Возможно, "Теория всего" - рабочая: гиперграфы Вольфрама

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.

Эту увлекательную беседу мы начнём с того, что обратимся к стандартному пониманию суперпозиции в обычной физике.

Обычная суперпозиция

В стандартном случае принцип 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 есть квантовая 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 что суперпозиция - 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 системы описывается 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 принято называть 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 комбинируются значения этих свойств от разных источников.

В квантовой механике, как мы уже обсуждали, суперпозиция означает, что объект не имеет определенного значения свойства 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.

Сверхпроводники - перспективная идея, однако на практике их использование крайне затруднительно. Но что, если я скажу вам, что есть компания, которая, по их мнению, знает, как сделать электрическую сеть сверхпроводящей? Да, именно так, давайте рассмотрим этот вопрос подробнее.

Сверхпроводник - это материал, обладающий нулевым электрическим сопротивлением. Внутри сверхпроводника электрические токи перемещаются абсолютно без потерь. Сверхпроводники также обладают уникальным свойством: линии магнитного поля не могут проникнуть внутрь них, поэтому они парят над магнитами, что используется в поездах-маглевах.

Проблема заключается в том, что все известные сверхпроводники требуют либо очень низких температур, либо высокого давления. Наиболее практичными на данный момент являются так называемые высокотемпературные сверхпроводники, которые становятся сверхпроводящими при температурах выше -196°C.

Сложно воспринимать - 196°C как "высокую" температуру, но такой материал хорош тем, что его можно охлаждать жидким азотом. Те сверхпроводники, которые сверхпроводят при более низких температурах, намного сложнее и дороже в плане охлаждения, но это лишь часть проблемы.

Другая проблема заключается в том, что известные высокотемпературные сверхпроводники трудно производить, и они хрупкие. Их невозможно просто вытянуть в провод и начать пользоваться. Если вы помните прошлогоднюю историю с несуществующим сверхпроводником LK-99, это то представляете, в чем дело. Помните, как лаборатории по всему миру что-то выпекали в течение нескольких дней, а на выходе получились только левитирующие крошки? Да, даже если бы это сработало, изготовить линию электропередач из такого материала было бы сложно.

Сверхпроводящие линии электропередачи существуют и уже эксплуатируются, однако они работают принципиально иначе, нежели обычные провода. В стандартном проводе внутри находится, к примеру, медь, а снаружи - изолятор.

В сверхпроводящем же кабеле есть различные слои, между которыми циркулирует хладагент, а сам сверхпроводник обматывается поверх них. Обычно он выглядит, как на картинке ниже - напоминает буррито, но вместо бобов и сыра он наполнен мечтами и надеждами инженеров-электриков.

И да, они работают, но проблема в том, что производство жидкого азота требует больших энергозатрат. Если цель - сделать передачу энергии более эффективной, то бессмысленно вкладывать в систему охлаждения больше энергии, чем экономится при передаче. Кроме того, по мере течения азота по кабелю он нагревается, поэтому требуется регулярное охлаждение, для линий высокого напряжения обычно каждые 5 км.

Поэтому существующие сверхпроводниковые ЛЭП неудобно возводить и дорого эксплуатировать. Но американская компания VEIR утверждает, что нашла решение. Она базируется в Массачусетсе и за последние годы неоднократно привлекала существенные инвестиции, даже провела демонстрационный проект, хотя суть их разработки оставалась несколько неясной.

Однако теперь мне удалось найти статью и два патента, которые, на мой взгляд, объясняют их деятельность. Это похоже на детективное расследование, только вместо раскрытия убийств - разгадка тайны сверххолодных проводов. Первая тайна скрывалась за названием компании VEIR, которое происходит от закона Ома: V = I * R (Voltage Equals current Intensity multiplied by Resistance). Они используют в своей разработке идею, озвученную Национальной лабораторией Лос-Аламос в 2010 году: не прокачивать жидкий азот, а испарять его. 

Схематическое изображение приведено ниже.

Преимуществом данной конструкции является дополнительное охлаждение за счет самого испарения. Похоже на ситуацию, когда ветер ощущается более холодным из-за испарения воды с мокрой кожи (тело теряет энергию на испарение воды и, как следствие, свою температуру). В двух патентах компании описаны конструкция системы охлаждения вдоль маршрута и система подвеса для воздушных кабелей.

По сути, конструкция предназначена для выкачки части азота из кабеля, прокачки его через систему охлаждения и возврата в следующий сегмент. Сам азот можно извлекать из воздуха, который на 78% состоит из него. В любом случае, по их утверждению, с такой системой достаточно иметь станцию охлаждения примерно каждые 100 км, хотя, вероятно, эта оценка слишком оптимистична.

Использование сверхпроводящих кабелей поможет избежать потерь энергии и повысить эффективность передачи электричества, так как такие кабели не нагреваются и могут транспортировать больше энергии. Соответственно, для передачи того же объема энергии потребуется меньшее количество кабелей. В рамках тестового проекта протяженностью около 30 метров разработчики заключили партнерство с энергетической компанией National Grit, которая представлена в США и Великобритании, для испытаний технологии на больших расстояниях. Если бы такие кабели использовались повсеместно, их создатели могли бы разбогатеть.

Однако, как вы уже догадались, существуют проблемы, главная из которых - неизвестная надежность работы системы в крупных масштабах. К тому же высокотемпературные сверхпроводники пока дороже обычных кабелей, а поставщиков немного. Также необходимо решить вопросы образования наледи на линиях и безопасности для птиц, которые могут примерзнуть лапами к холодным проводам. Возможно, это просто вопрос маркетинга: "Криогенные голуби скоро появятся на ЛЭП рядом с вами!"

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.

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.

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.

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.

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.

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. 

Квантовые физики из Австралийского национального университета (ANU) впервые наблюдали квантовую запутанность в движении атомов гелия – явление, при котором частицы с массой одновременно находятся в двух разных точках пространства.

Доктор Шон Ходжман из Исследовательской школы физики ANU говорит:

Нам действительно странно думать, что Вселенная работает именно так. Можно прочитать об этом в учебнике, но осознавать, что частица может находиться в двух местах одновременно, по-настоящему странно.

Эксперимент стал серьёзным шагом вперёд по сравнению с аналогичными опытами, проводившимися ранее с фотонами – частицами света. Принципиальное отличие в том, что атомы гелия обладают массой и подвержены гравитации, что делает демонстрацию квантовых эффектов значительно сложнее.

Чтобы понять суть эксперимента, нужно начать с основ. В квантовой механике частицы ведут себя совершенно не так, как привычные объекты. Мяч не может лежать одновременно на столе и на полу – но атом, в теории, может. Более того, два атома способны "запутаться" – связаться друг с другом так, что измерение одного мгновенно определяет состояние другого, независимо от расстояния между ними.

