Мне встречались самые разные источники научно-популярного характера, которые утверждали, чтоподтверждение возможности квантовой телепортации открывает перед нами дорогу и к полноценной возможности перемещения материи в пространстве. Но тут примерно как с квантовыми компьютерами. Не понял о чём, зато есть слово "квантовый"!
Увы, то, что на самом деле называется квантовой телепортациейне имеет никакого отношенияк телепортации объекта, как это было, например, в фильме "Муха".
Добрейшего денечка!
В обычном случае речь идёт о том, что тем или иным (пока ещё не ясно каким) способом мы переносим объект из точки А с определенными координатами в пространстве в точку Б с другими координатами. При этом в одной точки этот материальный объект пропадает, а в другой появляется.
Когда же мы говорим о квантовой телепортации, то всё значительно интереснее. Вспомните как ведёт себя квантовая запутанность. Это странная связь между частицами, которая заставляет одну частиц мгновенно копировать состояние другой частицы. Как это происходит не совсем ясно, зато известно, что насколько не растащи эти частицы друг от друга, они останутся в связанном состоянии.
Телепортация из портала
Теперь представьте, что мы взяли одну такую частицу и умышленно разносим её с основной. Один из способов, который позволяет это сделать - это двигать частичку по волноводу. Получается, что мы искусственно увеличиваем расстояние между частицами, которые остаются запутанными.
Для того, чтобы толкать частичку внутри "провода" используется концентрированный поток энергии или лазер. Если удастся не разрушить связь и сохранить состояние запутанности, то на выходе мы будем иметь две частицы, искусственно разнесенные друг относительно друга.
Процесс перемещения одной из запутанных частиц в системе (при условии сохранения состояния запутанности) и называется квантовой телепортацией. Это не та телепортация, что мы хотим увидеть. Мы работаем с совсем другим физическим процессом. По сути если описать это просто, то квантовая телепортация - этоспособ увеличения расстояния между запутанными объектами.
Сегодня такая методика может рассматриваться лишь как способ обмена информацией и вариант шифрования. В дальнейшем где-то очень глубоко в теории можно предположить, что подобным образом мы сможем передавать частички некоторого материального объекта. Запутав две частицы друг с другом мы, по сути дела, сделаем нечто типа её эквивалента. Гипотетически, если мы перенесем такую частицу в другую точку, то организовав передачу всех составляющих материи мы сможем создать там новое тело, соответствующее исходному.
Впрочем, это никак не решает базовый вопрос. Мы перенесем частицы и соберем из них как будто бы такое же тело. Но где гарантии, что это будет именно такое же тело? Это будет копия или клон, а ещё сохранится и исходный образец. В этой связи мы можем полагать, что получимчто-то из фильм Престиж.
У Теслы как всегда всё искрит во все стороны
Если помните, главный герой с помощью Николы Теслы смог реализовать фокус с телепортацией. Вот только никакой телепортации не было. Система, собранная Теслой, плодила копии и клоны. Каждый клон после фокус сбрасывался в аквариум с водой и там топился. В некоторой степени таковым будет результат работы квантовой телепортации.Кристофер Ноланкакобычно показал великолепную проработку, правда открытым остался вопрос относительно личности клона. Мы как раз-таки его и затронули. Кто из двух человек - клон или оригинал - будет обладать обладать сознанием героя? Оба? Один? А что чувствует второй.
Так или иначе, это лучший пример того, как может повести себя квантовая телепортация применительно к перемещению объектов.
Эту увлекательную беседу мы начнём с того, что обратимся к стандартному пониманию суперпозиции в обычной физике.
Обычная суперпозиция
В стандартном случаепринцип суперпозиции означает, что если у вас есть несколько решений некоторого уравнения, описывающего физическую систему, то любая линейная комбинация этих решений также будет решением этого уравнения.
Звучит довольно путанно, но поможет простой пример. Представьте себе, что вы бросаете два камня в пруд. Каждый камень создает механические волны на поверхности воды. В тех местах, где волны от разных камней встречаются, они накладываются друг на друга (суперпозиционируются) или...если ещё проще...Складываются.
Можно смело сказать, что итоговая волна, которую вы видите на поверхности пруда, является результатом суперпозиции волн от каждого камня. Это линейная суперпозиция, потому что амплитуда результирующей волны в каждой точке является суммой амплитуд волн от каждого источника. Ну и важно отметить, что складывается оно по всем правилам математической обработки результата - плюс складывается с минусом, учитывается направление вектора и так далее. Некоторые почему-то притягивают сюда логику абсолютного значения.
И тут всё хорошо и логично. Но потом мы сталкиваемся с квантовой физикой. Там естьквантовая суперпозиция.
Определение квантовой суперпозиции и примеры
Это совсем другое понятие, хотя логика суммирования тоже может к нему применяться. Нам важно понимать что это такое, потому чтосуперпозиция - это база для всей квантовой механики.
Начнём с примера. Процитирую, пожалуй, классическое представление проблемы и не менее классический пример.
Представьте, что у вас есть монетка, которая крутится в воздухе. Пока она не упала, нельзя сказать, орёл там или решка – она как бы “и то, и другое сразу”. Вот это и есть квантовая суперпозиция!
В квантовой физике частицы (например, электроны) могут находиться в нескольких состояниях одновременно (например, иметь разный спин или энергию).Пока мы не измерили, в каком именно состоянии частица, она находится в “суперпозиции” всех возможных состояний. Только в момент измерения частица “выбирает” одно конкретное состояние.
Суперпозиция - это как “квантовая неопределенность” до момента наблюдения.
Осознать это в здравом уме не так-то и просто.
Кот Шрёдингера как пример безумия
Вот и Шрёдингер подумал, что это какой-то бред и привёл легендарный пример с котом. Да, я не устаю напоминать, что кот Шрёдингера был примером того, что квантовая физика - это безумие. Но в историю, как это часто бывает с событиями, он вошёл как милое животное, которое и живое и мёртвое.
Он предложил мысленный эксперимент. В закрытом ящике следует расположить кота и флакон с ядом. Флакон с ядом может быть разрушен, а зависит это от системы срабатывания, которая зависит от вероятности распада частицы. Мы умышленно подбираем такой вариант, когда это фифти-фифти или 50 на 50. Мы сможем узнать, что именно случилось с котом только в том случае, когда откроем ящик. Но до того момента кот сразу и живой, и мёртвый с равно вероятностью. Эксперимент иллюстрирует сразу и эффект наблюдателя, и состояние квантовой суперпозиции.
Квантовую позицию не представить в здравом уме
А теперь прочитайте это ещё раз и попробуйте перенести состояние фифти-фифти на обычную жизнь. Не получается? Именно так!Всё потому, что между квантовой физикой и физикой стандартной (которая нами легко воспринимается) существует серьезный барьер.
По сути любое квантовое событие рассматривается именно как кот в закрытом ящике. Я много раз поднимал эти темы на канале.
Состояние любой квантовой системыописывается квантовой или волновой функцией. Это база. И она не имеет определенного описания конкретного варианта или состояния системы.
Мы получаем результат только в случае наблюдения (парадокс наблюдателя). По сути дела это можно перефразировать, что конкретное состояние из множества вариантов проявляет себя только в момент взаимодействия с системой (это детектирование или что-то аналогичное). Такое взаимодействие принятоназывать коллапсом волновой функции.
И тут целая вереница интересных размышлений и разбора сопутствующих проблем (например про варианты, которые были у системы или про скрытые параметры). Но не будем пока отвлекаться. Всё это интересно, однако нам нужно познать квантовую суперпозицию.
Квантовая суперпозиция - это МАТЕМАТИКА
Очень важно осознать, что квантовая физика отталкивается от математики. Переносить туда знания о макромире не то, чтобы сильно правильно.
Квантовая суперпозиция - это математика и только потом попытка наложить её на физику.
Для того, чтобы в должной мере понимать проблему, полезно изучать историю физики. Но я упрощу вам задачу и сделаю это за вас. Вывод там один -почти все квантовые явления начинаются с математического анализа. Это не физика, в которой встречается математика, это математика, которую потом пытаются найти в реальности и даже частенько находят.
Пример наблюдения квантовой функции в реальности
Вот, например, в 1993 году Дон Эйглер и его коллеги из лаборатории IBM Almanden в Сан-Хосе придумали способ реализовать студенческую задачу про частицу в ящике в реальной жизни. Это как раз способ моделирования суперпозиции.
Используя методы манипуляции отдельными атомами (ранее использовавшиеся для написания «IBM» атомами на металлической поверхности и про это было на канале), Эйглер и его команда поместили 48 атомов железа на медный лист таким образом, чтобы образовать твердую стенку радиусом 7,1 нанометра. Затем они инжектировали электроны в эту яму. Используя сканирующий туннельный микроскоп, который может улавливать отдельные электроны с поверхности, они измерили плотность электронов в разных точках загона.
При разных уровнях заполнения загона электронами они могли визуализировать плотности электронов, связанные с отдельными волновыми функциями в загоне. Вы можете прочитать об этом в их оригинальной статье в журнале Science: Crommie, Lutz, and Eigler, Science 262, 218 (1993).
По сути это наблюдение загадочной волновой функции на практике, где электроны вели себя согласно расчёту.
Получается, что как-то доходчиво представить математическую суперпозицию в терминах стандартной физики очень сложно. Механику сюда не притянуть. Лучшим примером остаётся монетка в воздухе, но и тут не всё так просто.
В классической механике объекты всегда имеют определенные значения своих свойств (например, положение или скорость). Суперпозиция просто описывает, как комбинируютсязначенияэтих свойств от разных источников.
В квантовой механике, как мы уже обсуждали, суперпозиция означает, что объектне имеет определенного значениясвойства до момента измерения. Он находится в “смеси” всех возможных значений. Это принципиальное отличие, которое делает квантовую суперпозицию гораздо более загадочной и контринтуитивной, чем классическую.
Это говорит лишь о том, что не зря квантовые системы отталкиваются от математики, накладывая расчётные состояния на реальность. И можно было бы плеваться и говорить, что это не настоящая физика, но примеров, когда это работает успешно, вполне хватает. Например, в вашем устройстве, на котором вы сейчас читаете текст, есть транзисторы с квантовым туннелированием и это работает.
Дальше нам остаётся спорить про выбор конкретных состояний или про существование истинной случайности, про хаос или детерминированную, но сложную математическую модель и про то, что происходит при детектировании частицы в опыте Юнга. Но это уже совсем другая история.
Инженеры помещают замедлитель между столбиками топлива и повышают эффективность цепной реакции. Для реакторов, в которых теплоносителем выступает вода, она же служит замедлителем нейтронов.
Ну а захват «лишнего» нейтрона атомным ядром приводит к его превращению в изотоп. Например, уран-238 становится ураном-239. Поскольку в новом ядре соотношение протонов и нейтронов становится иным, его стабильность почти всегда существенно ниже, чем у изначального атома. В зависимости от того, какое топливо используется в реакторе, захват нейтрона может быть как полезным явлением, так и вредным. Комбинируя замедлители и отражатели нейтронов, активную зону конфигурируют так, чтобы в ней преобладали нейтроны нужных энергий.
Кроме ядерных реакций деления, в атомных реакторах постоянно идут процессы распада. Фактически почти все, что находится в топливных таблетках, радиоактивно: само топливо, продукты распада, ионизированные и подвергшиеся нейтронной бомбардировке материалы связующего для топлива. Это приводит к постоянному потоку альфа- и бета-частиц, гамма-квантов, а в особо редких случаях — непосредственно осколков деления.
Подытоживая все происходящее в реакторе, стоит выделить наиболее критические факторы, определяющие выбор материалов для его конструкции:
для активной зоны и окружающих ее конструкций — нейтронный поток и гамма-излучение, хотя второе в нормальных условиях имеет недостаточную интенсивность, чтобы значительно повредить материалы, и опасно только для людей;
для активной зоны и ее компонентов (например, выгородки реактора и каналов теплоносителя) — высокие температура и давление, нейтронный поток, наведенная радиоактивность и гамма-излучение в небольшой степени;
для тепловыделяющих сборок — высокие температура и давление, нейтронный поток, наведенная радиоактивность и гамма-излучение;
для топливных таблеток — сразу все, включая все виды ионизирующего излучения и особенно высокую температуру (некоторые типы топлива обладают плохой теплопроводностью и склонны к локальному перегреву).
При этом воздействие ионизирующего излучения на различные материалы вполне понятно и предсказуемо. А с высокими температурой и давлением инженеры научились работать уже давно — задолго до появления АЭС. Хотя некоторые прорывы возможны и в этой области, она неспецифична для атомной отрасли.
Нейтронное излучение — другое дело. Его эффекты в большой степени хаотичны и порой кажущаяся незначительной корректировка технологий обработки материала или его химического состава радикально изменяет его поведение в реакторе. Поэтому основной фокус внимания ученых-материаловедов «Росатома» и смежных организаций направлен на изучение взаимодействия нейтронного потока с различными материалами или их комбинациями.
Как разрабатывают новые материалы для атомной отрасли
Материаловедение — прикладная дисциплина, решающая в первую очередь практические задачи. Есть конструкция или отдельная деталь, для которых имеющиеся материалы неоптимальны — ищем способы их улучшить или создать новые. В общих чертах это и есть основной принцип разработки новых материалов во всех отраслях. Атомная энергетика здесь не исключение.
Но прежде всего важно определиться с терминологией. Дело в том, что для материаловеда само слово «материал» означает гораздо более узкое понятие, чем мы привыкли в быту.
Материал — это не просто дерево, металл, керамика, стекло или бетон. Конкретная сталь со строго определенным химическим составом, отлитая и закаленная — это один материал. Если она же кованая — уже другой. Или она закаленная, отпущенная при разных температурах — и ее свойства будут отличаться в широких пределах.
Для материаловеда важна биография образца: как и где добыли сырье для его изготовления, какие процедуры подготовки оно проходило, что именно с ним делали в процессе обработки. какие свойства приобрел этот материал в результате всех манипуляций с ним.
Выше, на видео симуляция каскада столкновений, вызванного попаданием тяжелого иона (трииодид бора) в металл (железо). Нейтронное излучение приводит к аналогичным эффектам, лишь вероятность взаимодействия отличается. Единичная частица, попадая в материал, вызывает смещение не только того атома, с которым сталкивается, но и всех его соседей. Им передается часть кинетической энергии, причем ее количество гораздо больше, чем при теплопереносе. В результате выбитыми со своих мест в кристаллической решетке могут оказаться не только атомы на поверхности, но и глубоко внутри материала. Так образуются полости, смещения фаз кристаллической решетки и даже микротрещины
Контроль и надзор в сфере ядерной безопасности, а соответственно, одобрение использования тех или иных материалов в ядерных установках осуществляет Ростехнадзор. Для конструктора оборудования АЭС существует объемный «справочник всех материалов», в котором содержится список всего, что прошло аттестационные испытания под определенные условия эксплуатации. Каждая строчка в этом документе — отдельный материал, который инженеры-конструкторы могут использовать в допустимых пределах.
