Что интересного происходит в науке

Механическая модель коллайдера

noreply@blogger.com (Igor Ivanov) — Mon, 23 Apr 2012 22:35:00 +0000

Год назад, в рамках фестиваля «Весна науки», который ежегодно проходит в Льеже, мы с женой сконструировали механическую модель коллайдера элементарных частиц. Это очень простая модель, в которой катаются, сталкиваются и разлетаются металлические шарики. Но с помощью нее можно продемонстрировать с десяток физических явлений, которые происходят в реальных ускорителях и детекторах. Демонстрация модели школьникам шла на ура, они после объяснений сами лезли запускать шарики и регистрировать столкновения.

Сейчас у меня наконец-то дошли руки до того, чтоб снять ее в действии и рассказать, что интересного можно с помощью нее показывать.

Рис. 1. Общий вид механической модели коллайдера.

Наша механическая модель состоит из С-образной трубы из плексигласа, металлической вставки хитрой формы, двух желобов, которые через окошки ведут в трубу, и поддона с мелким песочком, который играет роль детектора. Если одновременно отпустить два шарика, то, скатившись по желобам и влетев в кольцо, они столкнутся в центре металлической секции, вылетят наружу, и прочертят следы в тонком слое песка.

Рис. 2. «Детекторная» часть модели.

Все эти явления — чисто механические, здесь нет ни электричества, ни магнетизма, ни какого-то виртуального моделирования столкновений. Несмотря на кажущуюся примитивность, эта модель подкупает своей «настоящестью». Все явления происходят на наших глазах, они осязаемы — и тем не менее они в кое в чем похожи на процессы в реальных коллайдерах элементарных частиц.

Вот видео, на котором всё это показано в действии. Файл довольно тяжелый, т.к. я загрузил видео в HD, и поэтому лучше смотреть на полном экране (вот прямая ссылка на youtube):

Сопроводительные пояснения (для сравнения см. устройство LHC и устройство типичного современного детектора).

Инжекция — в настоящих ускорителях частицы вначале предварительно разгоняют до небольших энергий и лишь потом их вспрыскивают (инжектируют) в основное ускорительное кольцо.
Динамика частиц в ускорителе — циркулируя в кольцевом ускорителе, частицы постепенно теряют свою энергию, а также стремятся расплыться вдоль кольца. В реальных коллайдерах оба этих эффекта компенсирует ускорительная секция, которая отсутствует в этой механической модели.
Бетатронные колебания — попав в ускоритель, частицы вовсе не ложатся на идеальную траекторию, а колеблются относительно нее в поперечной плоскости. Эти колебания необходимо держать под контролем, чтобы пучок не задел стенки вакуумной камеры. Впрочем, в электрон-позитронных коллайдерах бетатронные колебания с течением времени быстро затухают из-за излучения.
Столкновения частиц в настоящих коллайдерах происходит внутри детекторов. Вакуумная труба в этих местах очень узкая и тонкостенная, чтобы не мешать разлетаться столкнувшимся частицам. Эти частицы оставляют свои следы в нескольких слоя детектора, и по ним физики восстанавливают картину столкновения. В нашей модели шарики разлетаюся после столкновения, прочерчивая след («трек») на тонком слое песка.

Рис. 3. Пример столкновения.

Характеристики треков позволяют кое-что узнать о самом столкновении. Направления треков указывают на точку, в которой оно произошло, а из длин треков можно извлечь энергии шариков — это очень похоже на то, как анализируются результаты настоящих столкновений элементарных частиц. У нас треки часто получаются не сплошные, а в виде отдельных «пикселей», что тоже очень похоже на ситуацию в реальных детекторах. И для пущего сходства треки иногда получаются не прямыми, а заметно закрученными (хотя причины для этого, конечно, разные).
Паразитные столкновения — и в реальном ускорителе, и в этой модели далеко не каждое столкновение регистрируется детектором. Если после столкновения частицы не приобрели достаточно большого поперечного импульса, то они «улетают в трубу», и детектор их не видит. При анализе реальных столкновений надо всегда помнить про эти процессы.
Угловое распределение — даже если бы начальные состояния реальных сталкивающихся частиц были точно известны, результат каждого конкретного столкновения предсказать нельзя, это одно из ключевых свойств квантовой механики. Поэтому физики не довольствуются одним столкновением, а повторяют его множество раз и смотрят получившиеся распределения результатов. В нашем случае, это иллюстрируется угловым распределением при повторных столкновениях.
Сгустки частиц — вероятность столкновения в одной пары частиц в реальных ускорителях ничтожно мала. Поэтому там в каждом направлении циркулирует не одна частица, а целый сгусток из миллиардов частиц.
Эффект нагромождения (pile-up) — когда количество частиц в сгустке достаточно велико, при одном столкновении сгустков может произойти сразу несколько независимым столкновений частиц. Результаты столкновения нагромождаются в детекторе друг на друга, и из анализ становится непростой задачей. Здесь можно заметить, что направления треков четко указывают на то, что произошло несколько столкновений в разных точках.

Рис. 4. Пример столкновения «сгустков» из нескольких шариков.

«Мертвое время» детектора — детектору всегда требуется некоторое время на то, чтобы «считать» треки, передать данные в компьютер и очистить детектор. Во время этого процесса детектор не готов воспринимать новые частицы. Это «мертвое время» детектора влияет на его быстродействие.

Технические подробности

Если кто-то захочет самостоятельно сделать подобную модель, то вот несколько замечаний и советов.

1) Самая сложная в изготовлении часть — это труба. Мы заказывали ее в фирме, которая как раз гнет трубы из плексигласа. Главная трудность — сделать так, чтоб внутренняя поверхность была гладкой и ровной, без морщин. При таком соотнощении радиуса трубы и радиуса закругления это оказалось не так уж и просто, фирма сделала это вовсе не с первой попытки. Для примера выкладываю чертеж трубы с параметрами, которые я запросил у фирмы. Можно, конечно, сделать трубу из чего-то другого, надо только убедиться, что материал достаточно жесткий — иначе шарик не будет долго катиться (на нашей модели он делает 3-4 оборота, это достаточно для демонстрации).

Рис. 5. Чертеж трубы из плексигласа.

2) В окрестности места столкновений труба должна быть максимально плоской, чтобы позволить частицам вылетать вбок без подпрыгивания. Поэтому центральная секция у нас выполнена в виде металлической вставки, которая вначале повторяет кривизну трубы, а к центру распрямляется. Поскольку нереально просчитать заранее все параметры, надо дать себе свободу действий для настройки этой секции. Кроме того, надо сделать так, чтобы на месте стыка трубы и вставки не было ступеньки.

3) Опять же, трудно заранее просчитать, под каким углом и с какой скоростью шарики должны влетать в трубу, чтобы попасть на хорошую траекторию и не вылететь в центральной секции. Здесь тоже надо предоставить себе свободу маневров, как по высоте, так и по углу. Мы использовали для этого липучки-велкро на концах желобов, на их держателе, и на окошках трубы.

Детектор ICARUS измерил скорость нейтрино

noreply@blogger.com (Igor Ivanov) — Fri, 16 Mar 2012 01:35:00 +0000

В сентябре прошлого года коллаборация OPERA сообщила о наблюдении сверхсветового движения нейтрино. Другие нейтринные эксперименты посмотрели на это большими глазами и пообещали перемерять скорость нейтрино на своих установках. Это, конечно, правильно, но это уже будут другие эксперименты, в других условиях. А хотелось бы, так, на всякий случай, перепроверить именно OPERA. Для этого, в идеале, нужно поставить в ту же подземную лабораторию Гран Сассо другой аналогичный нейтринный детектор, который бы отлавливал те же нейтрино, выпущенные из ЦЕРНа.

Так вот, ~~в кустах оказался рояль~~ такой детектор уже там стоит — ICARUS T600 (T600 обозначает, что рабочим веществом является 600 тонн жидкого аргона). Он заработал в 2010 году и даже по-своему отметился в истории со сверхсветовыми нейтрино: в октябре он рапортовал об отсутствии черенковского излучения, которое должны были бы интенсивно излучать эти сверхсветовые нейтрино. Это как бы опровергало данные OPERA, но только косвенно (да и к тому же не все были убеждены, что связь настолько однозначная).

А сейчас тот же ICARUS измерил скорость нейтрино напрямую. Люди там не стали тратить два года на то, чтобы перемерять расстояние от ЦЕРНа и до детектора или синхронизовать время. Они просто взяли результаты измерения времени и расстояния, выполненные OPERA. Зато точные моменты прихода нейтрино они измеряли на своей аппаратуре.

В течение двух недель, с 21 октября по 6 ноября прошлого года ЦЕРН провел специальный сеанс, в котором он «пулял» нейтринные сгустки в специальном режиме, очень короткими выстрелами длительностью около 3 нс. Это было сделано как раз с целью отсечь возможные погрешности OPERA, связанные с фронтами длинного сигнала (подробнее см. в новости и у меня в блоге). OPERA, кстати, тогда сообщила, что новые измерения за эти две недели подтверждают сверхсветовые нейтрино (а на самом деле это значит, что была устранена лишь одна из возможных проблем).

В течение тех двух недель детектор ICARUS тоже набирал данные и поймал семь нейтрино (подробная статистика по каждому их этих семи событий содержится в статье). Результат таков: разница между временем прилета нейтрино и ожидаемым временем прихода светового сигнала в пределах погрешности равна нулю. Распределение по этой разнице времен для ICARUS и для OPERA показано на рисунке.

Распределение по разнице между временем прихода нейтрино и ожидаемым временем прихода светового сигнала (изображение из статьи коллаборации ICARUS).

Таким образом, ICARUS прямо опровергает данные OPERA и подтверждает ожидания теории относительности.

Мне, правда, не очень понятно, изменится что-либо в синхронизации времени в свете недавно найденных ошибок в OPERA. Так что проверки на других установках всё равно будут полезны. Но, по-видимому, OPERA — всё.

Про пресс-релизы и журналистов

noreply@blogger.com (Igor Ivanov) — Tue, 13 Mar 2012 20:35:00 +0000

Дмитрий Вибе написал на днях любопытную заметку с хорошими примерами насчет дутых «научных сенсаций» в СМИ. Только общий вывод, к которому он приходит, неверен, и я не понимаю, почему это ему не очевидно.

Дмитрий Вибе сетует на то, что излишняя сенсационность часто присутствует уже в пресс-релизах научных организаций. А журналист, мол, видит в сообщении только сенсацию, срывается с катушек («раз ученые позволили себе драматизм, то и я могу!») — и на выходе получается галиматья. И вывод, к которому Дмитрий подталкивает, таков: как бы да, журналисты такие-сякие, никто не спорит, но ученые тоже часто виноваты в перекосах того, как СМИ освещают научные исследования. Так вот, это обман.

Во-первых, пресс-релизы пишут не ученые, а те же самые журналисты, которых организация наняла для этой задачи. В худшем случае это выпускники какого-нибудь факультета журналистики или «школы научной журналистики», в лучшем случае — это люди, которые закончили универ по естественнонаучной специальности (и возможно даже получили какую-то степень!), но дальше не смогли идти в науку. Зато им понравилось писать на публику, чем они и занимаются. Ни тот, ни другой даже близко не считаются учеными, а тем более — учеными, выполнившими эту конкретно работу или досконально разбирающимися в ней.

Во-вторых, в пресс-релизах постоянно втыкают цитаты авторов исследования или прочих «экспертов», и они вроде как вполне поддерживают общее возбуждение. Я уже писал про вред такого цитирования (у меня в блоге есть отдельный тэг «Наука и СМИ»), так вот здесь еще один пример — на этот раз вреда для самих ученых. Когда журналист берет комментарий, он просит, хочет, настаивает выразить это попроще. У ученого обычно есть некая граница, ниже которой он сам по себе не опустился бы в упрощении. Но журналист тащит его вниз, настаивает на дальшейшем сокращении и упрощении, мотивируя это тем, что он, журналист, лучше знает, что требуется публике. Далее, всем хорошо известно, что даже из короткого интервью можно надергать цитат (даже без перевирания!) так, чтоб они подтверждали самые разные утверждения, даже очень далекие от реальности (гуру в этом деле, конечно, тележурналисты). Поэтому написать (специально или нечаянно) пресс-релиз, сильно искажающий реальные результаты работы, но содержащий при этом как бы подтверждающие комментарии экспертов, легко. И тот факт, что потом тычут пальцем в такие пресс-релизы и пеняют на ученых — это тоже прямой вред.