Эйнштейн называл это "жутким дальнодействием" и сомневался, что природа действительно так устроена. Десятилетиями учёные доказывали реальность запутанности на фотонах – частицах света без массы. Но продемонстрировать то же самое на атомах, которые обладают массой и подчиняются гравитации – задача совершенно другого уровня (технически, фотоны тоже подвержены влиянию гравитации – но ее эффекту на пространство-время).

Именно это удалось сделать команде ANU. Учёные охладили атомы гелия-4 почти до абсолютного нуля, создав так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна – состояние, в котором тысячи атомов ведут себя как единое квантовое целое. Затем с помощью лазерных импульсов конденсат расщепили на несколько облаков, двигающихся с разными скоростями. Когда эти облака сталкивались, пары атомов разлетались в противоположных направлениях, оставаясь при этом квантово связанными – запутанными.

Представить это можно как бильярдный удар в микромире. Два шара разлетаются от точки столкновения, но в квантовом варианте каждый из них "не решил", куда именно полетел, пока кто-то не посмотрит. И как только один атом обнаруживается в определённом месте, его партнёр мгновенно оказывается в противоположном – вне зависимости от расстояния.

Чтобы доказать, что эта связь подлинно квантовая, а не объясняется какими-то скрытыми классическими причинами, учёные построили специальный интерферометр – прибор, в котором пути запутанных атомов пересекаются и создают интерференционную картину.

Если атомы ведут себя классически, картина будет одной. Если квантово – совершенно другой. Результаты однозначно указали на квантовое поведение.

Ключевым критерием стало так называемое неравенство Белла – математический тест, разработанный ещё в 1960-х годах для проверки реальности квантовой запутанности. Если результаты эксперимента нарушают это неравенство, значит, происходящее невозможно объяснить обычной физикой.

Команда ANU зафиксировала нарушение на уровне 3,9 стандартных отклонения – убедительный результат, подтверждающий, что атомы действительно демонстрируют нелокальное поведение. Проще говоря, связь между запутанными атомами реальна, мгновенна и не передаётся никаким известным сигналом.

Этот результат подтверждает предсказания более чем столетней давности о том, что материя может находиться в двух местах одновременно и интерферировать сама с собой даже в этих местах.

Практическое значение эксперимента выходит за рамки фундаментальной физики. Демонстрация квантовой запутанности на частицах с массой открывает путь к исследованию одного из главных нерешённых вопросов современной науки.

Квантовая механика блестяще описывает мир атомов и элементарных частиц. Общая теория относительности столь же точно описывает гравитацию и устройство Вселенной в целом.

Однако две эти теории до сих пор не удалось объединить в одну непротиворечивую картину – так называемую "Теорию всего". Эксперименты, в которых квантовые эффекты наблюдаются на частицах, подверженных гравитации, это именно тот мостик, который может помочь связать два мира физики воедино.

тут

Для многих людей, похоже, целью жизни является не умереть. И если бессмертие - ваша цель, то где лучше искать вдохновение, как не у "суперстолетних" долгожителей - тех, кто прожил более 110 лет. Почему им это удалось, когда большинство других не смогли? Питание? Гены? Отказ от социальных сетей? Согласно новому исследованию Оксфордского университета, долголетие сильно коррелирует с проживанием в бедных регионах с высоким уровнем преступности. Правда? Да, правда.

Исследование было проведено Солом Ньюманом, который внимательно изучил качество данных о суперстолетних долгожителях. Эта работа еще не прошла рецензирование, но то, что он обнаружил, очень удивительно и более чем немного тревожно.

Первый вывод, заставляющий поднять брови, получен из данных США. Ньюман сравнил распределение дат рождения в общей популяции с распределением среди предположительно сверхстарых людей. Статистические данные показывают, что люди очень преклонного возраста чаще всего рождаются первого или пятнадцатого числа месяца. Это наводит на мысль, что кто-то когда-то просто записал свое лучшее приблизительное предположение об их возрасте. Так что, возможно, долгожители просто выглядели старше, чем были на самом деле.

На следующем графике также видно, что количество зарегистрированных суперстолетних в США резко упало, почти на 80%, в какой-то момент, обозначенный здесь как 0.

Что тогда произошло? Может, американцы умерли со смеху от европейских модных тенденций?

Нет, падение произошло, когда в США ввели регистрацию новорожденных. Это подтверждает подозрение, что у большинства, если не у всех предыдущих суперстолетних, возраст в какой-то момент был неправильно записан.

В Италии регистрация новорожденных была введена раньше, но данные также содержат немало сюрпризов. Если разбить их по регионам, то количество долгожителей отрицательно коррелирует с уровнем выживаемости в среднем возрасте. Оно также отрицательно коррелирует с региональным валовым внутренним продуктом, который можно рассматривать как меру благосостояния.

Это означает, что чем хуже условия жизни для среднего итальянца в регионе, тем больше их, кажется, доживает до более высокого возраста. Автор говорит, что это "подтверждает гипотезу о том, что итальянские долгожители в значительной степени представляют собой набор ошибок и пенсионного мошенничества".

Во Франции тоже региональное количество сверхстарых людей коррелирует с бедностью и высоким уровнем преступности. Похожая история и в Англии. Там тоже достижение якобы высокого возраста более вероятно в бедных и проблемных регионах.

Очень показательный пример - Тауэр-Хэмлетс, район Лондона. 

В нем самое большое количество суперстолетних на душу населения в Англии. Также в нем самый высокий уровень бедности, самое высокое неравенство доходов и самый высокий уровень финансовых трудностей среди пожилых людей.

Самое показательное - в нем не только удивительно большое количество людей старше 110 лет, но и удивительно малое количество людей в возрастной группе чуть моложе. Это наводит на мысль, что некоторые выдавали себя за более старых, чем они есть на самом деле.

А как насчет всех японцев, которые якобы доживают до такого возраста благодаря употреблению овощей и рыбы?

Там тоже данные выглядят похоже. Соотношение суперстолетних в Японии коррелирует с бедностью, и, что очень показательно: чем больше денег регион тратит на социальное обеспечение пожилых людей, тем меньше в нем оказывается долгождителей. Опять же, это указывает на то, что многие возрастные рекорды обусловлены мошенничеством с социальными выплатами.

Все это не означает, что все суперстолетние - мошенники, но это означает, что исследования, которые были проведены об их якобы здоровом образе жизни, можно отправить в мусорную корзину науки. Это также означает, что ожидаемая продолжительность жизни человека гораздо сильнее детерминирована, чем мы думали ранее.