Вне зависимости от того, насколько революционным и по всем расчетам безопасным получится проектируемое изделие, если в нем хоть где-то используют неаттестованные материалы, контролирующий орган такое строительство никогда не одобрит. Именно поэтому все новые материалы нужно тщательно испытывать и проверять на соответствие требованиям, установленным в стандартах и конструкторской документации.
В общих чертах идеализированный процесс разработки нового материала выглядит следующим образом. Сначала на этапе подготовки проекта, если выясняется, что существующих материалов недостаточно, ставится задача создать новые. Расчетными методами, моделированием подбирают список материалов-кандидатов, которые проходят первичную проверку в лабораторных условиях. Так тестируют их коррозийную устойчивость, механические и химические свойства. Одновременно проверяют возможность производства этих материалов на оборудовании, имеющемся в распоряжении самого предприятия или у его подрядчиков.
Образцы, которые подтвердили свои свойства во время первичных анализов, отправляют на облучение. Раньше приходилось загружать образцы в исследовательский реактор на несколько лет — только так можно оценить реальный эффект воздействия нейтронного потока. Он выражается в СНА, смещениях на атом кристаллической решетки, — единице дозы облучения, позволяющей сравнивать уровень повреждений в реакторах с различным нейтронным спектром и при облучении различными частицами.
Выше на картинке просвечивающая электронная микроскопия образца из титана, который подвергся жесткому нейтронному облучению. Белые многогранники — пустоты, возникшие в результате выбивания атомов с их мест в кристаллической решетке нейтронами. Темные продолговатые области — полосы осажденных титана, рения и осмия. Последние два элемента — результат трансмутации титана при захвате нейтрона. Исследование воздействия нейтронного потока на материалы критически важно не только для атомной энергетики, но и для термоядерной
Сейчас реактор используют только для финальных испытаний. На первых этапах отсева материалов-кандидатов можно применять ионный ускоритель. Его воздействие на образцы с практической точки зрения идентично нейтронному излучению. Так, пороговые дозы СНА набираются за считаные дни.
Помимо экономии времени, ускоритель делает разработку радиационно стойких материалов несравнимо дешевле — реакторное время очень дорого. Вдобавок после облучения материалы не нужно оставлять в бассейне выдержки еще на год, чтобы они потеряли наведенную радиоактивность.
После облучения материалы-кандидаты снова всесторонне изучают, их характеристики проходят тщательную проверку. И почти наверняка цикл повторяется, потому что ничего не подошло под целевые параметры. Иногда цикл выполняется несколько раз.
В итоге через несколько лет (ранее — спустя десятилетия) кропотливой работы получаются образцы новых материалов с заданными свойствами. Скорее всего, отработано даже их промышленное производство малыми партиями. Остаются только сертификационные испытания в реакторе, после которых контролирующие органы смогут выпустить заключение о допуске материала к использованию в определенных условиях. На все про все — не менее 10-12 лет с начала разработки до получения аттестации материалом.
Последние несколько лет на помощь материаловедам пришли цифровые технологии, в том числе искусственный интеллект. Алгоритмы машинного обучения, основанные на механизмах деградации и базах данных свойств известных материалов, значительно экономят время, проводя первичное отсеивание материалов-кандидатов или решая «обратную» задачу: подбирая состав и структуру материала под заданные условия эксплуатации по целевым характеристикам. Единственное, с чем ИИ пока справляется плохо, — способы обработки, но и этот недочет скоро будет исправлен: ученые и программисты «Росатома» работают в этом направлении.
Пример состояния микроструктуры металла после нейтронного облучения, просвечивающая электронная микроскопия образца уран-молибденового сплава. Слева — до воздействия, справа — после набора дозы около 150 СНА (эквивалент примерно двух лет работы в реакторе). Хорошо видно, что альфа- и бета-фазы сплава превратились в хаос, такой металл сильно поменяет свои прочностные свойства
Почему нельзя стоять на месте
Атомная энергетика — постоянная технологическая гонка. И разработка материалов для нее выступает лишним подтверждением этого тезиса. Учитывая длительность цикла разработки, сейчас внедряют то, что начинало создаваться три-четыре декады назад, а прошло аттестационные испытания 10-20 лет назад. Проще говоря, работа над сегодняшними проектами обеспечивает технологическое превосходство в 2040-2050-х годах. И любая заминка потенциально приводит к высокому риску отстать от темпа конкурентов на этих отдаленных рубежах планирования.
Благодаря этому непрерывному процессу развития отрасли не существует ни одной полностью идентичной АЭС. Каждый следующий проект в чем-то лучше предыдущего, даже если они принадлежат к одной серии. Иногда события в мире приводят к завышенным требованиям потенциальных потребителей, появляются новые уровни защиты, которые на следующем этапе отсекаются по экономическим соображениям. Это ни хорошо, ни плохо — просто особенность, нормальный ход событий.
Второй важнейший стимул развития материаловедения в ядерной энергетике — экономика. Атомные электростанции наконец-то снова становятся не единичными проектами, а практически серийными изделиями. Кроме них, в обозримом будущем заменить угольные и газовые электростанции базовой нагрузки нечем. Никакие ветряки и солнечные панели эту роль в энергосистеме занять не смогут, даже если им на помощь придут сверхъемкие накопители энергии.
Это означает, что стоимость выработанного АЭС киловатт-часа электроэнергии становится не просто существенным фактором оценки всего ее проекта, а критически важным. Она, в свою очередь, зависит от целого спектра параметров, часть из которых способны удешевить новые материалы. Снижение стоимости, габаритов или сроков изготовления любых деталей, агрегатов и узлов в масштабах столь колоссальных объектов, как АЭС, оборачивается экономией в миллионы или даже миллиарды.
Наверное, самый простой ответить на вопрос «Зачем разрабатывать для АЭС новые материалы?» — потому что АЭС со старыми материалами никто не купит. По совокупности причин, из которых экономика будет решающей. Даже несмотря на затраты НИОКР, современные станции экономически эффективнее старых — либо по срокам строительства, либо по стоимости эксплуатации.
Не стоит забывать и о психологическом факторе. Атомная энергетика, пожалуй, вызывает самую напряженную дискуссию в поле общественного мнения. Поэтому, если какая-то инновация не приносит заметного повышения экономических характеристик АЭС, но повышает ее безопасность в каких-либо даже самых маловероятных сценариях, ее имеет смысл реализовать.
В России разработку новых материалов и технологий ведут в рамках комплексной программы развития атомной науки, техники и технологий — КП РТТН. Мы создаем не только новые материалы для перспективных энергосистем, но и опытные целевые изделия, которые тоже проходят испытания. В результате на выходе мы получаем и технологию, и материал, готовые к промышленному внедрению, причем не только в атомной энергетике, но и авиации, машиностроении и других смежных отраслях.
Из последних разработок могу привести в пример технологию изготовления новых марок стали с повышенными прочностными свойствами, в том числе для атомных энергетических установок малой мощности. Тем самым мы решаем задачу уменьшения массогабаритных характеристик оборудования вокруг реакторной установки и получаем существенный выигрыш в массе — этот параметр весьма критичен для атомных станций малой мощности. В этом году как раз проходят аттестационные испытания по всему комплексу свойств новой стали.
Белоярская АЭС — единственная в мире промышленная атомная электростанция с реакторами на быстрых нейтронах и, соответственно, жидкометаллическим теплоносителем. Такие АЭС разрабатывали во многих странах с конца 1950-х, но, кроме СССР и позднее России, они нигде надолго в эксплуатации не остались (за исключением исследовательских установок). Реакторы на быстрых нейтронах — один из примеров технологий в атомной энергетике, которые испытывали ранее, но оставили без существенного развития из-за низких экономических показателей. Их очень дорого строить. Новые материалы способны спровоцировать ренессанс подобных пока что экзотических схем
Перспективные проекты атомных электростанций в принципе невозможны без разработки новых материалов. Например, сверхкритические водяные реакторы (как ВВЭР-СКД) — в них роль теплоносителя играет вода в сверхкритическом состоянии. То есть ее давление превышает 22,1 мегапаскаля. Это выгодно, потому что позволяет повысить эффективность всей АЭС примерно до 45 процентов против 30-33 у реакторов нынешнего поколения. Сверхкритическую жидкость можно разогреть до более высоких температур, а любая тепловая машина работает тем эффективнее, чем больше разница температур между ее горячей и холодной частями.
Сверхкритическую воду в качестве теплоносителя давно используют в газовых тепловых электростанциях. Это сравнительно отработанная технология. Для атомной энергетики же это не просто новинка, а изменение, требующее пересмотра всей «начинки» АЭС. Да, конструкция реакторов станет проще, следовательно — дешевле и быстрее в изготовлении. Но есть большие проблемы.
Сверхкритическая вода по-другому замедляет нейтроны, может вызывать коррозию там, где обычная вода практически инертна, а также рискует начать разлагаться на кислород и водород под действием ионизирующего излучения в определенных условиях. Иными словами, перспективы огромные, но и вызов непростой.
В сверхкритических реакторах такое высокое давление внутри активной зоны, что при определенных спектрах им не подходят обычные топливные таблетки. Диоксид урана со всеми имеющимися вариантами покрытий просто не работал так, как требовалось физикам. Возможные материалы — кандидаты топлива тоже не подходили.
Наши специалисты долго думали над этой проблемой и пришли к альтернативному решению. Отказавшись от стандартных таблеток внутрь твэла с топливной композицией добавили компенсатор давления. Таким образом внешнее давление компенсировалось топливом, а избыточное распухание топлива забирал на себя компенсатор. Разумеется важны детали: были рассчитаны форма, толщина, подобран правильный материал компенсатора. Наглядная иллюстрация прикладного подхода: если какую-то задачу не получается решить имеющимися или перспективными средствами, имеет смысл объединить усилия ученых разных специальностей и конструкторов.
Не металлами едиными
В примерах выше почти всегда упоминались металлы либо их оксиды. Но это не единственные материалы, которыми занимаются материаловеды атомной отрасли. Естественно, есть еще керамики, пластики, бетоны и многое другое. Большая часть ресурсов уходит на разработку этих типов материалов.
Внимательный читатель уже, наверное, заметил, что не хватает целого спектра различных материалов, которые часто упоминаются в контексте высокотехнологичных отраслей. Да, мы о мета-, нано- и прочих приставках, а также об аддитивных технологиях.
Это не приоритетные направления, но по ним тоже ведут работу. Большие перспективы видны в печати металлическими порошками. У подразделений «Росатома» есть наработки по печати крупных деталей, вплоть до целой выгородки реактора — внутренних структур активной зоны, которые окружают тепловыделяющие элементы. Тем не менее есть большая проблема со специалистами в области экзотических материалов. Их огромный дефицит. Можно сказать, что экзотика в области материаловедения для атомной энергетики — крайне выгодное направление для выбора нынешними студентами.
Довольно часто это невероятно интересные и «красивые» технологии, уникальные люди, которые создают материалы с нестандартными сочетаниями свойств. Но нам не хватает людей. Причем речь идет не о специалистах в единственном числе, а о командах. Все наши разработки — это долгие проекты, за редким исключением. И мы должны гарантировать выход материала в промышленном масштабе к определенному сроку готовности изделия. В чем риски? Вот мы взяли сотрудника, он перспективный, занимается уникальной и очень многообещающей экзотикой. Но что делать, когда он заболеет? Женится? Поменяет приоритеты в жизни? Немного цинично, но это прагматизм прикладной науки.
Именно поэтому особо ценятся команды специалистов, научные школы, устойчивые кооперации. Да, договориться порой непросто: научные споры — зрелище не для слабонервных. Но и результат учитывает мнение не одного гения, а еще опыт эксплуатации прежних разработок и так далее. Для проверки своих возможностей у нас есть программа аванпроектов — сравнительно небольшое финансирование на перспективные идеи, которые мы поможем проверить с помощью своих ресурсов, главное — ответственно обосновать ожидаемые свойства материала.
В последние годы научная этика поменялась, и теперь в перечень работ по подготовке большого НИОКР принято включать не только аналитические обзоры, но небольшое исследование в обоснование разрабатываемой гипотезы. Все это помогает в реализации НИОКР и получении финансирования.
Какое будущее готовят уже сегодня
Материаловедение в атомной отрасли существует на стыке фундаментальных и практических дисциплин. Это одна из тех сфер человеческой деятельности, где всегда есть место чему-то новому, удивительному и при этом максимально связанному с реальностью, практикой.
Ближайшие десятилетия для ядерной энергетики обещают быть временем множества прорывов и революций, на нее возлагают большие надежды во всем мире. Назревает атомный ренессанс, и российские атомщики прямо сейчас воплощают в реальность проекты, которые наверняка будут востребованы уже завтра.
Особенно впечатляет, насколько сильна и важна кооперация в «атомном» материаловедении. Нет ни одного универсального предприятия или научной организации, слишком сложная дисциплина. За корпуса реакторов отвечает ПАО НПО «ЦНИИТМАШ», внутрикорпусные материалы делает и разрабатывает ЦНИИ конструкционных материалов «Прометей» (Курчатовский институт) — список можно продолжать долго. При этом без постоянного тесного взаимодействия и обмена опытом успех невозможен.
Была у нас забавная история. Материаловеды в лаборатории, как оказалось, не совсем представляли возможности производства. Разработали кандидатный материал, изготовили образцы, подтвердили характеристики — и казалось бы, прямая дорога к масштабированию. Заказали изготовление промышленного полуфабриката на завод. Те посмотрели спецификацию, все сделали, как написано, отправили пробную партию обратно. В лаборатории смотрят, а свойства сильно различаются: чистота слишком высокая, нужных примесей нет. Звонят на завод: как так, куда подевали, всегда же были. Там им и отвечают: в спецификации же указали верхнюю планку, без нижней (обычно материаловеды уточняют, ведь есть привычный минимальный уровень), вот мы для вас выполнили заказ по высшему классу — оборудование позволяет. В итоге, с одной стороны, потратили время, с другой — подтвердили значимость примесей в определенной металлической матрице. Вывод: надо знать все нюансы технологии производства.
Это благодатная почва для развития не только самой атомной отрасли и молодых специалистов как ее части. Новые материалы, инженерные решения и сопутствующие открытия в фундаментальных науках двигают общий научно-технический прогресс в стране.
Помимо энергетики, разрабатываемые атомной отраслью материалы и решения применяют в точном машиностроении, медицине, электронике и космонавтике. Это мощнейший стимулятор роста и развития всех смежных областей экономики и промышленности.
