Гомеостатическая Вселенная

Как небольшой постскриптум к прошлому посту, дам ссылку на классный рассказ про историю открытия гравитационных волн. Эта история была полна скандалов и интриг. Сам Эйнштейн открыл волны, а потом отказался от своего открытия (а потом снова поменял точку зрения). Целых 50 лет после этого они считались математическим артефактом, пока Фейнман не представил очень важный аргумент в пользу их существования. Несколько лет шла битва лучших умов в споре за правильность аргумента, после чего начали придумывать способы их наблюдать. Волны уже были "наблюдены" в 60х экспериментально, и статья об открытии наделала много шума. Однако никто не смог подтвердить открытия, и их пришлось "закрыть": трагедия для Вебера - автора работ. Понадобилось еще 40 лет и множество усилий, чтобы построить детекторы, которые таки смогут их наблюдать. В статье по ссылке рассказана история открытия - начиная с Эйнштейна и до наших дней, со всеми перипетиями. Написана она увлекательно и понятно, хотя и довольно кратко. Очень рекомендую всем, кто интересуется наукой! https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1810/1810.07994.pdf

Один из самых сложных моментов в понимании гравитационных волн — что же они все-таки делают с детектором типа LIGO. Об это сломано не мало копий и в научном сообществе. Проблема не в том, чтобы описать это математически — там все тривиально, но в том, чтобы объяснить, что же происходит физически. Мы говорим, что гравитационные волны растягивают пространство-время и мы наблюдаем это растяжение, измеряя эффект на проходящий через пространство луч света. Очень частая претензия от желающих покритиковать нас: как же мы можем измерить гравитационную волну, если она должна растянуть не только пространство, но и длину волны света. Действительно, она и растягивает, но мы все равно можем ее измерить, потому что в каждый следующий момент в интерферометр попадает новая, не растянутая волна, и вот она-то и измеряет эффект гравитационной волны. Я пару лет назад про это писал целый большой пост: https://habr.com/ru/articles/426785/. Почитайте его, а ниже я его дополняю кое-чем любопытным: Обычно мы описываем эффект гравитационной волны как дополнительную силу, действующую на зеркала — по типу приливной силы от движения Луны. Это интуитивно и удобно для объяснений. Но это работает только для волн очень низкой частоты, так что длина гравитационной волны гораздо-гораздо больше длины плеча интерферометра. В этом случае пока свет проходит туда-обратно в плече интерферометра, пространство-время почти не меняется, так что любыми эффектами изменения кривизны пространства-времени по мере распространения пучка света можно пренебречь. А вот для высоких частот начинаются проблемы. Чтобы правильно описать эффект гравитационной волны, необходимо учесть и эффект, который волна оказывает на свет. Если длина плеча сопоставима с длиной волны, свет на пути проходит через изменяющуюся кривизну пространства-времени. Из-за этого он приобретает гравитационное красное смещение (т.е. его частота меняется). Более того, нам необходимо учесть тот факт, что время идет по-разному под действием гравитационной волны в разных частях детектора: часы на дальнем зеркале идут быстрее (или медленнее), чем на центральном делителе луча. А если гравитационная волна приходит под углом по отношению к детектору, все становится еще сложнее. То есть, нам необходимо всегда учитывать три вклада ГВ в сигнал: смещение зеркала, гравитационное красное смещение и замедление хода времени. Только их сумма даст правильный учет эффекта ГВ. Но вся сложность тут возникает из-за выбраной точки зрения (системы отсчета). Мы смотрим на то, что происходит со светом с точки зрения наблюдателя, который "сидит" на центральном делителе луча. Но мы можем выбрать другие системы отсчета, и в них физическое объяснение будет иным. Например, есть система отсчета, в которой координаты зеркала и центрального делителя луча не меняются, а весь эффект от гравитационный волны приходится на сам свет. В этом случае нет трех разных компонент, зеркала не смещаются, а есть только набор фазы света под действием проходящей ГВ. Сигнал, который мы получаем на выходе интерферометра, не зависит от выбора системы отсчета. Но кажется, что физика совсем-совсем разная, правда? Вот в этом и основная загвоздка и странность происходящего. На самом базовом уровне кажется, что все просто: приливная сила и все тут. Но стоит немного углубиться в детали, и все становится гораздо запутаннее. Настолько, что в более общем случае, где гравитационная волна приходит из произвольной точки на небе, эффект неочевиден для большинства ученых, непосредственно работающих с детекторами гравитационных волн. Я как раз закончил новую статью на эту тему, исключительно методологически объясняя происходящее. Скоро поделюсь с вами, там красивые картинки получаются!