Действительно, недавнее исследование показало, что если экстраполировать прошлые данные, кажется, что мы достигаем плато средней продолжительности жизни около 100 лет. То есть, если не произойдет существенных медицинских прорывов, мы вряд ли сможем добиться больших успехов отсюда.

Проблема в том, что человеческое тело не эволюционировало для того, чтобы жить так долго, и очень трудно быстро изменить то, что эволюция создавала на протяжении сотен тысяч лет. Да, мы можем выращивать запасные части и пытаться заменять отказывающие органы, но это, я подозреваю, не даст нам слишком много.

Лично я думаю, что наш лучший шанс существенно увеличить продолжительность жизни - это симбиоз с долговечной электроникой, в котором мы экспортируем нашу когнитивную функцию на совершенно другую систему. Именно поэтому я думаю, что весь этот страх перед ИИ исчезнет, потому что это будем не мы против них, а мы с ними, создающие новый вид.

Пока это не произошло, возможно, нам стоит навести порядок в том беспорядке, которым являют собой научные публикации, боже мой!

Научное мошенничество - огромная проблема. И я боюсь, что она станет еще серьезнее. Это уже не только проблема академических кругов, все чаще она проникает и в повседневную жизнь.

Недавнее расследование выявило некоторые сомнительные исследовательские практики в Лаборатории инноваций в здравоохранении Стэнфорда (Stanford Healthcare Innovation Lab - SHIL). Она расположена прямо рядом с Центром одобренных нарушений Стэнфорда (Stanford Centre of Approved Misconduct - SCAM). Нет, я это выдумала. Последнее. А институт SHIL абсолютно реален.

Они провели несколько психологических исследований с довольно небольшими группами испытуемых, показывающих, что шестидневный курс оратора-мотиватора Тони Роббинса чрезвычайно эффективен в лечении депрессии. 

Согласно San Francisco Chronicle, по крайней мере одно из исследований финансировалось Robbins Research International, компанией, принадлежащей тому самому Тони Роббинсу, чей курс был предметом исследования. Возможно, здесь есть небольшой конфликт интересов. Как вы думаете?

Хорошо, вы можете сказать, что все знают, что половина психологии в любом случае псевдонаука. Но как насчет этого?

Помните куркумин, один из ингредиентов индийской специи под названием куркума? Да, то желтое вещество, которое, как вам говорили, якобы полезно для здоровья. Если вы погуглите, вы найдете множество сайтов, утверждающих: "Многие качественные исследования показывают, что он приносит огромную пользу вашему телу и мозгу" и тому подобное. К сожалению, это неправда.

Этот миф восходит к Бхарату Аггарвалу, американскому биохимику индийского происхождения, работавшему в Университете Техаса. 

Он опубликовал десятки статей о предполагаемой пользе куркумина. Он даже написал об этом книгу.

Но после публикации книги некоторые люди внимательно изучили его статьи. И они нашли явные доказательства неоднократных нарушении этических норм при проведении научных исследований, в частности, манипуляций с изображениями. Целых 65 его статей были отозваны. Последующие исследования показали, что куркумин малополезен, если вообще что-то делает, в основном потому, что он не усваивается организмом, хотя добавление других веществ может улучшить его усвоение и пользу.

Вы можете сказать, ладно, но по крайней мере никто не пострадал. Ну, Национальный институт здоровья США потратил более 150 миллионов долларов на изучение этого вещества, и многие люди его купили. Вероятно, покупают до сих пор. Эта сказка о куркумине так широко распространилась по интернету, что ее практически невозможно опровергнуть.

Что случилось с Аггарвалом? Он вышел на пенсию в 2015 году и опубликовал еще несколько статей. Некоторые из них были отозваны.

Более свежая история научного мошенничества, которая еще более удручает, - это история Элизира Маслии. Еще несколько недель назад он был главой отдела нейронаук в Национальном институте старения США. Он был очень большим именем в исследованиях болезни Паркинсона и Альцгеймера.

Но согласно недавнему отчету в Science, целых 132 его опубликованные научные статьи содержат подозрительные изображения и были отмечены как возможные нарушения, включая некоторые работы, которые легли в основу клинических испытаний методов лечения болезни Паркинсона.

Уже два года назад известный исследователь, работавший над болезнью Альцгеймера, был обвинен в нарушениях как минимум в 25 статьях. 

Некоторые его исследования заложили основу для наиболее широко преследуемой гипотезы о том, как возникает болезнь Альцгеймера, а именно путем накопления белка, называемого бета-амилоидом, в мозге. 

На основе этой идеи были разработаны лекарства, но проведенные клинические испытания показали, что они не работают.

Люди, участвовавшие в этих испытаниях, потратили драгоценное время впустую, а государственные и частные деньги были вложены в бесполезные исследования. Научное мошенничество и небрежные исследования затрагивают всех нас. В худшем случае люди активно страдают. Помните Дидье Рауля, который продвигал ивермектин как лекарство от COVID? Десятки тысяч людей, включая многих детей, умерли, потому что не получили надлежащего лечения.

Конечно, это происходит не только в медицине. Нарушения имеют место быть и в исследованиях фотоэлектрических элементов, и в материаловедении. Статья, которая совсем недавно появилась на arXiv, выявила более 2000 случаев подделки изображений электронной микроскопии. Это дерьмо повсюду.

Действительно удручающая часть заключается в том, что многие сфальсифицированные исследования были выявлены по подделанным изображениям, настолько очевидным, что их можно заметить невооруженным глазом. 

Мошенники часто просто копируют и вставляют одно и то же изображение в несколько статей. Существуют бдительные научные детективы, которые специализируются на выявлении таких копий. Теперь их собралась целая группа, они работают над выявлением массового мошенничества.

Недавно я разговаривала с одним из научных детективов, Рисом Рикардсоном, и он сказал мне, что они, наконец, добились финансирования от исследовательских институтов.

Думаю, это действительно хорошая новость. Нам нужно больше такого. Поскольку изображения, сгенерированные ИИ, становятся все более распространенными, ситуация с фальсификациями в академической среде будет только ухудшаться.

Я всегда задаюсь вопросом, почему люди так делают. И я боюсь, что ответ - цинизм. Все больше ученых считают, что система несправедлива, и качественное выполнение работы не является выигрышной стратегией. Они думают, что все фальсифицируют, и это оправдывает их собственные фальсификации. Кроме того, это на самом деле никак особо не наказывается. Могут отозвать статью, попросить исследователя уйти досрочно на пенсию, на которую они будут праздно жить.

Кстати, курс Тони Роббинса по лечению депрессии стоит 4500 долларов, а его предполагаемое состояние составляет 600 миллионов долларов. Думаю, он должен мне за то, что мне приходится делать депрессивные ролики.

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.

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.

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.

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".

Интересное по теме: Туннельный эффект: квантовая «игра в кости», которая бесила Эйнштейна.  