Человечество хотело добыть и обуздать ядерную энергию — фундаментальные науки обеспечили для этого теоретическую базу. Потребовалось реализовать теорию «в железе» — это сделали с помощью прикладных дисциплин: инженерного дела и материаловедения. Рассказываем, с какими практическими трудностями сталкиваются инженеры, проектирующие реакторы, почему в атомной отрасли приходится постоянно создавать новые материалы и как современные студенты могут стать баснословно успешными, всего лишь выбрав правильное направление обучения в области экзотического материаловедения.
Пожалуй, в любом рассказе об атомной энергетике автор сразу упомянет количество энергии, которое высвобождается при делении ядра атома. Например, распад килограмма урана-235, самого распространенного топлива в энергетических реакторах, в среднем приносит 83 тераджоуля энергии. Это во впечатляющие полтора миллиона раз больше, чем можно получить от сжигания той же массы природного газа (метан, 55 мегаджоулей) или в целых полмиллиона раз больше, чем от килограмма его «зеленой» замены — водорода (141 мегаджоуль).
Как удержать в узде всю эту энергию, чтобы направить ее на полезную работу? Об этой инженерной проблеме зачастую несправедливо забывают.
Столь внушительная разница в энергетическом потенциале химического и ядерного топлива неслучайна. При сжигании горючего высвобождается энергия, заключенная в химических связях. А они, в свою очередь, — продукт электромагнитного взаимодействия. Ядерная энергетика в качестве фундамента использует еще более мощное взаимодействие, оно так и называется — сильное.
Электромагнетизм удерживает вместе атомное ядро и электронные облака, связывает атомы в молекулах, молекулы друг с другом в некоторых формах материи (например, водородные связи в воде и спиртах). Сильное же взаимодействие удерживает вместе кварки, формирующие адроны — протоны, нейтроны — и связывает сами формирующие атомное ядро адроны друг с другом.
Сила этого взаимодействия на интересующих нас масштабах атомного ядра более чем в сотню раз превышает силу электромагнитного взаимодействия. Поэтому деление атома высвобождает настолько больше энергии, чем его участие в любых химических реакциях.
Что самое важное, эта высвобождаемая при ядерном распаде энергия передается окружающей среде не только в виде кинетического взаимодействия атомов друг с другом. При делении ядер энергию уносят их осколки и отдельные элементарные частицы. Они способны взаимодействовать с другими атомами не только по законам электромагнетизма (сталкиваясь с их электронными облаками), но и напрямую, встречаясь непосредственно с атомным ядром. Проще говоря, энергетический поток не просто мощнее — он сфокусирован на гораздо меньшей площади.
Важная ремарка
Здесь и далее многие физические явления мы опишем в очень упрощенном виде и сознательно не станем затрагивать целый ряд физических феноменов. Почему атомы распадаются и делятся, с какой вероятностью это происходит, что получается в результате и какие законы квантовой механики диктуют их стабильные состояния, а также правила всех протекающих с ними процессов — это несколько больших отдельных тем.
Для целей этой статьи важно отметить, что есть определенные соотношения протонов и нейтронов, при которых атомное ядро будет стабильным. Если они не соблюдаются, такой атом рано или поздно претерпевает самопроизвольный распад (это явление называется радиоактивностью). Кроме того, все химические элементы более чем с 82 протонами в ядре (тяжелее свинца) в принципе нестабильны, но иногда вероятность распада чрезвычайно мал
Выше, на картинке пример цепной реакции U-235. Когда в уран-235 попадает нейтрон, он превращается в уран-236 в возбужденном состоянии и с вероятностью 82 процента делится, как правило, на пару осколков с массовыми числами 95±15 и 135±15, соответственно. На иллюстрации показаны барий-144 и криптон-89. Тройные или четверные деления происходят реже. В 18 процентах случаев энергии нейтрона оказывается недостаточно для деления атома урана-236, и тот переходит в менее возбужденное состояние испуская гамма-квант (фотон). Помимо осколков деления, реакция порождает два или три свободных нейтрона, которые могут встретить на своем пути другие атомы, желательно — урана-235. Тогда процесс повторится, и получится ядерная цепная реакция. Одна из главных задач конструкции реактора — поддерживать такую конфигурацию активной зоны, чтобы высвобожденные во время деления топлива нейтроны не улетучивались, а продолжали делить новые атомы топлива, но при этом процесс происходил с контролируемой скоростью
Причину распада можно представить как избыток энергии, который атомное ядро получило при образовании и не может удержать в себе из-за того, что его структура не позволяет это сделать. Эта энергия уносится в виде продуктов распада, среди которых важно выделить:
альфа-частицы, ядра атомов гелия (два протона с парой нейтронов);
бета-частицы, электроны высоких энергий;
гамма-частицы, фотоны высоких энергий;
свободные нейтроны;
а также фрагменты материнского ядра с заимствованными у него электронами — дочерние химические элементы (осколки деления).
Распад, продукты которого тяжелее альфа-частицы и сопровождающийся высвобождением отдельных нейтронов, называется делением ядра. Его можно спровоцировать, «выстрелив» в атом свободным нейтроном и передав ему тем самым дополнительную энергию. Цепная ядерная реакция возникает, когда высвободившиеся в результате деления нейтроны встречают на своем пути новые, готовые к делению, атомы — и тогда процесс многократно повторяется (так один покатившийся камешек срывает в итоге со склона целую лавину).
Что происходит в реакторе
Начнем с самого сердца реактора — таблеток ядерного топлива (спрессованный порошок диоксида урана, обогащенного по изотопу 235U). Именно в них происходит цепная реакция деления, именно они служат первоисточником тепла в атомных электростанциях (АЭС).
Когда тяжелый атом делится, его осколки разлетаются в стороны и сталкиваются с другими атомами, которые встретились им на пути.
Это кинетическое взаимодействие уносит большую часть высвободившейся в результате деления энергии. А поскольку тепло — сумма кинетических энергий всех частиц системы, то так таблетки ядерного топлива и нагреваются.
Причем нагрев этот может быть очень быстрым. А значит, само ядерное топливо, из которого изготавливаются таблетки, должно иметь высокую температуру плавления. Иначе они потеряют свою целостность еще до того, как успеют передать тепло теплоносителю.
Еще одно важнейшее следствие деления — структура таблеток постоянно претерпевает изменения. Ведь внутри них вместо тяжелых атомов появляются более легкие — их больше, и они, разумеется, занимают больший объем. В редких случаях (с вероятностью 0,3 процента) тяжелый атом делится на три легких, один из которых — атом гелия, а еще два — «обычные» осколки деления с массовым числами около 95 и 135. Еще реже происходит четверное деление, в котором вместе с крупными осколками, как правило, образуется два атома гелия.
Помимо крупных осколков, которые почти сразу становятся дочерними атомами, позаимствовав электроны от материнского, в реакции деления образуются и другие продукты. Во-первых — фотоны высоких энергий, рентгеновское и гамма-излучение. При взаимодействии с электронным облаком встретившегося им на пути атома они передают ему свою энергию. Возбужденный таким образом электрон переходит на более высокий энергетический уровень или вовсе становится свободным. А тот атом, которому он принадлежал, становится положительным ионом — ионизируется. Со всеми вытекающими последствиями: он теперь стремится вступить в химические реакции. Гамма-кванты способны пройти большой путь и выйти далеко за пределы топливных таблеток.
Наконец, ключевой для цепной реакции продукт деления тяжелых ядер — нейтроны. У них есть масса, но нет заряда, поэтому они легко «проскальзывают» между электронными облаками и ядрами соседних атомов. Следовательно, способны пройти большой путь, пусть и меньший, чем гамма-кванты.
Но если они встречаются с ядрами, то практически наверняка взаимодействуют с ними. Видов этого взаимодействия три: упругое рассеяние, неупругое рассеяние и захват. Вероятность каждого из них рассчитывается отдельно и называется сечением взаимодействия (ядерное эффективное сечение). У разных материалов разное эффективное сечение для разных энергий нейтронов и разных видов взаимодействия.
При упругом рассеянии и нейтрон, и атомное ядро, с которым он взаимодействует, сохраняют свое внутреннее состояние, но атом может увеличить свою кинетическую энергию (то есть происходит нагрев материи), а нейтрон — изменить направление движения. Правильно подобрав сечение взаимодействия материала для упругого рассеяния нейтронов нужных энергий, можно создать эффективный отражатель нейтронов этих энергий. В таком материале нейтрон с достаточно большой вероятностью будет направлен примерно туда же, откуда прилетел. Это свойство полезно в реакторах для снижения критической массы топливной таблетки.
При неупругом рассеянии нейтрон передает значительную часть своей энергии атомному ядру, с которым взаимодействует. Результатом может стать распад ядра-мишени либо увеличение его энергии — возбуждение.
В последнем случае атом изменит свое положение в пространстве, будто бы отскочит, и может отдать часть энергии в виде фотона. Иногда количество энергии столь велико, что получится высокоэнергетический фотон — так возникает гамма- или рентгеновское излучение от облученных нейтронным потоком материалов (наведенная радиоактивность). «Отскок» атома в материалах с кристаллической решеткой, — например, в металлах — приводит к нарушению ее структуры. Такие материалы теряют прочностные свойства (на сжатие, на разрыв, трещиностойкость, упругость), в них появляются микроскопические полости, они могут даже деформироваться (распухать).
Если взять материал, в котором нейтроны нужных энергий почти не смогут вызывать деление (об этом — ниже), а будут лишь отдавать часть своей энергии, получится замедлитель нейтронов. На выходе из такого материала мы получим нейтроны меньших энергий, чем на входе, при сопоставимом общем количестве частиц. Это полезно, когда делящийся материал производит нейтроны высоких энергий, но имеет высокое эффективное сечение деления для нейтронов более низких энергий.
Выше, на картинке полуфабрикаты таблеток ядерного топлива. Перед тем, как из них соберут тепловыделяющие элементы, таблетки обработают специальным покрытием. Его состав зависит от типа реактора и применяемых технологий. Сама таблетка на фото — спеченный диоксид урана, возможно, с небольшим добавлением связующего, модифицирующего химические свойства топлива. В начале кампании реактора, сразу после загрузки топлива, таблетки состоят практически полностью из диоксида урана, в котором около 96 процентов урана-238 и всего примерно четыре процента урана-235 (степень обогащения по этому изотопу зависит от типа реактора). К концу кампании, когда топливо пора менять, картина иная: урана-238 по-прежнему большая часть, но три процента — продукты деления урана-235 и плутония-239, один процент — плутоний-239 и -240, 0,4 процента — уран-236. Среди продуктов деления — порядка трех десятков химических элементов, часть из которых газы. После двух лет работы в реакторе таблетка может заметно деформироваться и распухнуть
В РФ есть такая тема, как награждать 10 мульёнами "деревянных рублей" людей, которые сделали приличный вклад в развитие отечественной науки. Это, конечно, не лям баксов, как в нобелевке, но на среднюю квартиру в "резиновой" вполне может хватить, если из окна Кремль видно не будет.
Называется это мероприятие "Вызов". И есть там одна из номинаций, под названием "Перспектива" - вручается за научное достижение, повлиявшее на динамику развития будущих технологий (вручается учёным до 35 лет).
И вот, по результатам 2023 года в "Перспективе" получил премию кандидат физико-математических наук Илья Семериков из Российского квантового центра и Физического института имени Лебедева за создание ионного квантового компьютера.
сам, господин Семериков Илья Александрович
Всего, на данный момент в мире существует 4 типа квантовых компов (элементные базы, на основе которых они создаются):
На базе сверхпроводников (криогенные - большие и дорогие, зараза, но большое кол-во кубитов, хорошо изучены)
Фотонные (монокристаллические плёнки металлов) Достаточно дёшевы, но не уверсальны - "плёнка под задачу"
Холодные атомы, которые удерживаются лазерным пинцетом (по стоимости промежуточное между двумя верхними + габариты)
Ионы в ловушках (наш случай) Дёшево, возможность использования не кубитов, а кудитов, это как не два состояния 1/0, а несколько (4-и более), мало изучены.
Всё это хозяйство пока весьма дорогостоящее удовольствие. Занимаются всеми направлениями группы учёных, каждый в своей отрасли.
Прототип ионного компьютера от Семерикова Ильи. Достаточно компактный и не требует криогенной установки размером в комнату.
Фишка ионных квантовых компьютеров в том, что они "запутывают" не сами частицы, атомы, а электроны на орбитах атомов, про принцип Паули помните? Так вот, у одного атома толпа электронов, каждый на своей "орбите" (энергетический уровень, на самом деле). Т.е. на одном атоме мы можем иметь несколько электронов, которые можно запутать с соседями - отсюда и появляется кудит.
Так, этот комп уже решал вполне себе прикладные NP-задачи в программировании (пока стенд - но далее уже и в единичную серию можно запулить).
Какой подход к квантовым вычислениям лучше, что выгоднее и т.п. только время покажет - сейчас же у всех методов есть свои достоинства и недостатки. Кто "вперде планеты всея" - сказать сложно.
Но, одно можно утверждать уже сейчас - в плане квантовых вычислений РФ далеко не в последних рядах.
Скоро лето, а зима выдалась очень снежной. В этом году велик шанс увидеть настоящее чудо земли русской. Это щитни – древние ракообразные, которые появляются также неожиданно, как и исчезают.
Уникальная особенность этих небольших монстриков заключается в том, что это единственное более менее крупное (до 12 см) животное, которое живёт почти исключительно только в ЛУЖАХ. Реки – нет. Озёра – нет. Болота – нет! Только лужи. Только временные микроводоёмчики после обильных осадков или таяния снега.
Щитни упорно избегают водоёмов, где водится другая живность. Рыбы, амфибии и т.д. только уменьшают шансы их появления, но всё-таки иногда щитни могут быть обнаружены и в обычных водоёмах, но это скорее исключение из правил.
Ещё более удивителен их жизненный цикл. Цисты (микроскопические яйца щитней) могут лежать в земле в случайных местах десятилетиями. Они ждут ведомых только им идеальных условий для пробуждения. Поэтому в один год щитней нет вообще, а в другой они могут неожиданно появиться в любой луже.
После вылупления личинки развиваются с огромной скоростью. Из микроскопических они превращаются в половозрелых особей длиной несколько сантиметров всего за 2 недели. Всё это время они фильтруют органику. В пищу им подходит почти всё. От букашек и головастиков до остатков растений и частичек мусора в воде.
Вскоре щитни начинают бурно размножаться. На данный момент известно, что большинство щитней – девочки, и они размножаются партеногенезом, то есть штампуют своих клонов без участия самцов. Но иногда в популяциях всё-таки появляются мальчики, чтобы внести хотя бы небольшое генетическое разнообразие в популяцию.
