Feb. 19th, 2014

donmigel_62: (кот - учёный)

ПОД КОНТРОЛЕМ ЧУЖОГО МОЗГА


Ученые провели эксперимент, в ходе которого одна обезьяна управляла телом другой.



Группа ученых, представившая результаты своей работы в журнале Nature Communications, показала, что мозг одной обезьяны может управлять движениями «аватара» - другой обезьяны, находящейся под действием седативных препаратов.

На первой стадии эксперимента в мозг обезьяны был вживлен электрод, позволяющий контролировать электрическую активность нейронов. А другой обезьяне, «аватару», в спинной мозг имплантировали 36 стимулирующих электродов. В результате ряда экспериментов ученые выяснили, как стимуляция с помощью различных наборов электрических импульсов влияет на движения «аватара» и смогли перевести электрическую активность мозга одной обезьяны в набор команд, управляющих движениями другой.


Обезьяна с помощью своего «аватара», в руке которого находился джойстик, в 98% случаев смогла точно направить движение курсора по экрану.

Цель данного исследования – помочь людям, парализованным в результате повреждения спинного мозга.  Когда нечто препятствует передаче нервных импульсов от головного мозга к мышцам, можно создать «обходной путь», превратив человека в собственного «аватара». Похожая технологи может быть использована для управления протезами.

http://www.nature.com/ncomms/2014/140218/ncomms4237/full/ncomms4237.html
donmigel_62: (кот - учёный)

FUJITSU ПРЕДСТАВИЛА ПЕРЧАТКУ ДЛЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЖЕСТОВОГО УПРАВЛЕНИЯ



Носимое устройство в форме перчатки позволяет считывать информацию по технологии NFC и осуществлять жестовое управление технологическими процессами.





Смартфоны, планшеты и другие «умные» устройства – хорошее подспорье в работе специалистов, в обязанности которых входит работа с различными приборами, панелями и индикаторами, с которых необходимо считывать те или иные данные, а затем документировать показания и принимать на их основе те или иные решения. Но на подобных рабочих местах далеко не всегда можно обеспечить «офисные» условия: работать приходится в перчатках (порой не слишком чистых), которые существенно затрудняют обращение с мобильными устройствами.





Решение проблемы – носимые устройства, способные взять на себя ряд необходимых функций, таких как считывание информации и базовое управление. В Fujitsu Laboratories разработали перчатку, оснащенную датчиком прикосновений, считывающим NFC-модулем, гироскопом и акселерометром, способную ускорить процесс и снизить вероятность ошибок при работе с различными приборами, индикаторами и т.п.

Показания считываются простым прикосновением к NFC-метке на приборе и выводятся на носимый дисплей (возможна передача данных на мобильное устройство и на удаленный сервер). При этом NFC-модуль активируется посредством датчика прикосновения, все остальное время находясь в спящем режиме. Это позволяет обойтись без громоздких аккумуляторов и при этом обеспечить около 9 часов работы устройства без подзарядки.

Простая и надежная технология распознавания жестов, разработанная Fujitsu, позволяет решать множество задач буквально мановением руки. Основная проблема пространственного жестового управления – как отличить команды от повседневных жестов. Перчатка Fujitsu активирует систему распознавания жестов только когда рука находится в положении тыльного сгибания (в сторону тыльной стороны ладони). Кисть редко принимает такое положение при решении повседневных задач, что позволяет минимизировать число ложных срабатываний. В «языке жестов», который «понимает» перчатка, всего шесть «слов»: движение вверх, вниз, вправо, влево, вращение по часовой стрелке и против неё. Этого достаточно для ввода базовых пометок, которые обычно сопровождают вносимые в журнал данные. Например, поворот по часовой стрелке может означать нормальный режим работы, а против – аварийный. Эти простейшие жесты верно распознаются в 98% случаев вне зависимости от индивидуальных особенностей моторики того, кто носит перчатку.

Коммерческий вариант системы может появиться на рынке уже в 2015 году.

По пресс-релизу Fujitsu

donmigel_62: (кот - учёный)

СЖИЖЕННЫЙ ВОЗДУХ БУДЕТ ИСПОЛЬЗОВАТЬСЯ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ



В Великобритании будет построена промышленная станция хранения энергии, работающая на сжиженном воздухе.
На прошлой неделе британская компания  Highview Power Storage объявила о том, что Министерство энергетики и изменения климата Великобритании предоставило ей грант в размере £8 на строительство гигантского «аккумулятора», работающего на сжиженном воздухе. Highview Power Storage уже эксплуатирует подобную экспериментальную станцию, однако в промышленных масштабах с помощью жидкого воздуха можно будет запасти достаточно энергии, чтобы в течение трех часов станция могла выдавать мощность 5 МВт.