Узнал про максимально упоротый экспериментальный метод. Сперва немного общей информации. Вы наверняка знаете про термоядерные реакторы, которые пытаются строить по всему миру в надежде обрести безопасную, чистую и почти нескончаемую энергию, которая бы решила все проблемы человечества. Вообще до нее осталось всего-то 20 лет. (Это число — константа, справедливо для любого момента времени, когда вы говорите про термояд). В целом идея всех реакторов — запустить реакцию по типу того, что происходит на Солнце. В норме два атома (например, водорода), не могут сблизиться, так как сила отталкивания между положительными протонами в ядре оказывается слишком сильной. Но если их заставить сблизиться (например, столкнуть друг с другом), преодолев это отталкивание, то на близком расстоянии сила ядерного притяжения (сильное взаимодействие) окажется достаточно большой и два атома образуют один новый. В этом процессе высвободится огромная энергия. Такой процесс происходит в звездах (поэтому они горячие) и такой процесс мы хотим запустить в реакторах. Одна из концепций для термоядерной станции — токамак. Это такой бублик, внутри которого сверх-сильным сильнымы магнитными полями поддерживается раскаленная плазма, как в звезде. В ней атомы двигаются достаточно быстро, чтобы преодолеть кулоновское отталкивание. Я в комменты положу пару фоток реактора. Чтобы атомы не разлетелись во все стороны, плазму надо удерживать в одном небольшом объеме. Из-за высоких температур ни один материал не выдержит такого, поэтому (ну, не только поэтому) плазму поддерживают магнитными полем. Термоядерный процесс в целом очень сложный, и поддерживать его непрерывно очень сложно. Но достаточно потерять контроль над плазмой на долю секунды — и весь процесс становится неуправляемым. А потеря стабильности плазмы довольно веселая штука: она может коснуться стенок токамака и расплавить их к чертям (и заодно вызвать токи, которые выведут весь девайс из строя). А еще веселее, может возникнуть каскадный процесс производства электронов, которые вырвется в виде пучка такой энергии, что он буквально проделает дырку в стенке (энергии этого пучка достаточно, чтобы расплавить килограмм железа за доли секунды). Такое случалось в реальности. Разумеется, этого все хотят избежать. Для этого есть автоматизированные системы контроля формы магнитного поля, которые гасят подобные нестабильности в зачатке. Но это не всегда получается. И вот тут ученые придумали совершенно гениальную штуку. Нестабильность возникает в очень небольшом участке плазмы, и в целом достаточно уменьшить ее плотность, "разбить" рост нестабильности, чтобы она затухла. Раз надо разбить...почему бы не шмальнуть в этот участок из ружья? Какого-нибудь крупнокалиберного? В идеале чтоб пуля была осколочная, чтобы уж точно попасть в нужную область плазмы. Сказано — сделано. Специальный аппарат замораживает водород, формируя из него пули (3-10 грамм). Они ускоряются сжатым газом до ~300 м/c. На самом конце ствола этой пушки есть изгиб: пули ударяются об него, разбиваются на осколки и летят небольшим облачком прямо в центр нестабильности. Я приложу фотки в комменты 🙂 Дальше дело за малым — установить штук 20 таких пушек по периметру и стрелять, когда надо. Один минус: подготовка одной пули занимает довольно долго (минут 10-30), это ж надо заморозить много водорода, а он вообще этого не очень любит. Кстати, используется водород, чтобы не требовалось прерывать цикл из-за посторонних веществ внутри камеры. Честно говоря, я читал статью и завидовал авторам, которым досталась такая игрушка.