И вот, отложив яйца в грунт, щитни исчезают также внезапно, как и появились. Лужа, скорее всего, уже высохла, щитни погибли, а их потомство разнесёт ветер. Быть может, через несколько лет или даже десятков лет новая популяция возникнет здесь же в этой старой луже, или где-то ещё.
Если вы вдруг встретите щитня этим летом, то вам очень повезло. Вы наблюдаете настоящее чудо природы. Они не опасны и не могут причинить никакого вреда человеку. Остается только созерцать и радоваться.
Рассказывайте о своих встречах с этим загадочным существом!
Что больше всего боятся путешественники во времени? Правильно, встретить самого себя. Ещё страшнее дотронуться до самого себя. Но если сами путешествия во времени худо-бедно имеют некоторые рациональные корни, которые держатся на хоть какой-то физической логике, тоэтот вечный страх попадания двух объектов в одно время столь очевидного описания не имеет.Давайте вместе попробуем поразмыслить на этот счёт и поищем теоретический смысл.
Напомню, что в зависимости от контекста ожидаемы два похожих события -произойдёт или коллапс пространства-времени и пропадёт буквально всё, или произойдёт только лишь коллапс существующих материальных объектов с одинаковым кодом.Какой именно вариант тут нас ожидает предсказать сложно. Фантасты с удовольствием смакуют этим эффектом и во многих фильмах с путешествиями во времени наблюдаются самые разные последствия.
Чаще всего есть этакий "софт" вариант. Копия объекта просто потихоньку начинает растворяться и пропадает. Но это чаще лишь способ притянуть всё к сюжетной линии. Ведь на практике всё должно было бы быть как раз-таки очень даже ярко и мгновенно.
Есть ещё разновидности этого события. Герой может рассматриваться не как полная копия самого себя, а как существо, прошедшее другой путь и не являющееся тем же самым объектом. Тоже самое будет касаться самого себя в разные возрастные периоды. Во многом разная логика тут напоминает попытки применить разные гипотезы строения Вселенной. Скажем, каждая новая сюжетная линия - это аналог подхода с мультивселенными. Такая логика нам сейчас не совсем интересна, так как подход практически очевиден.
Гораздо полезнее поискать физический смысл в аксиоме путешественников во времени:
Одно и то же тело не может занимать одно и то же место в одно и то время.
На самом деле у этого принципа есть вполне себе разумное описание. Другое дело, что не совсем ясен результат взаимодействия. Яркий и зрелищный коллапс - этоскорее яркое и фантастическое преувеличение проблемы.
Любой объект состоит из частиц. Частицы состоят из более мелких частичек и так до квантового уровня. Квантовые объекты описываются функцией состояния.
Вероятность обнаружения конкретной частицы имеет функциональную зависимость от синусов и косинусов. Это не имеет ничего общего с амплитудой в виде энергии, импульса или чего-то еще, полумесяцы и впадины увеличиваются, а вероятности обнаружения уменьшаются при проведении наблюдения.Именно вероятность нахождения определяет положение частицы. Сама теория противоречит логике появления двух объектов в самой точке.При этом что же всё-таки будет при их встрече не уточняется.
При это частицы, обладающие целочисленным спином, называются бозонами и могут занимать одно и то же пространство в одно и то же время, что означает, что вероятность нахождения одного из них в координатах (x, y, z) увеличивается, чем их больше. Бозоны вообще могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Частицы с полуцелым спином являются фермионами и следуют статистике ферми-Дирака и, следовательно, не могут занимать одно и то же пространство. Вероятность нахождения одного объекта в точке (x, y, z) всегда будет равна вероятности нахождения одной частицы.Только одна может находиться в квантовом состоянии одновременно.
То есть всё приходит к тому, что такая ситуация просто невозможна. Но глубоко в теории, яркие и красочные эффекты тоже могут быть как-то описаны.
Тут можно обратиться к принцип запрета Паули. Он гласит, чтодва или более тождественных фермиона не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии в квантовой системе.Отметим, что появление точно такой же частички в том же месте как раз-таки подразумевает включение принципа.
Если нарушить принцип Паули, частицы с одинаковыми квантовыми числами будут отталкивать друг друга с силой, которая увеличивается по мере их приближения. Скажем, для электронов эта сила называется обменным взаимодействием и отвечает за разделение электронов и создание структуры атомов.
Преодолеть эту силу в обычных условиях невозможно. При попытке это сделать будут проявлятьсяэффект сверхпроводимости. Столкнуть электроны всё-таки можно. При этом возможнорождение новых частиц, однако это возможно только если энергия будет достаточна для рождения других частиц. При этом будут рождаться другие частицы (так называемые глубоко неупругие процессы).
Такжепри попытке сжать материювозникнет предел, когда электроны не смогут приблизиться, не нарушив принцип запрета. Это создаёт давление, которое сопротивляется дальнейшему сжатию материи, называемое давлением вырождения. Описанные явления вполне себе могут быть причиной красочных фейерверков и некоторой аналогии схлопывания пространства.
Следующий момент можно привязать к "коду Вселенной". Представьте, что у вас есть некоторый программный код, который выводит объекты на экран. Как отреагирует простой компьютер на попытку вывести две точки в одно место одновременно? Скорее всего синим экраном. Хотя современные системы имеют встроенные алгоритмы защиты от таких полянок. Но какой-нибудь 98-ой можно было повесить так абсолютно наглухо.
Если применить эту логику к материи, которая выводится кодом, то тут тоже начнутся всяческие веселые явления. Среди них могут быть и сбои в матрице с красочными эффектами. Понятно, что подобная логика ведёт куда-то в сторону теории симуляции, но сама по себе конструкция атомов и наличие некоторого природного упорядочивания подсказывает, что в этом может быть здравый смысл.
Международной команде физиков удалось измерить гравитационное притяжение магнитной частицы массой в 200 с лишним раз меньше массы божьей коровки. Авторы надеются, что в скором будущем их изобретение позволит понять, как работает гравитация в квантовом мире.
Все материальные объекты обладают собственным гравитационным притяжением, независимо от того, насколько они малы
Гравитация — сила, которая притягивает друг к другу два тела, имеющих массу. А еще это одна из четырех фундаментальных сил Вселенной наряду с электромагнетизмом, сильными и слабыми ядерными взаимодействиями. Из четырех сил гравитация самая слабая, но зато и наиболее наглядная. Гравитационная сила позволяет людям ходить по Земле, а планетам — вращаться по орбите вокруг Солнца.
Гравитация любого объекта зависит от его массы и квадрата расстояния до него. Следовательно, чем массивнее тело, тем больше гравитационное притяжение, чем дальше, тем слабее. Один из способов обнаружить гравитацию у объекта в макромире — с помощью искажения света рядом с ним.
Однако проделать то же самое на микроуровне (в квантовом мире) с частицами, которые находятся друг от друга на маленьких расстояниях и имеют такую же массу, непросто. Отчасти из-за слабости гравитации, которая возникает между этими крошечными объектами, но также и потому, что более крупные тела поблизости могут «зашумлять» гравитацию более мелких тел. Поэтому ученые пока точно не знают, что происходит с гравитацией на микроскопическом уровне, где доминируют квантовые эффекты. Уже давно многие физики ищут способ, который позволил бы провести результативные измерения квантовой гравитации в лабораторных условиях.
Международная команда физиков из Великобритании, Нидерландов и Италии под руководством Хендрика Ульбрихта (Hendrik Ulbricht) из Саутгемптонского университета (Великобритания) разработала устройство, позволяющее измерить гравитационное притяжение в небольших масштабах. О своем изобретении ученые рассказали в статье, опубликованной в журнале Science Advances.
Эти измерения удалось провести с помощью левитирующей магнитной частицы, состоящей из трех «склеенных» магнитов Nd 2Fe14B 0,25×0,25×0,25 миллиметра и массой 0,43 миллиграмма (разумеется, это все еще много для квантового мира). Частица поднималась в воздух под действием магнитного поля, чтобы противодействовать гравитации Земли. Магнитное поле создавали сверхпроводящие устройства — электромагнитные экранированные «ловушки».
Чтобы исследовать поведение частицы, ученые поместили рядом с ней другой объект, большей (испытуемой) массой — около килограмма, который воздействовал на нее своим слабым гравитационным полем. Ученые смогли измерить это воздействие. Выяснилось, что под действием гравитации крупного тела частица смещалась на нанометры, а сила, действующая на частицу, составила всего 30 аттоньютонов (аттоньютон — одна миллиардная миллиардной доли ньютона). Это самая маленькая сила тяготения, когда-либо измеренная в экспериментах на сегодняшний день.
Установка физиков. Пружинная система (A), Холодильник, используемый для охлаждения, включая систему пружин (С). Магнитная частица, состоящая из трех магнитов размером 0,25×0,25х 0,25 миллиметров (D). Одна из ловушек (E)
Во избежание влияния электрических сил и внутреннего воздействия тепла, ученые охладили частицу почти до абсолютного нуля — до около минус 273 градусов по Цельсию. Также физики использовали систему пружин для изоляции внешних вибраций, создаваемых вторым телом.
По мнению авторов исследования, результаты их работы в будущем приведут к новым открытиям в науке о гравитации и квантовом мире.
«Наша новая техника, которая использует чрезвычайно низкие температуры и устройства для изоляции вибрации частицы, вероятно, сможет существенно продвинуть измерения в области квантовой гравитации», — пояснил Ульбрихт.
Следующий этап эксперимента — уменьшение испытуемой массы объекта до массы магнитной частицы, чтобы можно было измерить гравитационное притяжение, пока частица показывает квантовые эффекты, такие как запутанность или суперпозиция. Ульбрихт отметил, что добиться этого будет сложно, поскольку такие малые массы потребуют невероятной точности всех составляющих опыта, например, точного расстояния между частицей и воздействующим объектом.
Также необходимо учитывать возможные погрешности, связанные с такими факторами, как температура и магнетизм. По словам физика, на достижение этих целей может уйти как минимум десятилетие.
Отметим, что опыты, проведенные группой Ульбрихта, не первые в своем роде. В 2021 году физики измерили силу гравитационного притяжения божьей коровки, а точнее, золотого шарика с аналогичной массой — 90 миллиграммов. На тот момент это была самая маленькая сила тяготения, когда-либо измеренная в эксперименте.
Теория струн. Приходила ли вам в голову мысль, что Вселенная похожа на виолончель? Правильно – не приходила. Потому что Вселенная не похожа на виолончель. Но это не означает, что у нее нет струн. Поговорим сегодня про Теорию струн.
Конечно, струны мироздания едва ли похожи на те, которые мы себе представляем. В теории струн ими называются невероятно малые вибрирующие нити энергии. Эти нити похожи, скорее, на крошечные «резинки», способные извиваться, растягиваться и сжиматься на все лады. Все это, однако, не означает, что на них нельзя «сыграть» симфонию Вселенной, ведь из этих «нитей», по мнению струнных теоретиков, состоит все сущее.
Противоречие физики
Во второй половине XIX века физикам казалось, что ничего серьезного в их науке открыть больше нельзя. Классическая физика считала, что серьезных проблем в ней не осталось, а все устройство мира выглядело идеально отлаженной и предсказуемой машиной. Беда, как и водится, случилась из-за ерунды – одного из мелких «облачков», еще остававшихся на чистом, понятном небе науки. А именно – при расчете энергии излучения абсолютно черного тела (гипотетическое тело, которое при любой температуре полностью поглощает падающее на него излучение, независимо от длины волны – NS).
Расчеты показывали, что общая энергия излучения любого абсолютно черного тела должна быть бесконечно большой. Чтобы уйти от столь явного абсурда, немецкий ученый Макс Планк в 1900 году предположил, что видимый свет, рентгеновские лучи и другие электромагнитные волны могут испускаться только некоторыми дискретными порциями энергии, которые он назвал квантами. С их помощью удалось решить частную проблему абсолютно черного тела. Однако последствия квантовой гипотезы для детерминизма тогда еще не осознавались. Пока в 1926 году другой немецкий ученый, Вернер Гейзенберг, не сформулировал знаменитый принцип неопределенности.
Суть его сводится к тому, что вопреки всем господствующим до того утверждениям, природа ограничивает нашу способность предсказывать будущее на основе физических законов. Речь, конечно, идет о будущем и настоящем субатомных частиц. Выяснилось, что они ведут себя совершенно не так, как это делают любые вещи в окружающем нас макромире. На субатомном уровне ткань пространства становится неровной и хаотичной. Мир крошечных частиц настолько бурный и непонятный, что это противоречит здравому смыслу. Пространство и время в нем настолько искривлены и переплетены, что там нет обычных понятий левого и правого, верха и низа, и даже до и после.
Не существует способа сказать наверняка, в какой именно точке пространства находится в данный момент та или иная частица, и каков при этом момент ее импульса. Существует лишь некая вероятность нахождения частицы во множестве областей пространства-времени. Частицы на субатомном уровне словно «размазаны» по пространству. Мало этого, не определен и сам «статус» частиц: в одних случаях они ведут себя как волны, в других – проявляют свойства частиц. Это то, что физики называют корпускулярно-волновым дуализмом квантовой механики.
Уровни строения мира: 1. Макроскопический уровень – вещество 2. Молекулярный уровень 3. Атомный уровень – протоны, нейтроны и электроны 4. Субатомный уровень – электрон 5. Субатомный уровень – кварки 6. Струнный уровень
В Общей теории относительности, словно в государстве с противоположными законами, дело обстоит принципиально иначе. Пространство представляется похожим на батут – гладкую ткань, которую могут изгибать и растягивать объекты, обладающие массой. Они создают деформации пространства-времени – то, что мы ощущаем как гравитацию. Стоит ли говорить, что стройная, правильная и предсказуемая Общая теория относительности находится в неразрешимом конфликте с «взбалмошной хулиганкой» – квантовой механикой, и, как следствие, макромир не может «помириться» с микромиром. Вот тут на помощь и приходит теория струн.
2D-Вселенная. Граф полиэдра E8
Теория струн воплощает мечту всех физиков по объединению двух, в корне противоречащих друг другу ОТО и квантовой механики, мечту, которая до конца дней не давала покоя величайшему «цыгану и бродяге» Альберту Эйнштейну.
Многие ученые уверены, что всё, от изысканного танца галактик до безумной пляски субатомных частиц, может в итоге объясняться всего одним фундаментальным физическим принципом. Может быть – даже единым законом, который объединяет все виды энергии, частиц и взаимодействий в какой-нибудь элегантной формуле.
ОТО описывает одну из самых известных сил Вселенной – гравитацию. Квантовая механика описывает три других силы: сильное ядерное взаимодействие, которое склеивает протоны и нейтроны в атомах, электромагнетизм и слабое взаимодействие, которое участвует в радиоактивном распаде. Любое событие в мироздании, от ионизации атома до рождения звезды, описывается взаимодействиями материи посредством этих четырех сил.