Технология, используемая Highview Power, во многом напоминает аккумулирование энергии путем закачки в резервуары сжатого воздуха, однако в данном случае воздух не просто сжимается, а охлаждается и переходит в жидкое состояние. Сжиженный воздух хранится в специальных сосудах при температуре около -200°С, а при необходимости его испаряют, получив газ под высоким давлением, который вращает турбину электрогенератора.
Одно из преимуществ такого подхода – использование распространённого и коммерчески доступного оборудования, которое широко применяется и в других отраслях. Стоимость хранения одного киловатт-часа электроэнергии оценивается в £533, однако на крупномасштабном предприятии может быть снижена до £500 и меньше. Тем не менее, Highview Power сталкивается с жесткой конкуренцией со стороны производителей аккумуляторных батарей, которые рассчитывают снизить стоимость хранения энергии.
По сообщению IEEE Spectum
donmigel_62: (кот - учёный)
«Большие данные» как новая парадигма в моделировании мозга


Руководители европейского проекта Human Brain (HBP) объявили о заключении множества новых партнерских программ на общую сумму в €8,3 млн. Совместная работа с исследователями из США обсуждалась на ежегодной конференции, проводимой в Чикаго Американской ассоциацией содействия развитию науки (AAAS 2014).


Среди докладчиков были представители ведущих европейских и американских научных учреждений. Генри Маркрэм (Henry Markram) из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) пояснил, какова связь «больших данных» и нейрофизиологии в проекте HBP: «Суперкомпьютерное моделирование внутренней работы мозга позволяет выполнять измерения и манипуляции, невозможные в лаборатории. Оно открывает путь к новому типу научных экспериментов».


Объём данных, доступных в нейробиологии, становится всё больше. Ключевой проблемой остаётся их обработка и поиск взаимосвязей. Поэтому Карлхайнц Майер (Karlheinz Meier) из Гейдельбергского университета выделяет визуализацию данных о работе мозга в самостоятельную задачу. Для её решения предлагается вычислительная система Neuromorphic. Она объединяет в себе наиболее реалистичные компьютерные модели с технологиями обработки «больших данных». Neuromorphic, по словам Майера, создаёт новую парадигму вычислений, которая больше похожа на методы обработки информации самим мозгом: «Мозг обладает способностью эффективно выполнять обработку данных, невозможную даже на самых мощных компьютерах. При этом он потребляет около 30 ватт».

Весной прошлого года администрация президента США утвердила десятилетнюю программу US BRAIN, разработанную Департаментом здравоохранения. Она объединяет усилия различных научных коллективов по детальному изучению головного мозга человека. Конечной целью программы ставится создание компьютерной модели, отображающей работу каждого нейрона. Стоимость проекта оценивается в $3 млрд.

Кристоф Кох (Christof Koch) представлял научную группу Института мозга, основанного Полом Аленом в Сиэтле. Сейчас его основное направление — проект по изучению мозга на клеточном уровне.

Исследователи пытаются понять особенности структуры и функций мозга с помощью компьютерного моделирования, отображая на карте состояние и взаимосвязь между отдельными клетками. Структурный анализ выполняется на нейронах мышей, функциональный — по записи ЭЭГ и другим сведениям о мозговой активности добровольцев.

Собрав все полученные данные, группа Кристофера Коха получила компьютерную модель, в которой ячейки соединяются, кодируют, передают и обрабатывают информацию подобно тому, как это делают нейроны в головном мозге. В рамках проекта планируется собрать и передать в открытый доступ все полученные наборы данных, а также описание методов работы с ними.

Подобная работа ведётся группой Джорджа Чёрча (George Church) из Гарвардского университета. Она также работает над программными инструментами, способными описать в компьютерной модели каждый нейрон и отобразить на цифровом атласе мозга активные взаимосвязи между ними при различных процессах мышления.

Шон Хилл (Sean Hill), выступавший на AAAS 2014 от имени коллектива EPFL, рассказал о создании в рамках проекта HBP нейроинформационной платформы. Она станет тем инструментом, который позволит связать разрозненные экспериментальные данные воедино, аннотировать атласы мозга и создавать ссылки на определённые участки коры больших полушарий.