В-третьих, у меня за последние годы было несколько онлайн споров с журналистами, пищущими о науке. Причем с журналистами, которые себя (или друг друга) относят к элите научной журналистики Рунета. Формулировки были разные, но общий вывод тот же: по их мнению, цепочка «пресс-релизы, информагентство, газета» хорошо работает, и они не видят другого способа писать о науке без неё в таких же объемах. Увы! Может быть, это было единственным доступным и худо-бедно работавшим методом 50 лет назад, но уж точно не сейчас, когда информация так легко доступна и читателям, и самим журналистам. Нет, разумеется, если цель — гнать объем и погорячее, то разговора нет. Но если действительно задумываться о качестве, то нет, это не может быть источником качественных новостей науки. Просто потому, что обман начинается уже на самом первом этапе.

Поймите, наука в изложении СМИ — это словно наркоман, сидящий на каких-то ядрёных возбуждающих препаратах. Там нет фазы спокойной жизни, там нет возможности поразмышлять, там постоянно бушуют крайности, драмы и революции. И сложившаяся цепочка «пресс-релизы, информагентство, газета» является хорошо зарекомендовавшим себя поставщиком той информационной наркоты.

Я не призываю идеализировать ученых. Есть и такие, которые сами чрезмерно упрощают научные результаты, искажая смысл. Но это даже близко не такое массовое явление, как институт пресс-релизов.

Дополнение про «летающие мушки»

noreply@blogger.com (Igor Ivanov) — Sat, 10 Mar 2012 21:09:00 +0000

Когда я писал свой прошлый пост про близорукость, я почему-то был уверен, что всякие плавающие пятна и волоски, которые видны внутри кружочка боке, — это «мусор» на поверхности глаза. Но мне потом в комментариях неоднократно говорили, что, во-первых, видно их и просто при взгляде на однородно освещенную поверхность, а во-вторых, находятся они вовсе не на поверхности глаза, а внутри стекловидного тела. Я немножко почитал и поделал простые опыты с собой, и вот что я скажу.

Во-первых, плавающие штуки действительно вполне видны без боке, и близорукость для них не нужна. В подавляющем большинство случаев это действительно объекты, плавающие внутри стекловидного тела и являющиеся продуктами их разрушения. По-английски они называются (vitreous) floaters или более учёно Posterior Vitreous Detachment, по-русски говорят «летающие мушки» и «деструкция стекловидного тела». Они хорошо известны офтальмологам потому что, во-первых, пациенты часто жалуются на них, а во-вторых, потому что резкое увеличение этих мушек может быть предвестником серьезных проблем с глазами, например, отслоения сетчатки. Из ссылок я еще приведу сайт мушек.нет, краткое руководство для врачей по тому, как отличать безвредных мушек от опасных, и программу-симулятор этих мушек.

Во-вторых, раз я вижу мушек и просто так, на однородном фоне, и внутри боке, как я описывал в прошлом посте, я их могу их сравнить. И выясняется, что внутри боке кроме них есть и другие вкрапления. Вот про эти вкрапления я уж точно уверен, что они на поверхности, потому что

я могу их сморгнуть (а мушки только дергаются, но не пропадают),
я могу их сдвинуть неполным морганием,
они неподвижны при движении глаз туда-сюда (а мушки от этого плавают).

Эти дополнительные «дефекты» внутри боке отличаются от мушек и визуально. Они как правило мельче и круглые (а мушки крупнее и некруглые). Именно они дают отличные многократные дифракционные кольца, гораздо более богатые, чем в пункте 2 в прошлом посте (а от мушек дифракция более размытая). И кроме того, они намного контрастнее мушек; иногда контраст достигает 100%, т.е. в центре геометрическое тени от крупного круглого пятнышка света просто не видно, оно черное.

То, что при взгляде на однородно освещенную стену мушки выглядят как простые тени, без четко выраженной дифракции, а также что не видно этих мелких пятнышек на поверхности, в общем-то неудивительно. Для дифракции нужна досоаточная поперечная длина когерентности света, т.е. маленький угловой размер источника света. А однородно освещенная стена, наоборот, это истчник света очень большого углового размера. Поэтому некоторое преимущество у близорукого человека в этом всё-таки есть :)

Ну и кроме всего этого, я вижу внутри боке и общую рябь, которая остается неподвижной при любых манипуляциях. Вероятно, это какие-то оптические неоднородности внутри хрусталика или других твердых частей глаза.

Кстати, вот тут я нашел описание простого опыта, которые позволит сказать, где именно находятся дефекты — близе к зрачку или близе к сетчатке. Надо взять непрозрачный, например алюминевый лист, сделать в нем очень маленькое отверстие, в темноте поднести его близко к глазу, а с той стороны осветить ярким светом. Глаз пр этом должен смотреть вдаль, а не на дырочку, и тогда эта точка расплывается в круглое боке. Так вот, теперь надо плавно отдалять экран с дырочкой от глаза и смотреть, что происходит с размерами дефекторов. Если они на поверхности глаза, то их угловой размер должен уменьшаться пропорционально уменьшению размера самого пятна боке. Т.е. относительно боке они не изменяются. А если они близко к сетчатке, то их угловой размер почти не изменится, т.е. относительно боке они будут расти. Я еще это не проверял :).

Кстати, насчет разложения в спектр — я забыл сказать в прошлом посте, что спектры у меня получаются такими сильными, потому что у меня очки с высокоиндексными стеклами, у них показатель преломления равен 1,8.

Близорукость и физика

noreply@blogger.com (Igor Ivanov) — Tue, 06 Mar 2012 22:09:00 +0000

Если внимательно присмотреться к моему фото в блоге, то можно заметить, что у меня довольно сильная близорукость (в зависимости от глаза и от направления от −12 до −14). В целом это, конечно, неудобно, но у близоруких людей тем не менее есть некоторые оптические преимущества перед «обычными» людьми — мы можем видеть некоторые вещи, которые обычные люди не видят (или не замечают). Так что вот небольшой рассказ с картинками про то, как вижу я. :)

Я конечно не могу приложить фотографии того, как я вижу в реальности, поэтому я буду всё иллюстрировать на фотографических эффектах.

1. Расплывчатость. У близорукого человека ~~кристаллик~~ хрусталик фокусирует свет от далекого источника не на сетчатку, а перед ней, поэтому на самой сетчатке изображение получается расплывчатым. Это наверно знают все, но не все догадываются, какого типа эта расплывчатость. Это вовсе не «gaussian blur», который есть в фотошопе, а скорее похоже на эффект боке на фотоснимках (что и неудивительно, поскольку физика по сути та же).

Удобнее всего пояснить разницу на ночном снимке с яркими огнями. Вот возьмем такое красивое фото (источник):

Применим к нему gaussian blur и получим вот такое изображение:

Так вот, это совершенно непохоже на то, как я вижу без очков! А вижу я примерно вот так (источник):

Отличие в том, что при обычной размазке светлые и темные участки смешиваются в нечто среднее. А при эффекте боке яркие точки расплываются в кружочки, довольно чётко очерченные между прочим, которые просто наползают на темные области. При подходящем освещении это бывает очень красиво. :)

Дополнение. Вот еще мне в комментариях дали ссылку на картины Филипа Барлоу, написанные как раз в «близоруком стиле».

2. Дифракция. На фотографии с боке кружочки выглядят маленькими и однородными. На самом деле при моем зрении эти кружочки большие (примерно 4-5 градусов), и в каждом из них я вижу богатый «внутренний мир». На каждом кружочке есть точки, пятнышки, полоски, иногда плавные, иногда четко очерченные. Примерно вот так, только еще богаче (источник):

~~Это проявления микроскопических пылинок и ворсинок на поверхности глаза~~, а также неоднородностей на границах раздела уже где-то в глубине глаза (они дают неподвижную «рябь»). [Как мне объяснили в комментариях, плавающие ворсинки, которые обычно называют «мушками», находятся физически внутри стекловидного тела; см. подробности в отдельном посте.] Мне видно, как они эти пылинки плывут по поверхности глаза, как они резко дергаются при моргании и т.д. И что самое красивое — на всех кружочках в поле зрения картина примерно одна и та же, все эти плавные движения происходят синхронно по всему полю зрения. Но изображения в двух глазах, конечно, разные.

Концентрические кольца и прочие узоры, которые окружают пылинки и прочие границы — это проявление дифракции света. Да, дифракция действительно легко видна невооруженным глазом, по крайней мере близоруким людям! Более того, иногда даже видно пятно Араго-Пуассона (максимум яркости в центре геометрической тени) у совсем мелких пылинок (они кстати, на этой фотке видны). За всей этой «жизнью» иногда бывает забавно наблюдать.

3. Неравномерная освещенность. Пятнышко на предыдущем фото всё равно освещено более-менее равномерно. А я в реальности вижу пятна, яркость которых меняется от края к краю. Причем в двух глазах этот градиент яркости совсем не совпадает. Я попытался примерно изобразить то, как я реально вижу расплывчатое пятнышко без очков:

Это, кстати, создает дополнительные проблемы: два глаза «не знают», как им совмещать эти изображения, то ли по контурам кружочка, то ли по центру яркости.

Откуда у меня это берется, я так и не знаю.

4. Расстояние комфортного зрения. При близорукости плохо видны далекие предметы, но зато всё отлично видно вблизи. Более того, видно намного комфортнее, чем для обычного человека, потому что мне не требуется напрягать глаза. У меня расстояние комфортного зрения — 7 см. Т.е. я расслабляю глаз, словно я собираюсь смотреть вдаль, и отлично рассматриваю мельчайшие детали у предмета на расстоянии 7 см. Поскольку я без проблем могу рассматривать предметы так близко и поскольку с сетчаткой у меня всё в порядке, у меня получается выигрыш в «ближней зоркости».

5. Спектральный анализ. И наконец, супервозможность — я умею раскладывать свет в спектр! Посмотрю так боком на источник света и вижу отдельные линии излучения и т.д. Вот примерно так, только не столь четко:

Это умение, конечно, получается благодаря очкам, особенно с высокоиндексными стеклами (у моих коэффициент преломления 1,8). На краю стекла они выступают в роли призмы, которая раскладывает свет в спектр, и из-за того, что у меня большой минус, это разложение довольно сильное. Я без проблем отличаю лампы накаливания с их сплошным спектром от газовых ламп, вижу отдельные узкие линии излучения, легко отличаю, например, истинно желтый огонек от зеленого+красного. Ну а вкупе с разверткой по времени, которую я тоже умею делать невооруженным взглядом, мне становится доступной времени-разрешенная спектроскопия! В разумных пределах, конечно. :)

Кстати, еще один эффект, связанный с дисперсией света в сильных очках — огоньки разных цветов кажутся мне находящимися на разном расстоянии. При бинокулярном зрении (т.е. при взгляде двумя глазами) это вообще приводит к чудесным иллюзиям. Скажем, синий светодиод на поверхности какого-нибудь девайса для меня выглядит так, словно он висит в воздухе в нескольких сантиметрах над подверхностью. А разноцветная светящаящая неоновая вывеска для меня выглядит смонтированной на нескольких плоскостях.

К сожалению, на этом сверхвозможности близорукости исчерпываются. А жаль, ведь у света есть еще много характеристик :)

Что именно сейчас утверждает коллаборация OPERA?

noreply@blogger.com (Igor Ivanov) — Thu, 23 Feb 2012 20:54:00 +0000

По поводу сегодняшних новостей про эксперимент OPERA, которые разлетелись по всем СМИ, я не хотел ничего писать (поскольку реального повода что-то писать пока и нет). Но вот увидел в блоге Матта Страсслера (Of Particular Significance) замечательную диаграмку, которой хочу поделиться. Диаграмка эта не про сам эксперимент, а про то, как его сейчас освещают СМИ.

