Информация свежая... и не очень

Модераторы: morozov, mike@in-russia, Editor

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32675
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#91   morozov » Сб июл 19, 2008 17:30

Ультрахолодные ионы гелия
1 февраля 2005

S. Schiller и его коллеги из Германии разработали новый метод охлаждения ионов гелия до очень низких температур. Ультрахолодные ионы необходимы для экспериментальной проверки предсказаний квантовой электродинамики и поиска новых эффектов. Предварительно с помощью электронных ударов был получен газ ионов бериллия-9. С помощью ультрафиолетового лазера ионы бериллия охлаждались в ловушке до состояния "кулоновского кристалла". Далее в ту же ловушку помещались ионы гелия. За счет взаимодействия ионов в центре облака ионов бериллия возникало "ядро", состоящее из ультрахолодный ионов гелия. Таким путем удавалось охладить около 150 ионов гелия до температуры 20мК. Источник: physics/0412053

Влияние газа на свойства нанотрубок
1 февраля 2005

H.E. Romero и его коллеги из США и Швеции показали экспериментально, что электрическое сопротивление одностеночных углеродных нанотрубок изменяется при их обдуве газом, причем величина этого изменения зависит от массы молекул газа. Исследования проводились при атмосферном давлении. Нанотрубки диаметром 1-1.6нм и длиной в несколько микрон обдувались различными одноатомными инертными газами, а также молекулами метана и азота. Во всех случаях величина изменения сопротивления зависела от массы молекулы приблизительно по закону m1/3. Причиной изменения сопротивления являются очень малые деформации стенок нанотрубок при столкновении с ними молекул. Обнаруженное свойство нанотрубок может привести к созданию новых высокочувствительных газовых анализаторов. Источник: Science 307 89 (2005)

Кремниевый лазер
1 февраля 2005

В лаборатории компании Intel создан компактный лазер, полностью изготовленный из кремния. Прототип такого лазера ранее был создан в Калифорнийском университете. Широко применяемые до сих пор полупроводниковые лазеры состояли из соединения нескольких веществ. Принцип работы нового лазера основан на эффекте Рамана. Лазер генерирует световой импульс в течение примерно 100нс, после чего излучение останавливается в процессе двухфотонного поглощения. После решения этой проблемы кремниевые лазеры смогут найти широкое применение. Источник: http://physicsweb.org/articles/news/9/1/1/1

Корреляции в излучении черной дыры
1 февраля 2005

J.M. Miller и J. Homan обнаружили зависимость интенсивности спектральной линии железа от фазы квазипериодических рентгеновских осцилляций в излучении рентгеновского источника GRS1915, который как считается, является аккрецирующей черной дырой с массой 14.4+-4.4 масс Солнца. Источник находится на расстоянии 40000 световых лет от Земли. Использовались данные орбитального рентгеновского телескопа Rossi. Происхождение наблюдаемых квазипериодических осцилляций с частотами 1 и 2Гц достоверно не установлено. Если они связаны с круговым кеплеровским движением вокруг черной дыры, то излучение должно генерироваться на расстоянии не более 100 шварцшильдовских радиусов. Альтернативным вариантом происхождения этих осцилляций служит общерелятивистская прецессия Лензе-Тюринга. В этом случае генерация должна происходить значительно ближе к черной дыре в области сильного искривления пространства-времени. Хотя наблюдаемое уширение линий железа связывают с отражением от внутренней части аккреционного диска, часто предполагалось, что линии генерируются в струйных выбросах вдали от диска. Обнаружение зависимости интенсивности линий железа от фазы квазипериодических осцилляций свидетельствует в пользу другой гипотезы, согласно которой линии жилеза также генерируются во внутренней части аккреционного диска. Источник: astro-ph/0501371

Гигантские полости в газовом гало
1 февраля 2005

С помощью космической рентгеновской обсерватории Чандра в газовом гало скопления галактик MS0735.6+7421 исследованы две гигантские полости (области с низкой концентрацией газа) диаметром 200кпс каждая. В центре скопления находится гигантская эллиптическая cD галактика, имеющая в своем ядре черную дыру с массой около 3x108 масс Солнца. Плазма, находящаяся в полостях, является источником мощного радиоизлучения, а ограничены полости ударными волнами эллиптической формы. Наблюдаемые полости возникли на концах релятивистских струй (джетов), исходящих от черной дыры, но в настоящее время уже не активных. Согласно оценкам, полная энергия, затраченная на формирование полостей, составляет 6x1061эрг, что является рекордной величиной для других известных систем подобного типа. Если эта энергия выделялась в струи при аккреции, то черная дыра должна была нарастить большую часть своей массы всего за 100млн. лет. Исследование гигантских полостей важно также для понимания структуры "охлаждающих течений" газа на центр скопления. Источник: astro-ph/0411553

Новости не опубликованные в журнале


Накопление антипротонов
13 февраля 2005

В ЦЕРНе на антипротонном деускорителе было захвачено в ловушку в 50 раз больше антипротонов, чем в предшествующих экспериментах. Антипротоны создавались путем обстрела протонами иридиевой мишени и далее замедлялись в квадрупольном радиочастотном замедлителе до энергий в несколько keV. Источник: physicsweb.org.

Непрерывное наблюдение за фазовым переходом
13 февраля 2005

С помощью сканирующего туннельного микроскопа впервые выполнено непрерывное наблюдение за процессом фазового переходя в кристаллической структуре свинца на поверхности кремния. Проводилось непрерывное слежение за отдельными атомами, что позволило изучить развитие процесса во времени. В предшествующих экспериментах удавалось наблюдать лишь начальное и конечное состояние кристалла при таком переходе. Источник: focus.aps.org.

Образование нейтронной звезды из белого карлика
13 февраля 2005

T. Piran и N. J. Shaviv высказали обоснованное предположение, что нейтронные звезды могут формироваться не только при взрывах сверхновых, но и при эволюции белых карликов без взрыва. К такому выводу приводит наблюдение одного из двойных пульсаров (пары нейтронных звезд). Источник: focus.aps.org.
Химические свойства углерода при больших T и P
13 февраля 2005

Исследователи из Швейцарии и США изучили химические свойства углерода при температурах до 5000K (температура плавления) и давлении 100 атмосфер. Результаты могут оказаться полезными для понимания структуры ядер планет и для создания новых соединений на основе углерода. Источник: www.aip.org.

Комплексные структуры в бозе-конденсате
13 февраля 2005

В новом эксперименте, выполненном в лаборатории Гарварда, наблюдались сложные структуры (вихревые кольца и солитоны) в бозе-эйнштейновском конденсате. Эти структуры были созданы с помощью световых импульсов, замедленных в конденсате. Источник: www.aip.org.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32675
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#92   morozov » Вс июл 20, 2008 12:31

июль 2008 ? 7 "В МИРЕ НАУКИ"
Материаловедение

УГЛЕРОД - СТРАНА ЧУДЕС
Андре Гейм и Филип Ким

Новая форма углерода ? графен открывает широкие возможности как для фундаментальных исследований, так и для практического применения

Кто бы мог подумать, что привычный инструмент для письма ? скромный простой карандаш ? однажды возглавит список важнейших высокотехнологичных достижений? На какое-то время он даже попал в список стратегических военных материалов и был запрещен к экспорту. Но еще более неожиданной новостью оказалось то, что в каждом штрихе, нанесенном грифелем карандаша, содержатся частички интереснейшего нового материала, очень важного для физики и нанотехнологий, ? графена.

УГЛЕРОД - СТРАНА ЧУДЕС
Изображение


Графит, одна из форм чистого углерода, входящий в состав пишущего стержня карандаша, представляет собой стопку атомных плоскостей. Его слоистая структура была понята еще столетия назад, поэтому не удивительно, что физики и материаловеды пытались расщепить кристаллы графита на составляющие его слои ? хотя бы ради изучения вещества, геометрия которого могла оказаться изящно простой. Такой отдельный слой был назван графеном. Он состоит только из атомов углерода, связанных в сеть из одинаковых шестиугольников в пределах одной плоскости толщиной в один атом.

В течение многих лет графен получить не удавалось. На первых этапах наиболее популярными были попытки раздвинуть атомные плоскости, вводя между ними различные молекулы. Метод получил название химического отслоения. Несмотря на то что на некоторых этапах процесса атомные слои углерода почти наверняка отделялись от графита, их не удавалось идентифицировать. Конечным продуктом оказывалась кашица частичек графита, мало отличающихся от сажи. Поэтому возникший вначале интерес к химическому отслоению постепенно угас.

Вскоре экспериментаторы испробовали более прямой подход. Они расщепляли кристалл графита на все более тонкие чешуйки, скребя им по другой поверхности. Несмотря на свою примитивность, метод, названный микромеханическим расщеплением, оказался на удивление эффективным. Исследователям удавалось отщеплять графитовые пленки толщиной меньше 100 атомных плоскостей. Так, к 1990 г. немецкие физики из Высшей технической школы земли Северный Рейн-Вестфалия в Ахене (Германия) сумели отделить настолько тонкие пленки графита, что они были оптически прозрачными...
Создание методов получения графитовых образцов, приближающихся по толщине к единичному атомному слою, потребовало больших усилий. Один из способов основан на использовании атомно-силового микроскопа, на консоли которого крепится микрокристалл графита. Им проводят черту по поверхности кремниевой пластинки (слева). Такой ?нанокарандаш? оставляет на ней ?блины? из графена (электронная микрография справа, увеличение 6000)
Изображение

Создание методов получения графитовых образцов, приближающихся по толщине к единичному атомному слою, потребовало больших усилий. Один из способов основан на использовании атомно-силового микроскопа, на консоли которого крепится микрокристалл графита. Им проводят черту по поверхности кремниевой пластинки (слева). Такой ?нанокарандаш? оставляет на ней ?блины? из графена (электронная микрография справа, увеличение 6000)
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32675
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#93   morozov » Вс июл 20, 2008 12:35

июль 2008 ? 7 "В МИРЕ НАУКИ"
50, 100, 150 лет тому назад
Июль 1958

ИЗДЕРЖКИ СЕКРЕТНОСТИ. В докладе Палаты общин делается вывод, что ?Федеральное правительство ввергло американских ученых в болото секретности?, и что засекречивание научной информации сыграло свою роль ?в потере первенства в освоении космического пространства?. Главная проблема заключалась в постоянном засекречивании документов. Свидетели приписали это частично неврозу и частично тому факту, что лучше снабдить грифом ?секретно? то, что тайной не является, чем разгласить тайну. В докладе указывается, что сейчас более миллиона человек имеют полномочия на засекречивание информации.
Изображение

НАПРЯГАЮЩИЙ БЕТОН. Бетон более устойчив к сжатию, сталь ? к растяжению. Эти два противоположных свойства объединяет в себе строительный материал, более прочный, чем железобетон, и более дешевый, чем сталь, который был назван напрягающим бетоном. Разработанный несколько лет назад материал признан одним из прорывов XX в. в строительстве. Из него уже построены тысячи зданий и мостов, а доходы от производства напрягающего бетона в США приближаются к миллиардам долларов. Очевидно, что в строительстве мы переходим из железного века в век напрягающего бетона.

Победный полет аэроплана Кертисса на приз Scientific American, 4 июля 1908 г.
Победный полет аэроплана Кертисса на приз Scientific American, 4 июля 1908 г.
Приз Scientific American
Приз Scientific American
Июль 1908

ПОЛЕТ КЕРТИССА. Члены Американского аэроклуба и прочие интересующиеся авиацией лица посетили Хаммондспорт (штат Нью-Йорк) 4 июля и стали свидетелями полета третьего аэроплана Ассоциации воздушных экспериментов под названием ?Июньский жук? на приз Scientific American. Расстояние, которое необходимо преодолеть на первом этапе, составит километр. Г-н Кертисс был первым летчиком, представившим свой аэроплан и просившим об испытании, и если бы он выполнил полетное задание, то согласно правилам, стал бы победителем. Вторая попытка была сделана в 19.00. Машина быстро набрала высоту и скорость, поднявшись примерно на 6 м. Поскольку это произошло близ финишной стойки, самолет опустился до 4,5 м и продолжил движение, сделав широкую дугу влево и благополучно произведя посадку на пересеченной местности. Преодоленное расстояние составило более полутора километров. Мы поздравили Кертисса и вручили ему первый приз.