Сет Грант (Seth Grant) из Эдинбургского университета добавил, что нейроинформационная платформа используется для исследования молекулярных процессов, лежащих в основе биохимии мозга. К примеру, многие изменения при шизофрении и аутизме сопровождаются образованием в тканях мозга суперкомплексов из определённых белков.

Все эти проекты стали возможны благодаря развитию технологий обработки «больших данных». Изучение работы головного мозга человека считается одной из самых сложных научных проблем. Её решение поможет в лечении множества неврологических и психических заболеваний. Оно будет способствовать появлению имплантируемых нейрочипов и созданию новых вычислительных технологий. Благодаря нейрофизиологии мы сможем получить более глубокое представление о том, что именно делает нас людьми
donmigel_62: (кот - учёный)
Оригинал взят у [livejournal.com profile] zelenyikot в Киев из космоса
Центр Киева около полудня 18 февраля 2014 г. был снят с частного спутника SkySat-1 по заказу издания The New York Times. Ясная погода и высокое разрешение камеры космического аппарата позволили увидеть баррикады, пожары и даже тени отдельно стоящих людей.

Satellite Images of the Protests in Kiev   NYTimes
Read more... )
donmigel_62: (кот - учёный)

Как найти ветер в облаках?

ПО и косметические изменения в аппаратном обеспечении, сделанные General Electric, позволили компании, эксплуатирующей её турбины, поднять прибыль на 20%.

История часто несправедлива к именам. Томас Эдисон родился в сотне километров от Чарльза Браша, они были почти сверстниками, да и их интересы в электробизнесе пресекались, так что в конечном счёте Эдисону пришлось купить компанию Браша... Но сравнить объём наших знаний о первом и последнем невозможно.

Первый автоматизированный ветряк. Не стоит морщиться: с чего-то же надо было начинать! (Здесь и ниже иллюстрации GE.)

Между тем именно Браш в 1887 году построил первый полностью автоматический генератор, который работал от ветряка, спаренного с дюжиной свинцовых аккумуляторов, и следующие двадцать лет именно от этого 12-киловаттного чуда тогдашней техники питалось его поместье. Этот 4-тонный монстр высотой в 18 м, имевший аж 144 (!) лопасти, на многие десятилетия опередил сходные по параметрам установки конкурентов, став первым автономным источником энергии, целиком основывающемся на ветре.


Сегодня General Electric — компания, в которую после слияния с эдисоновской фирмой вошла Brush Electric, — делает ветряки в десять раз выше и в 200 раз мощнее. Однако задачи автоматизации их работы далеко не исчерпаны, и это направление деятельности Чарльза Браша всё ещё серьёзно влияет на энергетику.

В конце XIX столетия задачи такого рода казались простыми: надо лишь автоматически ориентировать лопасти по ветру, чтобы изменение его направления не остановило установку. Решить проблему удалось уже тогда, однако исследования конца XX — начала XXI века показали, что действительно оптимальный угол установки лопастей турбин выбрать очень сложно: слишком от многих факторов он зависит. Нередко алгоритмы казались конструкторам идеальными, а жизнь их или решительно поправляла, или даже опровергала. В принципе, это логично: количество факторов, которые влияют на эффективность ветряков, что называется, зашкаливает, и часть из них ранее не рассматривалась вовсе. Как мы не раз писали, даже взаимодействие ветряков между собой может резко менять их КПД, и при разных направлениях ветра такие коллизии способны то увеличивать, то снижать общую эффективность группы турбин. Одним моделированием тут не справиться...

В общем, GE обратилась к уже навязшей в зубах Big Data и компьютерным облакам, в которых накапливается и хранится информация о погодных условиях, скорости и направлениях ветра на разных высотах, а также о выработке электроэнергии каждой турбиной. Сопоставляя графики такого рода (общее количество учитываемых факторов огромно, так что и графиков очень много), GE-инженеры искали самые выгодные режимы работы как по углам установки лопастей, так и по их динамической корректировке при вариациях скорости ветра...

Одним из частных, но «впечатляющих итогов работы» стало создание ПО PowerUp, которое компания предоставляет потребителям, пользующимся ветротурбинами GE, и которое позволяет в реальном времени отслеживать производительность ветряков и постоянно корректировать их параметры. Кроме установки лопастей, это и угол отклонения гондолы ветряка от направления воздушного потока, и скорость и момент турбины. Скажем, по результатам испытаний, проведённых компанией, общая выработка энергии ветряными фермами, принадлежащими EDP Renewables, при равной скорости ветра выросла на 5% только из-за внедрения нового ПО, которое постоянно обращается к «примерам» производительности ветряков при текущей скорости ветра и подбору оптимальных параметров их работы.