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".

Интересное по теме: Туннельный эффект: квантовая «игра в кости», которая бесила Эйнштейна.

Группа физиков из Лос-Аламосской национальной лаборатории опубликовала в журнале Physical Review X исследование, описывающее новый протокол управления квантовыми системами, который позволяет манипулировать так называемой стрелой времени на квантовом уровне.

На основе этого механизма учёные разработали измерительный движок для извлечения энергии из квантовых систем, при этом обнаружив, что их инструмент делает эволюцию квантовой системы "более согласующейся со временем, текущим в обратную сторону" – в статистическом смысле.

Чтобы понять, о чём идёт речь, стоит вспомнить базовую интуицию о направленности времени. Если кто-то покажет видео, на котором разбитый стакан сам собирается, а разлитая вода собирается обратно в чашку, любой сразу поймёт, что запись воспроизводится в обратном направлении. Это и есть стрела времени – физически необратимые процессы мы воспринимаем как однонаправленные.

Однако, как объясняет ведущий автор исследования Луис Педро Гарсиа-Пинтос, многие природные явления сами по себе не имеют предпочтительного направления времени.

Строго говоря, в математическом аппарате физики направление стрелы времени не играет никакой роли. Стрела времени возникает в вероятностном смысле лишь тогда, когда система измеряется и эти измерения вносят в неё случайность.

Фундаментальные законы физики утверждают, что на квантовом уровне время симметрично, и новая работа опирается именно на эту идею. Как правило, появление стрелы времени квантифицируют путём "сравнения вероятности прямого процесса во времени с его обращённой во времени версией". Новый протокол представляет собой математический каркас, описывающий эволюцию наблюдаемых квантовых систем.

Исследователи создали конструкцию наподобие движка и применили протокол к системе через механизм обратной связи. Это позволило "компенсировать, усиливать или избыточно компенсировать" возмущения, вносимые измерением системы. В результате учёные получили возможность свободно "изменять то, как система эволюционирует" и "переформировывать стрелу времени".

При этом ученые отдельно отметили принципиальный момент:

Наша работа никак не связана с путешествиями во времени. В фундаментальном плане она показывает конкретные способы, которыми квантификаторы стрелы времени можно обмануть, заставив их сигнализировать о неправильном направлении течения времени.

Важно учитывать, что описанный движок пока существует исключительно как теоретическая конструкция, хотя статья предлагает убедительные идеи для его реализации. Команда нацелена на экспериментальную проверку концепции с использованием сверхпроводящих кубитов.

Если это удастся воплотить, исследователи полагают, что механизм позволит максимизировать энергетический потенциал таких технологий, как квантовые батареи, или конкретных алгоритмов в квантовых устройствах.

По словам Гарсиа-Пинтоса, инструмент оказался "достаточно универсальным", чтобы другие исследователи могли найти для него неожиданные применения. В качестве следующего шага команда планирует испытать протокол на сверхпроводящих кубитах, чтобы оценить его применимость в более прикладных экспериментальных установках.

Источник

В магнитном поле Земли существует дыра, и она меняется. Согласно данным NASA, аномалия не представляет опасности, однако влияет на спутники и космические аппараты. Возникает вопрос: свидетельствует ли аномалия о скорой смене полюсов магнитного поля Земли? Я решила в этом разобраться.

Ослабленная область магнитного поля получила название Южно-Атлантической аномалии.

Согласно названию, аномалия располагается преимущественно над Южной Атлантикой и захватывает части Южной Америки, включая восточное побережье Бразилии и Аргентины. Аномалия известна науке давно, однако недавно привлекла внимание СМИ из-за изменений в её структуре.

Первое обнаружение аномалии датируется 1958 годом, когда специалисты американских спутниковых программ, особенно работавшие с серией спутников Explorer, зафиксировали необычное приближение радиационных поясов Ван Аллена к поверхности Земли в данном регионе.

Пояса Ван Аллена представляют собой две кольцевидные области, заполненные высокоэнергетическими заряженными частицами — преимущественно электронами и протонами, удерживаемыми магнитным полем Земли. По широте располагаются ближе к экватору, чем к авроральной зоне (зоне полярного сияния), на значительной высоте — от 600 километров.

NASA отслеживает аномалию, поскольку снижение поясов Ван Аллена подвергает спутники и Международную космическую станцию повышенным уровням радиации. Излучение воздействует на электронные системы и здоровье космонавтов. На авиалайнеры аномалия не воздействует ввиду существенно меньших высот полета.

Аномалия магнитного поля разделяется на две отдельные зоны. Несколько лет назад специалисты Космического центра Годдарда NASA проанализировали данные спутников Swarm Европейского космического агентства и миссии CubeSat ELFIN для отслеживания динамики аномалии. Результаты исследования попали в заголовки новостей. Ученые установили ослабление центральной части аномалии. Основная зона концентрируется над Южной Америкой, тогда как вторичная смещается к юго-западу в направлении Африки.

Исследование прошлого года продемонстрировало влияние магнитной аномалии на ослабление полярных сияний в южном полушарии.

Возникает вопрос: свидетельствует ли аномалия о приближающемся перевороте магнитного поля Земли? Геологические данные демонстрируют, что за последние сотни миллионов лет магнитное поле Земли меняло полюса каждые 450 тысяч лет. Аналогичный процесс происходит на Солнце, но значительно чаще — солнечное магнитное поле меняет полярность каждые 11 лет.

Инверсия магнитного поля Земли является следствием механизма формирования магнитосферы планеты: движения раскаленных металлов в земных недрах. Так утверждают геологи. Впрочем, существует гипотеза о компьютерной симуляции, требующей периодической перезагрузки.

Независимо от причин, экстраполяция данных показывает вероятность очередного переворота магнитного поля в ближайшие 10 000 лет. Для геологической шкалы времени события такой давности считаются актуальными. Проблема заключается в том, что магнитная инверсия способна ослабить защиту от космической радиации на протяжении тысячелетий.

Современные геологи считают, что наблюдаемые изменения магнитной аномалии не указывают на скорый полный переворот поля. Основная гипотеза связывает образование аномалии с движением расплавленного железа во внешнем ядре Земли, вызывающим в данном регионе ослабление выхода линий магнитного поля на поверхность.

Согласно моделированию, аномалия перемещается во внешнем ядре на протяжении 10 миллионов лет. Аномалия представляет собой локальную особенность, не связанную напрямую со сменой магнитных полюсов.

Значимость этой аномалии магнитного поля определяется возможностью получения данных о процессах внутри планеты, что позволит точнее прогнозировать сроки потенциальной инверсии магнитного поля.

