Гомеостатическая Вселенная

Что вам непонятно в квантовой физике?

Очнувшись от салатов, пора подумать и о высоком 🙂

Я немного отошел от предновогоднего кранча и снова взялся за посты (а у меня аж 4 в работе, прям лонгриды). А пока они пишутся, решил сделать небольшой Q&A тред. Заодно поможет мне сформулировать какие-то вещи для постов 🙂

Задавайте любые вопросы про кванты, а я на них кратко отвечу (или развернуто в отдельном посте). А самые интересные вопросы добавлю в один из лонгридов🙃

Хотел в кои-то веки написать итоги года по физике, стал рыться в произошедшем за год — и как-то очень все совсем печально. Было несколько любопытных наблюдений далеких галактик JSWT (на обложке - изображение с него как раз), квантовые компьютеры понемногу развиваются (но все еще ооочень далеко от чего-то полезного), сделали всякие интересные твердотельные штуки. Но ничего из этого не было прорывом, и в целом мало что впечатлило. Про что я писал в канале:

- Новая теория гравитации за авторстовом Оппенгейма, избавляющая нас от необходимости ее квантовать (и попутно решающая проблему темной материи и темной энергии). Она не без проблем, еще много надо сделать, но в целом очень любопытно. Я скоро допишу большой обзорный пост про квантовую гравитацию, там и про нее скажу подробнее.
- Новая самая подробная карта Вселенной от DESI: просто очень красиво и захватывающе
- Наблюдение "отрицательного" времени в атомных процессах: ничего не понятно, но можно поскрипеть мозгами

А что запомнилось вам? Не обязательно новости, может быть, вы прочитали какой-то интересный пост или книгу?

А у меня тем временем вышла еще одна статья. На этот раз никакой квантовой магии, зато любопытный кейс того, как работает наука. Начну немного издалека, но это поможет понять историю.

Один из студентов в нашей группе давно работает на новым лазером для длины волны в 2 микрона. Возможно, вы этого не знаете, но лазеры бывают совсем не любой длины волны (цвета то бишь). А особенно если речь идет про высокостабильные лазеры, где длина волны и мощность остаются постоянными на протяжении долгого времени, мы довольно ограничены в выборе. Вот и с 2мкм так: хороших лазеров для этой длины волны не было вовсе до недавнего времени (кстати, это инфракрасное излучение, если интересно).

А нам жуть как хочется хороший лазер на 2мкм для детекторов гравитационных волн: это бы позволило использовать новые материалы для зеркал и значительно снизить тепловые шумы в детекторе. Можно, конечно, взять плохой лазер для 2мкм и построить хитрую схему подавления шума, чтобы улучшить его поведение. Проблема в том, что это сложно в целом + это очень сложно сделать на низких частотах (тут речь о частоте шумовой компоненты относительно основной частоты лазера). Наша концепция иная: мы берем очень хороший лазер для 1мкм, и, пропуская его через нелинейный кристалл, конвертируем свет в 2мкм. Это стандартная техника в классической оптике. Главная фишка в том, что стабильность основного лазера на 1мкм тоже должа унаследоваться на 2мкм.

Так вот, собственно история: студент уже давно сделал этот самый лазер на 2мкм с нашим подходом, и сейчас занимается источником квантового света для него, но это не суть. В процессе написания предыдущей статьи мы решили посмотреть: а насколько сохраняются свойства основного лазера при конвертации? Как и ожидалось, они сохранились. Здорово, конечно! И решили, чисто для истории, обработать все данные, которые у нас были, а не только финальные измерения. Каково же было наше удивление, когда мы обнаружили, что в определенных случаях (в режиме, где обычно никто не делает конверсию) стабильность не только сохраняется, но и улучшается!

Первая мысль была — ну это точно ошибка измерения. Сделали новые — нет, все так, в этом необычном режиме лазер на 2мкм действительно оказывается стабильнее оригинального. Тут я засел за теорию, которая моментально подтвердила наблюдения. Это было удивительно: это классическая технология, которая используется в тысячах лабораторий (и не только), и изучена вдоль и поперек, почему это никто до сих пор не заметил?!

Разумеется, эффект оказался как из учебника (уравнения буквально можно найти в учебнике), просто никто его не применял для улучшения стабильности лазера. А т.к. проявление эффекта требовало необычного режима работы девайса, никто на это не обратил внимание. Первые теоретические уравнения, описывающие эффект, я нашел с 60х. За это время я не нашел ни одного эксперимента, который бы это наблюдал! Вот такие удивительные истории бывают.

Мы, конечно, написали статью (она хорошая получилась, кстати), и подались в неплохой журнал. Было удивительно, когда нас туда не пропустили даже на ревью. Ну, не пропустили и не пропустили, мы подались в другой, не такой пафосный (и там все прошло как по маслу). И что вы думаете, в том журнале, куда мы изначально подавались, на днях выходит статья с очень похожим экспериментом. С одной только разницей, что та статья — ошибочная! Они получили похожий эффект, но интерпретировали совершенно неверно (ну т.е. формально верно, но бессмысленно). Не думаю, что они там что-то подмухлевали, скорее всего, просто так совпало.