Полный текст статьи 1908 г. доступен на www.sciam.com/jul2008
Июль 1858
Изображение
ПРИТЯЗАНИЯ НА ТЕЛЕГРАФ. Общеизвестно, что изобретателем электромагнитного телеграфа англичане считают своего соотечественника профессора Уитстона. Появление трансатлантического телеграфа спровоцировало в Европе новую волну споров о том, кто же был первым. Парижская Moniteur пишет: ?Без сомнения, открытие принципов работы электрического телеграфа не является заслугой Морзе, но он был первым, кто нашел практическое применение научному открытию?.

ЖАБА-ЗАПАДНЯ. Иллинойский корреспондент сообщает о новой ловушке для насекомых, которую без сомнения ждет успех. Он пишет: ?Обзаведитесь большой жабой, вроде той, что св. Патрик изгнал из Ирландии, которую легко приручить. Возьмите коробку с отверстием у основания, чтобы жаба могла высунуть голову. Капните ей на спину черной патоки и поместите земноводное в коробку. Своим языком трехдюймовой длины жаба сможет поймать любое насекомое в пределах досягаемости. Такая ловушка не слишком красива, зато весьма эффективна?. Изобретатель считает, что этот ?живой капкан? особенно хорош для ловли блох. Однако если есть шанс подцепить блоху от супруга, вы конечно же предпочтете его компанию обществу жабы в коробке.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32675
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#94   morozov » Вс июл 20, 2008 12:44

июль 2008 ? 7 "В МИРЕ НАУКИ"
Новости и комментарии
ПРЕМИЯ НАУЧНОМУ ПРОСВЕТИТЕЛЬСТВУ
Павел Худолей

12 июня 2008 г. в рамках 3-го Московского международного открытого книжного фестиваля состоялась презентация премии с участием ее учредителя Д.Б. Зимина и сопредседателя оргкомитета А.Н. Архангельского

Когда-то на русском языке выходило множество книг об открытиях современной науки, адресованных широкому читателю. Имена их авторов были известны всем ? от Перельмана до Лихачева и от Бронштейна до Панченко. Потом научное просветительство оказалось в издательском загоне.

Благодаря усилиям последнего времени, в том числе книгоиздательской программе ?Библиотека Фонда Династия?, на российский рынок пришли переводные книги лучших западных авторов, посвященные научной картине мира в XX столетии.

Фонд принял решение сделать следующий шаг в заданном направлении и поддержать отечественных просветителей, умеющих и желающих популяризировать идеи, которые формирует научное сообщество. Цель учреждаемой премии ? привлечь внимание читателей к просветительскому жанру, поощрить авторов и создать предпосылки для расширения рынка просветительской литературы.

Осенью 2008 г. оргкомитет объявит список из пяти книг-номинантов, написанных на русском языке и вышедших в свет не ранее 1 января 2006 г. и не позднее 15 июня 2008 г., ? будь то проблемы естественнонаучного знания, лингвистика, философия или история. В рамках книжной ярмарки Non/Fiction состоится объявление и награждение лауреата, который получит денежное вознаграждение в размере 600 тыс. рублей, а его издатель ? сертификат на сумму 120 тыс. рублей, предназначенную для продвижения книги.

Но выиграть от этой премии должен и молодой российский читатель. Оргкомитет выкупит до тысячи экземпляров книги лауреата и по 500 экземпляров книг-финалистов для рассылки по библиотекам страны. В комплект книг, которые поступят в российские библиотеки, будут также включены и переводные труды классиков мировой научно-популярной литературы, выпущенные при поддержке Фонда ?Династия?. А студентам российских вузов книги будут доступны со значительными скидками.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32675
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#95   morozov » Пн июл 21, 2008 23:51

июль 2008 ? 7 "В МИРЕ НАУКИ"
Информационные технологии

КВАНТОВАЯ ИНФОРМАТИКА: ПРОШЛОЕ, НАСТОЯЩЕЕ, БУДУЩЕЕ
Александр Холево

Современным подросткам трудно представить себе мир без мобильных телефонов, компьютеров, цифровых фотокамер, MP3-плейеров и прочих атрибутов века информационных технологий. А между тем исторический момент, предопределивший принципиальный переход к ?цифре?, определяется довольно точно

КВАНТОВАЯ ИНФОРМАТИКА: ПРОШЛОЕ, НАСТОЯЩЕЕ, БУДУЩЕЕЦифровая революция началась в 1948 г., когда был изобретен транзистор, открывший дорогу миниатюризации электронных устройств и радикальному снижению материальных и энергетических затрат на создание систем обработки информации (hardware). В том же году был опубликован основополагающий труд американского инженера-математика Клода Шеннона, отца теории информации, обосновавшей переход к цифровому представлению и цифровой обработке данных (software). Еще раньше появились работы нашего ученого В.А. Котельникова по основам помехоустойчивой связи, которые предвосхитили некоторые идеи Шеннона.

Сильной и в то же время слабой стороной классической теории информации, обеспечивающей ее универсальность, стало абстрагирование от содержания и природы передаваемых данных. Такую теорию интересуют лишь два аспекта: количество передаваемой информации и качество передачи. Названные характеристики связаны обратной зависимостью: чем точнее мы хотим передать сообщение при наличии помех в канале связи, тем более замедляется передача. Особое внимание в теории информации уделяется оптимальным характеристикам, таким как пропускная способность канала, т.е. максимально возможная скорость передачи при использовании кодирования-декодирования, обеспечивающего исправление ошибок, вызванных помехами.

Информация физична

Один из пионеров физической теории информации Рольф Ландауэр, долгие годы проработавший в IBM, утверждал, что информация физична, и отвлекаясь от ее физической природы, исследователь делает далеко не всегда оправданное допущение. Фундаментальный носитель информации ? это электромагнитное поле, например в форме видимого света, либо радиоволны. В обычных условиях помехи при передаче сигнала обусловлены хаотическим поведением квантов поля (фотонов), которое имеет тепловую природу. Оказывается, снижение температуры до абсолютного нуля не приводит к полному исчезновению шума: на первый план выходят так называемые вакуумные флуктуации, обусловленные квантовой природой излучения. Квантовые свойства света особенно ярко проявляются в когерентном излучении лазера, которое отличается от излучения естественного теплового источника так же, как упорядоченная колонна солдат отличается от пестрой ярмарочной толпы. Уже в 1950-х гг. ученые задумались о фундаментальных квантовомеханических пределах точности и скорости передачи информации. Дальнейшее развитие информационных технологий, достижения квантовой оптики, электроники и супрамолекулярной химии, исследующей кибернетические свойства высокомолекулярных соединений, заставляет предположить, что в скором будущем такие ограничения станут главным препятствием для дальнейшей экстраполяции существующих технологий и принципов обработки информации.

Новые вопросы к старой теории

Чтобы облечь качественные выводы физиков в точную форму, потребовался синтез математических идей теории информации и квантовой механики. В 1960-х гг. уже существовали квантовая статистическая механика и квантовая теория поля, однако эти дисциплины нацелены на иной круг задач, связанных с динамикой квантовых систем. Так, в статистической механике возникает и широко используется ближайший родственник информации ? энтропия, однако она выступает там лишь как термодинамическая характеристика. Информационный смысл квантовой энтропии был прояснен в работе Бена Шумахера, посвященной квантовому сжатию данных и опубликованной в Physical Reviews в 1995 г. Ближе всего к потребностям еще не родившейся квантовой теории информации была теория квантового измерения, над которой работал Джон фон Нейман. Однако она нуждалась в существенном усовершенствовании и развитии.

Любая схема передачи информации состоит из передатчика (возможно, включающего в себя устройство, кодирующее сообщения), канала связи и, наконец, приемника (вместе с возможным декодирующим устройством). Обычно все три названные компоненты описываются на языке классической физики и статистики. Посылаемый передатчиком сигнал (для простоты 0 или 1) подвергается в канале случайным помехам и может исказиться. Поэтому сигнал на выходе приемника не обязательно совпадает с посланным сигналом, а качество связи характеризуется вероятностью ошибки. Обычно требуется разработать такую конструкцию приемника, которая обеспечивала бы оптимальное обнаружение или оценивание посланного сигнала для заданного канала и метода передачи. Подобные задачи решаются методами теории статистических решений. Теория информации преследует более амбициозную цель: для заданного канала с помехами разработать такие методы кодирования и декодирования сигнала, которые позволили бы передавать за единицу времени как можно больше сообщений, практически неуязвимых для помех. Предельная максимальная скорость такой передачи называется пропускной способностью канала. Придуманы хитроумные методы исправления ошибок, которые пригодны для передачи и надежного хранения информации.

Сцепленность играет роль ?катализатора?, выявляющего скрытые информационные ресурсы квантовой системы, но сама по себе не позволяет передавать информацию: это означало бы мгновенную передачу на конечное расстояние

Изучать квантовые каналы связи необходимо, т.к. всякий физический канал в конечном счете является квантовым. В квантовом мире передатчик приготовляет квантовое состояние носителя информации в зависимости от поступающего сообщения. Например, передатчиком может быть лазер, который излучает либо вертикально, либо горизонтально поляризованные фотоны. Посылаемый двоичный сигнал кодируется соответствующим состоянием поля излучения. Однако в канале связи он, как правило, искажается, и на приемник поступают состояния, отличные от посланных передатчиком. Приемник осуществляет квантовое измерение той или иной физической величины, возможно, с последующей обработкой получаемой классической информации. Конечный результат такого измерения ? выходной сигнал 0 или 1, дающий более или менее достоверную оценку посланного исходного сигнала, причем качество линии связи вновь характеризуется вероятностью ошибки. Аналогия с классической линией связи очевидна. Таким образом, возникает потребность в квантовой теории статистических решений и методах оптимального оценивания параметров квантовых состояний на основании результатов измерений. Очевидна и перспектива создания методов кодирования-декодирования, учитывающих квантовомеханическую природу носителя информации, которые позволяли бы компенсировать негативное влияние квантового шума. Возвращаясь к статистической механике, заметим, что такие процедуры вызывают ассоциацию со знаменитым ?демоном Максвелла?, создающим порядок из беспорядка, однако перед ними ставится более скромная, зато достижимая цель: сохранение островка порядка в море хаоса. Величина этого островка и определяет пропускную способность канала связи.

