении выстраивается вновь.

По-моему, перспективы открываются очень впечатляющие.

Ссылки:
DNA-guided crystallization of colloidal nanoparticles, Nature 451, 549-552 (31 January 2008).
DNA-programmable nanoparticle crystallization, Nature 451, 553-556 (31 January 2008).

Также по теме:
Биомакромолекула и наночастица, часть 1, часть 2.

Фазовая диаграмма сильновзаимодействующей материи

В архиве епринтов появился небольшой и довольно простой обзор про свойства ядерной материи The Phase Diagram of Strongly-Interacting Matter. Тема, конечно, не новая, её уже больше 40 лет, но в последние годы тут было немало новых результатов, и обзор кратко их все обрисовывает.

Начинают авторы с очень простых вещей. Они напоминают, что обычные вещества при повышении давления и температуры могут испытывать фазовые переходы -- превращения из одного типа внутреннего устройства в другой (затвердевание жидкости или перестройка кристаллической решетки из более ажурной в более компактную). Если повышать давление и температуру дальше, то вещество начинает ионизовываться, т.е. переходит в состояние плазмы. При дальнейшем увеличении температуры происходит полная ионизация вещества, и в результате получается газ атомных ядер и газ электронов.

Информация о химических свойствах исходного вещества полностью стирается, однако остается информация о том, какие элементы составляли это вещество.

При еще большем повышении температуры и давления с газом атомных ядер начинаются происходить интересные явления. Когда кинетическая энергия ядер достигает МэВ (т.е. температура повышается до десятков миллиардов градусов), начинается тепловая диссоциация ядер. При этом стирается информация и об элементном составе исходного вещества -- набор элементов сам получается из условий термодинамического равновесия. (Кстати, интересная фаза такого вещества -- газ с большой долей альфа-частиц, см. заметку Альфа-частицы: элементарные капли ядерного вещества). Однако пока сохраняется относительная концентрация протонов/нейтронов.

При повышении температуры до 100 МэВ (триллион градусов) происходит еще более необычная вещь. Тогда в столкновениях протонов и нейтронов начинают рождаться разнообразные адроны: пионы, каоны, тяжелые гипероны, и их античастицы тоже. Получается газ адронов. Тут теряется вообще всякая информация о начальном веществе, и материя переходит в некое "универсальное" состояние. Т.е. просто состояние вещества при данной температуре, давлении и химпотенциале (поскольку число частиц уже не сохраняется, хим.потенциал становится важным параметром).

Первая попытка теоретического описания этого универсального состояния сильно-взаимодействующей материи была сделана Хагедорном еще в начале 1960-х годов, до того, как была разработана кварковая модель. Она привела к парадоксальному выводу, что в таком адронном газе должна быть некая максимальная температура. Такой адронный газ имеет бесконечную теплоемкость: если пытаться "подогревать" его дальше, то вся привнесенная энергия потратится на рождение новых частиц (коих становится всё больше и больше сортов), но не на увеличение их кинетической энергии.

Но мы знаем, что в ранней Вселенной существовали и более высокие температуры, откуда следует, что при температурах, близких к критической температуре, с адронным газом должно происходить нечто, что текущая (на тот момент) теория не ухватывала. Сейчас можно даже сказать, что это был один из намеков на то, что адроны обладают некоторой структурой.


С приходом кварковой модели стало понятно, что примерно при такой температуре происходит деконфайнмент. Адронов становится так много, что они начинают пространственно перекрываться, их кварки начинают обобществляться, и при превышении некоторого порога происходит типичный перколяционный фазовый переход -- кварки и глюоны могут свободно перемещаться по всему объему. Т.е. уже нет адронов, есть кварк-глюонная плазма. Дополнительная энергия уже может вкладываться в отдельные кварки и глюоны (ведь число их сортов невелико) -- и значит температура растет.