Ну да и ладно, бог с ними. У нас зато красивые картинки 🙂 Почитайте, она в открытом доступе:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0030399224016372

Новый корабль в моей флотилии за недавнюю статью. Статья важная для меня была — первая, где я основной научрук — так что и корабль ей достойный (Валькирия из Battlestar Galactica).

Я уже рассказывал про эту традицию свою, где за каждый научный успех я дарю себе космический корабль. У этого еще один неожиданный плюс: коллекция не оставляет равнодушным ни одного посетителя, отличный способ завязать разговор.

Вот только скоро придется покупать новую полку...

Последние недели у меня жуткий завал (помните, я говорил, что завал, пару месяцев назад? Вот там был не завал, как оказалось) — работаю по 15 часов в день: подача большого гранта на 400 страниц (из которых 60 - мои); дедлайн по технической публикации дизайна Einstein Telescop, где я организую собственно публикацию; дедлайн по еще одной заявке на грант. А ко всему этому неделю назад оказалось, что у меня завтра дедлайн по статье, которую я еще не начинал писать (я думал, что можно будет перенести, как обычно). А я там единственный автор, даже ни на кого не скинешь работу. Я это к чему: я вас не бросил, у меня уже руки чешутся написать интересных статей, через недельку вернусь!

А пока, чтоб было не скучно, напомню, что год назад я писал цикл маленьких постов как адвентскалендарь (т.е. каждый день что-то любопытное). Начать можно вот тут, а дальше — по хештегу #adventOfUniverse.
Там было и про сонолюминисценцию, и про излучение Черенкова, и про то, как летают самолеты, и про странные квантовые эффекты. Почитайте, мне кажется, там получилось удачно!

Вот, полтора месяца заняла подготовка, но наконец статья выходит в журнале! Это к слову о сроках в науке 🙂
https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.110.103010

Про саму работу не буду говорить много, она довольно техническая, это апдейт к старой статье, про которую я рассказывал тут: https://habr.com/ru/articles/479810/

Как я ищу научную информацию?

В целом, обычно это старый-добрый гугл и поиск по картинкам: вбиваешь ключевое слово, ищешь картинки, которые лучше всего подходят под то, что я ищу, а потом смотришь по связанным картинкам. Работает отлично, когда примерно представляешь, что искать!

Помимо этого у меня есть набор разных инструментов, которые пользую с разной степенью успешности:

- Google Scholar — основной инструмент для поиска по ключевым словам и связям между темами. Особенность расширения браузера позволяет автоматически захватывать информацию о читаемой статье и быстро экспортировать цитату в формате bibtex. Очень удобно!

- Unpaywall — находит открытый доступ к статьям, которые привязаны к странице журнала, на которой вы находитесь. Иногда это arXiv или другие открытые ресурсы, иногда — странные страницы универов. Даже вне института я всегда могу получить доступ к нужным статьям в один клик, очень рекомендую.

- @scihubot, @science_nexus3_bot, z-library и Anna's archive для поиска статей и книг с закрытым доступом.

- RefSeek — позволяет искать исключительно в академических источниках. Похож на Google, но без рекламы и лишнего контента. Использую, когда мой запрос слишком расплывчатый для Google Scholar.

- Semantic Scholar — поисковик на базе ИИ. Очень полезен для поиска в новых областях, где я сам пока не вижу связей между разными темами.

- Connected Papers — исследует связи между статьями. Иногда захожу сюда, чтобы найти неожиданные связи и вдохновение — иногда находятся совершенно неожиданные вещи.

- Research Rabbit — похож на Connected Papers, но с большим количеством функций. Протестировал несколько раз, выглядит клево. Хотя у меня своя система организации статей, я им не пользуюсь, но точно стоит внимания.

- Metaphor Systems aka Exa AI — ещё один интересный инструмент, которым я не пользовался, но храню в закладках. Вы описываете, что хотите найти, простыми словами, а ИИ ищет связанные статьи и материалы. Раньше искал в основном архив, сейчас — все подряд. Наверное, с приходом чатгпт и прочего они немного отстанут, но посмотрим!

- Lens.org — поиск по патентам и прочей технической литературе. Иногда в патентах кроятся настоящие жемчужины! (не буду говорить, среди чего приходится их искать)

- BASE — поиск по всем открытым публикациям. Я использую редко, т.к. чаще всего хватает остального, но иногда полезно, т.к. включает всякие технические отчеты и дипломы/диссертации.

- ResearchGate — "социальная сеть" для ученых. В целом, можно найти интересную информацию, удобно следить за публикациями каких-то конкретных людей или рабочих групп. Но очень много всяких фриков. Кажется, нужен университетский имейл, чтобы вступить.

-------------

Какие еще вы знаете инструменты? Пишите в коменты!