Что именно сейчас утверждает коллаборация OPERA? Автор изображения Matt Strassler.

По вертикали отложено время, на которое нейтрино якобы опережают световой сигнал. Пять колонок — от a) до e) — разные варианты развития или изложения событий.

a) (синим цветом): Первоначальное заявление коллаборации OPERA: опережение составляет примерно 60 нс и с высокой статистической значимостью отличается от нуля.

b) (розовым цветом): То, что сейчас передают практически все СМИ — якобы найдена ошибка, которая полностью сводит на нет 60-наносекундное опережение. Т.е. утверждается, что измеренная точка сдвинулась вниз (без ухудшения точности) как раз настолько, чтоб измерение полностью совпадало с ожиданиями.

Однако в реальном сообщении OPERA, которое передает ЦЕРН, ничего такого не утверждается. В нем говорится о наличии двух неучтенных ранее проблем, но никакого вердикта не выносится. Поэтому возможны в принципе разные ситуации, например:

c): значение остается примерно тем же, но ухудшается точность. При этом результат всё еще отличается от ожиданий, но не столь статически значимо.
d): точность ухудшается настолько, что уже неважно, есть эти 60 нс или нет — всё в пределах ошибки согласуется с ожиданием.
e): проблема такова, что заявленный результат просто теряет доверие, и требуется полностью переделать эксперимент.

Возможны и какие-то еще варианты.

Самое главное, что сейчас, на основании краткого сообщения коллаборации OPERA, нет возможности узнать, какой из этих вариантов верен. Поэтому утверждать так, как утверждают большинство СМИ (вариант b), просто неправильно. К сожалению, все эти оттенки СМИ передавать не умеют — у них, как правило, либо «революционное открытие!», либо «всё окончательно объяснено».

Как открывали озеро Восток – 3

noreply@blogger.com (Igor Ivanov) — Sat, 18 Feb 2012 03:24:00 +0000

Последняя часть рассказа про открытие подлёдного озера Восток в Антарктиде по мотивам книги И.А.Зотикова (часть 1, часть 2).

«Озёра»

С самолетами там связана еще одна забавная вещь. Буквально с первых же полетов над Антарктикой (т.е. с конца 1950-х годов) пилоты время от времени замечали на однородном белом фоне снежной пустыни какие-то пятна овальной формы с плавными берегами. Зачастую они были единственными визуальными «зацепками», которые можно было использовать для навигации. Между собой пилоты их так и называли — «озёра». Размеры их оценивались в десяток километров; более точно измерить их было трудно из-за условий наблюдения. Дело в том, что видны эти озера были только при очень низком Солнце и в направлении, противоположном направлению на Солнце. То есть, видны были только те «озёра», которые находились далеко от самолета, около горизонта.

Робинсон проанализировал эти сообщения и в 1960 году в короткой статье высказал предположение, что эти «озёра» представляют собой участки снежного покрова с необычно ровной горизонтальной поверхностью. Несмотря на то, что над Антарктидой лежит (точнее, медленно течёт) многокилометровый ледник, у него тоже есть некий плавный рельеф, с холмами и впадинами (посмотрите рис. 2 в прошлом посте). А эти участки размером в десяток километров были исключительно горизонтальные, и потому при подходящем освещении они (а также их берега) визуально выделялись.

Такая исключительная горизонтальность могла означать, что в этом месте ледник не лежит на скальном основании, а плавает над подлёдным озером.

Вот тут полезно пояснить одну вещь. Сейчас про озеро Восток СМИ пишут много, и иногда они для иллюстрации приводят схему бурения, как например на рис. 1.

Рис. 1. Схема бурения к озеру Восток.

Эта схема, при всей своей информативности (и формальной точности!), «обманывает» читателя в соотношении вертикальных и горизонтальных размеров. На схеме кажется, что сквозь толстый слой льда, который опирается в основном на сушу, люди добурились до маленького озера. В реальности картина с тем же Востоком выглядит скорее так, как показано на рис. 2.

Рис. 2. Та же картинка, но с соотношением горизонтальных и вертикальных масштабов, более близких к реальности.

Ледник, конечно толстый, но размеры озера намного больше. И поэтому в основной своей массе ледник реально опирается на воду. А это неизбежно означает, что верхняя его поверхность тоже должна быть ровной (в пренебрежении горизонтальным движением ледника). Реальные числа — перепад высот порядка метра на километры(!) дистанции.

Но эти выводы легко делать сейчас, когда много что известно про Антарктиду. А Зотиков в своей книге вновь поражается, что ни он, ни Робинсон тогда, в далеком 1960 году, не выдвинули предположения, что эти «озёра» могут лежать на реальных подлёдных озёрах. Т.е. они пообсуждали эти наблюдения, и всё. Робинсон погиб несколько лет спустя, и уже значительно позже Зотиков пытался найти какие-то данные по местоположению этих «озёр», чтоб сопоставить их с результатами радиолокации, но насколько я понимаю, безрезультатно.

Спутниковые наблюдения

Спутниковые наблюдения революционизировали науки о Земле. Это, разумеется, коснулось и исследований Антарктиды. Европейский спутник ERS-1, запущенный в 1991 году, проводил альтиметрические измерения и просканировал в том числе и значительный кусок Антарктиды. В 1993 году Ридли обработал полученные к тому моменту данные, которые позволили восстановить антарктический рельеф с точностью около полуметра. Площадь «пиксела» на этой карте Антарктиды составляла 10 км², что более чем достаточно для надежного обнаружения озера Восток.

Рис. 3. Рельеф Антарктиды в районе озера Восток по данным спутника ERS-1. Линии уровня проведены через каждые два метра. Изображение из книги И.А.Зотикова.

И оно действительно бросалось в глаза. На рис. 3 показан рельеф антарктического ледника вблизи озера; линии уровня проведены через каждые два метра высоты. Посреди склона ледника обнаружилось вытянутое плато размером примерно 50 на 200 км с аномально плоским рельефом, со средним наклоном примерно 1 метр на 5 км.

Забавно, что станция Восток находится буквально в самом начале озера (когда выбирали место для будущей станции, разумеется, ни о чем подобном не догадывались). Поэтому непосредственно под станцией озеро действительно не слишком широкое (именно поэтому рис. 1 формально правильный, если взять поперечное направление).

Консенсус

После этих спутниковых данных существование подлёдной водной массы вблизи станции Восток стало практически очевидным. Вопрос тут только в том, насколько это озеро глубоко и не забилось ли оно всякой галькой и осадочными породами, которые движущийся поперек озера лёд натащил в него. В 1993 году в Кембридже был организована однодневная рабочая встреча того небольшого тогда коммьюнити, которое занималось этим озером. После обсуждений расчетов и данных было признано, что скорость наноса материала в озеро слишком мала для того, чтобы забить его полностью. (Глубина озера тогда была неизвестна, но было зато известен типичный рельеф скального основания в Восточной Антарктиде на масштабах озера, так что долины глубиной в несколько сот метров можно было ожидать).

Но тогда ещё более остро встал другой вопрос: почему же Капица на своих сейсмограммах 1964 года озеро не увидел? Может быть, там всё-таки была водная поверхность, а он лишь неправильно их интерпретировал? Поскольку Капица тоже присутствовал на встрече, люди попросили его снова проанализировать свои данные. Он начал тоже склоняться к этому варианту и сказал, что конечно же данные перепроверит по возвращению в Москву.

Правда, как рассказывает Зотиков, тут тоже не обошлось без приключений. Публично пообещав перепроверить данные, Капица также оговорился, что старые сейсмограммы у него хранились на даче. А на даче у него как-то случился пожар, и часть дома сгорела. Но в этот раз всё обошлось — Капица-таки нашел на даче эти сейсмограммы и, вновь обработав результаты (30 лет спустя!), он согласился, что на них виден 500-метровый слой именно воды, а не осадочных пород. В сентябре 1994 года Капица сделал доклад с новой интерпретацией своих данных, полностью сняв все вопросы. А у программы бурения на станции Восток, которая длилась уже не одно десятилетие, появилась новая цель — добуриться до озера.

И уже заключительным аккордом стала та самая статья в Nature 1996 года, с которой я начал рассказ. И авторами её по справедливости стали именно те люди, которые — каждый по-своему — открывали это озеро на протяжении нескольких десятилетий: Капица, Зотиков, Робин, Ридли и Зайгерт.

Дальше, конечно, можно много рассказывать и про само озеро, но это уже отдельная тема и тут я вновь рекомендую книжку Игоря Алексеевича Зотикова «The Antarctic subglacial lake Vostok». А я лишь ограничился пересказом истории открытия, которая мне показалась очень любопытной.

Как открывали озеро Восток – 2

noreply@blogger.com (Igor Ivanov) — Wed, 15 Feb 2012 01:29:00 +0000

Продолжение истории открытия озера Восток, начало в прошлом посте.

Вода под антарктическим ледником

Впервые до воды под антарктическим ледником добурились американцы 28 января 1968 года. Да-да, 44 года назад. Тут вообще есть целая история того, как люди пытались плавить, а затем бурить антарктический ледник. Каждая попытка позволяла достичь какой-то глубины, а дальше приходилось придумывать и осуществлять новую технологию бурения, и так несколько раз. Так вот, американцы в середине 60-х годов научились бурить шельфовые ледники (а это несколько сот метров) и поставили перед собой следующую цель — пробурить ледник на станции Бёрд (Byrd Station) толщиной более 2 км. Они построили новый бур, в феврале 1967 года установили его на станции и принялись за работу.

Отчет об этом бурении с картинками и технической информацией доступен онлайн. Там рассказывается, что 28 января 1968 года на глубине 2376 метров было отмечено резкое падение потребляемой буром мощности, что означает, что бур вошел в новый материал. Последующий анализ привел к выводу, что в этот момент бур прошел через водный слой толщиной несколько десятков сантиметров. Через несколько минут мощность снова возросла, и бур углубился еще на метр. Подняв бур, техники нашли вместо ледового керна лишь вмороженные камни и грунт. Они пытались бурить дальше еще пару дней, но бур ничего не поднимал, а на его поверхности зато появились следы ржавчины. Более того, с каждым заходом становилось всё проблематичнее поднимать бур с глубины: он просто оледеневал из-за свеженамерзающей воды и увеличивался риск того, что он там застрянет намертво. 2 февраля бур вытащили и дальнейшее бурение прекратили.

В этой истории примечательно вот что. Несмотря на то, что подледная вода была предсказана за годы до этого, техники разрабатывали этот бур лишь для бурения льда и горной породы и совершенно не приняли эту возможность во внимание. Вероятно, они просто не верили, что там будет вода. Однако после этого эпизода стало понятно, что технология бурения должна учитывать воду и предотвращать попадание и подъем воды по скважине.

И еще в качестве личного воспоминания Зотиков в своей книге рассказывает, что эта новость пришла к нему непосредственно перед защитой докторской. В подледную воду верили далеко не все, и якобы были планы завалить его на защите по этому вопросу. Однако зачитав на защите телеграмму американцев, он полностью снял все вопросы.

Радиолокационное зондирование ледников

Рис. 1. Самолет R4D, разбившийся около антарктической станции Hallett в 1960 году. Источник изображения.

В 1960-х годах антарктический ледник начали активно исследовать с воздуха с помощью радиозондирования. Радиоволны хорошо проникают через лед и отражаются как от внутренних границ, разделяющих слои с разными свойствами, так и от скального основания. Кстати, поначалу такая радиопрозрачность льда была большой проблемой: радиолокационное оборудование на самолетах часто сильно ошибалось в оценке высоты полета и приводило к катастрофам (рис. 1). А уже потом люди поняли, что ее можно использовать и для изучения профиля скального основания континента.

Тут кстати интересно, что для хорошей точности данных все полеты приходилось делать недалеко от станций, держа их в пределах видимости. Просто визуально ориентироваться на равномерно белой Антарктиде с нужной точностью было нереально, а никакой GPS в те времена еще не было. Поэтому удачно получилось так, что область в районе станции Восток была исчиркана самолетными рейсами вдоль и поперек.