5% увеличения выработки — это не так уж мало, особенно если вспомнить, что для прибыли это может обернуться 20% роста.

Может показаться, что 5% — это крохи. Но если мы вспомним, что норма прибыли в ветроэнергетике (да и вообще в западном бизнесе) — далеко не те 70%, без которых, по уверениям, скажем, наших книготорговцев, они все умрут, станет ясно, что увеличение выручки на 5% просто за счёт нового ПО на уже существующих ветряках и, по сути, без нужды в покупке нового оборудования означает резкий скачок прибыли. Как заявляют разработчики, сразу на 20%.

Но дело не только в деньгах. Эоловые мощности производят сегодня сотни миллиардов киловатт-часов в год, поэтому даже 5-процентый рост генерации может аукнуться увеличением выработки на десятки миллиардов киловатт-часов — то есть на годовой объём энергопотребления небольшой страны. Одна только EDP Renewables в ближайшем будущем планирует установить PowerUp на пяти эоловых фермах в трёх американских штатах, чтобы получить от 402 тамошних турбин дополнительные 420 млн кВт•ч электричества в год (а это энергопотребление десятков тысяч американских домохозяйств). Похоже, у нового ПО и его разработчиков огромное поле для деятельности.

Подготовлено по материалам GE Reports. Изображение на заставке принадлежит Shutterstock.

donmigel_62: (кот - учёный)

Потерянная масса галактик найдена

Потерянная масса галактик найдена

Ученые решили одну из загадок современной астрофизики: обнаружили «недостающую» массу галактик, которая породила множество экзотических физических теорий.

В настоящее время астрономы наблюдают во Вселенной множество скоплений галактик – групп из сотен или тысяч галактик, связанных вместе гравитацией. Эти гигантские скопления триллионов звезд сформировались в результате «ряби» в очень ранней Вселенной: вскоре после Большого взрыва в кипящем шаре горячей плазмы сформировались крошечные квантовые колебания. Миллиарды лет спустя, эти колебания плотности вещества превратились в скопления галактик.


Однако в этой модели эволюции Вселенной есть нестыковки. Впервые проблему обнаружили с помощью наблюдений космического телескопа ЕКА Planck, который измеряет колебания космического микроволнового фонового излучения, оставшегося от Большого Взрыва. Ученые сравнили картину колебаний и сравнили их с наблюдаемыми скоплениями галактик.

Согласно результатам наблюдений, опубликованным в прошлом году, во Вселенной «не хватает» 40% массы галактических скоплений. Проще говоря, количество колебаний на заре формирования Вселенной было больше, чем ныне наблюдаемых скоплений галактик. Это противоречие заставило физиков придумывать самые невероятные объяснения, большинство из которых находятся за пределами Стандартной модели.

Так, некоторые теоретики обратились к нейтрино – призрачным субатомным частицам почти нулевой массы. Например физик Уэйн Ху (Wayne Hu) из Университета Чикаго и его коллеги опубликовали теорию о связи несоответствия с тем, что три известных типа нейтрино на самом деле значительно тяжелее, чем считалось ранее, или же существует четвертый, еще не открытый, вид нейтрино. Дополнительная масса нейтрино могла бы оказать влияние на рост первичной ряби и снизить количество скоплений галактик.

Однако, возможно, объяснение «отсутствующей» массы скоплений галактик может быть гораздо более простым. Согласно исследованию, проведенному учеными из Стэнфордского университета в Калифорнии, скопления галактик на самом деле могут иметь большую массу, чем показывают наблюдения телескопа Planck. Таким образом нет особой необходимости в придумывании новой экзотической физики. Исследование использует гравитационное линзирование, технику, которая позволяет «взвесить» скопления галактик, измеряя силу искажения света их гравитационными полями.

Работая над проектом под названием Weighing the Giants («Взвешивание гигантов»), ученые изучили с помощью телескопа Subaru и Canada–France–Hawaii 22 скопления галактик, изученных ранее космическим телескопом Planck. Измерения показали массу на 43% выше, чем масса, которую рассчитали по наблюдениям аппарата Planck. В другом исследовании под названием Cluster Lensing and Supernova Survey («Линзирование скоплений и наблюдение сверхновых») использовали космический телескоп Хаббл для измерения 25 кластеров, ранее изученных телескопом Planck. Эти наблюдения также показали превышение массы наблюдаемых скоплений, над той, что измерил Planck, на этот раз на 30%.