Надеюсь, вы меня не потеряли! Раз тут канал про жизнь, расскажу про мои будни последних нескольких недель, чтоб вы знали, почему я вам мало пишу 🙂

- Вчера был дедлайн по подаче одного большого гранта. 18 проектов, 400 страниц текста. У меня — два больших интересных проекта (эксперимент и теория). Но написание этого талмуда — то еще развлечение. Мой научрук будет заведовать этим большим проектом, так что на меня пала обязанность весь текст вычитывать, править и т.п. Научные части еще ничего, но там страниц 50 — чисто всякие штуки типа организации хранения данных, практики найма студентов, забота об окружающей среде и т.п. Не очень увлекательно 🙂

- Заодно вчера же был дедлайн по подготовке дизайна оптических систем Einstein Telescope, который я с небольшой командой делал последние полгода. Если не читали, вот моя статья про этот детектор гравитационных волн. Сейчас он находится в самой горячей стадии, когда надо сделать подробный технический дизайн: буквально, где какое зеркало будет стоять, сколько метров диаметр вакуумных труб и куда ставить серверные стойки. Самое веселое, что работать нужно вместе с инженерами: вот придумал ты, куда надо поставить зеркало, а они говорят: фигвам, не поместится, у нас тут стена по плану. Ну или пожарный выход. Мне науку делать, а они мне про пожары...Короче, куча времени уходит, еще и документировать все надо.

- А завтра уезжаю чилить на конференцию: будем сплавляться на теплоходе по Дунаю из Германии в Вену и обратно, целую неделю на борту: доклады и вот это все. Соответственно, нужно было приготовить постер. Дело это неблагодарное, а мой перфекционизм делает его еще и долгим. Вчера вот два часа пытался заставить софт нарисовать мне красивую картинку, которая занимает один маленький угол постера. Получилось. Но джва часа, Карл!

- Параллельно дописываю две статьи, которые надо срочно закончить (а то результаты уже показываю на конференциях, надо скорее публиковать), и еще три, где надо делать правки после возврата от рецензентов.

В общем, дел невпроворот. Конечно, вместо этого поста я мог бы написать что-то про науку, но это пришлось бы думать, а думать уже тяжело под конец недели. Но у меня есть несколько интересных тем для постов, над которыми я потихоньку работаю. Вот свободные пару часов найду, а там...

Если вы хотите узнать побольше про детекторы гравитационных волн, от истории создания, физики и до собственно современных открытий, очень рекомендую этот документальный фильм. Мне кажется, он хорошо передает дух настоящей науки со всеми сложностями, взлетами и падениями. Я тут узнал, что он выиграл 14 наград на фестивалях, что вполне заслуженно: фильм очень интересный. Кстати, там же на канале есть короткие эпизоды на конкретные темы, если смотреть почти два часа документалки вы не готовы 🙂

https://www.youtube.com/watch?v=jWkWD1MBXKU

На этой неделе я был на конференции по квантовой гравитации, было ужасно интересно, и мне не терпится скорее рассказать вам всякого, что я узнал (а узнал я очень много интересного, на десяток постов хватит!). В процессе подготовки к докладу (или скорее лекции, на час), мне самому пришлось разобраться в одной из необычных моделей квантовой гравитации — энтропийной модели Верлинде. Заодно с ним пообщался на эту тему. Так что я в голове уже складываю лонгрид на эту тему.

К сожалению, как обычно бывает, времени на все эти излишества нет совершенно: на этой неделе надо дописать две заявки на гранты, и одну из них я еще даже не начинал 🥲

Но вы пока задавайте вопросы в комментах, я их потом соберу по темам и попробую поотвечать.

Вот этого я не ожидал, конечно. Нейросетки, конечно, хорошо и популярно, но при чем тут физика?

UPD: насколько я понял аргументацию, она сводится к тому, что они сами — физики, а еще нейронки очень помогают в современных физических исследованиях. Ну такое...

Желающие могут почитать подробное объяснение тут, но наверняка скоро появятся хорошие популярные обзоры. От меня не ждите по понятным причинам :)

На дворе сезон Нобелевских премий, завтра выдается премия по физике, а значит, пора погадать на кофейной гуще!

Сразу скажу, что эта премия давно себя изжила, и идейно, и практически. Физика сейчас делается не одиночками, а большими коллективами. Очень мало какие открытия можно приписать конкретному человеку, это почти всегда много небольших шагов в нужную сторону, а не большой скачок, как раньше. Единственный бонус от нее: привлечение общественного внимания к разным областям науки.

Так вот, кто же получит премиую в этом году? Напомню, в прошлом году получили премию за аттосекундные лазеры, в позапрошлом — за квантовую запутанность, в 2021 - за климатические модели, а в 2020, 2019 и 2018 — за всякие космические штуки.

Думаю, физика частиц и космология в этом году мимо: у одной мало что случилось за последнее время, а у другой уже было несколько больших премий недавно. Поэтому у меня варианта два: либо что-то очень прикладное, либо что-то связанное с квантовыми технологиями. Моя ставка — на последнее, чисто за хайп, поэтому Дойч и Шор (но они получили breakthrough prize в прошлом году) или Якир Ахаронов и Майкл Берри по совокупности заслуг.

А как вы думаете?

Кажется, круто ездить на конференции: живешь себе в хорошем отеле, в 200м от пляжа в Барселоне. Кайф же?! Но вот я за неделю конференции выходил из отеля ровно 2 раза, примерно на 100 метров до соседнего магазина. Все остальное время, с 8 утра до 10 вечера занято встречами, организацией сессий и прочих мероприятий. Так что я не видел ни всяких культурных мест, ни пляжа, ни даже глазком на море взглянуть, только из самолета. А завтра уже лететь обратно.