Рис. 2. Эхограмма при самолетном радиозондировании ледника. Изображение из статьи A Brief History Of Radio – Echo Sounding Of Ice

Обычно радиозондирование показывало какой-то характерный ландшафт скального основания, со своими горами и впадинами (см. рис. 2). Однако иногда попадались участки с аномально ровной горизонтальной поверхностью (рис. 3). Кроме того, сигнал от них был намного резче, чем от обычного скального массива. (Кстати, как выглядят современные данные по радиозондированию в Антарктике, можно посмотреть, например, вот в этой статье 2011 года.)

Рис. 3. Принцип радиозондирования и пример эхограммы с поверхностью полдедного озера. Источник изображения.

Опять же, сама собой напрашивается интерпретация этих горизонтальных поверхностей как поверхностей озер. Эту интерпретацию активно продвигал Гордон Робин, одна из ключевых фигур в исследовании антарктических ледников. В своих статьях он писал прямым текстом, что эти данные свидетествуют о наличии подледных озер, разбросанных по всей Антарктиде (его статья 1973 года в Nature так и называется Lakes Beneath the Antarctic Ice Sheet). В частности, в 1977 году он утверждал на основании данных от нескольких полетов, что «...озеро около 180 км в длину и в среднем 45 км в ширину расположено и недалеко от станции Восток».

Зотиков говорит, что именно с этой статьей можно связать реальное открытие озера Восток (хотя оно тогда так не называлось, да и вообще было не слишком широко известно). Но и тут далеко не все были убеждены в правильности вывода. Если верить Зотикову, в то время к радиолокационным (т.е. новым) методам относились более скептически, чем к надежно проверенному сейсмическому зондированию. И Робину возражали — ведь в 1964 году Капица на основании сейсмических данных пришел к выводу, что в районе станции Восток есть слой осадочных пород, ну так вот его поверхность вы и видите.

У Робина был один сильный аргумент. Точнее, мог бы быть, если бы ... не зажевало пленку во время одного из рейсов. Дело в том, что этот рейс удачно пришелся как раз на всю длину озера Восток, и на протяжении практически 200 км радиозондирование показывало ровную горизонтальную поверхность. Однако как потом выяснилось, аппарат, на который снимались данные, зажевал пленку почти в самом начале полета и аппарат удалось вновь запустить только ближе к концу рейса, поэтому он не был полностью задокументирован. Вот какие вещи иногда вмешиваются в научные исследования :).

Окончание: часть 3.

Как открывали озеро Восток

noreply@blogger.com (Igor Ivanov) — Mon, 13 Feb 2012 00:57:00 +0000

Книжка Игоря Алексеевича Зотикова «The Antarctic subglacial lake Vostok», которую я рекомендовал в прошлом посте про это озеро, — это скорее книга личных воспоминаний об исследовании этого озера, чем научная монография, но приведенные там исторические подробности очень интересны. Вот, например, краткий пересказ истории о том, как это озеро открывали.

Подлёдная вода

Само название «озеро Восток» и вообще факт существования большого (50 на 200 км) озера под почти четырехкилометровым ледником широко разрекламировали в 1996 году, после того, как в Nature вышла статья A large deep freshwater lake beneath the ice of central East Antarctica. Но само озеро открыли существенно раньше. Правда, что понимать под «открытием», в этом случае не совсем понятно.

Вообще, то, что под антарктическим ледниковых щитом есть незамерзающая вода, совсем неудивительно. Несмотря на то, что в Антарктиде холодно, из-под Земли идет тепло. Поэтому температура меняется с глубиной от подземной (сильно выше нуля) до атмосферной (сильно ниже нуля) довольно плавно. На какой-то глубине она проходит через точку плавления льда (из-за большого давления она чуть ниже нуля градусов, для давления примерно в 300 атмосфер плавление происходит примерно при −3°C). Вопрос только в том, расположена эта точка в грунте или внутри ледника (рис. 1). Если в грунте, то там образуется слой вечной мерзлоты, а ледник при этом не тает. Если внутри ледника, то ледник тает, и тогда на границе раздела ледника и скального основания есть вода.

Рис.1 Распределение тепла при тонком и толстом леднике. Когда толщина больше критический, происходит плавление льда внизу ледника. «Нуль градусов» здесь — это условное обозначение точки плавления льда, она слегка отличается от настоящего нуля по Цельсию.

Получается, чем ледник толще, тем выше температура его нижней поверхности — ледник служит «шубой», защищающей Землю от холодной атмосферы. А значит, существует некоторая критическая толщина ледника (при заданных метеоусловиях): если реальный ледник толще нее, то он будет таять внизу. Расчеты, проведенные Зубовым в 1956 году и улучшенные Зотиковым в 1961, показали, что толщина антарктических льдов на значительной части континента больше критической. Поэтому вполне естественно ожидать какой-то слой воды есть везде, где мощность ледника достигает двух-трех километров.

А вот в каком виде эта вода там находится, это уже более сложный вопрос. Это прослойка может быть и чистой водой, а может быть и этакой смесью подтаявшего льда и грунта. Вытечь из-под ледника, кстати, эта вода не может — на краю ледника точка плавления уходит под землю. Поэтому если породы не позволяют воде просачиваться, вода не может никуда уйти, она может только скапливаться в долинах и вновь намерзать на краях континента.

Сейсмические данные

Методы сейсморазведки в 50-х годах были уже вполне развиты, поэтому естественно, что как только были основаны первые станции в глубине Антарктиды, началось сейсмическое прощупывание ледника. Андрей Петрович Капица провел в начале 1960-х годов серию взрывов для изучения ландшафта скального основания под ледником. Там ему для улучшения точности пришлось слегка усовершенствовать методику и размещать геофоны не на поверхности, а в скважинах на глубине 50 м (несколько десятков метров в Антарктиде можно выплавить простым нагреванием) — иначе получались слишком большие погрешности.

Рис. 2. Одна из сейсмограмм, полученных А.П.Капицей в 1964 году, на которой видно отражение сигнала от двух поверхностей под ледником. Изображение из книги И.Зотикова.

Одна из полученных Капицей сейсмограмм (в районе станции Восток) приведена на рис. 2. Здесь показаны записи с нескольких геофонов спустя промежуток времени от 1,85 до 2,9 секунды с момента взрыва (5 кг ТНТ). Поскольку геофоны были расположены на разной глубине, можно заметить не только момент, но и направление прихода волны. Сам взрыв тоже был осуществлен не на поверхности, а на глубине 40 метров, поэтому вниз пошла не только исходная ударная волна, но и волна, отразившаяся вначале от границы ледник-воздух (поэтому сигнал состоит из двух близких всплесков, отмеченных двумя черточками).

Самый главный результат на этой сейсмограмме — наличие двух отражений. Первое пришло примерно через 2 секунды, а второе через 2,7 секунды после взрыва. Это означает, что в районе станции Восток есть две четкие границы, отражающие сейсмические волны, и расстояние между ними примерно 500 метров.

Какой бы вы отсюда сделали вывод? Казалось бы, открытие напрашивается само собой. И вот потому Зотиков в своей книге поражается тому, что в тот момент ни он сам, ни Капица не поняли, что перед ними верхняя и нижняя граница озера. Капица интерпретировал это как слой осадочных пород, и почему-то все были этим вполне удовлетворены.

Продолжение: часть 2, часть 3.

А пока я пишу продолжение, предлагаю вам самим попробовать решить задачку про антарктический ледниковый щит. :)

Контактный пост – 2

noreply@blogger.com (Igor Ivanov) — Mon, 30 Jan 2012 18:41:00 +0000

Новый контактный пост для вопросов и связи. В старом уже слишком много комментов, листать неудобно. Перед тем, как задать вопрос, обратите, пожалуйста, внимание на мои пожелания.

Подлёдное озеро Восток

noreply@blogger.com (Igor Ivanov) — Mon, 30 Jan 2012 18:31:00 +0000

Где-то в эти дни должно произойти — а может быть, и уже произошло — проникновение в знаменитое подлёдное озеро Восток в Антарктиде. Оперативной блогоподдержки работ, какая была в прошлом сезоне (antarctic-2010.livejournal.com), сейчас нет, и поэтому (как мне подсказали в комментариях) информацию приходится выуживать из официальных новостей и пресс-релизов на сайте ААНИИ. Новости очень скудные и сухие, да к тому же и устаревшие (трехнедельной давности). Вероятно, из-за высокой важности события оперативную информацию там придерживают. У других источников информации тоже нет (см. например заметку в Science).

Вообще, краткую историю обнаружения, исследования и бурения к озеру Восток см. в статье Лукина У порога неизведанного. Более подробно — в монографии И.А.Зотикова «The Antarctic subglacial lake Vostok» 2006 года издания, которую при желании можно найти в сети. Сейсмическое и радиолокационное зондирование показывают, что озеро начинается на глубине 3750±20 метров. В прошлом году бурение было остановлено на отметке 3720,47 м, т.е. до озера оставалось несколько десятков метров. В этом сезоне после подготовительных работ бурение началось 2 января. В норме оно идет со скоростью около двух метров в сутки, и поэтому к концу января должны уже были добуриться до озера.

Из имеющихся источников не очень понятно, что именно и в каком порядке дальше будут делать. В само озеро зонды спустят не ранее сезона 2013-2014, но какие-то образцы воды, которая поднимется на десяток метров по шахте сразу после пробоя, наверно можно взять и сейчас.

Дополнение: 5 февраля 2012 года на глубине 3769,3 м бур коснулся водного тела озера. После этого вода поднялась по каналу на 30-40 метров, изолировав воды озера от буферной жидкости. А на следующий день все погрузились на самолет и улетели домой :) Интересно, что за день до этого бур прошел через водную линзу; свежезамерзшие образцы этой воды взяты на анализ. Подробности см. в официальном сообщении на сайте ААНИИ.

Триллион кадров в секунду

noreply@blogger.com (Igor Ivanov) — Wed, 21 Dec 2011 01:40:00 +0000

На днях по СМИ и блогам прошла новость про сверхскоростную чудо-камеру, созданную в MIT, которая может снимать видео со скоростью триллион кадров в секунду. Вот страничка на сайте MIT про эту разработку, где можно найти кучу видеороликов и дальнейшие ссылки на литературу. Поскольку я немножко разбирался с быстропротекающими процессами, когда готовился вот к этой лекции, мне есть что сказать по этому поводу.

Если одним предложением, то разработка действительно интересная, но на мой взгляд, авторы её распиарили совершенно нечестным образом. В результате подавляющее большинство людей, услышав про эту камеру, представят себе совсем не то, чем она на самом деле является. На самом деле, это устройство не позволяет заснять с заявленной скоростью отдельный быстропротекающий процесс. Вот некоторые пояснения.

1. Сначала отсеем бред. Бредом являются заголовки СМИ типа «Создана камера, снимающая со скоростью света» или еще хуже «камера, способная заснять скорость света». Это всё получилось из очень неуклюжей, на мой взгляд, формулировки авторов работы, что их камера якобы позволяет увидеть пролетающий мимо луч света. (Собственно, такие заголовки как раз и доказывают, что эта их попытка популяризации была плохой.)

2. Еще одно неудачное заявление: «во вселенной нет ничего, что было бы слишком быстрым для нашей камеры». Это, мягко говоря, больше преувеличение. Посмотрим на числа. Это устройство позволяет получать (как именно, см. ниже) последовательность кадров, отстоящих друг от друга по времени на 2 пикосекунды. Но для современной физики это огромный промежуток времени. Уже давно влегкую изучают и фемтосекундные явления, а не так давно уже забрались и в аттосекундный диапазон. А в ядерной физике и физиче частиц с помощью косвенных методов можно изучать процессы, длящиеся еще на несколько порядков меньше.

Так что есть огромное разнообразие процессов, которые слишком быстротечны для этой камеры. Просто они протекают на микроскопических масштабах, на уровне атомов или ядер. Так что в своем заявлении авторы на самом деле имели в виду только макроскопически процессы.