С помощью сложнейшей математики удалось показать, что электромагнитное и слабое взаимодействия имеют общую природу, объединив их в единое электрослабое. Впоследствии к ним добавилось и сильное ядерное взаимодействие – но вот гравитация к ним не присоединяется никак. Теория струн – одна из самых серьезных кандидаток на то, чтобы соединить все четыре силы, а, значит, объять все явления во Вселенной – недаром ее еще называют «Теорией Всего».
Вначале был миф
До сих пор далеко не все физики пребывают в восторге от теории струн. А на заре ее появления она и вовсе казалась бесконечно далекой от реальности. Само ее рождение – легенда.
График бета-функции Эйлера при вещественных аргументах
В конце 1960-х годов молодой итальянский физик-теоретик Габриэле Венециано искал уравнения, которые смогли бы объяснить сильные ядерные взаимодействия – чрезвычайно мощный «клей», который скрепляет ядра атомов, связывая воедино протоны и нейтроны. Согласно легенде, как-то он случайно наткнулся на пыльную книгу по истории математики, в которой нашел функцию двухсотлетней давности, впервые записанную швейцарским математиком Леонардом Эйлером. Каково же было удивление Венециано, когда он обнаружил, что функция Эйлера, которую долгое время считали не чем иным, как математической диковинкой, описывает это сильное взаимодействие.
Как же было на самом деле? Формула, вероятно, стала результатом долгих лет работы Венециано, а случай лишь помог сделать первый шаг к открытию теории струн. Функция Эйлера, чудесным образом объяснившая сильное взаимодействие, обрела новую жизнь.
В конце концов, она попалось на глаза молодому американскому физику-теоретику Леонарду Сасскинду, который увидел, что в первую очередь формула описывала частицы, которые не имели внутренней структуры и могли вибрировать. Эти частицы вели себя так, что не могли быть просто точечными частицами. Сасскинд понял – формула описывает нить, которая подобна упругой резинке. Она могла не только растягиваться и сжиматься, но и колебаться, извиваться. Описав свое открытие, Сасскинд представил революционную идею струн.
К сожалению, подавляющее большинство его коллег встретили теорию весьма прохладно.
Стандартная модель
В то время общепринятая наука представляла частицы точками, а не струнами. В течение многих лет физики исследовали поведение субатомных частиц, сталкивая их на высоких скоростях и изучая последствия этих столкновений. Выяснилось, что Вселенная намного богаче, чем это можно было себе представить. Это был настоящий «демографический взрыв» элементарных частиц. Аспиранты физических вузов бегали по коридорам с криками, что открыли новую частицу, – не хватало даже букв для их обозначения. Но, увы, в «родильном доме» новых частиц ученые так и не смогли отыскать ответ на вопрос – зачем их так много и откуда они берутся?
Это подтолкнуло физиков к необычному и потрясающему предсказанию – они поняли, что силы, действующие в природе, также можно объяснить с помощью частиц. То есть существуют частицы материи, а есть частицы-переносчики взаимодействий. Таковым, например, является фотон – частица света. Чем больше этих частиц-переносчиков – тех же фотонов, которыми обмениваются частицы материи, тем ярче свет. Ученые предсказывали, что именно этот обмен частицами-переносчиками – есть не что иное, как то, что мы воспринимаем как силу. Это подтвердилось экспериментами. Так физикам удалось приблизиться к мечте Эйнштейна по объединению сил.
Взаимодействия между различными частицами в Стандартной модели
Ученые считают, что если мы перенесемся к моменту сразу после Большого взрыва, когда Вселенная была на триллионы градусов горячее, частицы-переносчики электромагнетизма и слабого взаимодействия станут неразличимы и объединятся в одну-единственную силу, называемую электрослабой. А если вернуться во времени еще дальше, то электрослабое взаимодействие соединилось бы с сильным в одну суммарную «суперсилу».
Несмотря на то, что все это еще ждет своих доказательств, квантовая механика вдруг объяснила, как три из четырех сил взаимодействуют на субатомном уровне. Причем объяснила красиво и непротиворечиво. Эта стройная картина взаимодействий, в конечном счете, получила название Стандартной модели. Но, увы, и в этой совершенной теории была одна большая проблема – она не включала в себя самую известную силу макроуровня – гравитацию.
Для не успевшей «расцвести» теории струн наступила «осень», уж слишком много проблем она содержала с самого рождения. Например, выкладки теории предсказали существование частиц, которых, как точно установили вскоре, не существует. Это так называемый тахион – частица, которая движется в вакууме быстрее света. Помимо прочего выяснилось, что теория требует целых 10 измерений. Неудивительно, что это очень смущало физиков, ведь это очевидно больше, чем то, что мы видим.
К 1973 году только несколько молодых физиков все еще боролись с загадочными выкладками теории струн. Одним из них был американский физик-теоретик Джон Шварц. В течение четырех лет Шварц пытался приручить непослушные уравнения, но без толку. Помимо других проблем, одно из этих уравнений упорно описывало таинственную частицу, которая не имела массы и не наблюдалась в природе.
Ученый уже решил забросить свое гиблое дело, и тут его осенило – может быть, уравнения теории струн описывают, в том числе, и гравитацию? Впрочем, это подразумевало пересмотр размеров главных «героев» теории – струн. Предположив, что струны в миллиарды и миллиарды раз меньше атома, «струнщики» превратили недостаток теории в ее достоинство. Таинственная частица, от которой Джон Шварц так настойчиво пытался избавиться, теперь выступала в качестве гравитона – частицы, которую долго искали и которая позволила бы перенести гравитацию на квантовый уровень. Именно так теория струн дополнила пазл гравитацией, отсутствующей в Стандартной модели. Но, увы, даже на это открытие научное сообщество никак не отреагировало. Теория струн оставалась на грани выживания. Но Шварца это не остановило. Присоединиться к его поискам захотел только один ученый, готовый рискнуть своей карьерой ради таинственных струн – Майкл Грин.
Субатомные матрешки
Несмотря ни на что, в начале 1980?х годов теория струн все еще имела неразрешимые противоречия, называемые в науке аномалиями. Шварц и Грин принялись за их устранение. И усилия их не прошли даром: ученые сумели устранить некоторые противоречия теории. Каково же было изумление этих двоих, уже привыкших к тому, что их теорию пропускают мимо ушей, когда реакция ученого сообщества взорвала научный мир. Меньше чем за год число струнных теоретиков подпрыгнуло до сотен человек. Именно тогда теорию струн наградили титулом Теории Всего. Новая теория, казалось, способна описать все составляющие мироздания. И вот эти составляющие.
Каждый атом, как известно, состоит из еще меньших частиц – электронов, которые кружатся вокруг ядра, состоящего из протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны, в свою очередь, состоят из еще меньших частиц – кварков. Но теория струн утверждает, что на кварках дело не заканчивается. Кварки состоят из крошечных извивающихся нитей энергии, которые напоминают струны. Каждая из таких струн невообразимо мала.
Мала настолько, что если бы атом был увеличен до размеров Солнечной системы, струна была бы размером с дерево. Так же, как различные колебания струны виолончели создают то, что мы слышим, как разные музыкальные ноты, различные способы (моды) вибрации струны придают частицам их уникальные свойства – массу, заряд и прочее. Знаете, чем, условно говоря, отличаются протоны в кончике вашего ногтя от пока не открытого гравитона? Только набором крошечных струн, которые их составляют, и тем, как эти струны колеблются.
Конечно, все это более чем удивительно. Еще со времен Древней Греции физики привыкли к тому, что все в этом мире состоит из чего-то вроде шаров, крошечных частиц. И вот, не успев привыкнуть к алогичному поведению этих шаров, вытекающему из квантовой механики, им предлагается вовсе оставить парадигму и оперировать какими-то обрезками спагетти…
Пятое измерение
Хотя многие ученые называют теорию струн триумфом математики, некоторые проблемы у нее все же остаются – прежде всего, отсутствие какой-либо возможности в ближайшее время проверить ее экспериментально. Ни один инструмент в мире, ни существующий, ни способный появиться в перспективе, «увидеть» струны неспособен. Поэтому некоторые ученые, кстати, даже задаются вопросом: теория струн – это теория физики или философии?.. Правда, видеть струны «воочию» вовсе не обязательно. Для доказательства теории струн требуется, скорее, другое – то, что звучит как научная фантастика – подтверждение существования дополнительных измерений пространства.
О чем идет речь? Все мы привыкли к трем измерениям пространства и одному – времени. Но теория струн предсказывает наличие и других – дополнительных – измерений. Но начнем по порядку.
На самом деле, идея о существовании других измерений возникла почти сто лет назад. Пришла она в голову никому не известному тогда немецкому математику Теодору Калуца в 1919 году. Он предположил возможность наличия в нашей Вселенной еще одного измерения, которое мы не видим. Об этой идее узнал Альберт Эйнштейн, и сначала она ему очень понравилась. Позже, однако, он засомневался в ее правильности, и задержал публикацию Калуцы на целых два года. В конечном счете, правда, статья все-таки была опубликована, а дополнительное измерение стало своеобразным увлечением гения физики.
Как известно, Эйнштейн показал, что гравитация есть не что иное, как деформация измерений пространства-времени. Калуца предположил, что электромагнетизм тоже может быть рябью. Почему же мы ее не наблюдаем? Калуца нашел ответ на этот вопрос – рябь электромагнетизма может существовать в дополнительном, скрытом измерении.
Но где оно?
Ответ на этот вопрос дал шведский физик Оскар Клейн, который предположил, что пятое измерение Калуцы свернуто в миллиарды раз сильнее, чем размеры одного атома, поэтому мы и не можем его видеть. Идея о существовании этого крошечного измерения, которое находится повсюду вокруг нас, и лежит в основе теории струн.
Одна из предполагаемых форм дополнительных закрученных измерений. Внутри каждой из таких форм вибрирует и движется струна – основной компонент Вселенной. Каждая форма шестимерна – по числу шести дополнительных измерений
Но на самом деле уравнения теории струн требуют даже не одного, а шести дополнительных измерений (итого, с известными нам четырьмя, их получается ровно 10). Все они имеют очень закрученную и искривленную сложную форму. И все – невообразимо малы.
Каким же образом эти крошечные измерения могут оказывать влияние на наш большой мир? Согласно теории струн, решающее: для нее все определяет форма. Когда на саксофоне вы нажимаете разные клавиши, вы получаете и разные звуки. Это происходит потому, что при нажатии той или иной клавиши или их комбинации, вы меняете форму пространства в музыкальном инструменте, где циркулирует воздух. Благодаря этому и рождаются разные звуки.
Теория струн полагает, что дополнительные искривленные и закрученные измерения пространства проявляются похожим образом. Формы этих дополнительных измерений сложны и разнообразны, и каждое заставляет вибрировать струну, находящуюся внутри таких измерений, по-разному именно благодаря своим формам. Ведь если предположить, например, что одна струна вибрирует внутри кувшина, а другая – внутри изогнутого почтового рожка, это будут совершенно разные вибрации. Впрочем, если верить теории струн, на деле формы дополнительных измерений выглядят куда сложнее кувшина.
Как устроен мир
Науке сегодня известен набор чисел, которые являются фундаментальными постоянными Вселенной. Именно они определяют свойства и характеристики всего вокруг нас. Среди таких констант, например, заряд электрона, гравитационная постоянная, скорость света в вакууме… И если мы изменим эти числа даже в незначительное число раз – последствия будут катастрофическими. Предположим, мы увеличили силу электромагнитного взаимодействия. Что же произошло? Мы можем вдруг обнаружить, что ионы стали сильнее отталкиваться друг от друга, и термоядерный синтез, который заставляет звезды светить и излучать тепло, вдруг дал сбой. Все звезды погаснут.
Но причем здесь теория струн с ее дополнительными измерениями? Дело в том, что, согласно ей, именно дополнительные измерения определяют точное значение фундаментальных констант. Одни формы измерений заставляют одну струну вибрировать определенным образом, и порождают то, что мы видим, как фотон. В других формах струны вибрируют по-другому, и порождают электрон. Воистину бог кроется в «мелочах» – именно эти крошечные формы определяют все основополагающие константы этого мира.
Теория суперструн
В середине 1980-х годов теория струн приобрела величественный и стройный вид, но внутри этого монумента царила путаница. Всего за несколько лет возникло целых пять версий теории струн. И хотя каждая из них построена на струнах и дополнительных измерениях (все пять версий объединены в общую теорию суперструн – NS), в деталях эти версии расходились значительно.
Так, в одних версиях струны имели открытые концы, в других – напоминали кольца. А в некоторых вариантах теория даже требовала не 10, а целых 26 измерений. Парадокс в том, что все пять версий на сегодняшний день можно назвать одинаково верными. Но какая из них действительно описывает нашу Вселенную? Это очередная загадка теории струн. Именно поэтому многие физики снова махнули рукой на «сумасбродную» теорию.
Но самая главная проблема струн, как уже было сказано, в невозможности (по крайней мере, пока) доказать их наличие экспериментальным путем.
Некоторые ученые, однако, все же поговаривают, что на следующем поколении ускорителей есть очень минимальная, но все же возможность проверить гипотезу о дополнительных измерениях. Хотя большинство, конечно, уверено, что если это и возможно, то произойти это, увы, должно еще очень нескоро – как минимум через десятилетия, как максимум – даже через сотню лет.
Феномен "квантового ластика" бросает вызов нашему пониманию времени: частица "решает", быть волной или частицей, в зависимости от измерения, которое еще не произошло.
В эксперименте фотон проходит через двойную щель, создавая интерференционную картину (волновое поведение). Затем его квантово запутывают с другим фотоном. Удивительно, но если второй фотон измеряют определенным образом в будущем, первый фотон ретроактивно "меняет" свое поведение в прошлом.
Это не нарушает причинно-следственную связь, но показывает, что квантовая механика оперирует вне привычных рамок линейного времени. Как заметил физик Джон Уилер: "Никакое элементарное квантовое явление не является реальным, пока оно не наблюдается".
Феномен "квантового ластика" бросает вызов нашему пониманию времени: частица "решает", быть волной или частицей, в зависимости от измерения, которое еще не произошло.
В эксперименте фотон проходит через двойную щель, создавая интерференционную картину (волновое поведение). Затем его квантово запутывают с другим фотоном. Удивительно, но если второй фотон измеряют определенным образом в будущем, первый фотон ретроактивно "меняет" свое поведение в прошлом.
Это не нарушает причинно-следственную связь, но показывает, что квантовая механика оперирует вне привычных рамок линейного времени. Как заметил физик Джон Уилер: "Никакое элементарное квантовое явление не является реальным, пока оно не наблюдается".
Как вы наверное помните, основным выводом Гейзенберга было, чтонельзя одновременно точно определить положение частицы и её импульс. На этом представлениистроится вся современная физика.