Пристальное рассмотрение понятия квантового измерения с информационно-статистической точки зрения привело к новому парадоксальному выводу: добавление независимого квантового шума в наблюдения позволяет увеличить количество получаемой информации. Парадокс в том, что такого никогда не бывает в классической статистике: добавление шума (рандомизация) только портит качество наблюдений. В квантовой оптике есть пример реальной измерительной процедуры, использующей независимый источник квантового шума (своего рода квантовую рулетку). Речь идет об оптическом гетеродинировании, при котором излучение, несущее информацию, складывается с опорным излучением от независимого источника. Такого рода процедура позволяет осуществить приближенное совместное измерение обеих компонент сигнала, электрической и магнитной, несмотря на то, что квантовая теория запрещает их точную совместную измеримость. С математической точки зрения такие измерения описываются переполненными системами векторов, отличными от полных ортонормированных систем (базисов) стандартной теории измерения фон Неймана. В частности, статистика оптического гетеродинирования описывается переполненной системой когерентных векторов, столь эффективно использованных в работах нобелевского лауреата Роя Глаубера. Всякую переполненную систему векторов в пространстве H можно описать как проекцию на H базиса в некотором объемлющем пространстве K, получающемся из H добавлением независимых (рандомизующих) степеней свободы. Оказалось, что переполненные системы представляют собой лишь частный случай более общего понятия вероятностной операторнозначной меры, исследованного советским математиком М.А. Наймарком еще в 1940 гг. и нашедшего естественное место в квантовой теории статистических решений, созданной в 1970?1980-х гг.
ПРИРОДНЫЙ КВАНТОВЫЙ КОМПЬЮТЕР

Не исключено, что в природе квантовый компьютер давно уже существует. Высказывается мнение, что элементы квантового компьютинга присутствуют в человеческом мышлении, и тогда квантовая информатика открывает новые перспективы для принципиального объяснения возможных алгоритмов мышления. Остановимся на тех особенностях человеческого мышления, которые действительно вызывают ассоциации с квантовыми закономерно-стями Не исключено, что в природе квантовый компьютер давно уже существует. Высказывается мнение, что элементы квантового компьютинга присутствуют в человеческом мышлении, и тогда квантовая информатика открывает новые перспективы для принципиального объяснения возможных алгоритмов мышления. Остановимся на тех особенностях человеческого мышления, которые действительно вызывают ассоциации с квантовыми закономерно-стями

1) Способность целостного восприятия информации в противоположность разложению на составляющие свойства; возможно, глаз способен принимать не только классические состояния входящего света, но и непосредственно квантовые состояния фотонов, чем и объясняются особая мощь и пропускная способность визуальных коммуникаций, а также их органическая связь с распознаванием образов

2) Сходство дополнительности между действием и размышлением и квантовой дополнительностью между положением и скоростью, на которое обращал внимание еще Нильс Бор в своих физико-философских эссе. Примечательно, что при разработке концепции квантовой дополнительности Бор исходил из уже существовавшей аналогичной концепции витализма в биологии

3) Черты сцепленности (или нелокальности), когда информация, содержащаяся в объединении подсистем некоторой сложной системы, превосходит арифметиче-скую сумму количеств информации, получаемых из подсистем

4) Феномен сознания-подсознания. Трудно удержаться от такой (конечно, крайне упрощенной) аналогии: некоммутативная алгебра квантовомеханических наблюдаемых, в которой в каждый момент времени ?сканируется? некоторая доступная наблюдению коммутативная (классическая) подалгебра

5) Органическое сочетание аналоговых и цифровых методов, эффективный параллелизм обработки информации

Разумеется, эти и другие соображения, такие как наличие интуиции и свободной воли, носят косвенный характер и не влекут с неизбежностью вывода, что в мозгу человека или в нервной системе других живых существ присутствуют ?квантовые микрочипы? или другие квантово-физические механизмы, ответственные за неклассические вычисления и соответствующее поведение. Но они, возможно, свидетельствуют о том, что работа мозга принципиально несводима к функциям сколь угодно совершенного и сложного классического суперкомпьютера, и тогда теоретические модели таких систем должны принимать во внимание эту неклассичность

Эффективность математики

Квантовая теория статистических решений и информации опирается на далеко идущее логическое развитие математического аппарата квантовой физики, дополненного статистической интерпретацией. Существуют и другие интерпретации, например многомировая, но все они слишком экзотичны, чтобы серьезно конкурировать со статистической, которую называют еще ?минимальной?, поскольку она опирается только на возможную в принципе статистику квантовых измерений и не привлекает специальных допущений о механизме возникновения этой статистики. Статистическая интерпретация настолько органично сплавлена с математической структурой квантовой теории, что возникает как бы сама собой. Те объекты гильбертова пространства, которые ранее казались чисто математическими абстракциями, благодаря статистической интерпретации становятся двойниками физических идей и понятий. Так произошло с упомянутыми выше переполненными системами и вероятностными операторно-значными мерами, так же произошло и с абстрактным понятием вполне положительного отображения из теории операторных алгебр, которое оказалось адекватной математической моделью квантового канала с шумом.

Исторически квантовая теория информации зародилась при рассмотрении фундаментальных квантовомеханических ограничений. Простейшим из них является известное с 1920-х гг. соотношение неопределенностей Гейзенберга. В 1970-е гг. были установлены более тонкие математические факты, такие как энтропийное неравенство, ограничивающее сверху количество информации, которое может быть передано носителем, подчиняющимся законам квантовой механики (например, излучением лазера). Однако в 1980-1990-е гг. ученые пришли к выводу, что квантовая теория не только вводит свои ограничения, но и открывает принципиально новые возможности, такие как квантовая телепортация и другие эффективные коммуникационные протоколы, физически стойкие протоколы квантовой криптографии, эффективные алгоритмы для решения трудных вычислительных задач и др. Идеи эти появились в результате логического развития аппарата квантовой теории, снабженного статистической интерпретацией, а если принять, что квантовая теория и ее минимальная интерпретация имеют неограниченную применимость, то нет оснований сомневаться и в принципиальной возможности новых эффективных приложений квантовой теории. Впрочем, все не так просто.

Квантовый компьютер ? это гипотетическое вычислительное устройство, использующее специфически квантовые эффекты и намного превосходящее по своим возможностям любую классическую вычислительную машину

Конференции по квантовой теории информации все еще сохраняют приятную и довольно редкую особенность: они объединяют как специалистов-теоретиков, вплоть до специалистов в весьма абстрактных разделах математики, так и физиков, непосредственно причастных к эксперименту. На одной из таких конференций ученый-экспериментатор начал доклад с иллюстрации, на которой были изображены роскошный ?Кадиллак? с надписью ?теория? и скромный ?Трабант? ? ?эксперимент?. Отрыв теории от экспериментальных реализаций действительно велик. Всякий эксперимент, предполагающий манипуляции состояниями индивидуальных микрочастиц, чрезвычайно сложен из-за их сверхчувствительности к любым внешним воздействиям. Более того, трудности реализации предписаний квантовой теории заложены и в самом ее фундаменте: она предоставляет математическую модель для любого реально наблюдаемого феномена микромира, однако дает лишь самые общие намеки на то, как можно двигаться в обратном направлении ? от элемента математической модели к его материальному прототипу. В непревзойденном трактате Поля Дирака ?Принципы квантовой механики? эта проблема описана следующим образом: ?Возникает естественный вопрос: может ли быть измерена любая наблюдаемая? Теоретически на этот вопрос можно ответить ? да. Практически может оказаться, что весьма затруднительно построить такой прибор, который мог бы измерять некоторую определенную наблюдаемую. Возможно, что экспериментатор не может сказать, как построить такой прибор, однако теоретик всегда может вообразить, что такое измерение может быть произведено?. Другими словами, нет ни регулярного способа дать конструктивное описание соответствующей измерительной процедуры, ни даже гарантии, что такое описание возможно в принципе. Остается только верить, что оно рано или поздно будет найдено. Приведем пример из квантовой оптики. В теории хорошо известны состояния излучения с определенным числом фотонов (их называют состояниями Фока). Сегодня никто не сомневается в существовании фотонов, однако до сих пор не был известен способ генерирования таких состояний. Имелись теоретические предложения, в частности, основанные на использовании оптической обратной связи, и лишь недавно японским ученым удалось осуществить это в эксперименте. А ведь, в частности, надежность протокола квантовой криптографии основана на предположении, что секретный ключ распределяется с помощью единичных фотонов. В качестве реального источника используется слабый когерентный сигнал лазера, для которого вероятность появления более одного фотона мала. Но это оставляет лазейку для потенциального перехватчика ?лишних? фотонов.

К настоящему моменту уже осуществлен ряд принципиальных опытов по квантовой обработке информации. Упомянем лишь известные эксперименты А. Цайлингера и Дж. Кимбла по телепортации состояний фотонов, а также действующие квантово-криптографические линии, реализованные группами Н. Джизена в Швейцарии и С.Н. Молоткова в России. Исследования теоретических и экспериментальных аспектов квантовой информатики ведутся во всех развитых странах, в том числе и в России.

Два отличия

Фундаментальные различия между классическим и квантовым мирами можно выразить в двух словах: дополнительность и сцепленность. Дополнительность означает наличие таких свойств одного и того же объекта, которые принципиально недоступны совместному наблюдению. Различные физические измерения микрообъектов осуществляются разными макроскопическими экспериментальными установками, каждая из которых предполагает сложную и специфичную организацию пространственно-временной среды. Способы такой организации, отвечающие разным наблюдаемым свойствам, могут быть взаимно исключающими, т.е. дополнительными. На языке математики взаимно дополнительные величины, такие как координата и импульс, электрическое и магнитное поля, компоненты спина, изображаются неперестановочными (некоммутирующими) операторами. Для них имеют место соотношения неопределенностей, запрещающие точную совместную измеримость, так что именно дополнительность ответственна за специфические ограничения информационного характера.

Дополнительность также приводит к тому, что состояния квантовой системы не могут быть заданы простым перечислением свойств, т.е. точкой в каком-либо фазовом пространстве. Вместо этого состояния описываются векторами в некотором линейном (гильбертовом) пространстве H, причем всякая суперпозиция (линейная комбинация) векторов также задает состояние.

Новые необычные возможности квантовых систем, как правило, связаны со сцепленностью (entanglement; в русской литературе используется также перевод ?запутанность?, ?перепутанность?). В ее основе лежат необычные свойства составных квантовых систем, которые описываются тензорным (а не декартовым, как в классической механике) произведением HA Z HB пространств подсистем. В силу принципа суперпозиции пространство составной системы AB наряду с векторами-произведениями A Z B должно содержать и всевозможные их линейные комбинации. Состояния составной системы, задаваемые векторами-произведениями, называются несцепленными, а все прочие ? сцепленными. Сцепленность представляет собой квантовое свойство, отчасти родственное классической коррелированности, однако к ней не сводящееся (в физике говорят о корреляциях Эйнштейна-Подольского-Розена). Сцепленные состояния ? не редкость в квантовой физике: обычно они возникают в результате взаимодействия или распада квантовых систем. Однако квантовая теория не исключает возможности сцепленного состояния для пары частиц, которые, однажды провзаимодействовав, разлетелись на макроскопическое расстояние. На необычные ?телепатические? свойства такой пары и указали в свое время Эйнштейн, Подольский и Розен. Недавние эксперименты подтверждают возможность искусственного создания внутренней сцепленности фотонов и даже массивных микрочастиц на расстояниях порядка нескольких метров, хотя такое явление никогда не наблюдается в естественных условиях и противно самой природе классического макроскопического мира. Тот способ описания окружающего мира, который лежит в основе доквантовых представлений о пространстве-времени, получил название ?локальный реализм?. На чем бы ни основывалось объединение квантовой механики и общей теории относительности ? на некоммутативной геометрии, теории струн, нелинейной квантовой механике, траекторных или иных подходах ? оно должно будет разрешить противоречие между квантовой сцепленностью и локальным реализмом.

Квантовые каналы и информация

Большой раздел квантовой теории информации посвящен количественной теории сцепленности. Оказывается, сцепленность можно измерять количественно, как температуру или другую физическую характеристику состояния. Более того, ее можно концентрировать, ?разбавлять?, пересылать; она может существовать в латентной ?связанной? форме и проявляться лишь в особых обстоятельствах.

В случае составных квантовых систем имеет смысл говорить не только о сцепленных и несцепленных состояниях, но и о соответствующих измерениях. При этом если квантовые системы A и B находятся в несцепленном состоянии, то максимальное количество информации о состоянии, получаемое из измерений составной системы AB, может быть больше суммы количеств информации, получаемых из измерений систем A и B. Такая неклассическая строгая супераддитивность информации проявляется при исследовании пропускной способности квантового канала связи.