3. Теперь насчет того, как работает это устройство. Я пересказывать в деталях не буду, на сайте группы всё объяснено. Я лишь кратко обрисую принцип работы.

Основой устройства является стрик-камера. Это устройство, которое не просто посылает изображение на экран, а очень быстро поворачивает его на экране, в результате чего на экране возникает временная развертка быстропротекающего процесса (вот простенький апплет, иллюстрирующий работу стрик-камеры). Однако для того, чтобы изображение не накладывалось на себя, приходится снимать только одномерную полоску. Поэтому на двумерном экране (на CCD матрице) одно направление — это реальное пространственное измерение, а второе направление — время.

Вообще, стрик-камеры — это совершенно стандартная технология, она используется уже не одно десятилетие, а сами камеры выпускаются промышленно. Временное разрешение у топовых стрик-камер обычного типа тоже заметно лучше, в фемтосекундном диапазоне. А в последнее десятилетие активно разрабатывается и используется технология «аттосекундной стрик-камеры». Собственно, тот эксперимент, про который я рассказывал в аттосекундом диапазоне, тоже можно назвать стрик-камерной технологией.

Единственное новшество, которое внесли изобретатели из MIT, состоит в том, что они получают разветку во времени не одно-, а двумерного изображения. Т.е. они показывают не светящуюся полоску, а нормальные снимки. Правда, снимают-то они все равно одномерные полоски, но только эти полоски раз за разом смещаются вниз по изображению (они просто поворачивают зеркальце). Поэтому реальный кадр, а тем более те видики, которые они показывают, получаются не непосредственно в устройстве, а лишь после многократного повторения эксперимента и после компьютерной обработки огромного числа полосок. Это вычисленные, а не снятые кадры.

4. Является ли это устройство видеокамерой?
Из пояснения должно стать понятно, что это устройство не может заснять однократный процесс. Для того, чтобы получить в нем видеоролик, требуется повторять один и тот же эксперимент раз за разом, и надеяться, что он всегда будет развиваться одинаково. Кстати, для того, чтобы получить то видео со световым импульсом, распространяющемся в бутылке, авторам потребовался час работы!

Необходимость повторять эксперимент огромное количество раз сужает тот набор вещей, которые можно так увидеть. Вы, например, не увидите, как разлетаются отдельные кусочки вещества, как на снимках настоящей камерой с миллионом кадров в секунду. Просто потому, что каждый раз ошметки будут вылетать в разные стороны, вы лишь увидите размазанное распыление вещества в целом. (Это словно фотография не отдельного человека, а усредненное фото миллиона отдельных лиц.)

В общем, я подчеркну — никакой способности «видеть» развитие единичного процесса во времени эта камера не дает, увы. Поэтому и видеокамерой ее можно называть только с большой натяжкой. И значит сравнивать с настоящими камерами, которые выдают непрерывный поток кадров (нынешний рекорд — 6 млн. кадров в секунду) просто нельзя, это совсем разные приборы.

Но в конце я еще раз подчеркну: несмотря на мою критику пиара, сам по себе устройство получилось интересное, изображения оно выдает симпатичные, и наверняка пригодится в разных областях. Но только это не видеокамера, которая снимает быстропротекающий процесс с заявленной скоростью.

Дополнение про нейтринную новость

noreply@blogger.com (Igor Ivanov) — Mon, 26 Sep 2011 22:47:00 +0000

По поводу этих сверхсветовых нейтрино — есть еще несколько моментов, которые я хочу отметить в дополнение к новости на «Элементах». Они в основном касаются обработки данных. Сложные вопросы, связанные с инструментальными погрешностями измерений времени и расстояний, которые тут, по-видимому, самые важные, я недостаточно понимаю, тут мне надо самому поразбираться.

16 тысяч раз

Многие СМИ написали, что физики, мол, повторили эксперимент 16 тысяч раз, но скорость нейтрино всё равно превышала скорость света. Эта фраза, по идее, должна была поразить читателя тем, какие физики дотошные люди и, самое главное, насколько достоверным является этот результат. На самом деле это совершенно неверное утверждение.

Число 16 тыс. — это столько нейтрино было зарегистрировано в течение трех лет. Все эти 16 тыс. нейтрино были использованы кумулятивно, а не по отдельности. Весь цикл работ по геодезии, по измерению всех расстояний внутри установок, времен задержки аппаратуры и т.п. был проведен только один раз. Поэтому можно сказать, что имело место только одно-единственное измерение. Ну, от силы три — это если разбить всю накопленную статистику на три куска за 2009, 2010 и 2011 годы и для каждого из них поставить отдельную точку (как и сделано в статье). Но только надо помнить, что у всех этих точек не независимые, а сильно коррелированы систематические погрешности, ну и статистическая значимость в 6 сигм возникает только при их объединении.

Сколько нейтрино реально «работают»

На картинках видно, что распределение нейтрино по временам прихода, просуммированное по всем сеансам, имеет примерно трапецивидную форму: резкие передний и задний фронты и широкое плато с небольшими колебаниями. Для измерения времени прихода (т.е. для получения числа 1048,5 +/– 6,9 нс, см. статью или новость) надо совместить эти данные с ожидаемым профилем аналогичной формы. Ясно, что в такой ситуации самую главную роль будут иметь только резкие фронты. Если посмотреть на рис. 3 из новости, то видно, что на фронтах находится примерно несколько сотен нейтринных отсчетов. Вот они в основном и определяют то, как надо оптимально совмещать сигналы.

Тут может показаться странным, что при такой небольшой статистике реально «работающих» нейтрино, они умудрились так хорошо измерить сдвижку. Ширина одного бина на том графике 150 нс, ширина бина на «перебиненом» графике ниже — 50 нс, а они умудряются установить погрешность в одну седьмую часть бина! Это на самом деле не очень удивительно как раз из-за резкого фронта: смещение на один бин резко измеряет хи-квадрат фита, как это видно из картинки.

Передний и задний фронты: фит для нулевого смещения (вверху) и для смещения 60,7 нс (внизу). В первом случае это отвечало бы нейтрино, двигающимся, в пределах погрешностей, со световой скоростью.

Усреднение по сеансам

Однако тут есть такой вопрос. Если посмотреть на типичный профиль протонного сгустка (рис. 2 в новости), то там видны сильные и характерные флуктуации. В усредненной картинке их нет, значит эти пики меняются от сеанса к сеансу и в среднем сглаживаются. Но сглаживание пиков — это как раз плохо, поскольку куча нейтринных данных на плато почти что выкидываются из анализа. Было бы гораздо лучше удерживать информацию о форме протонного пучка в каждом сеансе. Тогда в дополнение к переднему и заднему фронтам имелись бы и резкие фронты внутри трапецивидного сигнала, которые бы заметно улучшили статистическую точность. Но эта информация почему-то выкинута.

Слепой анализ

В физике частиц часто применяют «слепой анализ», которые позволяет избежать предвзятого отношения самих физиков, делающих анализ, к его (ожидаемым) результатам. Перед тем, как какая-то группа будет обрабатывать данные и, например, искать там какой-то сигнал, кто-то другой берет реальные данные и искусственно сдвигает их шкалу (например, по энергии) на какую-то фиксированную величину (например, по энергии). Группе, которая затем проводит весь анализ, эта сдвижка не сообщается. Т.е. они должны находить в данных именно то, что там есть, а не пытаться углядеть что-то там, где они хотят увидеть сигнал. И только после того, как весь анализ проделан и все числа получены, «открывается правда» — группе сообщается сдвижка. Тогда они просто сдвигают все свои данные и наконец-то узнают, как их результаты ложатся на истинную шкалу.

В этом анализе тоже был использован аналогичный прием. Группа специально вначале взяла старые значения всех длин и времен, чтобы получить гарантированно большое расхождение. Поэтому весь статанализ был проделан без знания того, где должна была бы проходить граница между световым и сверхсветовым. А все длины и расстояния были перемеряны тоже без знания, что именно там показывают данные. И лишь в самом конце одно совместили с другим, выянив, насколько именно надо сдвинуть шкалу времени. Получились эти 988 нс, которые на 60 нс не дотягивали до сигнала.

Насколько я понимаю, в правильной процедуре слепого анализа должна быть какая-то проверка правильности. Т.е. если в процессе анализа что-то сделано неправильно, это сразу проявится после возврата на истинную шкалу. Но тут ситуация совсем не такая. Я не вижу никакой возможности проверить по самим данным, была ли какая-то ошибка в статобработке или в измерениях расстояний/времен. Наоборот, если бы была сделана ошибка, это было бы воспринято как положительный сигнал — ведь они делали весь анализ, надеясь на отличие от скорости света. Я, конечно, не экспериментатор, но по-моему это какая-то странная реализация слепого метода.

200 физиков полгода проверяли-перепроверяли...

Это тоже одна из фраз, которую повторяют в СМИ. Я еще раз подчеркну: анализ обычно делает лишь одна небольшая группа, а все остальные члены коллаборации могут лишь комментировать (и то, реально комментирует лишь небольшая доля). В данной ситуации, на самом деле, всё было еще сложнее, поскольку, очевидно, ни к какому консенсусу относительно данных все члены коллаборации придти не смогли. Поэтому только сейчас начинается тот этап, когда все члены коллаборации могут проверять и перепроверять данные и методы их обработки. И надо еще посмотреть, к чему приведет это внутреннее рецензирование.

Теоретики такие теоретики

Ну и ожидаемо теоретики ринулись в бой. В понедельник уже вышло два препринта с обсужданиями этих результатов: один и два. Полистайте их, если интересно, как вообще сейчас теоретики будут обсудать эти данные. Подчеркну — обе эти статьи были посланы в архив препринтов в тот же день, когда появилась статья OPERA. Мое предсказание, что во вторник в архиве появятся еще три теоретических статьи по этому поводу :)

Эксперимент OPERA

noreply@blogger.com (Igor Ivanov) — Fri, 23 Sep 2011 08:52:00 +0000

Новость на «Элементах»: Эксперимент OPERA сообщает о наблюдении сверхсветовой скорости нейтрино.

Если в двух словах, то оптимизм преждевремен.

Психоделика хиггсовского бозона

noreply@blogger.com (Igor Ivanov) — Wed, 24 Aug 2011 01:16:00 +0000

Как наверно многие знают, Большой адронный коллайдер сейчас добивает хиггсовский бозон. В связи с этим регулярно появляются новые доклады и срочные недо-статьи под названием «physics analysis summary» (интересный жанр публикаций, я о таком раньше не знал). Так вот, просматривая одну такую свежую недо-статью коллаборации CMS, я увидел график, которым не могу не поделиться:

Поиск хиггсовского бозона на детекторе CMS в канале два легких лептона + два тау-лептоны.

Этот график меня прямо поразил какой-то своей психоделической символичностью. Разбираться в деталях, что там изображено, не надо — это просто результаты поиска хиггсовского бозона в одном из каналов распада.

Главное тут другое. На этой картине словно изображена битва физиков с природой. Всякие цветные гистограммы с кучей подробностей и вариантов развития событий — это то, что теоретики сосчитали, а потом модельеры промоделировали; они характеризуют те мелкие подробности, в которых мы знаем или хотим узнать окружающий мир. Но на это всё наложена грубая, правдивая, природная реальность — одна экспериментальная точка, показывающая одно-единственное зарегистрированное в этом канале событие, которое вольготно расположилось со своими усами посреди графика. И что это событие означает — есть ли хиггс, нет ли хиггса, фон ли это и если да, то какой — мы, глядя на эту одну-единственную точку, никогда не узнаем, несмотря на всё наше детальное моделирование.

Такая вот проза жизни :)

И о погоде... на Титане

noreply@blogger.com (Igor Ivanov) — Sun, 14 Aug 2011 23:38:00 +0000

На Титане, спутнике Сатурна, есть погода. Температура на поверхности составляет 90 К (у полюсов) до 95 К (на экваторе) и практически не зависит от долготы (см. pdf презентации с графиками). Там есть довольно плотная атмосфера, дуют ветра, много метановых облаков, и даже идут дожди, тоже метановые (среднегодовое кол-во осадков в среднем по ~~планете~~ Титану — несколько см). А также там есть сезонные изменения — в общем атмосфера достаточно богатая для того, чтобы говорить о метеорологии и климате Титана.