Исследования в последние годы -- как теоретические (модели, КХД на решетках), так и экспериментальные (ускорители тяжелых ионов, в особенности RHIC) -- показали, что даже в таком казалось бы простом веществе всё очень непросто. Например, в согласии с недавнии расчетами в рамках модели Намбу-Йона-Лазинио на фазовой диаграмме кварк-глюооной плазмы могут быть свыше десятка разных фаз, многие из которых сверхпроводящи, что имеет прямое отнощение к физике нейтронных звезд.

Среди экспериментальных результатов RHIC интересно подтверждение, по сути, результата Хагедорна о существовании максимальной температуры до перехода в кварк-глюонную плазму.

Обзор ограничивается областями температуры и химпотенциала в несколько сотен МэВ, и потому в нем совсем не обсуждается, что происходит с веществом (кварк-глюооной плазмой) при еще больших температурах (в момент столкновения ядер в RHIC плотность энергии в центра достигает 10 ГэВ/фм^3, что отвечает темперурам в сотни триллионов градусов). Это совсем новая область, ключевые слова тут "конденсат цветового стекла" и "глазма" (см. например статью hep-ph/0602189).

См. также популярную заметку Вскипают ли ядра при ядерных реакциях? и ссылки в ней.

Трансляция в ЖЖ

Добрые люди сделали в ЖЖ трансляцию моих сообщений.

Boeing-766

Читаю в новостях:

Boeing 766 аварийно сел в Шереметьево.

Удивился, погуглил на Boeing 766. Нашлось 305 страниц, все на русском и украинском, все про то, что Boeing 766 аварийно сел в Шереметьево.

Какая там проверка информации? Главное, побыстрее перепечатать.

Группы и группоиды

В блоге The everything seminar появился небольшой пост про то, что такое группы и группоиды. Идея изложена в очень простых словах, на наглядных примерах кубика Рубика и игры "Пятнашки" и подойдет для тех, кто краем уха слышал, но никогда не вникал в определение. Может быть хорошим дополнением к популярной статье "Теория групп — наука о совершенстве".

Мне в группах нравится то, что они словно сами собой возникают почти везде, даже в житейских ситуациях -- достаточно лишь "повертеть задачу". В этом посте это, мне кажется, хорошо передано. Кроме того, на простом примере показано, что иногда сами собой возникают и более экзотические алгебраические структуры. Так что если у вас есть полчаса свободного времени, то рекомендую.

Маленький урок географии

Кстати, несколько неожиданная вещь: разница во времени между Чили и среднеевропейским временем составляет всего 4 часа. И это при том, что Чили находится на западной стороне Южной Америки, а это интуитивно кажется чуть ли не противоположной стороной Земли.

Отгадка в том, что Южная Америка находится вовсе не прямо под Северной, как может запомниться со школы :), а сильно -- на ширину континента -- сдвинута на восток. В результате, Чили находится примерно на той же долготе, что и восток США. Кроме того, в Чили сейчас летнее время. :) Через полгода разница будет 6 часов.

Чили

Съездил в начале января на конференцию в Чили Standard Model and beyond in the LHC era. Конференция была посвящена разнообразным теориям, выходящим за рамка Стандартной модели, и способам их проверки на LHC и в других экспериментах.

Сама страна Чили очень своеобразна. С одной стороны, она довольна бедная. Треть населения и огромная часть капитала сосредоточена в Сантьяго, который похож на Москву, с транспортными и экологическими проблемами. В курортном городке Винья дель Мар, где мы жили, много туристов, поэтому общая беднота не чувствуется, но где-то в глубинке всё выглядит довольно запущено, похоже на среднеазиатские республики или на южноитальянскую глубинку.

С другой стороны, сейчас Чили решили вкладываться в науку; они не только участвуют в крупных экспериментах, но активно приглашают ученых со всего мира на вполне приличные позиции. Туда приезжают и остаются не только русские, но и европейцы и даже американец. Но русских в группе по физике частиц там пока больше всего из приезжих.
В результате ученые на профессорской позиции относятся к одному из самых обеспеченным слоев населения.