В квантовом случае само понятие пропускной способности разветвляется, порождая целый ?зоопарк? информационных характеристик канала, зависящих от вида передаваемой информации (квантовой или классической), а также от дополнительных ресурсов, используемых при передаче. Остановимся кратко на четырех главных обитателях этого зоопарка. Канал задается вполне положительным отображением T, преобразующим состояния на входе в состояния на выходе. Это отображение представляет собой сжатое статистическое описание результата взаимодействия системы на входе с ее окружением (шумом). Свойство положительности гарантирует от появления отрицательных вероятностей, а наречие ?вполне? означает, что положительность должна выполняться не только для самого канала T, но и для его расширений вида T T?, где T? ? любой другой канал, что в частности позволяет рассматривать многократное использование канала. Важнейшая характеристика квантового канала ? его классическая пропускная способность C(T), т.е. предельная максимальная скорость безошибочной передачи классических сообщений при использовании оптимального кодирования/декодирования длинных сообщений. Из упомянутого выше энтропийного неравенства вытекает, что количество передаваемой классической информации не может быть больше, чем log d, где d ? размерность пространства квантового носителя информации. Таким образом, то обстоятельство, что любое гильбертово пространство содержит бесконечно много различных векторов состояний, не помогает передать неограниченное количество информации: чем больше состояний используется для передачи, тем они ближе друг к другу и, следовательно, неразличимее.

Однако, как показали американские ученые Чарльз Беннетт и Питер Шор, классическая пропускная способность канала T может быть увеличена путем использования дополнительной сцепленности между входом и выходом канала. При этом сама по себе сцепленность не позволяет передавать информацию, т.к. это означало бы мгновенную передачу на конечное расстояние. Сцепленность играет роль ?катализатора?, выявляющего скрытые информационные ресурсы квантовой системы. Если T ? канал без шума, то выигрыш в пропускной способности, обеспечиваемый сверхплотным кодированием, двукратен. Чем сильнее канал отличается от идеального, тем выигрыш больше, и для каналов с очень большим шумом может быть сколь угодно велик. Классическая пропускная способность с использованием сцепленного состояния Cea(T) ? самая большая.

На Европейском конгрессе математиков в Амстердаме квантовая теория информации выделена в специальное направление

При передаче классической информации по квантовому каналу сообщение записывается в квантовом состоянии. Однако вся полнота информационного содержания не может быть сведена к классическому сообщению и заслуживает специального термина ? квантовая информация, т.к. квантовое состояние содержит в себе информацию о статистике всевозможных, в том числе и взаимоисключающих (дополнительных) измерений системы. Количество квантовой информации измеряется величиной энтропии состояния. Принципиальное отличие квантовой информации от классической заключается в невозможности копирования. Простое рассуждение, основанное на линейности уравнений квантовой эволюции, показывает, что не существует ?квантового ксерокса?, т.е. физического устройства, позволяющего копировать произвольное квантовое состояние. Однако теория предсказывает возможность нетривиального способа передачи квантовой информации, при котором носитель состояния физически не передается, а пересылается лишь некоторая классическая информация (так называемая телепортация квантового состояния). Необходимым дополнительным ресурсом вновь становится сцепленность между входом и выходом канала связи. Свести передачу произвольного квантового состояния только к передаче классической информации без использования дополнительного квантового ресурса невозможно: поскольку классическая информация копируема, это означало бы возможность копирования и квантовой информации.

Квантовая пропускная способность Q(T) ? это предельное максимальное количество квантовой информации, которое может быть сколь угодно точно передано каналом T. Есть глубокая аналогия между квантовым каналом и каналом с подслушивателем, причем в квантовом случае роль перехватчика информации играет окружение рассматриваемой системы. Величина Q(T) тесно связана с криптографическими характеристиками канала, такими как пропускная способность для секретной передачи классической информации Cp(T) и скорость распределения случайного ключа. Она является самой маленькой из пропускных способностей, т.к. предъявляет к каналу наивысшие требования.

Вычисление либо оценка величин Q(T), Cp(T), C(T), Cea(T) ? это важная и трудная математическая задача. В свое время появление квантовой механики оказало мощное взаимообогащающее влияние на ряд областей математики: в первую очередь на теорию операторов, операторных алгебр, представлений групп.

Процесс продолжается и сейчас, и в нем все большую роль играют достижения квантовой теории информации. Так, исследование сцепленности стимулировало прогресс в понимании геометрии тензорных произведений, а каналы и теоремы кодирования оказались тесно связаны со структурами положительности в операторных пространствах и алгебрах. Новый импульс получил некоммутативный анализ; даже в такой, казалось бы, хорошо изученной области, как теория матриц, появились новые яркие результаты и новые трудные и интересные проблемы. На Европейском конгрессе математиков 2008 г. в Амстердаме квантовая теория информации выделена в специальное направление, которому посвящен ряд приглашенных докладов.

?Мезо?: на границе ?микро? и ?макро?

Прогресс микроэлектроники и нанотехнологий приближается к рубежу, за которым игнорировать квантовую природу носителей информации будет уже невозможно. Элементы современной вычислительной техники лишь на два-три порядка превосходят характерные атомные размеры. Почетный председатель совета директоров и основатель корпорации Intel Гордон Мур считает, что на преодоление этой разницы уйдет всего 10?15 лет. Тогда волей-неволей придется искать новые решения, и фундаментальные результаты квантовой теории информации могут сыграть решающую роль.

Квантовый компьютер ? это гипотетическое вычислительное устройство, использующее специфически квантовые эффекты и поэтому намного превосходящее по своим возможностям любую классическую вычислительную машину. Его память (квантовый регистр) должна состоять из множества элементарных ячеек ? кубитов, которые находятся в сцепленном состоянии, а операции предполагают управляемое квантовомеханическое взаимодействие между ними. Данные в процессе вычислений представляют собой квантовую информацию, которая по окончании процесса преобразуется в классическую путем измерения конечного состояния квантового регистра. Выигрыш в квантовых алгоритмах достигается за счет того, что при применении одной квантовой операции большое число коэффициентов суперпозиции квантовых состояний, которые в виртуальной форме содержат классическую информацию, преобразуется одновременно (квантовый параллелизм).

Квантовый компьютер находится на грани между микро- и макромиром, чем и обусловлены трудности его воплощения. Основным техническим препятствием для реализации квантового компьютера является декогерентизация ? распад квантовых суперпозиций, обусловленный сверхчувствительностью микросистем к внешним воздействиям макромира. Если скорость декогерентизации не превосходит некоторого порогового значения, то применение квантовых кодов, исправляющих ошибки, теоретически позволяет сделать квантовые вычисления помехоустойчивыми. Однако при этом размер квантового регистра должен быть увеличен на порядки. Сейчас ведутся интенсивные поиски решения этих проблем: разработаны теоретические методы оптимизации архитектуры квантового компьютера, предложены схемы адиабатических вычислений, квантовых клеточных автоматов, вычислений, основанных на измерениях; обсуждается идея топологического квантового компьютера, физически устойчивого к ошибкам. Экспериментально исследуются модели кубитов, основанные на принципах ядерного магнитного резонанса, квантовой оптики и электродинамики, полупроводниковых квантовых точках, ионных ловушках, сверхпроводниковых мезо-структурах и т.д.

Квантовая информатика стала новым междисциплинарным научным направлением на стыке физики, информатики и математики, которое поднимает новые важные вопросы и дает ключ к пониманию некоторых фундаментальных закономерностей Природы, до недавних пор остававшихся вне поля зрения исследователей. Ее теоретические разработки стимулируют как новые достижения в области математики, так и развитие экспериментальной физики, значительно расширяющее возможности манипулирования состояниями микросистем и потенциально важное для появления новых эффективных технологий.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

# Бор Н. Атомная физика и человече-ское познание, М.: ИЛ, 1961.
# Валиев К.А., Кокин А.А. Квантовые компьютеры: надежды и реальность (2-е изд.). М.: ИКИ, 2004.
# Валиев К.А. Исследования в области квантовых технологий в информатике и метрологии // Вестник РАН, 2003. Т. 73. ? 5. С. 400?405.
# Кадомцев Б.Б. Динамика и информация. М.: УФН, 1999.
# Нильсен М.А., Чанг И. Квантовые вычисления и квантовая информация (пер. с англ.). М.: Мир, 2006.
# Холево А.С. Введение в квантовую теорию информации. М.: МЦНМО, 2002.
# Холево А.С. Вероятностные и статистические аспекты квантовой теории (2-е изд.). М.: ИКИ, 2003.

ОБ АВТОРЕ

Александр Семенович Холево ? профессор, доктор физико-математических наук, работает в Математическом институте им. В.А. Стеклова РАН. Область научных интересов ? квантовая теория информации, квантовые вычисления; некоммутативная теория вероятностей, квантовые случайные процессы, динамические (марковские) полугруппы; статистическая структура квантовой теории, квантовые измерения.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32675
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#96   morozov » Вс июл 27, 2008 10:45

апрель 2008 ? 4 "В МИРЕ НАУКИ"
Энергетика
ГРАНДИОЗНЫЕ ИДЕИ
Джеймс Мейсон, Василис Фтенакис и Кен Цвайбель

Развитие солнечной энергетики в США позволит к 2050 г. снизить зависимость от импортной нефти и уменьшить выбросы парниковых газов
Изображение
Цены на бензин и топливо неуклонно растут. Учитывая сложившуюся ситуацию, в том числе и для защиты своих нефтяных интересов, США продолжают вести военные действия на Ближнем Востоке. Увеличивающийся спрос на ископаемое топливо в Китае, Индии и других странах повышает вероятность конфликтов за обладание энергоресурсами. В то же время электростанции, работающие на угле, мазуте и природном газе, а также автомобили ежегодно выбрасывают в атмосферу миллионы тонн загрязняющих веществ и парниковых газов, создавая угрозу для нашей планеты.

Развитие солнечной энергетики в США позволит к 2050 г. снизить зависимость от импортной нефти и уменьшить выбросы парниковых газов

Ученые, инженеры, экономисты и политики, руководствуясь лучшими побуждениями, предлагают различные меры, позволяющие снизить потребление ископаемого топлива и сократить выбросы парниковых газов. Но этих мер недостаточно. Проведенный анализ показал, что оптимальным решением стал бы широкомасштабный переход на использование гелиоресурсов.

Энергия солнечного света, поступающего на Землю в течение 40 минут, эквивалентна глобальному потреблению энергии в течение года. США в этом отношении повезло ? страна обладает колоссальными ресурсами солнечной энергии. По меньшей мере 625 тыс. км2 территории, на юго-западе пригодны для строительства солнечных электростанций, и эти земли получают более 4,748 млн тераджоулей (ТДж) солнечной радиации в год. Преобразование всего 2,5% этой радиации в электроэнергию эквивалентно всему потреблению энергии страной за весь 2006 г.

Для реализации этих проектов надо освоить огромные участки земли и построить там фотоэлектрические и термоэлектрические станции. Необходимо также возвести магистральную линию передачи постоянного тока, чтобы передавать электроэнергию по всей стране.
Изображение
В этой статье мы представляем программу, в результате осуществления которой к 2050 г. 69% электроэнергии и 35% всей энергии в США (в том числе для транспорта) будет обеспечиваться за счет солнечной энергии. Согласно прогнозу, ее можно продавать потребителям по ценам, эквивалентным сегодняшним ценам на энергию из обычных источников, т.е. примерно по 5 центов за киловатт/час (кВт/ч). Если будут освоены также энергия ветра, биомассы и геотермальные источники, то к 2100 г. возобновляемые источники энергии смогут обеспечивать 100% электроэнергии страны и 90% всей энергии...