Феномен напоминает нам о ценности нашей планеты, ибо она защищает нас от  радиации своим магнитным полем. Марс лишился такой защиты. Красная планета утратила большую часть магнитного поля 4 миллиарда лет назад из-за остывания ядра и прекращения его движения. Результатом стал высокий уровень радиации на поверхности Марса как следствие потери атмосферы, которую сдуло солнечным ветром без защиты от магнитного поля.

Альтернативная теория предполагает, что это портал инопланетян, собирающихся захватить Землю. Жду не дождусь...

Ответ на пост в котором говорится, что в абсолютном вакууме фотон будет лететь вечно ни с чем не взаимодействуя, а его параметры (изменение длинны соответствующей волны, к примеру) определяются характеристиками пространства-времени. Но, и тут есть нюансы.

Согласно квантовой теории поля абсолютного вакуума не существует. Существует физический вакуум. В этой области пространства в вакуумном состоянии нет материальных носителей физических свойств, то, казалось бы, для такого состояния значения всех физических величин должны равняться нулю. И тут появляется фундаментальный принцип неопределённостиГейзенбе́рга,  согласно которому только часть относящихся к системе физических величин может иметь одновременно точные значения; остальные величины оказываются неопределёнными. Поэтому во всякой квантовой системе не могут одновременно точно равняться нулю все физические величины.

К величинам, которые не могут быть одновременно точно заданы, относятся, например, число фотонов и напряжённость электрического (или магнитного) поля: строгая фиксация числа фотонов приводит к разбросу (флуктуациям) в величине напряжённости электрического поля относительно некоторого среднего значения (и наоборот). Если число фотонов в системе в точности равно нулю (вакуумное состояние электромагнитного поля), то напряжённость электрического поля не имеет определённого значения: поле всё время будет испытывать флуктуации, хотя среднее (наблюдаемое) значение напряжённости будет равно нулю. Таким флуктуациям подвержены и все другие физические поля — электронно-позитронное, мезонное и т.д. Эти чёртовы флуктуации просто сами собой следуют из квантовой теории поля и интерпретируются как самопроизвольное рождение и аннигиляция пар частица-античастица.

Звучит как полнейший бред, если бы не одно но. Эти флуктуации обнаружены и подтверждены статическим эффектом Казимира-Полдера и Лэмбовским сдвигом. Получается, что и законы сохранения не нарушены, и вакуум - совсем не вакуум, и принцип неопределённости в квантовом мире не нарушен.

И вот бедному фотончику приходится лететь через такой суп, а не просто через пространство-время. Другое дело, что энергия регистрируемых нами фотонов настолько велика, что этот суп из виртуальных частиц фотон не замечает.

Более того экспериментаторы сумели реализовать динамический эффект Казимира, и родили фотоны из вакуума.

Скорее всего имеется некая минимальная энергия фотона, когда он начнёт испытывать на себе действие этих флуктуаций, в частности вполне вероятен сценарий, при котором фотон может успеть провзаимодействовать с только что рождённой пары электрон-позитрон. повысив энергию этой пары, а когда она аннигилирует будет излучён, но при этом должно наблюдаться некое рассеяние фотонов на, казалось бы пустом вакууме.

Так что, @tqg87, движение фотона в пространстве это далеко нетривиальная вещь.

Как вы наверное помните, основным выводом Гейзенберга было, что нельзя одновременно точно определить положение частицы и её импульс. На этом представлении строится 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 работать с минимальными временными интервалами или аттосекундами.

Какой-то дурацкий комикс, но есть величина аттосекунды

Аттосекундная физика интересна 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 и где-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-таки фиксируют 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, что на 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.

⚡ Обязательно подпишитесь на Telegram проекта и читайте эксклюзивные статьи! Обновления каждый день!

Это атомно-силовой микроскоп, и он работает немного иначе, чем обычные электронные микроскопы. Это устройство создаёт изображение, постукивая по образцу очень маленьким зондом, обычно шириной всего 20-30 нанометров. 

Но поскольку он такой маленький, объяснить, как он работает, очень сложно, поэтому продемонстрируем принцип его работы на увеличенной модели. Простая латунная пластинка с прикрепленным к ней магнитом, над которой расположена катушка с противоположной полярностью, заставляющая пластинку совершать вертикальные колебания. Конец заострен и отогнут вниз, им пластинка и касается образца, имитируя щуп AFM-микроскопа.

Атомно-силовой микроскоп (AFM) имеет резонирующую консоль с острым наконечником на конце. Он перемещает этот наконечник по поверхности образца, и везде, где он контактирует с образцом, записывает высоту в этом положении. 

Таким образом можно построить его трехмерное изображение.

Демонстрационное устройство собрано из 3D-принтера и любительской электроники, поэтому оно может достигать точности только на уровне миллиметров. Но настоящие AFM могут давать разрешение на уровне нанометров или даже пикометров, хотя обычно в довольно маленьком поле зрения, меньшем, чем человеческий волос. Несмотря на это, AFM крайне важны для исследований в области материаловедения.

По материалам:

Представьте, что вы смотрите на песчинку через увеличительное стекло. Она кажется просто маленькой точкой. Но что если бы мы могли заглянуть внутрь этой песчинки, глубже, чем позволяет самый мощный микроскоп в мире? Именно здесь начинается удивительное путешествие в мир теории струн.

Согласно современной физике, наш мир состоит из крошечных частиц – электронов, кварков и других фундаментальных "кирпичиков". Это представление лежит в основе Стандартной модели – нашей самой успешной теории элементарных частиц. Однако теория струн предлагает альтернативный взгляд на устройство Вселенной. Согласно этой гипотезе (да, это именно гипотеза, несмотря на название), в основе всего лежат не частицы, а крошечные вибрирующие струны.

Эти струны настолько малы, что если бы мы увеличили атом до размеров Солнечной системы, одна струна была бы размером с небольшое дерево. Но несмотря на свои микроскопические размеры, именно эти струны создают все, что мы видим вокруг.

Каждая струна может колебаться по-разному, и характер этих колебаний определяет, какой именно частицей она проявит себя в нашем мире. Когда струна колеблется одним образом, мы наблюдаем электрон, другой тип колебаний создает фотон, третий – кварк. Получается, что вся Вселенная – это своеобразная космическая симфония, исполняемая на струнах невообразимо малого размера.

Как вообще появилась столь необычная концепция?

Дело в том, что современная физика столкнулась с серьезной проблемой. У нас есть две великие теории: общая теория относительности, которая описывает поведение больших объектов вроде планет и галактик, и квантовая механика, объясняющая мир мельчайших частиц. Но эти теории никак не хотят работать вместе. Это все равно что иметь два разных языка для описания одного мира, которые противоречат друг другу.