Волночастица в работеВпервые введенный в 1927 году немецким физиком Вернером Гейзенбергом принцип гласит, что чем точнее определено положение некоторой частицы, тем менее точно ее импульс может быть предсказан из начальных условий, и наоборот.
Утверждение это довольно сложно проанализировать, если воспринимать частички только лишь как физические тела, похожие на мячики, но мы-то с вами знаем, что в квантовой физике всё кверху ногами и логика упирается в волновую природу. Коротко и понятно - это значит только одно.Вся квантовая физика держится на вероятности и не может быть точной в подразумеваемом нами смысле.
Пару слов про аттосекундную физику
Между тем, недавно нобелевская премия в области физики была вручена за разработку методики, способной работатьс минимальными временными интервалами или аттосекундами.
Какой-то дурацкий комикс, но есть величина аттосекунды
Аттосекундная физикаинтересна тем, что при рассмотрении минимального интервала в поведении частичек (да и при рассмотрении прочих процессов) появляются детерминированные (строго определённые состояния).
В конечном итоге, любую прямую можно описать как набор точек, которые расположены друг за другом вдоль одной линии, а любая волна в море может быть рассмотрена как положение конкретной молекулы в строго обозначенной точке с конкретными характеристиками.
Догадались к чему идёт дело?
Нобелевская премия сломала принцип Гейзенберга?
Если раньше Гейзенберг исходил из того, что волна есть некоторый непрерывный интервал игде-то там проявляются свойства частицы, которые ещё и не возможно точно измерить, то тут картина резко меняется.
Довольно неплохая иллюстрация логики происходящего
Ученые в области сверхбыстрой «фотографии» субатомного мира научились фиксировать мгновенное состояние системы.
Энн Л'Уилье из Франции придумал как создать ультракороткие лазерные вспышки, а Пьер Агостини из Франции и Ференц Крауш из Австрии независимо друг от друга применили эту технологию на практике.
В обычных случаях это означает, что систему можно "заморозить" и получить такие состояния частицы, которые раньше мы не могли себе даже и представить. Варианты можно ожидать тут самые разные и да, это совершенно неизведанная для физиков территория.
Значит ли это, что теперь и принцип Гейзенберга не имеет никакого смысла? Всё относительно.
Логика аттосекунд и Гейзенберг
Да, систему теперь и правда можно зафиксировать. Да, из волны, которая описывает состояние электрона (теоретически) можно теперь выделить конкретное состояние и представить это как точное описание частицы в конкретный момент. Но важно правильно понимать это физически.
Гейзенберг действительно вряд ли ожидал, что аттосекундные периоды для длин волн в нанометрах будут когда-нибудь технологически разрешимы.
Но, вероятнее всего, такие технологии его скорее бы порадовали. Говорить о том, что новая физика опровергает его идеи не совсем правильно.
Даже если Гейзенберг не прав сейчас, то он прав был тогда
Во-первых, интервалы хоть и короткие...Но насколько они короткие? Далеко не факт, что сверхбыстрые фотографии опять-такификсируют не интервал времени, а "единичное квантовое состояние".Это утверждение в корне ломает все доводы о неправоте Гейзенберга. Поэтому, если это всё-таки интервал, то говорить о возможности измерить всё сразу опять нельзя.
Во-вторых, смею предположить, что Гейзенберг и не стремился особенно сильно упираться в свой же постулат. Вероятнее всего, главная ценность этой системы - обозначить, чтона момент времени (!!!), когда работал Гейзенберг, физика не может точно измерить и координату, и импульс,а вся квантовая логика принципиально отличается от классической физики. Само собой, что если бы Гейзенберг на тот момент знал про аттосекунды, то он, вероятно, строил бы логику совсем иначе.
Собственно, мне не доводилось пока видеть авторитетные научные работы, где логика принципа неопределенности проверялась бы по новым методикам, поэтому если у вас есть ссылки на такие статьи, то оставляйте их в комментариях.
⚡ Обязательноподпишитесь на Telegramпроекта и читайте эксклюзивные статьи! Обновления каждый день!
Наступлению весны рады, пожалуй, все... Кроме владельцев частных домов, ведь им снова придется столкнуться с их самым лютым кошмаром – уховертками!
Это существо, которое способно лишь одним своим видом заставить визжать даже здоровенных мужиков, но так ли оно опасно на самом деле? Давайте разбираться.
Начнем с коротенького ликбеза. В народе эту жуть на ножках называют двухвосткой, что не совсем правильно. Дело в том, что настоящие двухвостки относятся к скрыточелюстным, а уховертки являются представителями отряда кожистокрылых. Что там говорить, настоящая двухвостка выглядит довольно жалко и вряд ли кого сможет напугать.
Почему же наше домашнее чудище называют уховерткой? В народе принято считать, что уховертка способна забраться в ухо спящего человека и покусать его изнутри, повредив барабанную перепонку, но этот миф легко разрушить хотя бы даже с лингвистической точки зрения.
На английский язык слово уховертка можно перевести как earwig, а если быть точнее, то у нас это название появилось путем перевода английского слова, да ещё и миф про барабанные перепонки достался в комплекте. Считается, что само слово earwig могло образоваться от earwing, что можно перевести как "крыло в форме уха", что явно указывает на необычную форму крыльев этого насекомого.
С точки зрения биологии миф про барабанные перепонки и уховерток тоже выглядит, как какая-то фикция. Дело в том, что герои этой статьи действительно любят прятаться в укромных местах, однако случаи нахождения их в ушах фиксировались крайне редко, так редко, что считайте, что таких случаев вообще почти не было.
Настолько жуткая тварь не может оказаться безвредной, скажете вы и будете совершенно правы! Уховертки нажили себе дурную славу тем, что они любят попортить растения в огороде, оставляя дырки в их листьях, под удар попадает картофель, томаты, капуста, горох и многое другое.
Она любит поживиться и плодами, но, справедливости ради, стоит сказать, что выбирает она в основном либо треснутые экземпляры, либо те, которые уже были ранее повреждены птицами.
При всем своем ужасном виде и поведении приносит уховертка и пользу. Она калечит огородный урожай, а взамен поедает других вредителей, вроде тли. Однако это никак не способно обелить репутацию этого червяка с кусачками на заднице, ведь вреда она наносит куда больше.
Мы уже выяснили, что на уши коварная букашка не покушается, но два гвоздя на конце её тушки всё равно могут быть использованы против человека и тут люди, живущие в частных домах не дадут мне соврать – уховертки довольно ощутимо кусаются, если почувствуют, что им угрожает опасность.
За такой укус сапиенсы всегда готовы обрушить на насекомое всю ярость и мощь комнатного тапка. Убить их с первого раза удается редко, спасает прочный хитиновый панцирь. Но в вопросе уничтожениях уховерток люди, укушенные ими, проявляют завидное упорство.
Если подвести итоги, то можно сказать, что серьезного вреда здоровью животинка нанести не может, однако ее нестандартная красота придется по душе не каждому. Давайте на чистоту – она не настолько опасна, чтобы при её виде биться в припадках, нам просто не нравится, как она выглядит. Ну а товарищи-огородники имеют полное право ненавидеть эту живую открывашку по понятным причинам.
А этим постом я завершил участие в конкурсе Удиви меня на Капибаре 30 июня 2025 года.
Острова современности стали излюбленным местом отдыха путешественников. Туристы мечтают о теплых краях с живописными пляжами, и мало кто представляет Европу тропическим раем. Однако десятки миллионов лет назад, в меловой период, европейский континент выглядел совсем иначе.
В те времена теплый климат окутывал обширный архипелаг, состоящий из множества островов разной величины. Кристально чистое тропическое море омывало берега необитаемых островков, создавая идиллическую картину. Но среди райских мест выделялся остров Хацег - территория, населенная существами из ночных кошмаров. Удивительно, но главными обитателями острова были не динозавры - впервые за всю историю планеты они оказались в роли добычи.
Сегодня остров Хацег невозможно найти на карте. Лишь скальные образования около румынского города Хацег напоминают о его существовании. Площадь древнего острова составляла около 80 000 квадратных километров - примерно как современный остров Гаити. Остров располагался над экваториальным поясом, на территории нынешнего Алжира. По климату, геологии и рельефу древний Хацег напоминал современный остров Хайнань у берегов Китая.
Соседями острова были другие европейские массивы суши: Иберия, Ирландия, Сардиния, Босния, Австрия и части современной Украины.
Морские просторы отделяли Хацег от ближайшей суши - Богемского массива - на расстояние минимум 200 километров.
Долгое время жизнь на острове текла спокойно, немногие животные могли добраться до берегов. Ящерицы и морские черепахи были единственными его обитателями. Ближе к концу мелового периода ситуация изменилась: динозавры, птерозавры и другие существа освоили территорию острова, превратив райское место в арену борьбы за выживание.
На острове Хацег законы природы оказались перевернуты с ног на голову. Динозавры, вопреки привычному порядку вещей, отличались миниатюрными размерами. А доминирующими хищниками стали гигантские плотоядные птерозавры из группы аждархид (семейство Azhdarchidae), летающих ящеров с характерными длинными конечностями и шеями.
Ученые связывают удивительный феномен с островной карликовостью и гигантизмом. Нехватка пищи заставила динозавров мельчать. А птерозавры, не встречая сопротивления со стороны крупных ящеров, развились в самых больших летающих существ за всю историю Земли.
На территории острова господствовали три разновидности аждархид:
Самым маленьким из них был эураждарх (Eurazhdarcho langendorfensis), чей размах крыльев достигал 3 метров.
Сравнимо с современными птицами с самым большим размахом крыльев. В рацион входили земноводные, небольшие пресмыкающиеся и млекопитающие.
Албадрако (Albadraco tharmisensis) превосходил своего меньшего собрата.
Его крылья достигали размаха в 7 метров - больше, чем у аргентависа, самой тяжелой летающей птицы всех времен.
В высоту ящер превышал человеческий рост.
О плотоядной природе албадрако говорит строение его массивного черепа.
Острым клювом хищник не только наносил смертельные удары, но и заглатывал целиком свою добычу. На охоте ящер подстерегал молодых теропод, ноазавров и других древних рептилий, скрываясь в зарослях. Поднимался в воздух летающий гигант лишь для осмотра охотничьих угодий - анатомия скелета демонстрирует явное предпочтение наземного образа жизни.
На фоне своих собратьев албадрако выглядел исполином, но даже он казался комично маленьким в сравнении с гацегоптериксом (Hatzegopteryx thambema) - крупнейшим летающим существом в истории планеты.
Его череп был буквально длиной с лошадь.
Размах крыльев последнего достигал 12 метров, что означает, что этот ящер был шире, чем истребитель F-35. Лишь кетцалькоатль из Северной Америки мог сравниться с властелином острова Хацег, но он уступал по массе.
Стоя на земле, ящер возвышался на 5 метров - почти как современный жираф.
По расчетам палеонтологов, вес гиганта был сопоставим с крупным медведем гризли (за 700 кг). Несмотря на внушительные габариты, крылья гацегоптерикса сохраняли типичное для аждархид строение, без признаков деградации или рудиментарности.
Взлетал крылатый исполин, отталкиваясь мощными конечностями. Высота прыжка достигала 2,4 метра - втрое выше, чем у профессиональных баскетболистов NBA. Впрочем, к длительным полетам гацегоптерикс был не приспособлен, поднимаясь в воздух преимущественно для поиска добычи.
Большую часть времени гигант проводил на земле, демонстрируя незаурядные беговые способности. Внушительный рост позволял обозревать окрестности поверх растительности. Склеротические кольца в глазницах указывают на превосходное зрение - от взгляда гацегоптерикса не могла укрыться никакая потенциальная жертва.
Исследователи пришли к выводу, что хацегоптерикс был настоящим "убийцей динозавров", охотившимся на многих обитателей острова. Даже карликовые зауроподы и орнитоподы не были в безопасности, по крайней мере в молодом возрасте. Реконструкции показывают, что хацегоптерикс мог наносить такие мощные удары, что убивал добычу, которая была слишком крупной, чтобы проглотить ее целиком. При этом его пасть была достаточно широкой, чтобы заглатывать добычу размером с человека.
Еще более жуткие детали раскрывают палеонтологические находки. На черепах хацегоптериксов обнаружены многочисленные шрамы в задней части, что указывает на регулярные высокоскоростные столкновения во время охоты. Исследования показали, что шея и клюв этого птерозавра могли выдерживать нагрузки в десять раз превышающие вес его собственного тела. Это означало, что каждый удар клюва мог глубоко проникать в плоть или наносить серьезные тупые травмы.
Помимо хацегоптерикса, остров населяли и другие хищники - например, крокодиломорфы. Впрочем, большинство из них были относительно небольшими по сравнению современным человеком. Некоторые виды, такие как апрозух, доратодон и саброзух, по нынешним меркам считались бы крошечными - они были меньше домашней кошки.
Однако один род - аллодапозух - достигал внушительных размеров. Это был представитель эузухий, к которым относятся современные крокодилы. Аллодапозух господствовал в многочисленных озерах и реках, усеивавших остров Хацег. Он терпеливо поджидал жаждущих животных, приходивших на водопой, а затем атаковал их мощными челюстями с острыми зазубренными зубами.
Ископаемые остатки показывают, что аллодапозух был одним из крупнейших хищников острова. По оценкам ученых, он мог достигать 3 метров в длину от морды до хвоста и весить более 100 килограммов - больше крупного ягуара.
Особенно интересной и несколько пугающей чертой аллодапозуха было то, что помимо полуводного образа жизни, он также показывал признаки адаптации к наземному существованию. Его конечности были относительно удлиненными для крокодиломорфа, что позволяло ему хорошо передвигаться по суше и, возможно, даже бегать. Таким образом, даже вдали от водоемов приходилось остерегаться довольно крупных "кроков".
На острове также обитали змеи, включая представителей семейства мадтзоиид. Это семейство известно тем, что его члены неоднократно становились самыми длинными змеями на Земле. Однако хацегский представитель - нидофис - был относительно небольшим родом, размером примерно с обычную подвязочную змею. Он не был ядовитым, так что хотя его укус был бы неприятным, для крупных животных он не представлял смертельной опасности.
На острове также обитали хищные динозавры, но, как и другие местные рептилии, они были миниатюрными по сравнению с материковыми собратьями и, вероятно, не представляли угрозы для добычи размером с человека.
Одним из наиболее распространенных видов был элоптерикс (также известный как гептастеорнис или брадикнеме, в зависимости от источника).
Это был среднеразмерный альварезаврид длиной около 2,1 метра, но весивший не больше крупного бигля.
В жизни эти животные обладали сильно редуцированными когтистыми пальцами, которые помогали им в насекомоядной диете, состоявшей главным образом из термитов. Интересно, что изначально палеонтологи ошибочно считали элоптерикса не неавианским динозавром, а гигантской совой высотой 2 метра с размахом крыльев 5,4 метра, что сделало бы его крупнейшей совой всех времен.