В соответствии с программой, рассчитанной до 2050 г., колоссальные солнечные электростанции расположатся на 75 тыс. км2 пустующих земель на юго-западе страны. Они будут напоминать принадлежащую компании Tucson Electric Power электростанцию в Спрингвилле, штат Аризона, мощностью 4,6 МВт, которая начала работать в 2000 г. (слева). Тысячи фотоэлектрических элементов, соединенных между собой, будут объединены в модули, которые образуют батареи (внизу). Постоянный ток от батареи поступает на трансформатор (преобразователь), и далее в высоковольтные линии энергосистемы. Фотоэлектрический элемент состоит из двух полупроводниковых пластин с избытком электронов на одной из них. Фотон света, проходя через эти пластины, возбуждает свободный электрон, и он переходит на другую пластину, тем самым создается электрический ток
В соответствии с программой, рассчитанной до 2050 г., колоссальные солнечные электростанции расположатся на 75 тыс. км2 пустующих земель на юго-западе страны. Они будут напоминать принадлежащую компании Tucson Electric Power электростанцию в Спрингвилле, штат Аризона, мощностью 4,6 МВт, которая начала работать в 2000 г. (слева). Тысячи фотоэлектрических элементов, соединенных между собой, будут объединены в модули, которые образуют батареи (внизу). Постоянный ток от батареи поступает на трансформатор (преобразователь), и далее в высоковольтные линии энергосистемы. Фотоэлектрический элемент состоит из двух полупроводниковых пластин с избытком электронов на одной из них. Фотон света, проходя через эти пластины, возбуждает свободный электрон, и он переходит на другую пластину, тем самым создается электрический ток...
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32675
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#97   morozov » Вт июл 29, 2008 21:30

февраль 2003 ? 2 "В МИРЕ НАУКИ"
Астрономия
АБСОЛЮТНАЯ ПУСТОТА
Эван Сканнапьеко, Патрик Птижан и Том Броудхерст

Полет за пределы Млечного Пути - это путешествие в самые пустынные пространства, которые только можно вообразить. Здесь плотность газа составляет около одного атома в кубическом сантиметре, а свет ближайших звезд доходит до нас оттуда годами.

Изображение

Во Вселенной существуют разные степени пустоты. Но даже огромные межгалактические пространства не абсолютно пусты.

АБСОЛЮТНАЯ ПУСТОТАОднако мы устремляемся в еще более пустынные места. Ближе к самым дальним областям галактического диска, межзвездные расстояния увеличиваются до десятков и далее - до сотен световых лет, а плотность межзвездного газа уменьшается в сотни раз. Выйдя же за пределы Галактики в черноту огромных межгалактических пространств, мы попадаем в зоны, где плотность газа становится ничтожно малой: ~10-5 атомов в 1 куб. метре.

До недавнего времени астрономы не уделяли межгалактическому пространству большого внимания. Зачем думать о редко разбросанных атомах, когда во Вселенной есть множество богато структурированных планет, ярких галактик и прожорливых черных дыр?

Сегодня такая ситуация начинает меняться. Выясняется, что межгалактическая среда (МГС) - отнюдь не тихая заводь, а главная арена космической эволюции, предшествующая галактикам. На ранних этапах развития вся материя представляла собой всепроникающий горячий газ. В результате расширения Вселенной он охладился и сгустился в мириады галактик, которые мы сегодня наблюдаем. А оставшееся пространство стало еще более разреженным.

Это обнаружилось в последние десятилетия...
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32675
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#98   morozov » Чт июл 31, 2008 17:03

июнь 2003 ? 6 "В МИРЕ НАУКИ"
Астрофизика
МАГНИТАРЫ
Крисса Кувелиоту, Роберт Дункан, Кристофер Томпсон

"Звездотрясение" на магнитаре высвобождает огромное количество электромагнитной энергии (эквивалентное энергии землетрясения силой в 21 балл) и выбрасывает раскаленный плазменный шар, который захватывается магнитным полем.

МАГНИТАРЫ 5 марта 1979 г., сбросив спускаемые аппараты в ядовитую атмосферу Венеры, советские космические станции "Венера-11" и "Венера-12" продолжили полет по эллиптическим орбитам через внутреннюю часть Солнечной системы. Показания счетчиков радиации на борту обеих станций колебались в пределах 100 отсчетов в секунду. Однако в 10:51 по среднеевропейскому времени (EST) на аппараты обрушился поток гамма-излучения. За долю миллисекунды уровень радиации превысил 200 тыс. отсчетов в секунду. Через 11 сек. поток гамма-излучения накрыл космический зонд Helios-2 NASA, который также двигался по орбите вокруг Солнца. Стало ясно, что через Солнечную систему прошел плоский фронт излучения высокой энергии. Вскоре он дошел до Венеры, и на обращавшемся вокруг нее спутнике Pioneer Venus Orbiter детектор зашкалило. Спустя несколько секунд поток достиг Земли и был зарегистрирован тремя спутниками Vela министерства обороны США, советским спутником "Прогноз-7" и космической обсерваторией Einstein. Наконец, на пути через Солнечную систему волновой фронт ударил по международной космической станции International SunEarth Explorer ...
Изображение
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32675
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#99   morozov » Сб авг 02, 2008 2:02

ноябрь 2004 ? 11 "В МИРЕ НАУКИ"
Космология
ЧТО БЕСПОКОИТ ФИЗИKОВ?
Беседа Клаудии Дрейфус с Лоренсом Кроссом

Известность декану физического факультета Университета Западного резервного района Лоренсу Кроссу (Lawrence Krauss) принесло его пророчество о том, что таинственная темная энергия может стать ключом к пониманию начальной стадии развития Вселенной. Многие знают его как активного общественного деятеля. Кросс - один из 60 известных ученых, подписавших в феврале 2004 г. открытое письмо, в котором подвергается резкой критике неправильное отношение администрации Буша к науке. Однако широкой публике он больше знаком как автор серьезных критических статей и научно-популярных книг. Его бестселлер "Физика Звездного пути" (The Physics of Star Trek) переведен на 15 языков. Сейчас Кросс заканчивает свою седьмую книгу - "Спрятанные в зазеркалье: Загадочное очарование дополнительных измерений" (Hiding in the Mirror: The Mysterious Allure of Extra Dimensions), которую он называет "исследованием нашего давнего литературного, художественного и научного романа с идеей о существовании скрытых вселенных". Ученый дал интервью корреспонденту Scientific American Клаудии Дрейфус (Claudia Dreifus).

Scientific American (SA): Что же сегодня беспокоит физиков больше всего?

Лоренс Кросс (ЛК): Сегодня перед нами стоят три насущных вопроса: какова природа темной энергии, как согласуется испарение черных дыр с квантовой механикой и, наконец, существуют ли дополнительные измерения? Все они связаны между собой и требуют пересмотра взглядов на квантовую теорию гравитации. Кто-нибудь непременно должен выдвинуть совершенно новую идею. Трудно предсказать, когда это произойдет. В 1904 г. нельзя было предвидеть, что годом позже появится замечательная теория Альберта Эйнштейна.

Я думаю, что эти вопросы скорее всего будут решены теоретическим, а не опытным путем, поскольку пока мы не в состоянии проводить эксперименты, результаты которых помогли бы нам найти правильный ответ. Готов держать пари, что решение не будет похоже ни на одну из известных ныне теорий, включая теорию струн.

SA: Теория струн не оправдала ожиданий?

ЛК: Не совсем так. Но я считаю, что ее время уже прошло. И теория струн, и теория петлевой квантовой гравитации выросли из математических затруднений в общей теории относительности.

Когда вы пытаетесь исследовать физические явления во все меньших масштабах, гравитация действует все хуже и хуже. В конечном счете получаются бесконечно большие значения. Почти все попытки создать квантовую теорию гравитации сводятся к объяснению природы таких бесконечностей. В теории струн и в теории петлевой квантовой гравитации эта трудность преодолевается "в лоб": расстояния меньше некоторой величины попросту не рассматриваются. Обе теории основаны на предположении, что частицы не могут уменьшаться до нулевых размеров и превращаться в точечные объекты - верный способ избавиться от математических бесконечностей. По-моему, главное различие между двумя теориями состоит в том, что теория струн значительно богаче интеллектуально и математически. Она не справилась со многими физическими проблемами, но зато вдохновила ученых на целый ряд интересных математических открытий. Мне кажется, что петлевая квантовая гравитация не дала даже этого.

SA: Вы утверждаете, что теория струн действительно ни к чему нас не привела?

ЛК: Ни теория струн, ни петлевая квантовая гравитация не помогли нам в решении основных физических проблем, среди которых я бы особо выделил существование загадочной темной энергии. Теория струн подарила нам идею о множественности миров или дополнительных измерений, поскольку именно на них она и осно?вана. Сначала в ней было целых 26 измерений, потом оказалось, что и 10 достаточно. Но наша Вселенная четырехмерна (три пространственных измерения плюс время), и много сил было потрачено только на то, чтобы объяснить невидимость дополнительных измерений. Кое-кто даже пытался превратить недостаток в достоинство, заявляя, что дополнительные измерения можно как-то обнаружить.

SA: Вы только что закончили книгу о параллельных вселенных. Думаете, они существуют?

ЛК: Я бы ответил так: параллельные миры - захватывающая область физики, особенно для молодых ученых. Но мне кажется, что дополнительные измерения не стоят того. Предлагаемые модели параллельных вселенных не очень-то согласуются с тем, что мы знаем из физики элементарных частиц об объединении сил природы. Как ни заманчива идея о существовании больших дополнительных измерений, она скорее всего неверна. Впрочем, время покажет.

SA: Почему вы решили написать книгу "Физика Звездного пути"?

ЛК: Все началось с шутки. В 1993 г. я закончил "Страх перед физикой" (Fear of Physics), и мы с моим редактором обсуждали тему следующей книги. В разговоре она упомянула, что ее дочь без ума от фантастических сериалов, и засмеялась: "Как насчет физики "Звездного пути"?"

Сначала я решил написать о телепортаторе, который может разобрать объект на атомы, почти мгновенно переместить их в другое место и снова собрать в единое целое. Как создать такое устройство? В конце концов я составил список всех феноменов из "Звездного пути", которые могли бы заинтересовать читателя и натолкнуть его на размышления о физике. Если людям нравится фантастика, им наверняка будет любопытно познакомиться с наукой, которая в тысячу раз удивительнее!

Я рассказал о вымышленных уст?ройствах, которые не будут работать, но также указал читателям на еще более интересные вещи, возможные в нашей Вселенной. Сегодня наука предлагает нам такие идеи, о которых не додумался бы ни один фантаст. Я, например, сейчас занимаюсь космической антигравитацией: никто не понимает, откуда в пустом пространстве может взяться энергия. В мире нет ничего более сверхъесте?ственного!

SA: Почему?

ЛК: Если спросить ребенка, сколько энергии содержится в абсолютной пустоте, он скорее всего скажет: "Нисколько", потому что это - разумный ответ. Но мы убеждаемся в обратном: если все убрать, кое-что все-таки останется.

Более того, если в пустом пространстве содержится хотя бы немного энергии, то по законам физики ее там может быть и гораздо больше. Возникает вопрос: каким количест?вом энергии обладает пустота, так сказать, по природе? Согласно нашим представлениям о гравитации и о квантовой механике, простран?ство должно содержать примерно на 120 порядков (!) больше энергии, чем удается обнаружить экспериментальным путем. Пока неизвестно, чем объясняется такой чудовищный разрыв между теоретическими и опытными данными. Это самая сверхъестественная и потому самая захватывающая физическая проблема.

SA: Сегодня немногие известные ученые занимаются общественной деятельностью. Полвека назад журналисты никогда не упускали возможности расспросить Альберта Эйнштейна о его взглядах на многие проблемы - от ядерного разоружения до сионизма. Как вы думаете, почему представители научных кругов перестали принимать активное участие в общественной жизни?

ЛК: Я считаю, что помимо научных исследований ученые непременно должны заниматься популяризацией своей деятельности. Мы живем в обществе, где невежественный в вопросах науки человек может считать себя интеллигентом. Так было не всегда: в начале ХХ в. интеллигентность подразумевала способность к обсуждению современных научных проблем. Сегодня в журналах для, казалось бы, мыслящих людей можно встретить отзыв о научной книге, в котором рецензент без малейшего стыда пишет: "Потрясающая вещь! Я не понял ни единого слова". Если бы речь шла о трудах Джона Кеннета Гэлбрейта (John Kenneth Galbraith), обозреватель не осмелился бы щеголять экономической безграмотностью.