Помните, я говорил, что разговоры о сверхсветовых явлениях — признак лженаучного материала? Так вот, сегодня поговорим о сверхсветовом явлении в физике 🌚 Наверное, это единственный такой эффект, который не является откровенной ересью. Речь о квантовом туннелировании. Это один из самых базовых эффектов квантовой механики: когда частица встречает потенциальный барьер, который классически непроницаем для нее, в квантовой физике она с некоторой вероятностью может скозь него "проскочить". Простой пример: небольшой разрыв в электрическом проводе. В классике электроны преодолеть его не могут, а в квантах — вполне. И это не какой-то экзотический случай, вы прямо сейчас используете этот эффект, когда читаете мой текст. Почти на всех наших девайсах используется флеш-память, где туннелирование — главный эффект, с помощью которого происходит хранение и считывание информации. Еще туннелирование — одно из подтверждений волновой природы всей материи (помните, что частиц на самом деле не существует?). Электрон-волна (волновая функция) налетает на потенциальный барьер, часть его отражается от барьера, а часть — проходит. Так вот, сколько времени занимает это туннелирование? Как много времени электрон проводит "внутри" барьера? Еще в середине 20 века было теоретически установлено, что время туннелирования не зависит от ширины барьера. А значит, мы могли бы сделать барьер шириной во много световых лет, и частица прошла бы его за то же время, как и барьер в несколько микрон. То есть, во много-много-много раз быстрее скорости света. Чтааа?! Когда я впервые об этом узнал, я отмахнулся: ну, такого не бывает, это просто артефакт теории. Но оказалось, что множество экспериментов (с разными частицами и атомами) подтверждают, что туннелирование происходит быстрее скорости света. Недавно эксперимент даже смог точно измерить, сколько именно времени атом проводит внутри барьера. А как же теория относительности, запрет на превышение скорости света и вот это все?! Важный момент в том, что СТО запрещает передачу информации быстрее света, а не просто перемещение. Ученые в целом уверены, что сверхсветовой передачи информации в процессе туннелирования не происходит, но почему — тут не все сходятся. Главная идея всех аргументов в том, что само понятие передачи информации не очень хорошо определено для такого процесса. В какой момент информация передана? Волновая функция — распределение с максимумом в какой-то точке и двумя хвостами. Когда передача совершается: когда детектора достигает хвост или центр распределения? А как быть с той частью волновой функции, что отразилась от барьера? Мне больше всего нравится вариант, изложенный в этой статье: зададимся вопросом, как быстро мы можем передать один бит информации в среднем для многих битов. Для частиц, движущихся со скоростью света, ответ очевиден: со скоростью света. Для частиц, летящих через барьер, мы иногда (когда частица туннелирует) передаем бит быстрее скорости света. Но вероятность туннелирования чрезвычайно мала, так что в среднем большая часть частиц будет потеряна и общая скорость передачи окажется меньше скорости света. Такие удивительные эффекты иногда скрываются в дебрях физики. По мне так это гораздо интереснее всяких квантовых компьютеров, но об этом почему-то очень мало говорят...

Одним из главных (а иногда единственным) бонусов работы в науке обычно называют свободу: типа, ты можешь делать, что тебе взбредет в голову, творить и не работать на злобного босса. Это, конечно, так, но есть один нюанс. Даже два. Первый банальный: конечно, ты можешь делать что захочешь, но деньги на гранты дают только на определенные темы. Так что по сути у тебя оказывается довольно узкий набор тем, которыми реально можно заниматься. А второй менее очевидный: со свободой приходит отсутствие границ. То есть, научная жизнь полностью занимает собой все свободное пространство. Если хочется заниматься чем-то другим: семья, хобби, — для этого приходится прилагать большие усилия по отвоевыванию времени у науки. Совсем не у всех это получается, но я в целом большой сторонник здорового разделения труда: я стараюсь не работать вне рабочего времени, но это требует больших непрерывных усилий. С этим, правда, есть и еще одна сложность: чувство вины. Если вдруг приходится работать вне рабочего времени, я постоянно чувствую себя виноватым, что не уделяю время семье/друзьям/планам. Если вдруг семейная жизнь вторгается в рабочий день, я чувствую себя виноватым, что не работаю. К этому добавляются непрерывные дедлайны, которые приходится пропускать и откладывать, и привет, если ничего не делать, будешь чувствовать себя виноватым непрерывно. К сожалению, академия в целом совсем не поддерживает здоровое отношение к науке как к работе, которая заканчивается, когда выходишь из здания института. Понедельник начинается в субботу — это хорошо, конечно, но на практике приводит к быстрому выгоранию. Старое поколение состоит из людей, которые прошли через этот отсев, и теперь они считают, что все должны работать так же. Отсюда частые практики в лабораториях, когда студентов заставляют работать по выходным, не дают отпусков и т.п. К счастью, с приходом молодой профессуры, это понемногу меняется. В общем, когда вам будут рассказывать сказки про свободу в науке, помните, что все не так радужно.

Примерно так я могу очень быстро определить, стоит ли тратить время на прочтение научпоп статьи. Из первых двух категорий читаю только смеха ради и чтоб накинуть в комментах. Третью категорию обычно не читаю вовсе, но если тема в целом мне интересна, иду читать оригинальное исследование. Четвертая и пятая позволяют быстро составить предварительное мнение и оценить, стоит ли погружаться в тему дальше.