Наблюдение галактик с помощью гравитационного линзирования связано с неопределенностью, которая возникает из-за взаимодействия реликтового излучения с горячим газом

Судя по всему, разница в измерениях связана с неопределенностью наблюдений телескопа Planck. Дело в том, что космический телескоп обнаруживает фотоны космического микроволнового фона, которые на пути к объективам телескопа проходят через скопления галактик. Внутри галактик эти фотоны сталкиваются с энергичными электронами из облаков горячего газа, в результате чего фотоны приобретают больше энергии. Именно это воздействие добавляет неопределенности в измерения массы скоплений галактик.

Многие астрофизики полагают, что оставшиеся расхождения в измерении массы скоплений галактик будут разрешены благодаря новому телескопу Dark Energy Survey стоимостью $50 млн. Этот телескоп 9 февраля уже завершил первую трехмесячную серию наблюдений, в ходе которых были изучены сотни скоплений галактик. Анализ этих данных займет время: первые результаты ожидаются в конце 2014 года.

http://mnras.oxfordjournals.org/content/early/2014/02/04/mnras.stt2129.abstract
donmigel_62: (кот - учёный)

Травоядная газонокосилка.

В апреле компания EcoMow Technologies обещает начать продажи интересного устройства: роботизированной газонокосилки, которая в буквальном смысле питается травой


Оригинальная газонокосилка обеспечивает себя энергией за счет превращения травы в топливо

Газонокосилка EcoMow использует траву в качестве топлива. Для этого она оснащено специальным устройством, которое превращает срезанную траву в высушенные гранулы, которые служат топливом для генератора, вырабатывающего электричество. Для превращения травы в биомассу, газонокосилка оснащена своеобразной «мясорубкой», только создающей гораздо большее давление и температуру. Вся работа системы преобразования травы в топливо автоматизирована и управляется компьютером.





Устройство газонокосилки EcoMow: спереди расположены ножи, шнек и сушилка. В центре – газогенератор и одноцилиндровый электрогенератор, работающий на газу

«Сердце» EcoMow – это газогенератор, который сжигает высушенные гранулы в ходе пиролиза, то есть разлагает биомассу без участия кислорода. Образовавшиеся в результате газообразные углеводороды, служат топливом для 4-тактного одноцилиндрового генератора, вырабатывающего электричество. Горячий воздух от газогенератора используется для сушки биомассы.

Газонокосилка полностью обеспечивает себя энергией, более того, по замыслу разработчиков, подобные устройства могут служить источником электроэнергии в случае аварии сети электроснабжения или основным источником электричества в полевых условиях или в развивающихся странах.

donmigel_62: (кот - учёный)
Наша цель — полностью описать Вселенную: *жизнь и наука Стивена Хокинга*

© Kasper Sonne

Наша цель — полностью описать Вселенную: жизнь и наука Стивена Хокинга

Стивен Хокинг — один из самых влиятельных физиков последних десятилетий, который не устает удивлять мир своей теоретической работой и критическими взглядами, с завидным постоянством меняя наши представления о Вселенной. Почему Вселенная — это древняя игра и по каким правилам она идет — вот отрывок из биографии ученого «Стивен Хокинг: Жизнь и наука», которая выходит в издательстве Corpus.

Сама по себе мысль, что всю дивную сложность, все разнообразие мира можно свести к поразительно простому объяснению, не так уж нова или странна. В VI веке до н. э. мудрец Пифагор и его ученики на юге Италии исследовали соотношение длины лирной струны и издаваемого ею звука и обнаружили за внешним хаосом природных явлений повторяющийся узор, разумный порядок. И в последующие века наши предки убеждались — порой, как и пифагорейцы, к собственному изумлению и восторгу, — что природа устроена отнюдь не так сложно, как кажется.



Вообразите себя (если получится) умнейшим инопланетянином, ничего не знающим о нашей вселенной: существует ли некий исчерпывающий свод правил, который вы могли бы изучить и полностью разобраться во всем, что тут творится? И насколько этот свод правил объемист?

«Если теория всего существует, значит, мы, как и вселенная, подчиняемся ее правилам — и в то же время пытаемся их постичь»

На протяжении десятилетий многие ученые верили, что «учебник вселенной» краток и содержит довольно простые принципы, а то и вовсе состоит из одногоединственного правила, которое лежит в основе всего, что случилось, случается и случится впредь в нашем мире. В 1980 году Стивен Хокинг отважно заявил, что к концу столетия мы будем держать в руках этот учебник.