Вообще, сезоны на Титане меняются медленно: один местный год составляет почти 30 земных лет. Настоящие метеорологические наблюдения там начались в 2004 году, когда в систему Сатурна прилетела космическая станция Cassini, и с тех пор протикала лишь четверть полного сезонного цикла. Однако уже этого достаточно, чтоб заметить сезонные изменения в атмосфере Титана. (К слову, в оптическом диапазоне почти ничего не увидишь, поскольку тропосфера скрыта под слоем «органического тумана», Titan haze. Поэтому рассматривать поверхность и облака надо в специальном окне прозрачности в инфракрасной области.)

Описание изменений по результатам наблюдения Cassini приводятся в статье, опубликованной в GRL полгода назад (pdf статьи доступен на сайте NASA). Вкратце: в 2004 году в южном полушарии было лето, и оно там сопровождалось большими облачными образованиями. Это было, в общем, ожидаемо — обычные облака, возникающие за счет конвекции при нагреве поверхности. В августе 2009 года Титан перешел через равноденствие, и теперь в северном полушарии весна, в южном — осень.

И вот тут появились изменения в атмосфере, которые были не совсем понятными. В сентябре-октябре 2010 года были замечены крупные облачные образования в экваториальных широтах. Во время пролета мимо Титана в сентябре 2010 года Cassini увидел вот это (белая стрелка показывает направление вращения Титана):

Поверхность Титана в ИК диапазоне по наблюдениям Cassini 27 сентября 2010 года: белым цветом показаны метановые облака, разные градации серого — топографические детали. Север сверху. Изображение из статьи Seasonal changes in Titan's meteorology.

Шутка. Белая стрелка — это облака. Т.е. в экваториальной зоне возникло мощное облачное образование размером свыше тысячи км, по форме напоминающее стрелку. Три недели спустя эту стрелку уже видно не было, но все равно в экваториальной области остался большой след из облаков.

Вот эта стрелка задала планетологам (или как правильно их называть?) задачку — как такое могло образоваться. Оказалось, оно может образоваться спонтанно, и современные трехмерные модели глобальной циркуляции на Титане даже могут ее в общих чертах воспроизвести. В свежей статье в Nature Geophysics (pdf препринта можно найти в гугле) показаны результаты моделирования, которые воспроизводят, ну может не прямо стрелку, но такую шевроно-подобную загогулину. Ключевую роль в их возникновении играют планетарные волны, колебания атмосферы размером с весь Титан. Возникающие из-за них течения в атмосфере, сталкиваясь лоб в лоб, приводят к образованию таких уголков мощной облачности размерами в тысячу км и больше.

Впрочем, сами авторы моделирования говорят, что там не всё гладко. Это моделирование предсказывает, что такие мощные облака порождают и мощные ливни, которые должны бы заметно изменять топографию местности за счет метановых рек и эрозии. Топографические изменения после «стрелки 2010 года» действительно были, но далеко не такие сильные. Значит, модель сильно переоценивает связь облаков с осадками, и надо работать дальше.

Но вообще хорошо, что появился еще один объект для проверки и отлаживания моделей глобальной циркуляции, и прикольно наблюдать, какие Титан дает загадки и как их пытаются разгадать.

Рубрикатор новостей про LHC

noreply@blogger.com (Igor Ivanov) — Thu, 11 Aug 2011 19:43:00 +0000

На «Элементах» в разделе про Большой адронный коллайдер появился рубрикатор новостей LHC. Мне самому этого давно не хватало; надеюсь, будет интересно и другим. По крайней мере теперь удобнее отслеживать определенные темы. Выкладываю пока сюда в виде единого списка:

Квантовые штучки

noreply@blogger.com (Igor Ivanov) — Thu, 04 Aug 2011 22:18:00 +0000

Вчера просматривал журналы и обратил внимание сразу на несколько статей, касающиеся разных аспектов квантовой механики. Не претендуя на какое-то глубокое понимание этих работ, просто перечислю, что мне в них показалось любопытным.

«Двухцветный» фотон

В статье E.Zakka-Bajjani et al, Quantum superposition of a single microwave photon in two different ’colour’ states, Nature Physics 7, 599–603 (2011), сообщается о том, что научились излучать фотоны в состоянии суперпозиции разных энергий (т.е. двух «цветов»). Не два фотона с разной энергией, пусть даже и квантово-запутанные, а один фотон в состоянии суперпозиции.

Вообще, забавно. В стандартном курсе квантовой механики такие состояния, не являющиеся собственными состояниями гамильтониана, изучаются рутинно для этакой абстрактной квантовой частицы. Электрон в состоянии суперпозиции, находящийся одновременно на двух разных уровнях энергии, тоже худо-бедно представить можно. А вот фотон в суперпозиции двух разных частот уже визуализировать труднее. Слишком засела в голову картинка, что фотон — просто волна.

Про расширение и происхождение квантовой механики

R.Colbeck, R.Renner, No extension of quantum theory can have improved predictive power, Nature Communications 2, 411 (2011); статья в открытом доступе.

Статья на тему оснований квантовой механики, в которой делается довольно сильное заявление.

Квантовая механика говорит, что если у нас есть абсолютно четко заданная квантовая система и мы измеряем какую-то величину, мы можем получить разные значения. Квантовая механика позволяет лишь вычислить вероятности того, что в результате измерения будет получено то или иное значение; какой именно результат будет получен в каждом конкретном измерении, предсказать нельзя. Такое отсутствие детерминизма (а также расплывчатость понятия измерения) беспокоит людей, и поэтому делаются попытки вложить квантовую механику в какую-то более хитрую теорию, в которой детерминизм восстанавливается. Ну или если не полностью восстанавливается, то хотя бы позволяет (в принципе!) предсказать чуть больше про результаты измерения, чем обычная квантовая механика.

Так вот, в этой статье утверждается, что никакой более «прозорливой» теории существовать не может. Доказательство идет в виде математических теорем и базируется на двух основных предположениях: квантовая механика верна (а не приближенно верна) и при измерении величин у нас есть полная свобода выбора, что измерять. Самое поразительное, что такие вещи люди доказывают, даже не прибегая к каким-то конкретным построениям этой более прозорливой теории. Они даже не делают никаких предпроложений относительно того, какого типа информацию может эта новая теория давать.

Кстати, насчет того, откуда вообще можно вывести квантовую механику: вот в этой недавней статье (Informational derivation of Quantum Theory, см. также полупопулярный пересказ в журнале Physics) квантовую механику выводят из общих законов манипулирования информацией. Звучит круто, но непонятно :)

Квантовые вычисления

X. Zhou et al, Adding control to arbitrary unknown quantum operations, Nature Communications 2, 413 (2011); статья тоже в открытом доступе.

Про квантовые вычисления расписывать много не буду; это перспективная штука и люди давно пытаются ее реализовать на практике. Среди разнообразных трудностей есть и такая. Во многих алгоритмах квантовых вычислений требуется использовать операции, управляемые извне (т.е. внешний контрольный кубит говорит, запускать эту операцию или нет). Обычно оказывается, что встраивать эти контрольные кубиты очень сложно, поскольку это встраивание зависит от самой операции.

А в этой статье предлагается некий универсальный способ встраивать контрольные кубиты, даже если квантовая операция совершенно неизвестна. Авторы обещают прогресс и прорыв.

Вековое Североатлантическое Колебание

noreply@blogger.com (Igor Ivanov) — Sun, 31 Jul 2011 22:34:00 +0000

Вот чем мне интересны науки о климате (ну кроме, конечно, того, что это реальный мир вокруг нас и что нам в этом мире жить), так это тем, насколько сложная и сильносвязанная это система, земной климат. Причем не «беспорядочно сложная», как какой-нибудь белый шум, а иерархически сложная. В климате есть явно заметные степени свободы, которые «живут» на самых разных масштабах времен и пространственных размеров, и что самое интересное, они взаимодействуют друг с другом.

То, что в климате есть эти степени свободы, не совсем тривиальный факт. Вот например, если говорить про временные масштабы. В повседневной жизни мы видим один четкий период изменения «климата» (а точнее, погоды) — 1 год. Его «движущая сила» (т.е. внешная причина) очевидна, и никакого удивления такая периодичность не вызывает. Существуют также очевидные движущие силы с периодичностью в десятки и сотни тысяч лет (колебания параметров земной орбиты), и они тоже вызывают отклик климата примерно с таким периодом — циклы оледенения и межледниковья. И это тоже само по себе неудивительно (хотя, впрочем, несколько удивляет амплитуда отклика климата на довольно слабые воздействия).

Однако у земного климата есть очень заметные колебания с периодом в несколько лет и даже в несколько десятков лет (не совсем строго периодические, конечно). Это, например, Эль-Ниньо/Ла-Нинья (оно же ENSO) со средним периодом около 5 лет, Североатлантическое Колебание (NAO) с характерным масштабом в несколько лет, но без четкой периодичности, на которое накладывается Североатлантическое Мультидекадное Колебание (AMO) с периодом около 50 лет, и т.д. Несмотря на то, что существуют какие-то внешние воздействия с подобной периодичностью (тот же 11-летний цикл солнечной активности), однозначно и напрямую связать эти колебания с какими-то внешними воздействиями нельзя. В земном климате так много петель обратной связи, что он не следует пассивно за внешними воздействиями, а живет своей динамической жизнью. Эти колебания — это настоящие внутренние степени свободы климата, которые могут раскачиваться, затухать, взаимодействовать друг с другом.

Так вот, в свежей статье Revisiting the humid Roman hypothesis: novel analyses depict oscillating patterns люди анализируют большую выборку палеоклиматических данных за последние 3 тыс. лет по всему Средиземноморью и замечают в них (а точнее, в их специфичной корреляции друг с другом) еще одно, совсем долгопериодическое колебание с периодом порядка 500–1000 лет, которое они назвали Вековое Североатлантическое Колебание (Centennial North Atlantic Oscillation, CNAO). Правда, по физическом меркам статистическая значимость этого эффекта мала, всего 2 стандартных отклонения.

Вверху: расположение 21 источника палеоклиматических данных по влажности/сухости климата в последние 3 тысячелетия. Внизу: временная зависимость влажности/сухости для этих мест. Синим отмечен относительно влажный климат, зеленовато-желтым — относительно сухой. Характерное свойство Векового Североатлантического Колебания, предсказанная по климатическим моделям — противофаза для западного и восточного Средиземноморья.

Кстати, цель того исследования была вполне конкретная: проверить широко распространенную гипотезу, что именно массивная вырубка лесов, сопровождавшая расцвет и распространение Древне-Римской цивилизации, привела к заметному «иссушиванию» средиземноморского климата. Ответ, к которому пришли авторы — вряд ли. Просто Древний Рим удачно попал в относительно влажную фазу этого колебания, которая после него сменилась относительно сухой.

Оптические микроманипуляторы

noreply@blogger.com (Igor Ivanov) — Sun, 05 Jun 2011 00:37:00 +0000

В последнем выпуске журнала Nature Photonics появилась небольшая подборка статей по манипулированию микрочастиц лазерными лучами. Все статьи находятся в свободном доступе, по крайней мере сейчас.

Вот краткое описание.

Ключевой инструмент в этой области — так называемый оптический пинцет, узко сфокусированный лазерный луч, в фокусе которого удерживается микрочастица, отдельные молекулы или много молекул. Держатся они в фокусе самостоятельно за счет того, что в неоднородном световом поле возникают силы, втягивающие диэлектрические частички в область самого сильного поля. С отдельными атомами, правда, ситуация посложнее, нужна четкая подстройка частоты лазера под резонанс, а также требуется охладить атомы, чтоб они не вылетали из оптической потенциальной ямы.