Теория струн пытается решить эту проблему, предлагая единый "язык" для описания всего во Вселенной. Она говорит, что все физические явления в нашей реальности – это просто разные проявления колебаний одних и тех же струн.

Правда, у этой красивой идеи есть один существенный недостаток – проверить ее экспериментально пока невозможно. Струны настолько малы, что современные технологии не позволяют их обнаружить. Поэтому многие физики относятся к теории струн скептически, считая ее скорее математическим трюком, чем реальным механизмом описания природы.

Но даже если теория струн окажется неверной, она уже подарила физикам множество полезных математических инструментов и заставила по-новому взглянуть на устройство Вселенной. Она напоминает нам, что реальность может быть гораздо удивительнее, чем мы можем себе представить.

Возможно, когда-нибудь мы создадим достаточно мощные и чувствительные приборы, чтобы проверить существование струн. А пока эта красивая гипотеза остается одной из самых элегантных попыток человечества разгадать глубочайшие тайны мироздания.

Читайте также:

Астрономы впервые получили детальное изображение умирающего сверхгиганта в соседней галактике.

Прорыв в физике: впервые обнаружены топ-кварки в столкновениях ионов свинца.

В поисках темной материи ученые обратились к обычным камням.

Биографию и пр. описывать я не буду, так как всё это есть в вики.

И так. В первую очередь он известен тем, что перевернул "с ног на голову" или наоборот - всё зависит от точки отсчёта ? всю Ньютоновскую механику. Фактически это была "отмена" Ньютона для больших скоростей и масс. Да-да. Ньютоновской механикой мы не перестали пользоваться, для автомобиля и пешехода без GPS - самое то.

Что же он там такого сделал. Во первых ввёл ограничение на распространение на скорость распространения любого сигнала и, соответственно любого физического взаимодействия между объектами (к этому мы ещё вернёмся позже), ограничив скорость света в вакууме ведь до этого считалось, любое взаимодействие происходит мгновенно (Ньютон). Но накапливались "косяки" ньютоновской теории гравитации:

• Максвелл со своими уравнениями электро-динамики, сам не зная того, ограничивал скорость света (это следствия его формул)
• Необъяснимая задержка прохождения спутников Юпитера по его диску при наблюдении в обычный телескоп - никак не вязалась с моментальной скоростью распространения сигнала в ньютоновской механике. Причём первая оценка скорости света в вакууме именно из этих наблюдений, причём эта оценка ошиблась на ~10%
  
• Меркурий со своим смещением перигелия ставл вообще всех в тупик, в том числе и Специальную Теорию Относительности Эйнштейна(СТО).

И многое-многое другое. Так сказать, в то время "новая физика" просто стучалась в двери. И он, Альберт, её создал. Сначала СТО связав воедино пространство и время, а потом и ОТО, добавив туда гравитацию (то самое смещение перигелия Меркурия, которое СТО объяснить не могла). Теперь, создав единую теорию пространства-времени-гравитации Эйнштейн окончательно порвал скепктиков его теорий относительности. (А вездесущий эфир до сих пор ищут).

И вот Альберт Эйнштейн получает "нобелевку". За что? За СТО или уже за ОТО?

А вот фиг вам. Он получает нобелевку за то, что дал дикий толчок для развития своим же оппонентам - квантовикам, решив проблему внешнего фотоэффекта (грубо говоря выбывание электронов из атомов внешними фотонами). Его работа в этой теме нехило продвинула квантовую механику (ту, которая работает с тем, что "измерить нельзя").

Тут я немного лукавлю, его неоднократно выдвигали на "нобелевку", но СТО и ОТО не имела большой экспериментальной доказанности, потому врубили в формулировку добавку "и за другие работы в области теоретической физики"....

Думаете это только некоторые его достижения?

Главные достижения великого физика-теоретика:

• специальная теория относительности;
• закон взаимосвязи энергии массы;
• теория броуновского движения;
• квантовые теории теплоемкости и фотоэффекта;
• теория рассеяния света;
• теория индуцированного излучения.

К тому же он и наизобретал нехило:

• измеритель очень малых напряжений (совместно с братьями Габихт, Паулем и Конрадом);
• устройство, автоматически определяющее время экспозиции при фотосъёмке;
• оригинальный слуховой аппарат;
• бесшумный холодильник (совместно с Силардом);
• гирокомпас, в сотрудничестве с Г. Аншютцем.

Так почему же Эйнштейн оказался "врагом" тех "квантовиков" которым и помогал?

А вот теперь и вернёмся к тому самому - почему введение запрета на скорость распространения любого воздействия не вяжется с ОТО, и почему Эйнштейн проиграл это противостояние? Так это ЭПР-парадокс, названный по первым буквам его основных защитников: Эйнштейн, Подольский, Розен. Фишка в том, что уже экспериментально доказанная и уже эксплуатируемая "квантовая запутанность" умеет превосходить скорость света. Это очень не нравилось Альберту, да и вообще многим квантовикам (а Эйнштейн - он у истоков квантовой физики стоял, между прочим).

Вообще, я, лично, не дорос для понимания квантовой запутанности тех, кто победил, мне более понятна позиция Эйнштейна, но оппоненты, не только математически, но и экспериментально доказали свою правоту.

З.Ы. Как-то я своему отцу в старших классах хотел объяснить понятие "бесконечность" не только в математическом, а и физическом смысле (тогда я не знал в 93-94 годах обо всём, что сейчас написал выше), а он одно твердил - часы когда нибудь остановятся - не будет энергии стрелку двигать... А сейчас уже и сам об этом думаю - ведь когда-нибудь и последний протон во вселенной развалится...

Вроде невозможность достижения скорости света в вакууме для объектов, обладающих массой покоя никого уже не удивляет. Я тут решил поинтересоваться, а до каких скоростей человечеству уже удалось достичь? Именно в вакууме т.к. в среде неинтересно - про свечение Вавилова-Черенкова и почему это имеет место быть мне ещё в школе рассказали.

Естественно взор падает на элементарные частицы. В первую очередь начал смотреть на электроны (чем легче частица - тем легче её разогнать) и... обломался. Электрончики в ускорителях разгоняют слабо, всего до 91% от скорости света.

Ладно, глянем на самый-самый БАК:

Фишкой БАКа является то, что он заточен на ускорении протонов. Протоны разгоняются в двух встречных пучках и сталкиваются в области детекторов частиц:

БАК способен разогнать протоны до энергии в 7 ТэВ (при этом масса протона увеличивается почти в 7000 раз) и скорости 299 792 455 м/с, всего 3 м/с не дотягивая до скорости света. А это 99,9999991% от скорости света. Впечатляет. И это у каждого пучка.