В моей семье хранилась музейная копия антикварной настольной игры. При раскопках города Ура в Междуречье археологи наткнулись на изящно инкрустированную доску и несколько резных фигурок при ней. Очевидно, это была довольно сложная игра, но правила ее нам неизвестны. Создатели копии пытались вывести правила, исходя из дизайна доски и облика фигурок, но вместе с тем предлагали покупателям (и нам в том числе) самим придумывать и открывать правила этой игры.

Такова и наша вселенная: сложная, величественная, таинственная игра. Правила, конечно, должны быть, но к игре не прилагается никаких инструкций. И вселенная — отнюдь не археологическая находка, словно та игра из Ура. Это древняя игра, но она все еще продолжается. И мы сами, и все, что мы знаем (и все, нам неведомое), втянуты в эту игру. Если теория всего существует, значит, мы, как и вселенная, подчиняемся ее правилам — и в то же время пытаемся их постичь.

Казалось бы, полный свод правил вселенской игры должен заполнить обширную библиотеку, с трудом уместиться в суперкомпьютере. Нужны правила возникновения и движения галактик, причины, по которым функционирует или отказывается функционировать тело человека, почему замерзает вода, как живут растения, зачем лает собака — подробные правила внутри подробных правил внутри правил. Мыслимо ли свести все это к нескольким основополагающим принципам?

Ричард Фейнман, американский физик, лауреат Нобелевской премии, приводил замечательный пример того, как осуществляется редукция правил. Было время, напомнил он, когда мы различали «движение», «тепло» и «звук».

«Но затем выяснилось, — пишет Фейнман, — после того, как сэр Исаак Ньютон объяснил законы движения, что некоторые с виду различные явления представляют собой аспекты одного и того же. Например, звук удалось полностью объяснить движением атомов в воздухе, и тем самым звук перестал рассматриваться как отличающийся от движения феномен. Также обнаружилось, что из законов движения вполне объяснимо и тепло. Таким образом, целые глыбы теоретической физики сплавились в одну простую теорию».

Жизнь среди мельчайших частиц

Материя, из которой, как мы себе представляем, строится все во вселенной — вы и я, воздух и лед, звезды, газы, микробы, эта книга, — состоит из крошечных «кирпичиков» — атомов. Атомы, в свою очередь, состоят из еще меньших частиц, а также из пустот между ними.

Самые известные частицы — электрон, который вращается вокруг ядра атома, а также протоны и нейтроны, которые собраны в ядре. Протоны и нейтроны можно разделить на еще более крохотные частицы — кварки. Все частицы материи принадлежат к классу фермионов, названных в честь великого итальянского физика Энрико Ферми. У них есть своя система сообщений, которая побуждает их определенным образом действовать или меняться. Представьте себе группу знакомых, чья система передачи сообщений состоит из четырех разных видов: телефон, факс, электронная почта и обычная почта. Не все люди посылают или получают сообщения и влияют друг на друга с помощью всех четырех видов связи. Система сообщений между фермионами также состоит из четырех разных видов связи — мы называем их «силами». Существует особый вид частиц, который передает сообщения между фермионами, а иногда и друг другу. Эти частицы-вестники именуются «бозонами». По-видимому, любая частица во вселенной является либо фермионом, либо бозоном.

К числу четырех фундаментальных сил природы относится гравитация. Можно рассматривать гравитацию, которая удерживает нас на Земле, как «сообщения», передаваемые бозонами-гравитонами между частицами атомов человеческого тела и частицами атомов Земли и побуждающие их притягиваться друг к другу. Гравитация — самая слабая из фундаментальных сил, но зато, как мы вскоре убедимся, она имеет огромный радиус действия и влияет на все во вселенной. В сумме гравитационные взаимодействия превосходят все остальные.

«Стивена Хокинга в особенности интересовал ответ на вопрос: как выглядела вселенная в миг начала, когда еще ничего не произошло?»

Вторая сила — электромагнетизм. Это сведения, передаваемые бозонами-фотонами между протонами и находящимися поблизости от них электронами, а также между электронами. Электромагнетизм вынуждает электроны вращаться вокруг ядра. В повседневной жизни фотоны проявляют себя как свет и тепло, радиоволны, микроволны и другие виды волн. Сила электромагнетизма тоже действует на больших расстояниях, и она сильнее гравитации, но ей подчинены лишь частицы, имеющие заряд.