К счастью для обитателей Хацега, это оказалось неверным.
Более опасным мог быть балаур бондок - загадочное существо, которое долго озадачивало исследователей. До сих пор неясно, был ли это примитивная птица или неавианский динозавр из группы дромеозавров.
Два подхода к реконструкции внешности балаура
Несмотря на небольшой размер (как у велоцираптора), балаур был явно приспособлен для убийства добычи, превышающей его по размеру.
Несмотря на небольшой размер (как у велоцираптора), балаур был явно приспособлен для убийства добычи, превышающей его по размеру.
Его тело было гораздо более мускулистым, чем ожидалось бы от животного такого размера, особенно задние конечности были крайне мощными. Таз имел множество точек крепления для крупных мышц, что указывает на приспособленность к силе, а не к скорости. На каждой ноге у него было по два больших когтя.
Палеонтологи считают, что этот теропод нападал на добычу из засады, как рапторы, быстро убивая ее мощными ударами когтей. Альтернативная теория предполагает, что он удерживал жертву когтями и поедал ее живьем после того, как она выбивалась из сил. Однако остается неясным, был ли балаур вообще хищником, поскольку до сих пор не найдено ни одного черепа этого животного.
Крупнейшим хищным динозавром острова был мегалозавр венгерский. Вопреки названию, это был не настоящий мегалозавр (те давно вымерли), а неправильно классифицированный теропод, возможно, абелизаврид.
Как и другие местные динозавры, он был довольно мал, хотя точные размеры неизвестны из-за фрагментарности находок - обнаружены только зубы. Палеонтологи дают консервативную оценку длины в 3 метра, что все равно делает его крупнейшим хищным неавианским динозавром острова.
Предполагается, что он охотился на различных травоядных динозавров, включая анкилозавров, струтиозавров и орнитоподов залмоксесов, который был близок к нему по размеру.
Интересной особенностью залмоксеса было то, что он - один из немногих динозавров, которых островная карликовость обошла стороной. Поскольку на острове Хацег было не так много травоядных животных, конкурирующих за ресурсы, залмоксес, хотя и не смог стать гигантом, все же сохранил довольно приличные размеры.
Ирония заключается в том, что звание крупнейших динозавров и самых тяжелых животных на острове Хацег по-прежнему принадлежало тем, кто больше всего пострадал от островной карликовости - зауроподам. На сегодняшний день на острове обнаружены два титанозавра: мадьярозавр и палудититан.
Реконструкция мадьярозавра для компьютерной игры The Isle
палудититан
Из двух видов мадьярозавр был несколько меньше - его длина составляла 6 метров, а вес не превышал 1 тонны. Палудититан был примерно такой же длины, но имел более плотное телосложение, что делало его на одну десятую тонны тяжелее. При таких размерах эти титанозавры были одними из самых маленьких зауропод, когда-либо существовавших, и больше напоминали лошадей, чем африканских слонов.
Тем не менее, именно эти размеры делали их "королями по весу" на острове, и взрослые особи, вероятно, были недоступны любым хищникам.
Помимо размеров, карликовые зауроподы обладали и значительной защитой. По крайней мере мадьярозавр имел остеодермы - костные пластины, покрывавшие различные части тела и обеспечивавшие защиту, которая могла оказаться полезной для молодых особей при нападениях хищников.
Не всем динозаврам повезло так, как мадьярозавру. Некоторые, например телматозавр, не имели брони и уменьшились в размерах до такой степени, что даже взрослые особи постоянно находились в опасности. Этот гадрозавроморф достигал 5 метров в длину и весил около полутонны. Он был одним из самых распространенных динозавров на острове и, вероятно, составлял значительную часть рациона хацегоптерикса.
Исследования зубов телматозавра показали, что он питался кустарниками и травянистыми растениями, предпочитая лесистые внутренние районы острова, где мог кормиться и укрываться от хищников. Но хищники были не единственной проблемой - найденные образцы показывают, что эти животные были подвержены различным заболеваниям, включая доброкачественные опухоли. У одной особи была обнаружена крупная меланобластома на нижней челюсти, которая, хотя и была незлокачественной, могла значительно способствовать смерти животного, делая процесс питания практически невозможным по мере роста опухоли.
Не все динозавры страдали от островной карликовости - некоторым счастливчикам досталось прямо противоположное явление: гигантизм. Ярким примером был гаргантуавис - настоящий динозавр, но авианский, то есть крупная примитивная птица.
Обычно птицы мезозойской эры были довольно мелкими, большинство не крупнее вороны. Но гаргантуавис стал крайней аномалией: в условиях ограниченной конкуренции он превратился не только в крупнейшую птицу острова, но и в самую большую птицу, когда-либо жившую в эпоху динозавров. Палеонтологи считают, что он достигал размеров казуара или страуса, со средним весом взрослой особи 141 килограмм, что делало его одним из самых тяжелых обитателей острова Хацег.
Роль гаргантуависа в экосистеме остается неясной, поскольку, как и у балаура, его череп так и не был найден. Строение шеи предполагает, что череп у него должен быть огромным, ввиду чего некоторые ученые предполагают сходство с кайнозойскими ужасными птицами (форараксовые), охотившимися на других животных. Однако морфология тела и конечностей не подтверждает эту теорию.
Особенно странной представляется массивная бедренная кость, очень напоминавшая кости вымерших моа. Это указывало на то, что птица не была быстрой и, учитывая размеры тела, вероятно, не могла летать.
Некоторые исследователи предполагают, что он жил подобно моа, питаясь семенами, фруктами, листьями и травой. Без материала черепа невозможно сказать точно, и все попытки найти череп оказались безуспешными, поскольку гаргантуавис был относительно редким существом, предпочитавшим области вдали от рек и озер, где фоссилизация происходила редко.
Даже не зная точного образа его жизни, можно сказать, что встреча с птицей размером со страуса могла бы сильно напугать. А учитывая всех птерозавров, крокодилов и возможных мелких хищных динозавров, остров Хацег был весьма сомнительным местом для посещения.
К довершению всех бед, на мелководье вокруг острова Хацег обитало множество страшных морских существ.
Как и почти везде в позднем мелу, мозазавры населяли здешние моря, но их разнообразие достигло экстремального уровня. Воды вокруг Хацега стали домом для девяти родов мозазавров - больше, чем где-либо еще в мире.
Три вида мозазавров - мозазавр, гаинозавр и прогнатодон - превратились в настоящих морских монстров. Все они превышали 9 метров в длину, а некоторые достигали размеров крупных китов.
Остальные мозазавры, хотя и уступали гигантам, отнюдь не были безобидными - даже самый маленький кариноденс достигал размеров крупной тигровой акулы. Ситуацию усугубляло то, что большинство мозазавров предпочитало мелкие теплые воды, поэтому встреча с ними была практически неизбежной.
Многочисленные плезиозавры также населяли эти воды. Хотя они не охотились на добычу человеческого размера, один их вид мог напугать до смерти.
Акулы также процветали в этих водах, демонстрируя не меньшее многобразие, чем мозазавры. Здесь обитали ковровые, серые, катрановые, бамбуковые, пилоносые, скумбриевые акулы и акулы-няньки. Скумбриевые достигали огромных размеров и превосходно охотились на крупную добычу благодаря многорядным зазубренным зубам.
Акула гинсу стала одним из крупнейших и доминирующих хищников региона. Она превосходила по размерам самых больших белых акул и развивала скорость до 70 км/ч, устраивая смертоносные засады.
Лептостиракс производил еще большее впечатление - эта менее известная скумбриевая акула достигала 8,3 метра в длину, приближаясь к размерам крупной китовой акулы. Особую тревогу вызывало то, что это чудовище предпочитало мелководье у берегов.
Также нужно отметить вороньих акул. Они уступали в размерах предыдущим видам, но тем не менее, их внушительные габариты и прожорливость заслуживали уважения - эти хищники не брезговали птерозаврами и динозаврами.
Любой, кто оказывался на острове Хацег, попадал в безвыходную ситуацию - и оставаться и пытаться покинуть остров было одинаково опасно.
Сама природа также не щадила остров Хацег. Регион страдал от частых вулканических извержений, которые периодически засыпали остров толстыми слоями пепла.
Гравюра извержения острова Санторини в XV веке
Однако все предыдущие катастрофы меркли перед событиями, которые произошли 66 миллионов лет назад. Гигантский астероид, уничтоживший динозавров, обрушил на Хацег мощное цунами высотой более 9 метров. Тем, кто пережил удар волны, пришлось столкнуться с экстремальными температурами, спровоцировавшими огромные лесные пожары, а леса на острове были сухими. Сочетание пожаров и цунами окончательно уничтожило этот загадочный остров вместе с его необычными обитателями.
Австрийский физик Христиан Доплер в 1842 году выдвинул и теоретически обосновал предположение о том, что частота световых и звуковых колебаний должна меняться для наблюдателя в зависимости от того, движется ли источник света либо звука от наблюдателя или к нему.
Все слылаши звук двигателя пролетающего мимо вас авто на трассе - это оно и есть. Только вот в 19м веке небыло таких чудо-скоростей, что бы органолептически или инструментально его наблюдать. Да и сам Доплер вывел его только на бумаге, как это частво в физике бывает.
Через три года метеоролог Христофор Бейс-Баллот решил проверить гипотезу Доплера. Но в то время и подходящих инструментов небыло. Это сейчас можно поставить высокоточный генератор звуковых частот с динамиком и микрофон с частотомером. А тогда пришлось задействовать тех, кто сам использует различные инструменты - музыкантов.
Человек он был не бедный, потому нанял паровоз с платформой и маленький музыкальный оркестр.
Так сейчас выглядит та самая станция
Посадил на платформу двух трубачей (двух - для того что бы один дудел, а второй воздух глотал, потом наоборот) и заставил их (не забесплатно естественно) держать ноту "соль" постоянно. Остальной оркестр разоружил и сказал им слушать эту самую "соль". Так он гонял паровоз один день с разными скоростями мимо них и после каждого проезда делал опрос. Как известно музыканты имеют почти абсолютный слух, а их количество позволяло усреднить результат.
На следующий день он поменял их местами и повторил эксперимент.
За два дня этот эксперимент полностью подтвердил гипотезу Доплера, да и повторить его было несложно, а повторяемость эксперимента независимыми (и зачастую оппонентами (ну так в науке врагов называют)) экспериментаторами достаточно легка, разве что спецом музыкантов подговорить, но такой подлог быстро вскроется.
Если хорошо подумать, то замена "микрофонов" и "динамиков" местами ещё и принцип относительности доказывает, но до Эйнштейна было ещё далеко.
Год назад я предсказывала, что 2024 год станет годом, когда ажиотаж вокруг квантовых вычислений достигнет пика и пойдет на спад. Сейчас, когда год близится к концу, я думаю, что мне не стоит делать прогнозы, поскольку ситуация с квантовыми вычислениями, похоже, останется в суперпозиции между многообещающей и не очень. Давайте рассмотрим подробнее.
Около года назад IBM представила свой первый квантовый чип с более чем 1000 кубитов.
Звучит впечатляюще, но меня удивило, что они практически ничего не сказали о том, как чип работает, что довольно подозрительно, не так ли? В то же время IBM тихо пересмотрела свои планы по квантовым вычислениям. У IBM была амбициозная дорожная карта с экспоненциальным увеличением числа кубитов. Она предусматривала достижения более 4000 кубитов в следующем году, затем 10000 и больше после 2026 года.
В своей новой дорожной карте IBM просто отказалась от этих планов. Согласно новому плану, они останутся на уровне 1000 кубитов как минимум на ближайшие несколько лет и вместо этого сосредоточатся на коррекции ошибок.
Я интерпретирую пересмотренную дорожную карту IBM как то, что они становятся более осторожными в вопросе вложения денег в эту проблему. Говоря о вложениях, компании по квантовым вычислениям D-Wave и Rigetti снова получили предупреждение о риске исключения из листинга Нью-Йоркской фондовой биржи из-за слишком низкой стоимости их акций.
Новости о PsiQuantum, наиболее известной компании, занимающейся квантовыми вычислениями с использованием фотонов, неоднозначны.
Они привлекли почти миллиард долларов инвестиций, значительная часть которых поступила от австралийских налогоплательщиков.
Но они не только привлекли деньги, но и вызвали много вопросов, не в последнюю очередь потому, что это американская компания. Несколько членов австралийского парламента запросили расследование о том, является ли это инвестирование надлежащим использованием государственных средств.
Теперь о хороших новостях: Google добилась заметного прогресса в коррекции ошибок за последний месяц. Google, напомню, использует ту же технологию квантовых вычислений, что и IBM - то есть сверхпроводящие кубиты. Теперь они впервые продемонстрировали, что коррекция ошибок улучшается по мере увеличения числа кубитов, как и предсказывалось.
Чтобы предотвратить появление ошибок в квантовом компьютере, каждый кубит связывают с несколькими другими. Таким образом они резервируются. Затем можно использовать некоторые кубиты для проверки других и исправления ошибок. Проблема в том, что добавление большего количества кубитов также вносит новые ошибки, поэтому при добавлении все большего числа кубитов не ясно, что произойдет. Уменьшите ли вы общее количество ошибок или увеличите их?
Это похоже на университетскую администрацию: сначала у вас есть одна администрация, потом администрация для администрации, а затем еще больше администраций для администрирования администрации администрации, при этом не факт, что она работает лучше, чем без них. Что ж, по крайней мере для квантовых компьютеров, группа из Google теперь впервые продемонстрировала, что они действительно наблюдают экспоненциальное снижение ошибок по мере увеличения числа кубитов. Это хорошая новость не только для Google, но и для IBM, поскольку они используют ту же технологию.
Что все это теперь означает? Решение IBM не спешить с увеличением числа кубитов может показаться движением назад, но в этом есть большой смысл, поскольку увеличение числа кубитов не является главной проблемой. Проблема заключается в том, чтобы увеличить их количество и при этом иметь возможность использовать кубиты. Поэтому, прежде чем вкладывать деньги в увеличение размеров устройств, нужно удостовериться, что коррекция ошибок действительно работает.
И дело не только в ошибках, накапливающихся из-за декогеренции [процесса нарушения когеренции (связи), вызываемой взаимодействием квантовой системы с окружающей средой]. У этих чипов часто есть внутренний дрейф, то есть система меняется сама по себе, когда вы этого не хотите. Также трудно обращаться к кубитам по отдельности. Если вы нацеливаетесь на один, то соседние тоже могут быть затронуты - проблема, известная как перекрестные помехи. Все это решаемые проблемы, но в целом квантовые вычисления - сложная задача.