Ладно, а на что способна природа? Есть детектор “Fly’s Eye” который смотрит в небо и фиксирует взаимодействие космических частиц с атмосферой Земли. 15 октября 1991 года американские ученые зафиксировали очень быстрые протоны. Даже назвали их OMG-particles ("О Боже Мой" - частицы). Скорость этих частиц 99,99999999999999999999951% от световой с энергией порядка (3.2±0.9)×10^20 Эв (320 ЭэВ (экза-электронвольт)) .

Да... Нам до таких энергий и скоростей ещё расти и расти.

Источник 1 Источник 2 И все ссылки по тексту.

Ремейк моего исторически первого поста на Капибаре. Первого после "Тест - Тест" и прочих несодержательных. К сожалению, многие из нас потеряли свои первые посты в багах альфа-теста, однако жертвы должны были быть принесены.

Таксономия - увлекательная наука, изучающая родственные связи между различными живыми существами. Именно благодаря ей мы можем с полным основанием утверждать, что птицы являются динозаврами, несмотря на продолжающиеся дискуссии в некоторых онлайн-сообществах. Давайте же разберемся, почему птицы - это действительно динозавры, и как мы сами, по сути, являемся всего лишь глорифицированными двоякодышащими рыбами.

Термин "таксономия" обычно используется в качестве сокращения для линнеевской систематики, названной в честь великого шведского естествоиспытателя Карла Линнея и его эпохального труда "Systema Naturae", вышедшего в 1735 году. Основная идея Линнея заключалась в разделении всего многообразия природы на небольшие группы. Примечательно, что изначально он включал в свою систему даже минералы, но современные биологи постепенно отошли от этой практики, сосредоточившись на живых организмах. Тем не менее, многие элементы линнеевской таксономии, такие как бинарная номенклатура с родовыми и видовыми названиями (например, Velociraptor mongolensis, где Velociraptor - род, а mongolensis - видовой эпитет), используются и по сей день, создавая основу для работы современных систематиков.

Начнем с самого масштабного уровня - доменов, которые можно считать своего рода "супер-царствами". Бактерии и археи представляют собой отдельные домены одноклеточных организмов, в то время как все остальные знакомые нам живые существа, включая животных, растения и грибы, относятся к домену эукариот. Эти крупнейшие группы выделяются на основании фундаментальных различий в строении клеток. К примеру, отличительной чертой эукариот является наличие митохондрий - клеточных органелл, которые, согласно теории симбиогенеза, произошли от некогда независимых бактерий, поселившихся внутри других клеток в далеком прошлом.

Спускаясь на следующий уровень иерархии, мы приходим к царствам - скажем, царству животных, которое объединяет всех представителей животного мира, но исключает растения и грибы. При этом важно понимать, что, несмотря на все их разнообразие, животные остаются эукариотами и принадлежат к родительскому домену Eukaryota.

Продолжая двигаться вглубь систематики, мы можем обратить внимание на тип хордовых (Chordata) - группу, включающую в себя не только привычных нам позвоночных животных, но и их ближайших родственников, таких как оболочники и ланцетники. Хотя внешне эти существа могут показаться весьма далекими от позвоночных, их объединяет наличие четырех ключевых признаков, по крайней мере, на определенных стадиях жизненного цикла. Во-первых, это жаберные щели - отверстия в глотке, хорошо заметные у рыб и некоторых примитивных позвоночных вроде миног. Во-вторых, хорда - упругий стержень, обеспечивающий опору для тела и расположенный над кишечной трубкой. В-третьих, полая нервная трубка, представляющая собой зачаток центральной нервной системы. И наконец, в-четвертых - постанальный хвост, то есть хвостовой отдел тела, расположенный позади анального отверстия. Именно поэтому, кстати, рыбы испражняются не самым кончиком хвоста, в отличие от многих насекомых и других беспозвоночных. 

Важно отметить, что хордовые не обязательно сохраняют все эти признаки во взрослом состоянии. Так, у оболочников они проявляются только на личиночной стадии, после чего во многом утрачиваются, когда взрослые особи переходят к сидячему образу жизни и питанию путем фильтрации. Даже у высших позвоночных, таких как четвероногие (наземные позвоночные), хвост может редуцироваться в ходе эволюции. Мы, люди, и лягушки - хорошие тому примеры. Однако у эмбрионов и зародышей этих животных по-прежнему закладываются все ключевые хордовые структуры, указывая на их эволюционное происхождение.

Дальнейшее подразделение хордовых приводит нас к классам - скажем, к рептилиям, которых объединяет присутствие рогового покрова, сбрасываемого при линьке. У змей и ящериц этот процесс может быть довольно заметным, когда сразу отторгаются крупные фрагменты или даже целиком вся "рубашка" из ороговевшей кожи. А вот крокодилы и черепахи теряют роговые чешуи более равномерно и постепенно, по одной. Другой общей чертой рептилий является выделение в качестве конечного продукта азотистого обмена мочевой кислоты, а не мочевины. Связано это с необходимостью экономить воду в наземных условиях - не зря белые составляющие помета рептилий и птиц представляют собой как раз кристаллы мочевой кислоты.

И вот тут мы подходим к главной теме нашего разговора - птицам. Да-да, птицы определенно относятся к рептилиям, поскольку полностью соответствуют ключевым признакам данного класса. Их перья, состоящие из того же белка бета-кератина, что и чешуи рептилий, регулярно сменяются в процессе линьки. Продуктом азотистого обмена у птиц также служит мочевая кислота. Единственное существенное эволюционное новшество птиц по сравнению с другими рептилиями - это некоторые особенности строения черепа, но они носят скорее количественный, нежели качественный характер.

Итак, птицы - это рептилии. Но какие именно рептилии? Конечно же, динозавры! В пользу этого говорит множество признаков: от перфорированного вертлужного отверстия в тазовом поясе (уникальная особенность, свойственная как птицам, так и динозаврам) до таких деталей скелета, как вилочка (сросшиеся ключицы) и полые кости. При построении филогенетических схем родства между организмами ученые как раз и опираются на такие общие признаки, указывающие на происхождение от единого предка.

Возьмем, к примеру, ящериц. Для них характерен целый ряд уникальных особенностей: сбрасывание кожи крупными фрагментами или цельной "рубашкой", черепицеобразное наползание роговых чешуй (в отличие от обычного расположения у крокодилов), наличие небольшого отверстия в плечевой кости. Каждый из этих признаков по отдельности может встречаться и у других групп рептилий или даже у более далеких родственников. Но их уникальное сочетание однозначно указывает на то, что все ящерицы унаследовали данные черты от общего предкового вида и потому состоят в близком родстве.