Придумал оптический пинцет Артур Ашкин (в подборке есть интервью с ним) в 1978 году, реализован он был в 1986. Дальнейшее развитие этой методики привело как минимум к двум нобелевским премиям: премия 1997 года за охлаждение и удерживание атомов в оптической ловушке и премия 2001 года за создание атомных бозе-конденсатов.

Как только оптический пинцет был создан, его сразу же применили в биофизике. В фокусе лазерного луча можно удерживать живые клетки или даже отдельные биологически важные молекулы. Их можно двигать, вращать, раздвигать в стороны (двумя лучами), удерживать против течения жидкости и т.д. Более того, утверждается даже, что можно манипулировать отдельными органеллами внутри клеток — получается этакая внутриклеточная хирургия!

Эксперимент по растягиванию молекулы ДНК и график силы в зависимости от длины растяжения. Изображение из Nature Photonics 5, 318–321 (2011).

Такие эксперименты позволяют измерять механические свойства молекул и клеток (в пиконьютоновом диапазоне сил), изучать исчезновение и формирование структуры при распутывании и спутывании длинных молекул под нагрузкой, и так далее. И причем всё это делается не на подложке, не с помощью механических контактов, а буквально в подвешенном состоянии. Сейчас эти биофизические применения оптического пинцета дошли до такой стадии, что удается управлять смещением молекул с точностью в ангстремы и, к примеру, чувствовать отдельные шаги длиной 3,4А, которые делает РНК-полимераза при своем движении вдоль спирали ДНК. Всем этим достижениям посвящен обзор Optical tweezers study life under tension из подборки.

Кроме непосредственно прикладного применения, изучаются и развиваются дополнительные возможности оптических пинцетов, связанные с тонкой настройкой амплитудного и фазового распределения световой волны вблизи фокуса. Вот только один пример, описанный в обзоре Shaping the future of manipulation. Существуют так называемые бездифракционные пучки, в которые центральная яркая сердцевина тянется на ненормально длинные дистанции без дефокусировки. В простейшем случае (бесселевы пучки) эта сердцевина прямая, но есть и более хитрые пучки, в которых сердцевина кривая, в пучках Эйри, например, она имеет форму параболы. Более того, буквально на днях в PRL появилась статья, в которой утверждается, что этой сердцевине можно придать форму произвольной выпуклой кривой!

Получение и распространение некоторых бездифракционных пучков: вверху бесселев пучок, внизу — пучок Эйри. Яркая сердцевина идет практически без дефокусировки. Изображение из Nature Photonics 5, 335–342 (2011).

Так вот, если это реализовать, то захваченная в яркий канал частица будет переноситься вдоль него, не уходя в сторону. Это позволит бесконтактно(!) перемещать клетки на расстояния в миллиметры, заставляя их проходить через разные камеры автоматического микрофлюидного устройства и подвергаться разным воздействиям.

Еще одно направление развития оптических пинцетов — использование лазерного луча с орбитальным угловым моментом, про который я тут недавно рассказывал. Этой теме посвящен обзор Tweezers with a twist. Такие лучи полезны тем, что они позволяют контролировать вращение частиц, а также позволяют удерживать их не в точке, в вдоль кольца.

Наконец, в подборке есть еще статьи про плазмонные и про оптоэлектронные пинцеты.

Задачки на «Элементах»

noreply@blogger.com (Igor Ivanov) — Sun, 29 May 2011 21:46:00 +0000

На «Элементах» еженедельно добавляются задачки для самостоятельного решения, и среди них есть и мои задачки по физике. Для удобства обсуждения я завожу отдельный пост для комментариев и вопросов по задачкам.

Орбитальный угловой момент фотона — 2

noreply@blogger.com (Igor Ivanov) — Thu, 05 May 2011 21:49:00 +0000

В продолжение темы про фотоны с орбитальным угловым моментом (ОУМ) — вот чуть более технический пост про то, как орбитальный угловой момент уживается с поляризацией.

Орбитальный угловой момент и поляризация

Прежде всего, я еще раз хочу подчеркнуть: та «закрученность», которая есть у светового луча с орбитальным угловым моментом — это не круговая поляризация, это совсем другая характеристика. Бывает ОУМ без круговой поляризации, бывает круговая поляризация без ОУМ, бывает и то, и другое вместе. Это две разные характеристики светового поля.

Есть знаменитая такая картинка, на которой световая волна изображена этакой крутящейся спиралью:

Она похожа на ту, что я приводил в прошлом посте.

Но надо понимать, что на верхней картинке изображено вовсе не распределение электрического поля в реальном пространстве, а лишь условно показан вектор этого поля вдоль оси движения волны. Эта картинка не меняется при смещении в поперечном направлении, поскольку в плоской волне никакой зависимости полей от поперечных координат нет. Т.е. реально такая волна (если бы мы рисовали именно фазу волны, а не вектор электрического поля) бежит просто вперед, одна плоскость за другой.

А вот на картинке с закрученной волной (скалярной волной, т.е. волной не имеющей никакой поляризации) винтовая поверхность — это поверхность постоянной фазы в реальном пространстве. Такая волна действительно бежит вперед, одновременно накручиваясь вокруг оси.

Разделение спина и ОУМ

На самом деле, во всей этой истории с фотонами, несущими орбитальный угловой момент, есть один сложный и глубокий вопрос — в какой степени можно вообще разделять полный угловой момент фотона на орбитальную и спиновую часть.

Спин (т.е. поляризация) и орбитальный момент — это две разновидности полного момента импульса. В квантовой механике эти две величины описываются своими операторами: и , а оператор полного спина есть просто их сумма . В квантовой механике по построению понятно, что есть ОУМ и что есть спин, поэтому вопросов об их разделении не возникает.

В теории поля (даже не-квантовой) всё хитрее. Там мы вводим многокомпонентное поле и изучаем, как оно преобразуется при переходе к другой системе координат или системе отсчета. Из этого рассмотрения само вытекает понятие сохраняющего углового момента и понятие спина. Полный момент импульса J (а точнее, его плотность) для электромагнитного поля легко записывается через электрическое и магнитное поля: . Эта величина калибровочно-инвариантна и потому наблюдаема.

Однако в квантовой теории разделить ее на два векторных оператора, орбитальный и спиновый, которые обладали бы правильными коммутационными свойствами и были бы еще калибровочно-инвариантными, не удается. Поэтому возникает впечатление, что разделение полного момента импульса на две части для этих частиц нефизично.

Разделение спина и ОУМ в сильных взаимодействиях

Эта проблема еще больше усугубляется в физике элементарных частиц, когда мы вместо электромагнитных взаимодействий рассматриваем сильные взаимодействия (вместо фотонов — глюоны, вместо электронов — кварки). Теория сильных взаимодействий неабелева и потому нелинейна; в ней отделить свойства кварков от свойств глюонов еще тяжелее. Поэтому тут вопрос о том, можно ли разумным образом ввести орбитальный угловой момент кварков и глюонов встает в полный рост.

Из чего складывается спин быстро движущегося протона? Кто главнее: спин кварков, спин глюонов, их орбитальный угловой момент, или же это разделение вообще не очень осмысленно?

И это не праздный интерес. Дело в том, что уже давно известно, что спин быстро летящего поляризованного протона вовсе не складывается из одних лишь спинов кварков (это так называемая «загадка спина протона», краткий обзор нынешней ситуации см. в arXiv:0905.4619). На самом деле поляризация кварков дает совсем небольшой вклад, и значит, почти весь спин протона берется откуда-то еще. На наивном языке обычно приговаривают, что есть мол еще спин глюонов, а также орбитальный момент кварков и глюонов — и всё это должно вместе давать полный спин протона. Сейчас ведутся даже эксперименты, которые пытаются узнать, какой вклад вносят эти компоненты момента импульса в полный спин протона, а тут оказывается, теоретики спорят о том, как вообще определять эти вещи.

Над этой проблемой люди бьются вот уже десяток лет. Почувствуйте ситуацию: тут сложности не в том, как с помощью теории описать экспериментальные явления, а в том, как вообще правильно обращаться с теорией. Желающим посмотреть, что там за баталии, рекомендую недавнюю статью Эллиота Лидера arXiv:1101.5956; там есть сначала подробное обсуждение электродинамики, а затем сильных взаимодействий, и ссылки на разные предыдущие работы.

Так разделяются или нет?

Вернемся снова к фотонам. Что сейчас известно точно?

Во-первых, под разделением спина и ОУМ можно подразумевать разные вещи. Это может быть сильное утверждение о разделении операторов как векторов, может быть более слабое утверждение о разделении только z-компонент операторов (т.е. спиральностей), а может быть и еще более слабое утверждение об осмысленном разделении средних значений этих операторов по тем или иным состояниям фотонов.

Во-вторых, если говорить про самое слабое утверждение, то в параксиальном приближении (т.е. световая волна очень плавно меняется в поперечной плоскости) оно работает. Доказывается это несложно. Мы пишем вектор-потенциал с закрученным профилем (с числом закрутки m) и считаем, что у него есть только одна компонента (например, по оси x), что отвечает линейной поляризации. Считаем плотность полного момента импульса (а он определен однозначно), делим его на плотность потока и получаем m/ω. На квантовом языке это означает, что каждый фотон несет m квантов полного углового момента.

Теперь запишем двухкомпонентный вектор-потенциал, причем его комплексные x и y компоненты сдвинуты по фазе на π/2 — это как раз отвечает круговой поляризации. Повторяем расчет и получаем (m+1)/ω для положительной спиральности и (m−1)/ω — для отрицательной. Т.е. спиновой и орбитальный вклад в средние значения момента импульса мило уживаются друг с другом.

А что будет, если выйти за пределы параксиального приближения? Если повторить те же расчеты, то окажется, что спин и ОУМ так просто не суммируются. Однако на эту ситуацию можно посмотреть еще и вот так: в непараксиальном закрученном свете наводится спин-орбитальное взаимодействие (и это в линейной волне!), которое и мешает этому разделению. Такую точку зрения предлагает Константин Блиох в статье arXiv:1006.3876 (и вот еще появившаяся на днях статья arXiv:1105.0331, где он то же описание разрабатывает для релятивистских закрученных электронов).

На всякий случай скажу, что сомнений в том, можно ли экспериментально получать световые пучки, комбинирующие орбитальную закрученность с поляризацией, не возникает — конечно, можно. Вопрос только в том, как правильно такие состояния описывать.

Экзотические поляризационные состояния

Напоследок, есть очень наглядное объяснение, почему непараксиальный случай вообще намного сложнее параксиального, когда дело касается поляризации.

В строгой плоской волне электрическое и магнитное поле лежат в плоскости, перпендикулярной направлению движения волны. Для не-плоской волны такой единой плоскости нет. В результате в какой-то выбранной точке вектор электрического поля может иметь все три компоненты. Конечно, локально этот вектор по-прежнему лежит в плоскости, ортогональной локальному направлению движения волны, но проблема в том, что эти плоскости разные для разных точек пространства.

Такая ситуация называется трехмерный свет. Описание такого поля поляризаций, которое меняется от точки к точке — отдельная интересная тема в оптике. Там есть разные поляризационные сингулярности и нетривиальные топологические штуки. Я как-то рассказывал про них в своем блоге и в новости Поляризация света может закручиваться наподобие ленты Мёбиуса.

Радиально поляризованный свет:вектор электрического поля направлен вдоль радиус-вектора.

В параксиальном приближении ситуация резко упрощается. Мы пренебрегаем z-компонентами полей, и фактически считаем, что все они лежат в единой плоскости. Это конечно резко упрощает описание, но при этом мы теряем некоторые богатства общего трехмерного света. Тем не менее, даже в этой упрощенной ситуации существуют необычные поляризационные состояния света — например, радиальная поляризация, показанная на рисунке выше.