Ух, какую вчера прочитал статью! Вы берете фотоны, посылаете в облако атомов. Они, конечно, поглощаются атомами, атомы ненадолго возбуждаются, а потом переиспускают фотоны, а они вылетают с другой стороны — с какой-то задержкой, конечно. Как вы думаете, какой? Эти ребята взяли и намеряли эту задержку отрицательной. WTF?! скажете вы, и будете совершенно правы.

Я попробовал разобраться.

Надо начать с того, что скорость фотона в среде не очень хорошо определена. Помните, я рассказывал про сверхсветовое туннелирование? Когда у нас есть электромагнитная волна, там все относительно просто. А вот когда мы начинаем смотреть на одиночные фотоны, случается беда. Фотон — он волновой пакет и занимает довольно много места в пространстве и времени. Какой момент считать временем прохода через среду? Когда прибывает передняя его часть, или когда кликает детектор, или как-то усреднять? А ведь фотон еще поглощается и переиспускается атомом — как это учитывать?

Сперва надо вспомнить про понятие групповой скорости. Если у вас есть волна, амплитуда которой меняется со временем (другими словами, волновой пакет), групповой скоростью называют скорость перемещения максимума вот этого изменения. Я кину в коммент видео, которое показывает это наглядно. В целом, групповая скорость сильно зависит от свойств среды, в которой свет распространяется. Она может даже быть значительно быстрее скорости света, а может быть вообще отрицательной. Никого это не смущает, так как эта скорость не связана с каким-то физическим перемещением, с ее помощью нельзя передать информацию и т.д.

Если мы смотрим на одиночный фотон и наблюдаем, когда приходит максимум его волнового пакета, его групповая скорость тоже может быть отрицательной. Обычно говорят, что это ничего не значит, никаких наблюдательных эффектов не дает, и вообще просто наш неудачный выбор определения скорости.

А какой выбор был бы удачнее? Авторы говорят: ну вот есть более четкая метрика — померить, сколько атом, возмущенный фотоном, проводит в возбужденном состоянии. Это явный физический эффект, а не просто неудачный выбор определения. Они так и делают: берут атомы, пускают в них фотоны и измеряют время, которое атом живет в возбужденном состоянии. Повторяют много раз. И видят, что атомы в среднем проводят отрицательное время в возбужденном состоянии! Более того, это время напрямую зависит от групповой скорости фотона. А это значит, что групповая скорость — не просто глупое определение, а она влияет на реальне физические процессы.

Но это же бред, как может быть атом отрицательное время хоть в чем-то! Но дело оказывается в том, как мы определяем время в квнатовой механике. У каждого фотона есть вероятность пройти сквозь атомы, не завимодействуя, и вероятность провести какое-то время в виде возбуждения атома. Так вот, эти вероятности интерферируют между собой, и в результатае получается отрицательное время. Примерно такой эффект был в парадоксе голубей, про который я рассказывал раньше. Тут главный момент в том, что мы учитываем не все фотоны, которые влетают в облако атомов, а только те, которые проходят насквозь. А это небольшая часть от всех. Вот эта интерференция, вместе с отбором "хороших" фотонов и дают парадоксальное определение времени. Дурят нас, короче, дурят!

Я не думаю, что это отрицательное время несет какой-то глубокий физический смысл. Как и все квантовые эффекты с пост-селекцией, где мы выбираем только исходы, которые нам нравятся, это все больше вопрос определений. Это, несомненно, очень любопытный эксперимент, возможно, важный для разговора о значении термина "время", но не имеющий какого-то влияния на нашу ежедневную жизнь (даже в физике). Наверное.

https://arxiv.org/abs/2409.03680

Вот такой арт получается иногда, когда его меньше всего ожидаешь. Помните я рассказывал про сложности в выборе точки отсчета для измерения гравитационных волн? На картике — чувствительность детектора к разным положениям на небе (по оси x тут долгота, по y — широта, от полюса до полюса) для волн очень высокой частоты (около 4 МГц). Это еще называтеся диаграммой направленности. Детектор хорошо ловит волны из красных регионов, а из синих — не ловит вовсе.

Конечно, вряд ли на высоких частотах можно поймать что-то — источников толком нет, только всякие гипотетические остатки от времени инфляции. Зато, возможно, там можно увидеть намеки на квантовую гравитацию (я как раз сейчас работаю над этим).

В общем, методологическая статья про это дело вышла на архиве, почитайте, там почти нет формул (их можно пропустить), зато мы старались объяснить это как можно понятнее: https://arxiv.org/abs/2409.03019

Еще один удар по темной материи: эксперимент по поиску вимпов (гипотетических частиц ТМ) ничего не нашел.

LUX-ZEPLIN — большой бак с ксеноном. Если прилетает массивная частица ТМ, она возбуждает атомы ксенона, и они начинают флюорисцировать, а поток электронов от столкновения приводит ко вторичному излучению. В зависимости от задержки между двумя событиями излучения, рассчитывают массу налетающей частицы. Конечно, такой детектор регистрирует тонну разных событий: другие космические частицы, локальный шум и т.п. Поэтому нужна огромная статистика и сложный анализ данных.

Вот, спустя 1000 дней сбора данных, частицы ТМ не найдены, что очень ограничивает возможные массы и уменьшает вероятность их существования.