Третья служба сообщений — сильные ядерные взаимодействия. Этой силой удерживается воедино ядро атома.

Четвертая служба — слабые ядерные взаимодействия. Они обуславливают явления радиоактивности, играют ключевую роль в начале жизни вселенной и звезд, в формировании элементов.

Гравитация, электромагнетизм, сильные ядерные взаимодействия, слабые ядерные взаимодействия — эти четыре силы отвечают за все сообщения, передаваемые между всеми фермионами вселенной, за любое взаимодействие между ними. Без этих сил каждый фермион существовал бы (если бы вообще существовал) в изоляции, не имея возможности сообщаться с другими и влиять на них, не замечая существования других. Проще говоря, без действия этих сил не происходит ничего. Если так, то, полностью поняв эти силы, мы постигнем и принципы, лежащие в основе всего, что происходит во вселенной. И мы уже получили весьма лаконичную книгу правил.

В ХХ веке усилия физиков в значительной мере сосредотачивались на том, чтобы лучше понять действие этих четырех сил и взаимоотношения между ними. Как мы в своей жизни убеждаемся, что телефон, факс и электронная почта не противопоставлены друг другу, а представляют собой разные проявления одной и той же сути, так и физики с немалым успехом старались объединить известные силы в единую «систему сообщений». Они стремятся обнаружить в итоге теорию, которая сумеет объяснить все четыре силы как одну, хотя и проявляющую себя по-разному, и, быть может, эта теория сумеет «примирить» и бозоны с фермионами. Сложится, как они это называют, «единая теория».

Но теория, полностью объясняющая вселенную, теория всего, должна зайти еще дальше. Стивена Хокинга в особенности интересовал ответ на вопрос: как выглядела вселенная в миг начала, когда еще ничего не произошло? Говоря языком физиков, каковы были «начальные условия», или «граничные условия начала вселенной»? Поскольку вопрос о граничных условиях всегда составлял самую суть исследований Хокинга, мы должны посвятить ему отдельную подглавку.

Проблема граничных условий

Представьте себе, что вы построили модель железной дороги, поставили на рельсы поезда, предусмотрели переключатели, с помощью которых будете регулировать скорость поездов. Пока вы еще не начали игру — вы задали граничные условия. Для вашей железной дороги бытие и реальность начнутся именно с такого, а не с иного состояния. Где окажется каждый поезд через пять минут после включения тока, столкнутся какие-то поезда или нет — все это определяется граничными условиями.

Допустим, вы позволили поездам покататься десять минут, ни разу не вмешавшись в их движение. И тут в комнату входит ваш приятель, и вы отключаете ток. Теперь появился новый набор граничных условий: точное положение каждой детали на момент, когда дорога остановилась. Предложите другу установить точное положение каждой детали на момент, когда вы впервые запустили игру. Казалось бы, простая картина: поезда стоят там-то и там-то, включены такие-то стрелки и переключатели, но для решения этой задачи придется задать множество вопросов. До какой скорости разгоняются и как быстро тормозят поезда? Одинаково ли сопротивление на всех участках пути? Каков угол наклона там, где дорога идет под горку? Обеспечена ли бесперебойная подача тока? Точно ли не было никаких вмешательств в работу железной дороги — может быть, участвовала какая-то сила со стороны, а теперь следов этого вмешательства не сохранилось? Огромная, непосильная задача. Ваш друг сполна ощутит проблемы современных ученых, которые пытаются восстановить исходное состояние — граничные условия в начале времени.

Понятие «граничные условия» относится отнюдь не только к истории вселенной. Речь идет о любой ситуации на данный момент времени — например, в начале лабораторного эксперимента. Но, в отличие от игрушечной железной дороги и лабораторного эксперимента, при обсуждении истории вселенной мы сталкиваемся подчас с невозможностью задать граничные условия. Одна из любимых забав Стивена — гадать, сколькими разными способами вселенная могла бы начаться, чтобы в итоге все же прийти к нынешнему своему состоянию (с той оговоркой, что наши знания и понимание законов физики верны и что эти законы не изменились во времени). В этой игре граничными условиями для Стивена служит «нынешняя картина вселенной». Он также (тут дело тонкое) использует в качестве граничных условий основные законы физики и предположение, что эти законы никогда не менялись, и пытается вывести граничные условия на момент начала вселенной, ее «первоначальное состояние»: как выглядела она в момент пуска, какой минимальный набор законов требовался, чтобы к определенному моменту в будущем вселенная стала такой, какой мы наблюдаем ее ныне? Именно работа над этим вопросом привела Хокинга к некоторым из его наиболее интересных — и удивительных — открытий.