SA: Как же невежественность в науке стала приемлемой для общества?

ЛК: Всем известно, что научные дисциплины преподаются во многих школах из рук вон плохо, а некоторые преподаватели не имеют даже базовой научной подготовки. Я был в шоке, когда узнал, что школьный учитель моей дочери не в состоянии внятно изложить даже самые простые научные понятия. По-моему, это типичный случай. С каждым днем наука становится все более эзотерической и потому труднее воспринимается людьми.

Вряд ли я скажу что-то новое, если замечу, что после Второй мировой войны американские ученые превратились в изолированную элиту. Аура секретности позволяет им закрывать глаза на гражданскую ответственность. Представители науки стали особой кастой.

До 1970-х гг. многие американские ученые даже не задумывались о важности контактов с обществом. В те старые добрые времена государство не жалело денег на науку. Эйфория закончилась в 1993 г., когда конгресс похоронил в техасских прериях сверхпроводниковый суперускоритель на встречных пучках. Стало ясно, что физики что-то делают не так.

Мы не смогли убедить налогоплательщиков - и даже многих своих коллег - в том, что на постройку сверхпроводникового ускорителя стоило потратить миллиарды. Ученые поняли: чтобы получить деньги на свои исследования, им необходимо объяснить широкой публике, зачем это нужно. Я, например, предпочитаю рассказывать людям, как прогресс науки связан с их повседневной жизнью.

SA: Вы выступаете против преподавания креационизма в школах и жестко оспариваете изменения учебного плана, предлагаемые креационистами. Вам нравится этим заниматься?

ЛК: Вовсе нет! Приятно прививать людям интерес к науке, а защищать ее от нелепых нападок - пустая трата времени и сил.

Меня пригласили после того, как несколько креационистов были назначены в Комитет стандартов обучения при министерстве образования штата Огайо. Они предложили ввести учебный курс, посвященный разумному замыслу, в котором совершенно неоправданно ставится под сомнение теория эволюции.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32675
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#100   morozov » Вт авг 05, 2008 1:58

май 2004 ? 5 "В МИРЕ НАУКИ"
Астрономия (специальный репортаж)
ЧЕТЫРЕ КЛЮЧА К КОСМОЛОГИИ
Джодж Массер

Известие об ускорении расширения Вселенной вызвало волнение и шок в среде космологов.

В 1998 г. астрономы решили узнать, с какой скоростью замедляется расширение Вселенной, а вместо этого обнаружили: оно ускоряется. Если, несмотря на всю загадочность, принять космическое ускорение как должное, то оно решает массу проблем. До сенсационного открытия оставалось непонятным несоответствие возраста, плотности и массы Вселенной. Наличие ускорения все ставит на свои места и вместе с результатами сверхточных наблюдений и новыми гипотезами выводит теорию Большого взрыва на качественно новый уровень.

Принято считать, что давным-давно произошел Большой взрыв, породивший Вселенную. Теория не сообщает никаких подробностей о первом моменте творения, оставляя этот вопрос квантовой механике и метафизике. Она лишь утверждает, что космос всегда расширялся, разрежался и охлаждался. Правильнее всего представлять Большой взрыв не как единичное событие, а как продолжающийся процесс постепенного формирования порядка из хаоса. Последние наблюдения как нельзя лучше согласуются с этой моделью...
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32675
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#101   morozov » Ср авг 06, 2008 16:40

апрель 2004 ? 4 "В МИРЕ НАУКИ"
Физика
АТОМЫ ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ
Ли Смолин

Если удивительная теория петлевой квантовой гравитации верна, то пространство и время, воспринимаемые нами как непрерывные, на самом деле состоят из дискретных частиц.

C древних времен некоторые философы и ученые предполагали, что материя может состоять из крошечных атомов, но еще 200 лет назад мало кто верил, что их существование можно доказать. Сегодня мы наблюдаем отдельные атомы и изучаем частицы, их составляющие. Зернистое строение вещества для нас уже не новость.

В последние десятилетия физики и математики задаются вопросом: не из дискретных ли частей состоит пространство? Действительно ли оно непрерывно или больше похоже на кусок ткани, сотканной из отдельных волокон? Если бы мы могли наблюдать чрезвычайно малые объекты, то увидели бы атомы пространства, неделимые мельчайшие частицы объема? А как быть со временем: плавно ли происходят изменения в природе или мир развивается крошечными скачками, действуя словно компьютер?

За последние 16 лет ученые заметно приблизились к ответам на эти вопросы. Согласно теории со странным названием "петлевая квантовая гравитация", пространство и время действительно состоят из дискретных частей. Расчеты, выполненные в рамках этой концепции, описывают простую и красивую картину, которая помогает нам объяснить загадочные явления, относящиеся к черным дырам и Большому взрыву. Но главное достоинство упомянутой теории заключается в том, что уже в ближайшем будущем ее предсказания можно будет проверить экспериментально: мы обнаружим атомы пространства, если они действительно существуют...
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32675
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#102   morozov » Чт авг 07, 2008 21:03

декабрь 2004 ? 12 "В МИРЕ НАУКИ"
БЫТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
ПОВСЕМЕСТНЫЙ ЭЙНШТЕЙН
Филип Ям

Неудивительно, что идеи Эйнштейна положены в основу самых разных научных исследований, будь то ускорение частиц до околосветовых скоростей или изучение и моделирование астрономических явлений. Однако его труды во многом способствовали и развитию технологий, без которых немыслима наша повседневная жизнь. Работы, в которых Эйнштейн описал, как свет воздействует на ча?стицы, как атомы испускают излучение и как скорость и гравитация влияют на ход времени, сыграли огромную роль в создании множества необходимых современному человеку устройств...



Изображение
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32675
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#103   morozov » Сб авг 09, 2008 0:39

октябрь 2005 ? 10 "В МИРЕ НАУКИ"
Физика
ЗАГАДKИ МАССЫ
Гордон Кейн

Физики продолжают охоту за бозоном Хиггса, который поможет убедиться в существовании одноименного поля, наделяющего массой каждую частичку Вселенной.
Изображение
Масса африканского слона (6 т) в 600 млрд. раз больше массы самого маленького муравья (0,01 мг). Примерно во столько же раз верхний кварк тяжелее нейтрино. До сих пор не понятно, почему массы элементарных частиц так сильно различаются.

Многие люди знают, что такое масса. Всем ясно, что слон больше и тяжелее муравья. Даже в отсутствие гравитации гигантский обладатель хобота имеет большую массу: его тяжелее сдвинуть с места и разогнать. Очевидно, слон более массивен, потому что состоит из значительно большего числа атомов, чем муравей. Но чем же определяются массы отдельных атомов? Что можно сказать о массе элементарных частиц, из которых они состоят? Откуда она берется?

У проблемы массы есть два независимых аспекта. Прежде всего хотелось бы понять, как вообще появляется масса. Оказывается, в ее возникновении участвуют по крайней мере три различных механизма, которые будут описаны ниже. Главную роль в физических теориях массы играет так называемое поле Хиггса, якобы пронизывающее весь реальный мир. Считается, что элементарные частицы обретают массу в результате взаимодействия с этим полем. Если оно есть на самом деле, то согласно теории должна существовать связанная с ним частица - бозон Хиггса, за которым ученые охотятся с помощью ускорителей частиц.

Кроме того, ученые хотят знать, почему различным видам элементарных частиц соответствуют строго определенные значения массы, причем самая тяжелая частица на 11 порядков массивнее самой легкой. Во столько же раз слон тяжелее самого маленького муравья.
Изображение
Массы частиц Стандартной модели отличаются на 11 порядков и возникают благодаря взаимодействию с полем Хиггса. По-видимому, существуют по крайней мере пять видов бозонов Хиггса. Поскольку их массы не известны, на иллюстрации указаны возможные значения.

Что же такое масса?

В 1687 г. Исаак Ньютон писал в своих знаменитых "Началах": "масса есть мера вещества, устанавливаемая пропорционально плотности и объему его". Такое базовое определение вполне устраивало ученых в течение двух веков. Они понимали, что наука сначала должна описать, как действуют законы природы, а уж потом разбираться, почему все происходит именно так, а не иначе. В последние годы актуальным для физиков стал вопрос "почему существует масса?". Понимание значения и происхождения массы дополнит и расширит Стандартную модель физики элементарных частиц, которая описывает их взаимодействия. Это также поможет разрешить загадку темного вещества, которое составляет около 25% Вселенной.

Современные представления о массе гораздо сложнее, чем определение Ньютона, и базируются на Стандартной модели. В ее основе лежит математическая функция, которая называется лагранжианом и показывает, как взаимодействуют различные частицы. Следуя правилам релятивистской квантовой теории, с помощью лагранжиана физики могут рассчитать поведение элементарных частиц и, в частности, описать, как они образуют протоны и нейтроны. И к элементарным, и к составным частицам применимо уравнение F=ma, связывающее силу, массу и приобретаемое ею ускорение. Функция Лагранжа помогает нам вычислить значение, которое следует использовать в качестве m, т.е. массу частицы. Но она входит не только во Второй закон Ньютона. Например, согласно частной теории относительности, не имеющие массы частицы в вакууме движутся со скоростью света, а частицы с массой движутся медленнее, причем, зная массу, можно рассчитать их скорость. Более того, гравитация действует на массу абсолютно так же, как на эквивалентную ей энергию. Величина m, рассчитанная с помощью лагранжиана, идеально подходит на роль массы во всех без исключения физических уравнениях.

Фундаментальные частицы имеют строго определенную массу покоя (частицы с нулевой массой покоя называются безмассовыми). Полная масса сложной частицы состоит из суммы масс покоя составляющих ее частиц, а также их кинетической энергии движения и потенциальной энергии взаимодействия. Связь энергии и массы описывается известным уравнением Эйнштейна: E=mc2, где с - скорость света.

Примером энергии, дающей вклад в массу, может быть хорошо знакомый нам вид вещества - протоны и нейтроны, из которых состоят атомные ядра. Эти частицы составляют 4-5% массы и энергии Вселенной (см. врезку ниже). Согласно Стандартной модели, протоны и нейтроны образованы кварками, которые связаны между собой безмассовыми глюонами. Хотя элементы каждого протона кружат в непрерывном вальсе, мы видим его как единый объект со свойственной ему массой, которая равна сумме масс и энергий составляющих его элементарных частиц.

Из уравнений Стандартной модели следует, что почти вся масса протонов и нейтронов обусловлена кинетической энергией кварков и глюонов (остальное - массы покоя кварков). Таким образом, 4-5% всей Вселенной или почти все знакомое нам вещество состоит из энергии движения кварков и глюонов в протонах и нейтронах.
СВОЙСТВА НЕУЛОВИМОЙ ЧАСТИЦЫ ХИГГСА
КАК ПОЛЕ ХИГГСА СОЗДАЕТ МАССУ
Изображение
"Пустое" пространство, заполненное полем Хиггса, похоже на пляж, полный детей. Частица, пересекающая область пространства, похожа на продавца мороженого. Дети окружают тележку с мороженым и замедляют ее движение. В результате она приобретает "массу".