Конечно, вимпы не единственный кандидат на ТМ, а LZ — не единственный эксперимент:
→ в этой лекции я рассказывал про современные методы поиска ТМ
→ в этом тексте я подробно писал про темную материю в принципе: почему мы думаем, что она существует, какие типы бывают и т.д.

Каждый раз, когда мы смотрим на небо, мы видим не объёмную картинку, а плоский «купол» над головой, на который «прикреплены» звёзды, планеты и прочие небесные тела. Звёзды даже складываются в разнообразные формы, которые мы называем «созвездиями». Конечно, сейчас мы знаем, что звёзды на самом деле расположены на больших расстояниях друг от друга, а их близость — исключительно иллюзия. Ну и небосвод не вращается вокруг нас, а это земной шарик крутится. Но эта иллюзия оказывается очень полезной и в современной астрономии и астронавигации.

В новом материале мы с Марией Богдановой рассказываем, как устроена небесная сфера, зачем вообще это понятие нужно любому, интересующемуся астрономией, и как ее можно использовать. А еще про разные небесные координаты, карты звездного неба и про то, как самим начать наблюдения!

Мне кажется, текст получился интересный и полезный, я и сам узнал много интересного при подготовке (например, насколько сложно устроена навигация спутников, и в каких координатах отмерять положения планет, если надо учитывать поправки теории относительности).

Там есть еще видео — оно больше про основы, для школьников, но тоже очень хорошо сделано!

И в качестве постскриптума, я в целом горячо рекомендую этот сайт: у них много классных уроков про астрономию, они сделаны очень качественно, со знанием дела и любовью к предмету.

https://astro.cpm77.ru/lesson/celestial-sphere

Пока у меня одновременно отпуск и куча дедлайнов, я реже пишу сюда, вы не теряйте. Но зато почти дописал аж два клевых лонгрида, вот выйду из отпуска — и доделаю, ждите!

А пока — поделюсь с вами рассказом о том, как устроена моя жизнь в лаборатории квантовой оптики. Посту пару лет, но у меня все примерно так и осталось, только меньше времени остается на собственно работу руками 😅

https://vas3k.club/post/4500/

Меня хлебом не корми, дай научную фантастику почитать. О том, как человечество покоряет далекие галактики, разгадывает тайны Вселенной и вот это все. К сожалению, почти ничего из того, о чем нам рассказывает НФ, скорее всего никогда не случится. По крайней мере, современная физика так говорит. Да и вообще, будущее ожидается довольно скучным. Я подумал про самые популярные технологии и оценил вероятность их реализации.

https://vas3k.club/post/7759/

Как небольшой постскриптум к прошлому посту, дам ссылку на классный рассказ про историю открытия гравитационных волн.

Эта история была полна скандалов и интриг. Сам Эйнштейн открыл волны, а потом отказался от своего открытия (а потом снова поменял точку зрения). Целых 50 лет после этого они считались математическим артефактом, пока Фейнман не представил очень важный аргумент в пользу их существования. Несколько лет шла битва лучших умов в споре за правильность аргумента, после чего начали придумывать способы их наблюдать. Волны уже были "наблюдены" в 60х экспериментально, и статья об открытии наделала много шума. Однако никто не смог подтвердить открытия, и их пришлось "закрыть": трагедия для Вебера - автора работ. Понадобилось еще 40 лет и множество усилий, чтобы построить детекторы, которые таки смогут их наблюдать.

В статье по ссылке рассказана история открытия - начиная с Эйнштейна и до наших дней, со всеми перипетиями. Написана она увлекательно и понятно, хотя и довольно кратко. Очень рекомендую всем как воскресное чтение!

https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1810/1810.07994.pdf

Один из самых сложных моментов в понимании гравитационных волн — что же они все-таки делают с детектором типа LIGO. Об это сломано не мало копий и в научном сообществе. Проблема не в том, чтобы описать это математически — там все тривиально, но в том, чтобы объяснить, что же происходит физически.

Мы говорим, что гравитационные волны растягивают пространство-время и мы наблюдаем это растяжение, измеряя эффект на проходящий через пространство луч света. Очень частая претензия от желающих покритиковать нас: как же мы можем измерить гравитационную волну, если она должна растянуть не только пространство, но и длину волны света. Действительно, она и растягивает, но мы все равно можем ее измерить, потому что в каждый следующий момент в интерферометр попадает новая, не растянутая волна, и вот она-то и измеряет эффект гравитационной волны.

Я пару лет назад про это писал целый большой пост: https://habr.com/ru/articles/426785/. Почитайте его, а ниже я его дополняю кое-чем любопытным:

Обычно мы описываем эффект гравитационной волны как дополнительную силу, действующую на зеркала — по типу приливной силы от движения Луны. Это интуитивно и удобно для объяснений. Но это работает только для волн очень низкой частоты, так что длина гравитационной волны гораздо-гораздо больше длины плеча интерферометра. В этом случае пока свет проходит туда-обратно в плече интерферометра, пространство-время почти не меняется, так что любыми эффектами изменения кривизны пространства-времени по мере распространения пучка света можно пренебречь. А вот для высоких частот начинаются проблемы.