Климат очень непривычный. Там сейчас лето, но из-за холодного течения вдоль всей Чили, прибрежные районы остаются холодными. Температура в тени +16,+18, и ветренно (в Сантьяго при этом за 30 градусов). Но солнце палит нещадно, поэтому на солнце жарко и можно легко обгореть (там к тому же сильный ультрафиолет). Хотя люди говорят, в Калифорнии то же самое.

Хотел посмотреть на звездное небо, но из-за засветки мало что увидел. Магеллановы облака не видел, но на Южный крест, Центавра и т.д. полюбовался.

Вот небольшой фотоотчет о поездке.

Переезд

Я решил переехать сюда с "Элементов". Некоторые сообщения из старого блога я тоже постепенно перевожу с собой; они будут появляться "в прошлом".

В комментариях включена опция OpenID, поэтому комментировать можно с помощью, например, ЖЖ-аккаунта.

50 лет назад

10-11 октября 1957 года на ядерном реакторе в британском графстве Камбрия случился пожар, приведший в выбросу в атмосферу радиоактивных материалов. Облако с радиоактивными изотопами (йод-131, цезий-137, полоний-210) распространилось далеко за пределы Великобритании. (См. подробное описание в докладе Второй международной конференции ООН по мирному использованию атомной энергии, District Surveys following the Windscale Incident, October 1957, переопубликованный в статье Journal of Radiological Protection, статья в свободном доступе.)

Утверждается, что отчасти из-за установки властей, отчасти из-за недостаточно развитой регистрирующей аппаратуры, истинный масштаб распространения заражения был существенно занижен.

Недавно в журнале Atmospheric Environment появилась статья с новыми данными, из которой следует, что облако распространилось намного дальше на восток (и затронуло больше стран), чем считалось ранее.

[Комментарии на Элементах]

Модель Биологического Большого Взрыва

Наткнулся на одну занятную статью: The Biological Big Bang model for the major transitions in evolution, Biology Direct 2007, 2:21 (статья в открытом доступе).

В ней автор сначала напоминает, что в истории развития жизни на Земле были периоды взрывообразного увеличения сложности и разнообразия форм, которые потом сменялись более длительными периодами медленной эволюции. Он видит в этом аналогию с космологической теорией Большого взрыва, а точнее со стадией инфляции (экспоненциального раздувания Вселенной), которая после фазового перехода сменилась фазой относительно медленного расширения.

В рамках этой аналогии он предполагает, что в основе каждого такого периода бурного увеличения сложности или разнообразия лежит некий эффективный механизм комбинирования (скажем, горизонтальный перенос генов и т.п.). Он в течение некоторого времени работает, что приводит к экспоненциальному росту разнообразия, а потом выключается или сильно ослабевает. Такую картину автор назвал моделью Биологического Большого Взрыва.

Были бы интересны комментарии специалиста по этой работе. Есть ли в ней существенно новое рациональное зерно, именно с точки зрения биологии, или же это просто проведение аналогий между явлениями на основании их внешней похожести? Видны ли какие-нибудь способы проверить эту гипотезу?

Кстати, сам журнал интересен тем, что в нем полностью общедоступны не только сами статьи, но отчеты резенцентов и даже переписка между автором и рецензентом. Интересный эксперимент.

[Комментарии на Элементах]

Гидродинамические явления в картинках

Список ссылок на подборки фотографий по гидро и аэродинамике.

• Знаменитый Альбом течений жидкости и газа -- онлайн.
  
• Gallery of Fluid Motion -- ежегодная подборка журнала Physics of Fluids
  
• Gallery of fluid dynamics.
  
• Небольшая подборка Fluid dynamics picture gallery
  

Если кто еще знает интересные ссылки, поделитесь.

[Комментарии на Элементах]