ПРОНИЗЫВАЯ РЕАЛЬНОСТЬ
Энергия обычных полей (например электромагнитное) минимальна при нулевой напряженности поля (слева). Вселенная напоминает шар, который скатывается и останавливается на дне впадины, где напряженность равна нулю. Энергия поля Хиггса минимальна при напряженности поля, отличной от нуля (справа). Таким образом, в состоянии с наименьшей энергией Вселенная пронизана полем Хиггса.
Изображение
ПОРОЖДЕНИЕ ДВУХ ЯВЛЕНИЙ
Два различных явления - приобретение массы частицей (сверху) и возникновение бозона Хиггса (снизу) - вызваны одним и тем же взаимодействием. Этот факт будет использован при экспериментальной проверке механизма Хиггса.
Изображение
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С ДРУГИМИ ЧАСТИЦАМИ
Диаграммы Фейнмана изображают взаимодействие бозона Хиггса с другими частицами. Диаграмма a представляет испускание или поглощение бозона Хиггса частицей типа кварка или электрона. На диаграмме b показан соответствующий процесс для W- или Z-бозона.
Изображение
W- и Z-бозоны также могут одновременно взаимодействовать с двумя бозонами Хиггса, как показано на диаграмме c, которая изображает также W- или Z-рассеяние бозона Хиггса (грубо говоря, столкновение с ним). Взаимодействия, представленные диаграммами a, b и c, отвечают за возникновение масс частиц. Кроме того, бозоны Хиггса взаимодействует сами с собой (см. d и e). Можно изобразить и более сложные процессы, соединяя вместе копии элементарных диаграмм. Взаимодействия, изображенные на диаграммах d и e, отвечают за форму графа энергии (см. сверху слева).

Механизм Хиггса

В отличие от протонов и нейтронов такие элементарные частицы, как кварки и электроны, неделимы. Откуда у них берутся массы покоя - главная загадка происхождения массы. Согласно современной физической теории, массы фундаментальных частиц являются результатом их взаимодействия с полем Хиггса. Но почему это поле присутствует всюду во Вселенной? Почему в космических масштабах его напряженность не равна нулю, как у электромагнитного поля? Что такое поле Хиггса?

Поле Хиггса - это квантовое поле. Здесь нет ничего удивительного: все элементарные частицы представляют собой кванты соответствующих квантовых полей. Электромагнитное поле тоже является квантовым, а соответствующая ему элементарная частица - фотон. Так что поле Хиггса в какой-то мере не более загадочно, чем электроны и свет. И все же есть у него три особенности.

Первая из них чисто "техническая". Все поля характеризуются так называемым спином, т.е. определенной величиной углового момента соответствующих частиц. Например, у электронов он составляет 1/2, а у большинства частиц, связанных со взаимодействиями (скажем, у фотонов), равен 1. Спин бозона Хиггса равен нулю, поэтому одноименное поле может входить в лагранжиан необычными способами, что, в свою очередь, обусловливает остальные его особенности.

Второе уникальное свойство поля Хиггса позволяет объяснить, почему его напряженность всюду отлична от нуля. Любая система, включая Вселенную в целом, стремится к состоянию с самой низкой энергией, словно шар, скатывающийся на дно впадины. Для обычных полей наподобие электромагнитного самое низкое энергетическое состояние соответствует нулевой напряженности поля, т.е. его отсутствию. Если же поле отлично от нуля, то содержащаяся в нем энергия увеличивает общую энергию системы. Однако в случае поля Хиггса энергия Вселенной минимальна, когда его напряженность не равна нулю. Таким образом, для обычных полей дно впадины соответствует нулевой напряженности; для поля Хиггса в центре впадины (при нулевой напряженности) имеется пригорок, а самые низкие точки образуют ров (см. выше). Подобно шару, Вселенная "скатывается" в круговое углубление, которое соответствует ненулевому полю. Поэтому в естественном состоянии с самой низкой энергией Вселенная повсюду пронизана полем Хиггса.

Последняя отличительная черта поля Хиггса связана с особенностями его взаимодействия с другими частицами. Они ведут себя так, будто имеют массу, пропорциональную напряженности поля, умноженной на силу взаимодействия. Массы связаны с теми членами лагранжиана, которые относятся к частицам, взаимодействующим с полем Хиггса.

Однако пока мы не можем точно сказать, сколько существует видов полей Хиггса. Хотя Стандартная модель требует, чтобы все массы элементарных частиц были обусловлены одним полем Хиггса, настало время заменить ее более полной теорией. Главные претенденты на роль последней - расширения Стандартной модели, известные как Суперсимметричные стандартные модели (ССМ). В них каждая частица Стандартной модели имеет так называемого суперпартнера (пока еще не обнаруженного) с тесно связанными свойствами (см. "Заря новой эры", "В мире науки", ?9, 2003 г.). В ССМ необходимы по крайней мере два различных вида полей Хиггса, взаимодействие с которыми наделяет каждую частицу Стандартной модели массой. Эти поля также придают часть массы (но не всю) суперпартнерам. Два поля Хиггса приводят к пяти разновидностям бозонов Хиггса: три из них электрически нейтральны и два заряжены. Массы нейтрино очень малы по сравнению с массами других частиц и могут возникать из этих взаимодействий косвенно или быть связанными с еще одним, третьим видом поля Хиггса.

У теоретиков есть несколько причин считать, что ССМ-картина взаимодействий Хиггса окажется правильной. Во-первых, без механизма Хиггса W- и Z-бозоны, которые являются посредниками в слабых взаимодействиях, были бы безмассовыми, как фотон (с которым они связаны), и слабое взаимодействие было бы таким же сильным, как электромагнитное. Согласно теории, механизм Хиггса придает массу W- и Z-бозонам весьма специфическим образом. Предсказания, основанные на этом положении (например, отношения масс W- и Z-бозонов) были подтверждены экспериментально.

Во-вторых, все другие аспекты Стандартной модели были хорошо проверены, а в столь подробной, взаимосвязанной теории трудно изменить одну часть (например, поле Хиггса), не затрагивая остальное. Например, результат измерений свойств W- и Z-бозонов привел к точному предсказанию массы верхнего кварка задолго до того, как он был получен экспериментально. Если бы механизм Хиггса был другим, это и другие предсказания оказались бы неверными.

В-третьих, механизм Хиггса идеально подходит для объяснения происхождения масс всех частиц Стандартной модели, W- и Z-бозонов, а также кварков и лептонов. Альтернативным теориям это, как правило, не удается. Кроме того, ССМ предлагает структуру, позволяющую выработать единое понимание всех сил природы. Наконец, ССМ помогает объяснить, почему энергетическая впадина для Вселенной имеет форму, необходимую для механизма Хиггса. В базовой Стандартной модели форму впадины необходимо ввести как постулат, тогда как в ССМ она выводится математически.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32675
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#104   morozov » Сб авг 09, 2008 0:42

КОСМИЧЕСКАЯ ИНВЕНТАРИЗАЦИЯ
Теория поля Хиггса объясняет, как элементарные частицы, наименьшие "кирпичики" Вселенной, приобретают массу. Но механизм Хиггса - не единственный источник массы-энергии во Вселенной (понятие "масса-энергия" объединяет массу и энергию, которые связаны формулой Эйнштейна E = mc2).

Приблизительно 70% массы-энергии Вселенной сосредоточено в так называемой темной энергии, которая непосредственно не связана с частицами. Главный признак существования темной энергии - ускорение расширения Вселенной. Природа темной энергии - один из самых сложных вопросов современной физики (см. "Космическая загадка", "В мире науки", ?12, 2004 г.).

Остальные 30% массы-энергии Вселенной существуют в виде вещества, частиц с массой. Самый знакомый вид вещества - протоны, нейтроны и электроны. Из них состоит примерно одна шестая всего вещества, т.е. 4-5% всей Вселенной. Бо'льшая часть этой массы обусловлена энергией движения кварков и глюонов, кружащихся внутри протонов и нейтронов.
Изображение
Меньший вклад в вещество Вселенной вносят нейтрино, которые образуют три группы и имеют чрезвычайно маленькую массу. Абсолютные массы нейтрино еще не измерены, но, по имеющимся данным, их верхний предел не превышает 0,5% массы Вселенной.

Оставшиеся 25% массы-энергии Вселенной составляет невидимое нам темное вещество (темная материя), о существовании которого свидетельствует его гравитационное влияния на наблюдаемые нами объекты. Пока неизвестно, что представляет собой темное вещество, но уже есть хорошие кандидаты на его роль, а эксперименты по проверке различных теорий идут полным ходом (см. "Поиски темного вещества", "В мире науки", ?7, 2003 г.). Темное вещество должно быть построено из массивных частиц, потому что под действием сил тяготения оно образует сгустки размером с галактику. Разнообразие доводов позволяет нам заключить, что темное вещество не может состоять из обычных частиц Стандартной модели.

Главный претендент на звание частицы темного вещества - самый легкий суперпартнер (ЛСП). Он появляется в расширениях Стандартной модели, называемых Суперсимметричными Стандартными моделями (ССМ). Судя по всему, масса ЛСП приблизительно равна 100 массам протона.
Изображение
Проверка теории

Естественно, физики хотят убедиться, что масса является результатом взаимодействия с различными полями Хиггса. Можно проверить три ключевые особенности. Во-первых, следует поискать бозоны Хиггса: если их не существует, то объяснение нельзя считать правильным. Сейчас физики ищут бозоны Хиггса на Теватрон-коллайдере в Национальной лаборатории Ферми.

Во-вторых, как только бозоны Хиггса будут обнаружены, мы сможем наблюдать, как они взаимодействуют с другими частицами. Свойства таких взаимодействий задаются членами лагранжиана, определяющими массы частиц. Поэтому их наличие можно проверить экспериментально, т.к. силы взаимодействия и массы частиц однозначно связаны.

В-третьих, различным наборам полей Хиггса, появляющимся в Стандартной модели и ССМ, должны соответствовать разные наборы бозонов с уникальными свойствами. Ученым требуются коллайдеры, обеспечивающие достаточную энергию столкновений, чтобы получить различные бозоны Хиггса, и достаточную интенсивность, чтобы создавать их в больших количествах. Кроме того, они должны быть оснащены очень хорошими детекторами для анализа получающихся в результате частиц.

Поиск осложняется тем, что приходится исследовать широкий диапазон масс, поскольку мы пока не можем точно сказать, какие массы должны быть у бозонов Хиггса. Теоретические рассуждения и анализ экспериментальных данных позволяют лишь грубо оценить, какой массы следует ожидать.

Ученые могли обнаружить бозоны Хиггса, которые должны быть как минимум в 120 раз тяжелее протона, на Большом электронно-позитронном коллайдере (LEP) в CERN. Однако их так и не удалось зарегистрировать. Перед закрытием LEP в 2000 г. на пределе энергии и интенсивности было получено косвенное подтверждение существования бозона Хиггса: исследователи провели множество точных измерений, результаты которых дополнили сведения, собранные на Теватроне и на коллайдере в Стэнфордском центре линейных ускорителей. Весь набор данных хорошо согласуется с теорией только в том случае, если учитываются некоторые взаимодействия частиц с самым легким бозоном Хиггса, и если он не тяжелее 200 масс протона. Таким образом, мы получаем верхний предел массы бозона, что помогает сократить диапазон поисков.

В ближайшие несколько лет единственным коллайдером, который мог бы дать прямое подтверждение существования бозонов Хиггса, будет Теватрон. Энергии столкновений в нем будет достаточно, чтобы обнаружить бозон Хиггса, если удастся достигнуть требуемой интенсивности луча. На 2007 г. запланирован сбор данных на Большом адронном коллайдере (LHC) в CERN, энергия которого в семь раз выше и который рассчитан на гораздо большую интенсивность, чем Теватрон. Ожидается, что он станет фабрикой бозонов Хиггса и будет производить множество частиц в день. Если LHC будет работать как запланировано, то сбор нужных данных и их интерпретация займут пару лет. Для проведения экспериментов, которые позволят окончательно убедиться в том, что масса обусловлена взаимодействием с полями Хиггса, потребуется новый электронно-позитронный коллайдер в дополнение к LHC (в котором сталкиваются протоны) и Теватрону (в котором сталкиваются протоны с антипротонами).

Темное вещество

Наблюдения за бозонами Хиггса не только позволят разобраться в происхождении массы, но и помогут разгадать загадку темной материи. Ключевой частицей ССМ-теорий, связанной с темной материей, является легчайший суперпартнер (ЛСП). Большинство суперпартнеров быстро распадается на суперпартнеры с меньшей массой, причем цепь распадов заканчивается ЛСП, который устойчив, т.к. не существует более легких частиц, на которые он мог бы распасться. (Суперпартнер не может распасться только на частицы Стандартной модели; по крайней мере один из продуктов распада должен быть суперпартнером.) Частицы-суперпартнеры должны были возникнуть на раннем этапе Большого взрыва, но затем быстро распасться до ЛСП, претендующего на звание основы темной материи.