Чтобы правильно описать эффект гравитационной волны, необходимо учесть и эффект, который волна оказывает на свет. Если длина плеча сопоставима с длиной волны, свет на пути проходит через изменяющуюся кривизну пространства-времени. Из-за этого он приобретает гравитационное красное смещение (т.е. его частота меняется). Более того, нам необходимо учесть тот факт, что время идет по-разному под действием гравитационной волны в разных частях детектора: часы на дальнем зеркале идут быстрее (или медленнее), чем на центральном делителе луча. А если гравитационная волна приходит под углом по отношению к детектору, все становится еще сложнее. То есть, нам необходимо всегда учитывать три вклада ГВ в сигнал: смещение зеркала, гравитационное красное смещение и замедление хода времени. Только их сумма даст правильный учет эффекта ГВ.

Но вся сложность тут возникает из-за выбраной точки зрения (системы отсчета). Мы смотрим на то, что происходит со светом с точки зрения наблюдателя, который "сидит" на центральном делителе луча. Но мы можем выбрать другие системы отсчета, и в них физическое объяснение будет иным. Например, есть система отсчета, в которой координаты зеркала и центрального делителя луча не меняются, а весь эффект от гравитационный волны приходится на сам свет. В этом случае нет трех разных компонент, зеркала не смещаются, а есть только набор фазы света под действием проходящей ГВ. Сигнал, который мы получаем на выходе интерферометра, не зависит от выбора системы отсчета. Но кажется, что физика совсем-совсем разная, правда?

Вот в этом и основная загвоздка и странность происходящего. На самом базовом уровне кажется, что все просто: приливная сила и все тут. Но стоит немного углубиться в детали, и все становится гораздо запутаннее. Настолько, что в более общем случае, где гравитационная волна приходит из произвольной точки на небе, эффект неочевиден для большинства ученых, непосредственно работающих с детекторами гравитационных волн. Я как раз закончил новую статью на эту тему, исключительно методологически объясняя происходящее. Скоро поделюсь с вами, там красивые картинки получаются!

Узнал про максимально упоротый экспериментальный метод.

Сперва немного общей информации. Вы наверняка знаете про термоядерные реакторы, которые пытаются строить по всему миру в надежде обрести безопасную, чистую и почти нескончаемую энергию, которая бы решила все проблемы человечества. Вообще до нее осталось всего-то 20 лет. (Это число — константа, справедливо для любого момента времени, когда вы говорите про термояд).

В целом идея всех реакторов — запустить реакцию по типу того, что происходит на Солнце. В норме два атома (например, водорода), не могут сблизиться, так как сила отталкивания между положительными протонами в ядре оказывается слишком сильной. Но если их заставить сблизиться (например, столкнуть друг с другом), преодолев это отталкивание, то на близком расстоянии сила ядерного притяжения (сильное взаимодействие) окажется достаточно большой и два атома образуют один новый. В этом процессе высвободится огромная энергия. Такой процесс происходит в звездах (поэтому они горячие) и такой процесс мы хотим запустить в реакторах.

Одна из концепций для термоядерной станции — токамак. Это такой бублик, внутри которого сверх-сильными магнитными полями поддерживается раскаленная плазма, как в звезде. В ней атомы двигаются достаточно быстро, чтобы преодолеть кулоновское отталкивание. Я в комменты положу пару фоток реактора. Чтобы атомы не разлетелись во все стороны, плазму надо удерживать в одном небольшом объеме. Из-за высоких температур ни один материал не выдержит такого, поэтому (ну, не только поэтому) плазму поддерживают магнитными полем. Термоядерный процесс в целом очень сложный, и поддерживать его непрерывно очень сложно. Но достаточно потерять контроль над плазмой на долю секунды — и весь процесс становится неуправляемым.

А потеря стабильности плазмы довольно веселая штука: она может коснуться стенок токамака и расплавить их к чертям (и заодно вызвать токи, которые выведут весь девайс из строя). А еще веселее, может возникнуть каскадный процесс производства электронов, которые вырвется в виде пучка такой энергии, что он буквально проделает дырку в стенке (энергии этого пучка достаточно, чтобы расплавить килограмм железа за доли секунды). Такое случалось в реальности.

Разумеется, этого все хотят избежать. Для этого есть автоматизированные системы контроля формы магнитного поля, которые гасят подобные нестабильности в зачатке. Но это не всегда получается. И вот тут ученые придумали совершенно гениальную штуку.

Нестабильность возникает в очень небольшом участке плазмы, и в целом достаточно уменьшить ее плотность, "разбить" рост нестабильности, чтобы она затухла. Раз надо разбить...почему бы не шмальнуть в этот участок из ружья? Какого-нибудь крупнокалиберного? В идеале чтоб пуля была осколочная, чтобы уж точно попасть в нужную область плазмы.

Сказано — сделано. Специальный аппарат замораживает водород, формируя из него пули (3-10 грамм). Они ускоряются сжатым газом до ~300 м/c. На самом конце ствола этой пушки есть изгиб: пули ударяются об него, разбиваются на осколки и летят небольшим облачком прямо в центр нестабильности. Я приложу фотки в комменты 🙂

Дальше дело за малым — установить штук 20 таких пушек по периметру и стрелять, когда надо. Один минус: подготовка одной пули занимает довольно долго (минут 10-30), это ж надо заморозить много водорода, а он вообще этого не очень любит. Кстати, используется водород, чтобы не требовалось прерывать цикл из-за посторонних веществ внутри камеры.