Как понять, что вам вешают лапшу на уши (в физике)? Сейчас из каждого утюга непрерывно льются новости о науке. Расскажу, как можно определить, что вам пытаются впарить какую-то фигню. 1. Триггерные темы и слова: можно смело закрывать, ставить минусы, смеяться в лицо. С вероятностью в 99.9% вас дурят. - "эфир". Если это не исторический обзор, перед вами 100% шарлатан. В рунете таких огромное количество, к сожалению. - "сверхсветовой" или "быстрее скорости света". Часто еще сочетается с квантовой запутанностью. Есть очень-очень-очень мало случаев, где это имеет смысл обсуждать. Скоро я вам про такой напишу, кстати. - "холодный" ядерный синтез (cold fusion). Тут просто нечего обсуждать, перед вами шарлатан. - бесплатная/вечная энергия. Бесплатный сыр мы все знаем, где. - "инерционный двигатель" и прочие двигатели без выхлопа. EmDrive и прочие подобные штуки не работают. Нет, их "объяснения" тоже ошибочны. Вас пытаются развести. 2. Признаки лжеученых/фриков, их лучше даже не пытаться читать: - обычные слова почему-то пишутся с большой буквы. "Идея", "Сила", "Энергия", "Мир", "Физика" и т.п. Большой красный флаг, стоит насторожиться. - в тексте пишется о теории имени автора. 100% фрик (ну или нобелевский лауреат). - заявления о подлоге результатов эксперимента, заговоре ученых и т.п. Вы бы знали, как часто мне пишут про то, что "ВЫ ВСЕ ВРЕТИ" в этом вашем LIGO, и я лично провожу дни за генерацией подложных данных. Если бы вы видели, насколько все глупо устроено в академии, вы бы, как я, смеялись над предположением, что там кто-то из ученых смог собраться и огранизовать заговор. - утверждения о том, как академия подавляет свободу мысли, прорывные открытия и настоящих ученых (то бишь автора). - Заявления о том, что Эйнштейн был неправ (он, конечно, был, и не раз, но в контексте научпопа это в 99% признак лженауки) 3. Сенсационный тон: это не признак неправоты, но к этому надо относиться очень аккуратно, чаще всего это недобросовестные журналисты - "Переворот в науке" - "Полный пересмотр законов XYZ" - "Открытие столетия" - ... В хороших материалах открытия описываются обычно очень аккуратно, упоминаются альтернативные точки зрения, необходимость многократной независимой проверки и т.п. 4. Хайповые темы. Тут чаще всего нет прямого обмана, но почти наверяка описанное можно делить на 20. По таким темам лучше читать журналистов или издания, которым вы доверяете. - Квантовые компьютеры. Ну вы поняли. Большая часть статей про КК сейчас — чистой воды хайп и попытка сгрести лайки. Но про это я писал только что. - Теория Всего/квантовая гравитация. Всем очень хочется найти объединение квантов и гравитации, но при этом в области почти ничего не происходит. А подписчики сами по себе не наберутся, приходится изгаляться! - Теория струн, голографический принцип, AdS/CFT. Теория струн звучит очень умно и сложно (так и есть), но к физике она отношения не имеет, это красивая математика. К сожалению, часто ее представляют чуть ли не как почти готовую физическую теорию. Часто в контексте теории струн (и не только) говорят про голографию или AdS/CFT. Это интересные концепции, но почему-то в популярных статьях забывают сказать, что к нашей вселенной они неприменимы. В итоге это все только запутывает неспециалистов. 5. Качество публикации. Это самый противоречивый индикатор и пользоваться им надо с осторожностью, но он дает возможность составить предварительное мнение о работе. Идея в том, что если вам говорят о прорыве века, но открытие опубликовано в третьесортном китайском журнале, графики сделаны в экселе, а текст пестрит грамматическими ошибками, вам почти наверяка пытаются навешать лапшы. Я не знаю ни одной прорывной работы в физике в последние 20-30 лет, которая была бы опубликована не в топовых журналах. К сожалению, так устроена академия, что лучшие открытия публикуются в условной Nature. Важно, что обратное очень часто не верно: то, что статья опубликована в Nature, не значит, что она реально хорошая и важная. -------

Все слышали про светлое будущее, которое принесут нам квантовые компьютеры! С каждым годом мы все ближе к нему! В этом посте я перечислю все полезные применения квантовых компьютеров, и вы сами сможете убедиться, насколько революционна эта технология! Ну, поехали! 1. Взлом шифрования — прощайте биткоин кошельки! 2. Квантовая симуляция химических процессов — новые материалы, лекарства и технологические процессы! 3. 4. 5. эээ 6. а где все?! 7. ну блин 8. хочу в светлое будущее... ------------------- PS. На самом деле, пока единственное полезное применение — симуляция всякой химии и прочих квантовых взаимодействий. Правда, для чего-то интересного понадобятся квантовые компьютеры с миллионами кубитов (напоминаю, у нас сейчас около 1000). Взлом шифрования не очень страшен, т.к. достаточно перейти на пост-квантовые алгоритмы, которые не взломать. Все остальное — хайп и не имеет доказанного превосходства над классическими алгоритмами. Поэтому гугл, например, обещает 5млн $ за найденное полезное применение КК.

Я давно ничего не писал, потому что был очень занят подготовкой к конференции на этой неделе. Сегодня сессии проходят в такой обстановке🙀

Конечно, телескопп Вебба приносит потрясающую красоту