Бозоны Хиггса также могут непосредственно влиять на количество темной материи во Вселенной. Мы знаем, что количество ЛСП сегодня должно быть меньше, чем сразу после Большого Взрыва, потому что некоторые из них могли столкнуться и аннигилировать в кварки, лептоны и фотоны, а скорость аннигиляции могла быть больше для ЛСП, взаимодействующих с бозонами Хиггса.

Как было упомянуто выше, два основных ССМ-поля Хиггса дают массу частицам Стандартной модели и часть массы таким суперпартнерам, как ЛСП. Остальную массу они приобретают через дополнительные взаимодействия с другими полями Хиггса или их аналогами. В общих чертах теоретические модели этих процессов уже разработаны, но подробности мы не узнаем, пока не соберем информацию о самих суперпартнерах. Ожидается, что такие данные будут получены на LHC или даже на Теватроне.

Массы нейтрино также могут быть результатом взаимодействий с дополнительными полями Хиггса. Раньше считалось, что нейтрино не имеют массы, но в 1979 г. теоретики предсказали, что они все-таки обладают чрезвычайно малой массой, а за прошлое десятилетие несколько серьезных экспериментов подтвердили эти предсказания (см. "Разгадка тайны солнечных нейтрино", "В мире науки", ?9, 2003 г.). Нейтрино в миллион раз легче электрона, занимающего второе место среди самых легких частиц. Поскольку они электрически нейтральны, теоретически описать возникновение их масс сложнее, чем в случае заряженных частиц. В массу каждого вида нейтрино вносят вклад несколько процессов, и по техническим причинам фактическое ее значение получается из решения уравнения, а не просто путем сложения членов.

Таким образом, мы разобрали три пути появления массы: основной, хорошо знакомый нам вид массы (масса протонов, нейтронов, а значит, и атомов) обусловлен движением кварков, составляющих протоны и нейтроны. Масса протона была бы примерно такой же даже без поля Хиггса. Однако массы кварков и электронов полностью обусловлены полем Хиггса: без него они были бы раны нулю. И, наконец, бо'льшая часть массы суперпартнеров, а значит, и масса частиц темной материи, если она действительно состоит из легчайших суперпартнеров, обусловлена дополнительными взаимодействиями.

В заключение рассмотрим проблему семейств частиц. За последние полвека физики показали, что мир, который мы видим, построен всего из шести частиц: три частицы вещества (верхние кварки, нижние кварки и электроны), два кванта, создающих силы взаимодействий (фотоны и глюоны), и бозоны Хиггса - замечательное и удивительно простое описание. Однако известны еще четыре кварка, две частицы, подобные электрону, и три вида нейтрино. Все они очень короткоживущие или слабо взаимодействующие с другими шестью частицами. Итак, различают три семейства: 1) верхний (u) и нижний (d) кварки, электронное нейтрино, электрон; 2) очарованный (c) и странный (s) кварки, мюонное нейтрино, мюон; 3) истинный (t) и красивый (b) кварки, тау-нейтрино, тау-лептон. Взаимодействия частиц каждого из семейств идентичны и отличаются только тем, что во втором семействе они сильнее, чем в первом, а в третьем - сильнее, чем во втором. Поскольку массы частиц обусловлены полем Хиггса, частицы должны взаимодействовать с ним по-разному.

Следовательно, проблема семейств связана с двумя вопросами. Зачем существуют три семейства, если кажется, что одного вполне хватает для описания видимого нами мира? Почему частицы разных семейств отличаются по массе и имеют именно те массы, которые у них есть? Нет ничего удивительного в том, что физики пытаются понять, почему в природе имеются три почти идентичных семейства частиц. Они хотят до конца разобраться в законах природы, основных ее частицах и силах. Нам нужна теория, в которой все частицы и отношения их масс появляются без каких-либо предварительных предположений о величине масс и без подгонки параметров. Если наличие трех семейств существенно, то это - ключ, значение которого пока не осознано.
Изображение
Возможно, что при столкновении позитрона высокой энергии и электрона в детекторе L3 Большого Электрон-Позитронного Коллайдера (LEP) в CERN возник бозон Хиггса. Линии представляют следы частиц. Зеленые и фиолетовые капли и золотые гистограммы изображают количества энергии, поглощенной в слоях детектора от улетающих из реакции частиц. Только объединяя множество таких событий, физики могут заключить, присутствовали ли бозоны Хиггса в некоторых из реакций или все события были произведены другими реакциями, которые лишь имитировали сигналы от бозонов Хиггса.

Резюме

Стандартная модель и ССМ могут принять наблюдаемую структуру семейств, но не могут объяснить ее. Утверждается не то, что ССМ еще не объяснила структуру семейства, а то, что она вообще не может этого сделать. Ценность теории струн не в том, что она может предложить квантовую теорию всех сил, а в том, что она может объяснить, что такое элементарные частицы, почему существуют три семейства и почему разные семейства по-разному взаимодействуют с полем Хиггса. Она допускает возникновение повторяющихся семейств, которые не будут идентичны. Их различия описываются свойствами, не затрагивающими сильные, слабые, электромагнитные и гравитационные силы, но влияющими на взаимодействие с полями Хиггса и соответствующими трем семействам с различными массами. Теория струн допускает много различных структур семейств, и пока никто не знает, почему природа выбрала наблюдаемую нами, а не какую-нибудь другую (см. "Ландшафт теории струн", "В мире науки", ?12, 2004 г.). Данные о массах кварка, лептона и их суперпартнеров помогут нам глубже проработать теорию струн.

Прошло немало времени, прежде чем ученые начали разбираться в природе массы. Без Стандартной модели физики элементарных частиц и развития квантовой теории поля для описания частиц и их взаимодействий физики не могли даже правильно сформулировать вопросы. И хотя происхождение и величины масс пока остаются загадкой, структура, необходимая для их понимания, похоже, уже найдена. Феномен массы невозможно было осмыслить до появления Стандартной модели, ССМ и теории струн. Пока не ясно, дадут ли они исчерпывающие ответы. Так или иначе, масса стала обычной темой исследований в физике частиц.

ОБЗОР: ФИЗИКА ПОЛЕЙ ХИГГСА
# Масса - привычное свойство вещества, но для ученых она во многих отношениях остается загадкой. Прежде всего - как элементарные частицы приобретают массу и почему ее значение у каждой из них строго определено?
# Ответы на эти вопросы помогут теоретикам завершить и расширить Стандартную модель физики элементарных частиц, которая описывает фундаментальные законы природы. Расширенная Стандартная модель поможет разгадать загадку темного вещества, которое составляет приблизительно 25% Вселенной.
# Согласно теории, элементарные частицы приобретают массу, взаимодействуя с квантовым полем Хиггса, пронизывающим всю Вселенную. Эксперименты на ускорителях частиц помогут ученым убедиться в существовании этого поля.

ОБ АВТОРЕ:
Гордон Кейн (Gordon Kane) - специалист по теории элементарных частиц, лауреат премии Вайскопфа, профессор физики Мичиганского университета. Он изучает способы проверки и расширения Стандартной модели физики частиц. Кейн занимается физикой полей Хиггса и суперсимметричным расширением Стандартной модели, а также сопоставлением теоретических и экспериментальных космологических данных.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32675
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Номер сообщения:#105   morozov » Вс авг 10, 2008 11:32

Квантованные перемещения
1 марта 2005

В Бостонском университете выполнен эксперимент, в котором наблюдались колебания микроскопического кремниевого рычага между дискретными квантовомеханическими положениями. Экспериментальный образец был изготовлен литографическим методом и помещен в магнитное поле. Протекание через рычаг переменного электрического тока вызывало его колебания с частотой около 1ГГц. Это максимальная частота колебаний макроскопического объекта, достигнутая экспериментально. При достаточно большой температуре рычаг вел себя как классический объект, обладающий непрерывным набором пространственных положений. Однако при температуре порядка 1мК возможные перемещения рычага становились дискретными. Источник: Physics News Update, Number 702
Новые молекулы-эксиплексы
1 марта 2005

Эксиплексами называют молекулы, которые устойчивы лишь в возбужденном электронном состоянии. Подобные молекулы, состоящие из атома цезия и двух атомов гелия, были впервые обнаружены в 1995 г. Они наблюдались в жидком гелии, на поверхности нанокапель и в холодном газе. Если возбужденный атом цезия переходил в основное состояние, то молекула распадалась. П.Морошкин и его коллеги из университета г.Фрибур (Швейцария) впервые обнаружили эксиплексы в образце твердого гелия, причем количество атомов гелия, связанных с атомом цезия, достигало семи. Твердый гелий-4 допировался атомами цезия при температуре 1.5К и давлении 31.6 атмосфер. Атомы в образце возбуждались лазерным светом, и регистрировался спектр излучения при флюоресценции. В дальней инфракрасной области спектра обнаружены особенности, отвечающие связанным молекулярным состояниям. Первая особенность соответствовала эксиплексам, наблюдавшимся ранее в жидком гелии. Вторая особенность производилась новыми молекулами, состоящими из семи атомов гелия, образующих кольцеобразную структуру вокруг атома цезия. Источник: Phys. Rev. Lett. 94 063001 (2005)
Ультракороткие лазерные импульсы
1 марта 2005

S. Harris и его коллеги из Стэнфордского университета создали источник ультракоротких лазерных импульсов оптического (длина волны 650нм) диапазона. Импульсы имеют рекордно малую продолжительность 1.6фс, что соответствует всего 0.8 циклам колебаний. Свет сапфирового лазера при пропускании через газообразный дейтерий расщеплялся на гармоники. С помощью жидкокристаллического модулятора изменялись фазы гармоник. Затем луч пропускался через газообразный ксенон. В результате нелинейного преобразования возникала последовательность импульсов длительностью по 1.6фс, разделенных интервалами 11фс. Путем изменения величины сдвига фаз удавалось создавать импульсы с различным временным профилем. Источник: Phys. Rev. Lett. 94 033904 (2005)
Органические фотодиоды и фуллерены
1 марта 2005

Исследователи из Южной Кореи обнаружили, что характеристики органических фотодиодов (LED) значительно улучшаются при допировании их молекулами фуллеренов C60. Органический фотодиод состоит из слоя органического вещества, заключенного между контактами, которые инжектируют в него электроны и дырки. Излучение генерируется в процессе рекомбинации экситонов (связанной пары электрона и дырки). Допирование органического слоя изменяет подвижность зарядов. J.Y.Lee и J.H.Kwon установили, что допирование фуллеренами в количестве 3% увеличивает подвижность дырок в пять раз, что ведет к повышению светимости фотодиода на 30% и к увеличению срока его службы в два раза. Источник: Appl. Phys. Lett. 86 063514 (2005)
Барионы во Вселенной
1 марта 2005

Согласно современным представлениям 95% массы Вселенной находится в форме темной материи и темной энергии (или квинтэссенции), природа которых неизвестна. Остальные 5% заключены в обычной материи - барионах. Лишь половина барионов в форме звезд и газа непосредственно наблюдаются, а остальные барионы до последнего времени зарегистрировать не удавалось. Данная проблема, возможно, решена с помощью новых наблюдений космического рентгеновского телескопа Чандра. В спектре излучения активной галактики Маркарян 421 обнаружены линии поглощения кислорода и азота двух межгалактических облаков газа, находящихся на расстоянии 150 и 380 миллионов световых лет от Земли. Вероятно, в подобных межгалактических облаках и заключена недостающая барионная материя. Источник: Nature 433 495 (2005)
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Ответить

Вернуться в «Дискуссионный клуб / Debating-Society»