Честно говоря, я читал статью и завидовал авторам, которым досталась такая игрушка.

Помните, я говорил, что разговоры о сверхсветовых явлениях — признак лженаучного материала? Так вот, сегодня поговорим о сверхсветовом явлении в физике 🌚

Наверное, это единственный такой эффект, который не является откровенной ересью. Речь о квантовом туннелировании.

Это один из самых базовых эффектов квантовой механики: когда частица встречает потенциальный барьер, который классически непроницаем для нее, в квантовой физике она с некоторой вероятностью может скозь него "проскочить". Простой пример: небольшой разрыв в электрическом проводе. В классике электроны преодолеть его не могут, а в квантах — вполне. И это не какой-то экзотический случай, вы прямо сейчас используете этот эффект, когда читаете мой текст. Почти на всех наших девайсах используется флеш-память, где туннелирование — главный эффект, с помощью которого происходит хранение и считывание информации.

Еще туннелирование — одно из подтверждений волновой природы всей материи (помните, что частиц на самом деле не существует?). Электрон-волна (волновая функция) налетает на потенциальный барьер, часть его отражается от барьера, а часть — проходит.

Так вот, сколько времени занимает это туннелирование? Как много времени электрон проводит "внутри" барьера? Еще в середине 20 века было теоретически установлено, что время туннелирования не зависит от ширины барьера. А значит, мы могли бы сделать барьер шириной во много световых лет, и частица прошла бы его за то же время, как и барьер в несколько микрон. То есть, во много-много-много раз быстрее скорости света. Чтааа?!

Когда я впервые об этом узнал, я отмахнулся: ну, такого не бывает, это просто артефакт теории. Но оказалось, что множество экспериментов (с разными частицами и атомами) подтверждают, что туннелирование происходит быстрее скорости света. Недавно эксперимент даже смог точно измерить, сколько именно времени атом проводит внутри барьера.

А как же теория относительности, запрет на превышение скорости света и вот это все?! Важный момент в том, что СТО запрещает передачу информации быстрее света, а не просто перемещение. Ученые в целом уверены, что сверхсветовой передачи информации в процессе туннелирования не происходит, но почему — тут не все сходятся.

Главная идея всех аргументов в том, что само понятие передачи информации не очень хорошо определено для такого процесса. В какой момент информация передана? Волновая функция — распределение с максимумом в какой-то точке и двумя хвостами. Когда передача совершается: когда детектора достигает хвост или центр распределения? А как быть с той частью волновой функции, что отразилась от барьера?

Мне больше всего нравится вариант, изложенный в этой статье: зададимся вопросом, как быстро мы можем передать один бит информации в среднем для многих битов. Для частиц, движущихся со скоростью света, ответ очевиден: со скоростью света. Для частиц, летящих через барьер, мы иногда (когда частица туннелирует) передаем бит быстрее скорости света. Но вероятность туннелирования чрезвычайно мала, так что в среднем большая часть частиц будет потеряна и общая скорость передачи окажется меньше скорости света.

Такие удивительные эффекты иногда скрываются в дебрях физики. По мне так это гораздо интереснее всяких квантовых компьютеров, но об этом почему-то очень мало говорят...

Одним из главных (а иногда единственным) бонусов работы в науке обычно называют свободу: типа, ты можешь делать, что тебе взбредет в голову, творить и не работать на злобного босса. Это, конечно, так, но есть один нюанс.

Даже два. Первый банальный: конечно, ты можешь делать что захочешь, но деньги на гранты дают только на определенные темы. Так что по сути у тебя оказывается довольно узкий набор тем, которыми реально можно заниматься.

А второй менее очевидный: со свободой приходит отсутствие границ. То есть, научная жизнь полностью занимает собой все свободное пространство. Если хочется заниматься чем-то другим: семья, хобби, — для этого приходится прилагать большие усилия по отвоевыванию времени у науки. Совсем не у всех это получается, но я в целом большой сторонник здорового разделения труда: я стараюсь не работать вне рабочего времени, но это требует больших непрерывных усилий.

С этим, правда, есть и еще одна сложность: чувство вины. Если вдруг приходится работать вне рабочего времени, я постоянно чувствую себя виноватым, что не уделяю время семье/друзьям/планам. Если вдруг семейная жизнь вторгается в рабочий день, я чувствую себя виноватым, что не работаю. К этому добавляются непрерывные дедлайны, которые приходится пропускать и откладывать, и привет, будешь чувствовать себя виноватым непрерывно (если с этим активно не бороться).

К сожалению, академия в целом совсем не поддерживает здоровое отношение к науке как к работе, которая заканчивается, когда выходишь из здания института. Понедельник начинается в субботу — это хорошо, конечно, но на практике приводит к быстрому выгоранию. Старое поколение состоит из людей, которые прошли через этот отсев, и теперь они считают, что все должны работать так же. Отсюда частые практики в лабораториях, когда студентов заставляют работать по выходным, не дают отпусков и т.п. К счастью, с приходом молодой профессуры, это понемногу меняется.

В общем, когда вам будут рассказывать сказки про свободу в науке, помните, что все не так радужно.

^^^

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

Как понять, что вам вешают лапшу на уши (в физике)?