Аналогичным образом на основании набора признаков можно выстраивать филогенетические деревья для самых неожиданных групп объектов. В качестве забавного примера давайте рассмотрим различные виды лепешек! Для 25 разновидностей этой выпечки, от мексиканских тортилий до индийских чапати, был составлен список ключевых параметров, учитывающий особенности ингредиентов, способа приготовления и конечных свойств продукта. Загрузив эти данные в специальную компьютерную программу для филогенетического анализа, можно получить наглядные эволюционные древа, отражающие родственные связи между лепешками. Конечно, в отличие от живых организмов, лепешки не эволюционируют и не наследуют свои признаки, но данный мысленный эксперимент прекрасно иллюстрирует саму суть работы современных систематиков.

Важно понимать, что реальные филогенетические деревья, построенные для живых существ, всегда содержат некоторую долю неопределенности. Любое из них представляет собой не конечную истину в последней инстанции, а научную гипотезу, основанную на анализе доступных признаков. Добавление новых данных или изменение акцентов при выборе ключевых особенностей организмов способно привести к перестройке дерева. Более того, зачастую ученым приходится работать не с самими организмами, а лишь с их окаменелыми фрагментами, что вносит дополнительные сложности в анализ. К счастью, постепенно развиваются методы тонкого статистического анализа, позволяющие находить наиболее обоснованные и устойчивые варианты филогенетических гипотез.

Отдельного упоминания заслуживает проблема биологической концепции вида. На первый взгляд может показаться, что палеонтологам в этом отношении живется намного проще, чем специалистам по современной флоре и фауне. В самом деле, если между двумя ископаемыми популяциями пролегают миллионы лет, то решение об их видовой самостоятельности напрашивается само собой. Однако в случае с рецентными организмами граница между видами зачастую оказывается весьма размытой, особенно когда мы имеем дело с близкородственными формами, способными давать плодовитое гибридное потомство. Великолепный пример таких генетически близких, но фенотипически контрастных групп - это славки, небольшие певчие птицы. Выраженные вариации окраски оперения в пределах данного комплекса видов определяются буквально несколькими генами. И хотя внешне эти птицы выглядят по-разному, они свободно скрещиваются между собой, производя потомков с промежуточными признаками. Так кого же из них считать самостоятельными видами? Однозначного ответа современная биология дать не может.

Таким образом, организмы не делятся на виды раз и навсегда данным от природы способом. Это люди проводят между ними границы, руководствуясь теми или иными соображениями. Поэтому любая классификация живого носит во многом условный характер и меняется со временем по мере развития науки. Яркий пример - судьба таксона Troodon, знаменитого динозавра, воспетого в популярных книгах и мультфильмах. Увы, на поверку оказалось, что род этот изначально описан исключительно по зубам, которые сами по себе мало что говорят о своих обладателях. И теперь палеонтологи предпочитают использовать название Stenonychosaurus для ящеротазовых динозавров данной группы, поскольку этот таксон, в отличие от проблематичного Troodon, основан на диагностичном костном материале.

Или вот еще один любопытный пример - знаменитый ужасный волк (Canis dirus), истребленный людьми в конце последнего ледникового периода. Традиционно этого гигантского хищника принято считать близким родственником серого волка из-за сходства в строении черепа и зубов. 

Однако недавний генетический анализ показал, что ужасные волки представляют собой глубоко обособленную линию псовых, довольно рано отделившуюся от общего ствола данного семейства. Получается, перед нами яркий случай конвергентной эволюции, при которой неродственные организмы независимо приобретают сходные приспособительные черты.

Подобные открытия наглядно демонстрируют, сколь непростым и захватывающим делом является реконструкция филогенетических связей между организмами. Это постоянный вызов для ума, требующий кропотливой работы и готовности пересматривать, казалось бы, незыблемые представления. Но именно так и развивается наука - через поиск истины, через проверку смелых гипотез и их постепенное уточнение.

И давайте никогда не забывать: какими бы разными ни казались нам живые существа, населяющие Землю, все мы произошли от единого корня и потому связаны незримыми, но неразрывными узами родства. Царственные секвойи и причудливые орхидеи, грозные львы и трудолюбивые муравьи, стремительные стрижи и мудрые дельфины - все мы одна большая семья, плоды многовекового эволюционного древа, корни которого уходят в глубины древнейших океанов. И осознание этого всеобщего родства способно, как мне кажется, сделать наш мир немного добрее и человечнее.

По материалам:

В нескольких статьях про квантовые компьютеры я писал, что основная проблема таких систем - сохранить состояние квантовой суперпозиции. Кубит должен находиться сразу во всех возможных состояниях, а измерение его реального состояния и будет этакой отсечкой для подтверждения правильности вычисления. Но помимо этого система работает со связанными частицами. Несколько кубитов можно объединить специальным образом и тогда они работают как единый механизм.

Стандартная иллюстрация к таким статьям

Запутанные квантовые частицы когда-то уже удивили Эйнштейна. Проблема в том, что информация о состоянии по сути передаётся быстрее скорости света, что нарушает положение о скорости света, которая максимальна во Вселенной. Но у квантовой запутанности есть ещё один интересный аспект.

Наверняка вы слышали, как цитирую "ученые запутали частицы некоторым образом"? Технически процесс сложный и если читать его научно-популярные описания, то заключается он в выравнивании состояний посредством воздействия на одну из запутанных частиц. Происходит взаимная поляризация и выравнивание параметров.

Но парадокс в том, что частицы не запутываются. Они просто уже запутаны. На самом деле, все запутано со всем остальным все время. Так о чем же мы тогда говорим, когда рассуждаем, скажем, о запутанной паре электронов и её получении?

На самом деле это сложная экспериментальная установка, включающая два электрона и аппарат, который предназначен для минимизации их запутанности с окружающей средой. По крайней мере на мгновение, эти электроны ведут себя так, как будто они запутаны только друг с другом, а не со всем остальным во Вселенной. Затем мы можем наблюдать любопытные корреляции в их поведении. Корреляции, которые не могут быть объяснены классической физикой или какими-либо секретными сигналами, передаваемыми между двумя электронами.

Если вам сломали Туб, то https://dzen.ru/video/watch/6727aad03d41d468acbc499e

Но в конечном итоге окружающая среда побеждает. Электроны теперь снова более запутаны со всем остальным, и прекрасные корреляции исчезают в шуме окружающей среды. В этом случае мы говорим, что макроявления оказали разрушительное воздействие и запутанность развалилась. Однако всё по-видимому очень просто. Мы не запутываем частицы, а распутываем их общую запутанность.

Это, кстати, также является ключевой проблемой, когда дело доходит до построения масштабируемых архитектур квантовых вычислений. Не иметь эти кубиты, запутанные с окружающей средой - это самая сложная часть проблемы. В итоге мы бьемся, чтобы сохранить связь двух частиц, а нужно было бы думать об их изоляции от Вселенной.