AMS-02: детектор элементарных частиц в космосе

noreply@blogger.com (Igor Ivanov) — Thu, 28 Apr 2011 23:28:00 +0000

~~29 апреля поздно вечером~~ (перенесли пока) NASA запускает на орбиту церновский детектор элементарных частиц AMS-02. Строили этот детектор 10 лет, его старшие «собратья» уже вовсю работают на Большом адронном коллайдере, то бишь, под землей, а этот — полетит в космос! :)

Вот церновский пресс-релиз, вот тут будет вестись онлайн-трансляция запуска начиная с 21:30 по средне-европейскому времени, твиттер ЦЕРНа тоже будет передавать сводки. Запуск и всю последующую работу можно отслеживать на сайте эксперимента. А я пока вкратце расскажу про аппарат и научные задачи.

AMS-02 — это самый настоящий детектор элементарных частиц (почти) со всеми его атрибутами. Размер его — 4 метра, масса — 8,5 тонн. Конечно, с такой махиной, как ATLAS, он не сравнится, но для запуска в космос (и установки на МКС) и этого немало.

Если подземные детекторы регистрируют частицы, родившиеся при рукотворном столкновении протонов и иных частиц, то AMS-02 будет регистрировать космические лучи — частицы очень больших энергий, прилетающие к нам из глубокого космоса, разогнанные на «природных ускорителях». Космические лучи, конечно, изучаются уже давно, почти век, но с ними до сих пор связано много загадок.

Самая главная задача нового детектора — со сверхвысокой точностью измерить состав космических лучей. Какова доля антивещества в космических лучях? Как она изменяется с энергией? Нет ли там в небольших количествах каких-то новых тяжелых стабильных частиц (частиц темной материи), которые не удается родить на коллайдерах, но которые смогла породить Вселенная? А может быть, какие-то тонкие особенности в энергетическом спектре обычных частиц укажут на то, что они получились при распаде неизвестных до сих пор сверхтяжелых частиц?

AMS-02 будет изучать эти вопросы, регистрируя пролет частиц космических лучей сквозь вещество детектора и измеряя их импульс, скорость, энерговыделение, заряд. «Окно» оптимальной чувствительности детектора по энергии частиц — от примерно 1 ГэВ до нескольких ТэВ. Это окно покрывает предсказания многих моделей, а также пересекается с окнами чувствительности детекторов на LHC. Но в отличие от Большого адронного коллайдера, тут в качестве ускорителя выступает сама вселенная, и это может иметь далеко идущие последствия.

Субдетекторы и подсистемы AMS-02 (источник).

Так же, как и классические наземные (точнее, подземные) детекторы, он содержит сразу несколько отдельных детектирующих систем, измеряющих разные характеристики частиц. Только в отличие от них, AMS-02 не вглядывается «вовнутрь», а «смотрит наружу»; он похож скорее на один сегмент передового современного детектора.

Кратко устройство описано на сайте эксперимента. Тут есть и трековые детекторы, восстанавливающие траекторию, черенковские детекторы, измеряющие скорость частиц, электромагнитные калориметры, измеряющие энергию частиц, и другие системы. ~~Разделять разные заряды будут сразу два разных магнита~~ (это я наврал). Разделять заряды будет постоянный магнит на 0,125 Тесла из неодимового сплава. И вдобавок, у AMS-02 есть нечто, чего нет у подземных детекторов — GPS датчики и система слежения за звездами :)

Строилось это всё 10 лет, стоимость — порядка 1,5 гигадолларов. В коллаборации AMS числятся 56 институтов из 16 стран.

Главное, чтоб сейчас эта штука удачно улетела. Завтра вечером будем следить за запуском!

Орбитальный угловой момент фотона

noreply@blogger.com (Igor Ivanov) — Sun, 24 Apr 2011 12:28:00 +0000

После недавнего поста Сергея Попова и моего (и не только) спора с ним про фотоны, приобретающие орбитальный угловой момент в окрестностях вращающихся черных дыр, я решил кое-что поподробнее написать про закрученный свет вообще.

Добавление: раз тут такой интерес возник, то почитайте и второй мой пост про орбитальный угловой момент фотона, в котором среди прочего подробно объясняется отличие ОУМ от поляризации.

Вращающиеся волны

В классической механике есть два типа движения твердого тела — поступательное движение (т.е. перемещение центра масс) и вращательное. Величину поступательного движения задают с помощью вектора скорости, величину вращательного — с помощью вектора угловой скорости (направление этого вектора указывает ось, относительно которой вращается тело). То же самое, но немножко в других величинах — импульс и момент импульса; эти величины удобны тем, что для изолированной системы они не меняются во времени (а угловая скорость, например, может меняться).

Обе эти величины — импульс и момент импульса относительно какой-то оси — существуют и для волн. Правда, волна — штука размазанная в пространстве, не точечная, поэтому для нее надо сначала определить плотность импульса и плотность момента импульса, а потом уж говорить про всю волну.

Волна, несущая импульс — это вещь стандартная. А как представить себе волну, несущую момент импульса? Особенно, если речь идет про линейную волну, т.е. волну, которая сама себя не чувствует, сама себя не искажает. Ведь момент импульса — это вращение, а вращение — это движение по кривой траектории, а линейная волна вроде как движется по прямой, она не может сама себя закрутить — по крайней мере так подсказывает интуиция.

На самом деле, тут интуиция дает сбой — как раз потому что волна не точечная штука, а мы привыкли иметь дело с более-менее локализованными объектами. Волны можно накладывать друг на друга, и это наложение будет иметь разные последствия в разных местах пространства. В результате этого в каждой точке пространства волна — локально! — будет бежать в какую-то свою сторону, иногда даже вбок от общего движения волны. Иными словами, энергия волны не просто бежит вперед, но и по пути перераспределяется в пространстве. Это нормально, это одно из следствий интерференции волн.

Так вот, наложение волн можно организовать так, чтоб эти локальные направления движения, этот поток энергии волны закручивался относительно выделенной оси. Вот картинка, которая это примерно иллюстрирует:

Поверхность постоянной фазы в «закрученной» волне. Рис. из статьи Science, 296 (2002) 2316.

Поверхность в виде штопора на этом рисунке — это поверхность постоянной фазы, т.е. те точки пространства, в которых волна находится в одинаковой фазе колебания. Стрелочки, перпендикулярные этой поверхности и идущие по винтовым линиям, показывают локальное направление движения волны. Для обычной плоской волны поверхности постоянной фазы — это просто плоскости, а перпендикулярные стрелочки везде были бы строго параллельны друг другу. А тут поверхность закручивается, и эти стрелочки как бы «обертывают» ось движения.

Именно это обертывающее движение и придает волне «в целом» некоторое вращение: волна летит вперед и вращается вокруг оси движения. Но получается это не из-за того, что волна крутится как твердое тело, а из-за коллективного эффекта наложения волн. Тем не менее это самое настоящее вращение в пространстве. Такая волна несет момент импульса, и если какое-то тело ее поглотит, то момент импульса передастся ему, и оно начнет вращаться.

Немножко формул

На рисунок можно взглянуть и чуть иначе. Представьте себе, что вы рассекаете эту волну плоскостью, перпендикулярной оси z (оси движения волны «в целом»). Тогда разные точки на этой плоскости будут отвечать разным фазам волны. Если на этой плоскости вы обходите вокруг центральной точки по кругу, фаза волны будет постоянно расти, и на полном обороте набег фаз составит 2π. В комплексных обозначениях волновая функция обладает угловой зависимостью exp(iφ), где φ — угол на этой плоскости. Закрутить волну можно и сильнее, организовав на полном обороте набег фаз кратный 2π. Зависимость от угла будет exp(imφ) с каким-то целым числом m.

В классической механике момент импульса точечной частицы определяется через ее положение и импульс:
В волновой механике можно тоже использовать эту формулу (только для плотности момента импульса), но только надо уточнить, чему равен импульс волны (это ключевой шаг!). Это можно сделать, например, на квантово-механическом языке: . Тогда оказывается, что оператор момента импульса в этой ситуации будет выражаться через угловую зависимость: . То есть, волна с множителем exp(imφ) несет m квантов момента импульса.

Спин и орбитальный угловой момент

В квантовой механике момент импульса имеет две разных составляющих: орбитальный угловой момент и спин. Всё, о чем говорилось выше — это именно орбитальный угловой момент, т.е. механическая закрученность волнообразного объекта вокруг оси. Спин — это другая характеристика, которая не связана с механическим движением объекта.

При описании света и в калибровочных теориях вообще осмысленное разделение полного момента импульса волны на орбитальный угловой момент и спин — это отдельная длинная песня, я пока этого касаться не буду. Я просто хочу подчеркнуть, что ОУМ — это совсем не спин, он существует и у бесспиновых частиц (выше как раз такой случай и рассматривался).

Экспериментальные достижения

Я наверно напишу потом более технический пост про частицы с ОУМ, но пока что кратко опишу экспериментальную ситуацию.

Может показаться, что такие закрученные волны организовать очень трудно. На самом деле лазерные лучи, несущие орбитальный угловой момент, были реализованы еще в 1992 году. Такой закрученный свет можно получить, выделяя и складывая возбужденные поперечные моды из лазерного луча, а можно и просто пропустить обычный луч через фазовую пластинку или специальную голограмму. Сейчас такой «закрученный свет» уже рутинно используется в атомной физике, в физике поверхности, им также очень интересуются люди из квантовой теории информации.

Без труда можно получить и закрученные радиоволны. Я как-то писал про станцию HAARP на Аляске, которая облучает ионосферу и смотрит, что там происходит. Так вот, в том же посте есть картинки свечения ионосферы, облученной радиоволнами с ненулевым орбитальным угловым моментом.

Получать закрученные фотоны с энергией выше оптического диапазона трудно. Сейчас есть предложения, как это можно сделать в рентгене и даже в области высоких энергий (в ГэВ-ной области), но пока что это не реализовано. Зато уже получены электронные волны, несущие орбитальный угловой момент. Буквально несколько месяцев назад были получены электроны с энергией 300 кэВ и орбитальным числами m ~ 100.

Тот или не тот орбитальный угловой момент?

А теперь я вернусь к спору, который состоялся у Сергея Попова в ЖЖ. Комментируя недавнюю работу про то, как фотоны приобретают орбитальный угловой момент при пролете вблизи вращающихся черных дыр, он отдельно выделял, что это «не совсем тот» угловой момент, что есть у крутящихся предметов; похожий, но не тот.

Я хочу подчеркнуть еще раз — и надеюсь, благодаря предыдущему тексту это станет яснее — что это не какой-то новый особый вид углового момента, а именно тот самый, обычный, родной вращательный момент импульса, связанный с движением в пространстве. Единственная необычность в его описании связана с тем, что мы его пишем для волны, а не для частицы. Разница тут не в самом угловом моменте, а в том, про какой объект мы говорим — про волну или про частицу.

И кирпич, вращающийся вокруг своей оси, и электрон, сидящий в атоме, скажем, в P-волне, и вот эти закрученные состояния света — все они обладают обычным орбитальным угловым моментом. Этот орбитальный угловой момент описывается одной и той же формулой . Только в случае кирпича эта формула трактуется на классическом языке, а в случае электрона в атоме или световой волны — на квантовом. В обоих случаях имеется поток энергии, обертывающий ось движения, только описывается он иначе — механически или волнообразно.

Недавний результат Тэватрона

noreply@blogger.com (Igor Ivanov) — Fri, 22 Apr 2011 17:16:00 +0000

Написал-таки подробную новость про результат коллаборации CDF двухнедельной давности — а то меня уже раз пять спрашивали, что это такое было.

Вообще, если погружаться в такого типа анализ, мне становится как-то не по себе: мало того, что в процессе обработки самих данных огромную роль играет моделирование, так еще в какой-то момент данные начинают смешивать с численными псевдоданными и делать отсюда какие-то выводы. Я в своей собственной работе в такие дебри обычно не залезаю, но иногда при сравнении своих вычислений с данными приходится вникать в то, что именно и как именно находят экспериментаторы. И в отдельных случаях у меня, мягко говоря, возникают вопросы.

В общем, посмотрим, что из этого казуса выйдет. Лично мое мнение, что это артефакт.

Update: чтоб не вставать два раза, кратко написал по поводу разгорающейся шумихи насчет якобы обнаруженного хиггсовского бозона.