Сейчас из каждого утюга непрерывно льются новости о науке. Расскажу, как можно определить, что вам пытаются впарить какую-то фигню.

1. Триггерные темы и слова: можно смело закрывать, ставить минусы, смеяться в лицо. С вероятностью в 99.9% вас дурят.

- "эфир". Если это не исторический обзор, перед вами 100% шарлатан. В рунете таких огромное количество, к сожалению.

- "сверхсветовой" или "быстрее скорости света". Часто еще сочетается с квантовой запутанностью. Есть очень-очень-очень мало случаев, где это имеет смысл обсуждать. Скоро я вам про такой напишу, кстати.

- "холодный" ядерный синтез (cold fusion). Тут просто нечего обсуждать, перед вами шарлатан.

- бесплатная/вечная энергия. Бесплатный сыр мы все знаем, где.

- "инерционный двигатель" и прочие двигатели без выхлопа. EmDrive и прочие подобные штуки не работают. Нет, их "объяснения" тоже ошибочны. Вас пытаются развести.

2. Признаки лжеученых/фриков, их лучше даже не пытаться читать:

- обычные слова почему-то пишутся с большой буквы. "Идея", "Сила", "Энергия", "Мир", "Физика" и т.п. Большой красный флаг, стоит насторожиться.

- в тексте пишется о теории имени автора. 100% фрик (ну или нобелевский лауреат).

- заявления о подлоге результатов эксперимента, заговоре ученых и т.п. Вы бы знали, как часто мне пишут про то, что "ВЫ ВСЕ ВРЕТИ" в этом вашем LIGO, и я лично провожу дни за генерацией подложных данных. Если бы вы видели, насколько все глупо устроено в академии, вы бы, как я, смеялись над предположением, что там кто-то из ученых смог собраться и огранизовать заговор.

- утверждения о том, как академия подавляет свободу мысли, прорывные открытия и настоящих ученых (то бишь автора).

- Заявления о том, что Эйнштейн был неправ (он, конечно, был, и не раз, но в контексте научпопа это в 99% признак лженауки)

3. Сенсационный тон: это не признак неправоты, но к этому надо относиться очень аккуратно, чаще всего это недобросовестные журналисты

- "Переворот в науке"
- "Полный пересмотр законов XYZ"
- "Открытие столетия"
- ...

В хороших материалах открытия описываются обычно очень аккуратно, упоминаются альтернативные точки зрения, необходимость многократной независимой проверки и т.п.

4. Хайповые темы. Тут чаще всего нет прямого обмана, но почти наверяка описанное можно делить на 20. По таким темам лучше читать журналистов или издания, которым вы доверяете.

- Квантовые компьютеры. Ну вы поняли. Большая часть статей про КК сейчас — чистой воды хайп и попытка сгрести лайки. Но про это я писал только что.

- Теория Всего/квантовая гравитация. Всем очень хочется найти объединение квантов и гравитации, но при этом в области почти ничего не происходит. А подписчики сами по себе не наберутся, приходится изгаляться!

- Теория струн, голографический принцип, AdS/CFT. Теория струн звучит очень умно и сложно (так и есть), но к физике она отношения не имеет, это красивая математика. К сожалению, часто ее представляют чуть ли не как почти готовую физическую теорию. Часто в контексте теории струн (и не только) говорят про голографию или AdS/CFT. Это интересные концепции, но почему-то в популярных статьях забывают сказать, что к нашей вселенной они неприменимы. В итоге это все только запутывает неспециалистов.

5. Качество публикации. Это самый противоречивый индикатор и пользоваться им надо с осторожностью, но он дает возможность составить предварительное мнение о работе. Идея в том, что если вам говорят о прорыве века, но открытие опубликовано в третьесортном китайском журнале, графики сделаны в экселе, а текст пестрит грамматическими ошибками, вам почти наверяка пытаются навешать лапшы. Я не знаю ни одной прорывной работы в физике в последние 20-30 лет, которая была бы опубликована не в топовых журналах. К сожалению, так устроена академия, что лучшие открытия публикуются в условной Nature. Важно, что обратное очень часто не верно: то, что статья опубликована в Nature, не значит, что она реально хорошая и важная.

⌄⌄⌄

Все слышали про светлое будущее, которое принесут нам квантовые компьютеры! С каждым годом мы все ближе к нему! В этом посте я перечислю все полезные применения квантовых компьютеров, и вы сами сможете убедиться, насколько революционна эта технология!

Ну, поехали!

1. Взлом шифрования — прощайте биткоин кошельки!
2. Квантовая симуляция химических процессов — новые материалы, лекарства и технологические процессы!
3.
4.
5. эээ
6. а где все?!
7. ну блин
8. хочу в светлое будущее...

-------------------

PS. На самом деле, пока единственное полезное применение — симуляция всякой химии и прочих квантовых взаимодействий. Правда, для чего-то интересного понадобятся квантовые компьютеры с миллионами кубитов (напоминаю, у нас сейчас около 1000). Взлом шифрования не очень страшен, т.к. достаточно перейти на пост-квантовые алгоритмы, которые не взломать. Все остальное — хайп и не имеет доказанного превосходства над классическими алгоритмами. Поэтому гугл, например, обещает 5млн $ за найденное полезное применение КК.