Я думаю, что главный риск в области квантовых вычислений заключается не в том, что они не будут работать, а в том, что достижение достаточно хорошей работы для коммерчески интересного применения может оказаться настолько дорогим, что никогда не оправдает вложенных инвестиций. Если бы вы попросили меня оценить стоимость создания такого квантового компьютера для коммерческого использования, я бы назвал сумму в несколько десятков миллиардов долларов или даже 100 миллиардов. Это такая сумма денег, которую даже крупная компания или правительство не могут легко найти.
Если то, что я только что сказала, верно, то произойдет следующее: крупные компании, такие как Google и IBM, станут очень осторожными в отношении дальнейших инвестиций. Тем временем стартапы в области квантовых вычислений будут вынуждены привлекать все больше и больше денег, пока инвесторы не потеряют веру, и в этот момент вся игра начнет разваливаться. Это согласуется с тем, что мы только что наблюдали в IBM и PsiQuantum, так что мы, возможно, являемся свидетелями начала конца.
С другой стороны, это быстро развивающаяся область, и ситуация может измениться. Возможно, потребуется еще немного времени и несколько миллиардов долларов.
Много лет вы просили рассказать о Теории всего Стивена Вольфрама. Я избегала этой темы, не понимая сути его работы. Недавно я осознала, что и сама часто не понимаю, что делаю. Честно говоря, когда я просматриваю новости, мне кажется, что никто не знает, что делает. Поэтому поделюсь своим пониманием его идей.
Вольфрам - известный математик и специалист по информатике, более всего известен как создатель программы Mathematica. Он стремится объяснить устройство мироздания через компьютерный код. Его теория всего переводит гипотезу симуляции на язык математики. Он ищет код, способный воспроизвести известную нам физику с гравитацией и частицами стандартной модели.
Вольфрам выделяется среди других теоретиков глубоким пониманием используемой математики. При этом физики почти не замечают его идеи. У меня есть предположение почему.
По его мнению, вселенная работает как компьютерная программа с простыми правилами, порождающими физические законы. А те в свою очередь определяют наблюдаемую реальность. Это усложненная версия клеточных автоматов, создающих двумерные узоры построчно. Узоры могут быть очень сложными. Возможно, четырехмерная версия объяснит всю вселенную. Такова суть идеи.
Я встречала Вольфрама на семинаре примерно 10 лет назад. Он представлял теорию всего группе физиков. Их реакцию можно описать как вежливый скептицизм - как если бы ваша тётка рассказала о том, что встретила Элвиса [Пресли, вероятно] в метро.
Я понимаю причины скептицизма. Идея физических законов как вычислений противоречит общей теории относительности Эйнштейна, причем существенно.
Любое вычисление происходит пошагово. Иначе это просто иная формулировка известных физических законов. У вычисления есть правило обновления состояний. В клеточных автоматах обновление идет построчно, с определенным шагом во времени и пространстве.
В своей книге 2002 года "Новый вид науки" Вольфрам говорит, что хочет описать пространство как сеть. Математики также называют их "графами". Оба эти термина, сети и графы, относятся к одному и тому же - это точки, соединённые линиями. Если описывать пространство таким образом, это своего рода дискретизация. Затем Вольфрам говорит, что законы физики - это правила обновления связей в сети. Это, по идее, может описывать как пространство, так и материю в нём.
Проблема не только в том, что теории Эйнштейна не используют графы - их нельзя даже приближенно описать графами. Промежутки в графе и шаги обновлений должны быть наблюдаемы. Но мы их не видим.
Возьмем фотон определенной длины волны. Длина волны обратно пропорциональна энергии. Какова энергия фотона?
Если вы не знаете ответа, то вы правы. У вопроса нет ответа. Энергия фотона зависит от того, как вы его наблюдаете. Предположим, вы наблюдаете фотон, скажем, зелёного цвета. Наблюдатель, движущийся к нему, увидит цвет смещённым в синюю область, то есть с более высокой энергией, а наблюдатель, движущийся от него, увидит его смещённым в красную область, то есть с меньшей энергией. Какова "реальная" энергия фотона? На этот вопрос нет ответа. Все эти энергии одинаково реальны. Энергия может быть сколь угодно высокой, а длина волны сколь угодно малой, или энергия может быть сколь угодно низкой, а длина волны сколь угодно большой.
Это происходит потому, что в теории Эйнштейна движение наблюдателя меняет само понимание того, что значит большое или маленькое, или что имеет высокую или низкую энергию.
В этом проблема дискретных подходов к пространству-времени. Если пространство описывается графом с минимальным расстоянием (планковской длиной), для движущегося наблюдателя эта структура окажется намного меньше. Это нарушает лоренц-инвариантность.
Нельзя аппроксимировать общую теорию относительности графом с сохранением симметрий. Можно пожертвовать симметриями, но отклонения всегда будут существенны для некоторого наблюдателя.
Это так раздражало меня, что я написала статью, в которой доказала, что это невозможно. Не существует сетевого подхода к пространству-времени, который был бы совместим с теориями Эйнштейна. Его просто нет. Теперь вы, возможно, понимаете, почему мне не нравились идеи Вольфрама.
Можно возразить: это хорошо, что нельзя воспроизвести общую теорию относительности, потому что тогда мы можем проверить эту идею. Да, и именно поэтому некоторые люди ищут небольшие отклонения от лоренц-симметрии и утверждают, что они проверяют гипотезу симуляции, что создаёт броские заголовки.
Проблема в том, что мы знаем: если серьёзно относиться к квантовой механике, даже малейшие отклонения от этой симметрии привели бы к наблюдаемым явлениям в физике частиц, а они давно исключены. Поэтому я осмеливаюсь сказать, что совершенно неудивительно, что эти эксперименты никогда не находят никаких отклонений от лоренц-симметрии.
На том семинаре 10 лет назад физики тоже указывали на проблему лоренц-симметрии: как согласовать теорию с наблюдениями.
И я думаю, что Вольфрам серьёзно отнёсся к критике. Потому что пару лет назад он опубликовал вместе с несколькими соавторами продолжение работы, в которой они пытались решить эту проблему.
Я прочитала её, когда она вышла, и собиралась рассказать о ней рассказать, но собитие как раз совпало с первыми ковидными локдаунами, и у меня были другие заботы - например, попытаться не сойти с ума.
Не помогло и то, что вместо обычной публикации PR-служба Вольфрама выпустила пресс-релиз о том, что он "возможно, нашел путь к фундаментальной теории физики, и она прекрасна". Отчасти поэтому физики игнорируют Вольфрама - он не следует научному этикету. Я не оправдываю, а объясняю их реакцию: в основном закатывание глаз.
Новый подход Вольфрама использует гиперграфы - коллекции графов вместо одиночных графов для описания пространства-времени и частиц.
Точки в графах описывают пространство-время и материю. Связи в гиперграфах нефизические - у них нет длины, они показывают только отношения между точками. Отсутствие длины решает проблему разных наблюдателей. Умное решение.
В 2020 году я обсуждала это с Джонатаном Горардом из Wolfram Research, видимо, главным автором работы.
Идея работоспособна, но не нова - это подход "причинных множеств" Рафаэля Соркина.
В нем пространство-время - "множество" точек, и эти точки имеют причинные отношения, которые можно изобразить стрелками, тем самым получив граф. Данный подход сохраняет симметрии теории Эйнштейна.
Если посмотреть на то, чем они занимались после 2020 года, они исследовали связь гиперграфов Вольфрама с причинными множествами. Большая часть этих исследований, похоже, была проведена Джонатаном Горардом. Горард также изучал применение к общей теории относительности и устранение сингулярностей - чего не удавалось сделать в причинных множествах.
Теория всего? Пока нет. Во-первых, я не понимаю описание квантовой физики Вольфрама, мне оно кажется несвязным. Также есть много проблем с реализацией квантовой физики с помощью неквантового алгоритма, которые он не рассматривает.
И он не предоставил конкретики о том, как воспроизвести стандартную модель или элементарные частицы. Однако люди, работающие с причинными множествами, уже показали, что возможно поместить дискретизированную версию дифференциальных уравнений на эти графы, так что, может быть, это не так сложно, как кажется.
На сегодняшний день я честно считаю, что данная исследовательская весьма успешна, и я думаю, что физикам пора начать уделять ей немного больше внимания.
Итак, мои чюваки, настало время обсуждения серьезных вещей. Сегодня мы с вами разберемся в том, что есть напалм для раковой клетки (или бактерии, грибка и всякой подобной мелкой, но вредной шушеры), как он работает и при чем тут кот с лампой. Иначе говоря, сегодня я вам расскажу про фотодинамическую терапию раковых заболеваний. А Если быть точнее, то взгляд на нее со своего болота - мира химии.
P.S. как просили - сначала подпись, затем картинка. Учтите это при прочтении поста, иначе получится как с пупой и лупой...
Фотосенсибилизатор в окружении цитостатиков и цитотоксинов
Для ленивых: добрый доктор загоняет в тушку препарат, потом светит на тушку специальным светом, препарат хавает энергию, потом со всей силы дает подсрачника кислороду, а тот со злости идет ломать будку раковую клетку или какие-то из ее структур.
Итак, перейдем к сути поста. Все или почти все картинки нагло спи...рачены из интернетов, потому некоторые из них будут на английском, но в тексте я все расскажу. Начнем со схемы проведения фотодинамической терапии (далее - ФДТ, символы надо экономить) раковых заболеваний.
Так выглядит процедура ФДТ
Опустим все приготовления, сразу начинаем пихать в тушку фотосенсибилизатор. Фотосенсибилизатор (далее - ФС) - та штука, на основе которой и держится вся процедура и чуть ниже я расскажу как она вообще работает. Так вот, эта штука бульбулирует по всей человеческой тушке, постепенно расползается от места введения до всех кончиков вашей тушки. Клеточки человека могут посчитать, что им дали вкусняшку и схавать ФС и таким образом он попадет внутрь клетки. А особенно хорошо фотосенсибилизатор может попасть именно в раковые клетки, ибо здоровым чужого особо не надо (хоть и не всегда), а вот раковые еще и у соседей отожмут. И так уж получается, что спустя определенное время ФС оказывается преимущественно в раковых клетках.
Вот тут то на сцену и выходит кот с лампой.
Котики просто лечат, а кот с лампой - даже рак
А вот дальше добрый доктор, который накачал тебя неизвестной зеленой (вероятнее всего - зеленой. Иногда - синей или сине-зеленой) субстанцией берет лазер и начинает шмалять светить тебе прямо в твой рак. И вот тут то и происходит магия (вообще, физика с химией, но пусть будет магия). Раковой клетке от этого света знатно плохеет, она начинает дохнуть. При чем, в идеальном случае, в раковых клетках случается пиз апоптоз, т.е. запрограммированный процесс самоуничтожения клетки. В самом идеальном исходе, раковая опухоль, в некотором роде, рассасывается сама собой после этой процедуры.
Раковая опухоль во время экспозиции (облучения)
А далее вы просто недельку-другую полежите в больничке, пока из вас выходит ФС и спокойно чешете домой доживать свой больничный. И все! Никаких разрезов, никакой жуткой химио- или радиотерапии, ничегошеньки. Укольчик -> лампа -> пописать зеленой мочой -> домой.
Итак, теперь разберемся как эта магия происходит. Почему именно под действием света это работает. Свет - это электромагнитное излучение, которое обладает определенной энергией. Видимый свет и гамма-лучи или рентген, которые применяются в лучевой терапии - это, грубо говоря, одно и то же (физики, не бейте, лучше обоссыте), но есть нюанс - энергия видимого света гораздо меньше гаммы и он не причинит вашей тушке никакого вреда (если вы не эпилептик и если вас не вызвали на дуэль на фонариках, разве что). Но эту энергию можно поглотить и перенаправить в нужное русло. Этим то и занимается фотосенсибилизатор (который ФС, если вы еще не забыли).
Работает это так. Обратимся к диаграмме Яблонского:
Диаграмма Яблонского для фотосенсибилизатора
Свет влупашивается в молекулу ФС (на диаграмме выше он подписан как PSs). ФС озадачен таким поворотом событий и начинает поглощать тот свет, который может (а какой именно может - расскажу в посте, посвященном окраске соединений). Это его возбуждает и заставляет перейти из состояния S0 (основное состояние) в состояние S1 (возбужденное состояние). Соединение поглотило свет, т.е. поглотило определенную энергию. Иначе говоря, соединение впороло фотончик и его жмыхнуло, от чего оно начинает творить всякую дичь, а именно начинает "преобразовывать" эту энергию. Оно может просто испустить новый фотон, переходя при этом из возбужденного состояния в основное, что приводит к флуоресценции (переход S1 -> S0), а может переобуть свою электронную оболочку и сказать "ребят, смотрите, я триплет" и перейти в другое возбужденное состояние, обозначенное T1. И оттуда уже кислород может спокойно отжать для себя немножко энергии. При этом он совершает похожие преобразования, но наоборот. Молекула ФС успокаивается, приходит в себя от фотонного бэдтрипа, а для кислорода все только начинается, ведь он переходит из триплетного состояние в синглетное.
Синглетный кислород в естественной среде обитания
Синглетный кислород начинает барагозить внутри клетки. Это своего рода солевой наркоман, которому нужно до кого-нибудь докопаться и он начинает докапываться до своей среды обитания, т.е. до клетки, а именно до ее структурных единиц. Он начинает окислять все подряд, клетка теряет способность к функционированию и планомерным образом дохнет. При этом, у нее есть два стула: некроз и апоптоз. В первом случае пики точеные - клетку разлупашивает и все ее содержимое оказывается снаружи, что вызывает негодование и воспаление всего вокруг, т.е. это плохой вариант для всех. Ну а второй - заставляет организм понять, что что-то идет не так и запустить процесс естественного уничтожения этой клетки. Организм понимает, что там творится совсем уж какое-то нечистое дело и ампутирует у себя поврежденную раковую клетку.
В следующей части я расскажу как химики подстраивают молекулы таким образом, чтобы получить более эффективные фотосенсибилизаторы. Не факт, что это будет следующим постом, поскольку для того, чтобы грамотно это объяснить, нужно сделать определенный экскурс в то, как образуется цвет соединения, как можно переключать те или иные свойства и т.п.
P.S.1. Чуваки, простите за то, что долго не было обещанного поста, поскольку я был в двухнедельной командировке. Постараюсь исправиться.
P.S.2. Концовка поста довольно сумбурна, поскольку опыта в подобном изложении у меня еще мало
P.S.3. Материал, представленный в текущем посте, является довольно упрощенным для более простого понимания широкой публики. Естественно, есть очень много деталей, которые были опущены для того, чтобы не перегружать пост еще сильнее. Поэтому, экспертов прошу особо не пинать. А если вдруг кто-то что-то не понял - велкам в комменты, там разберемся :)
Комментарии