Получить единое описание частиц и сил и прийти к пониманию граничных условий при возникновении вселенной было бы потрясающим научным достижением, но и это еще не теория всего. Всеохватывающая теория должна была бы учесть еще и «произвольные элементы», присутствующие во всех современных теориях.

Урок языка

К произвольным элементам относятся такие «природные константы», как масса и заряд электрона и скорость света. Мы знаем их по наблюдениям, но ни одна теория не способна объяснить эти величины или предсказать их. Другой пример: физикам известна сила электромагнитного поля и слабых ядерных взаимодействий. Теория электрослабых взаимодействий включает оба явления, но не объясняет, как вычислить разницу между этими двумя силами. Эта разница сил — «произвольный элемент», теория бессильна предсказать его. Физики наблюдают разницу и попросту вставляют ее в теорию «вручную», но, конечно же, видят в этом изъян, недостаток научной стройности.

Предсказание в физике не означает обращенное в будущее пророчество. Задавая вопрос, предсказывает ли та или иная теория скорость света, физик не подразумевает, что теория должна угадать, какова будет скорость света в ближайший вторник. Ученый хочет знать, сумели бы мы, опираясь на эту теорию, вычислить скорость света, если бы не было возможности замерить эту скорость в наблюдении. Так вот, ни одна из ныне признанных теорий не предсказывает скорость света. Это — произвольный элемент во всех физических теориях.

«Модель вселенной — не картонный цилиндр, не рисунок, который мы могли бы разглядеть или пощупать. Это мысленный образ, а то и рассказ»

Когда Хокинг взялся за «Краткую историю времени», он хотел, помимо прочего, прояснить и сам термин «теория». Теория — это не истина с большой буквы, не правило, не факт, не последнее и окончательное слово в науке. Теория — словно игрушечный кораблик: чтобы проверить, поплывет ли он, нужно спустить кораблик на воду. Опускаем осторожно, смотрим — если наш кораблик тонет, вытаскиваем его из воды и что-то в нем переделываем или же вовсе строим новый, учитывая полученные в этом опыте знания.

Некоторые теории оказываются хорошими корабликами, они долго держатся на воде. Кое-где в них имеются течи, и ученые об этом знают, но для практических целей и такие кораблики сойдут. Некоторые теории служат нам так хорошо, так убедительно подтверждаются опытом, экспериментами, что мы начинаем принимать их за истину. Правда, сами ученые, зная, как сложна и полна неожиданностей наша вселенная, не спешат произносить слово «истина». Пусть одни теории подкреплены множеством экспериментов, а другие остаются лишь прекрасными чертежами в умах физиков — великолепно задуманные суда, так и не испытанные на воде, — опасно принимать любую из них за абсолютную, фундаментальную, научную «истину».

С другой стороны, нельзя и колебаться вечно, бесконечно перепроверять надежные теории, если не появилось новых причин усомниться в них. Для развития науки необходимо отобрать среди теорий те, на которые можно положиться, которые в достаточной мере соответствуют данным наблюдений, и, начав строительство с этих блоков, продвигаться дальше. Разумеется, в какой-то момент появятся новые идеи или открытия и попытаются затопить нашу лодку. О том, как это происходит, мы расскажем позднее.

В «Краткой истории времени» Стивен Хокинг дал такое определение научной теории: «Это всего лишь модель вселенной или какой-то ее ограниченной части и набор правил, соотносящих количественные данные этой модели с нашими наблюдениями. Модель существует только у нас в головах и не обладает иной реальностью (что бы ни означало это слово)». Проще всего понять это определение, обратившись к конкретным примерам.

Сохранилась короткая видеозапись, предположительно начала 1980-х: Хокинг через ассистента читает студентам лекцию. К этому времени речь Хокинга была уже настолько затруднена, что его понимали только самые близкие люди. В этом фильме аспирант «переводит» невнятную речь Хокинга — мы слышим: «Мы прихватили на это занятие модель вселенной», — и водружает на стол большой картонный цилиндр. Хокинг хмурится, бормочет что-то, понятное одному лишь ассистенту, и тот, извиняясь, хватает цилиндр и переворачивает его. Хокинг одобрительно кивает, студенты хохочут.

Разумеется, модель вселенной — не картонный цилиндр, не рисунок, который мы могли бы разглядеть или пощупать. Это мысленный образ, а то и рассказ — математическое уравнение или миф о творении.

В каком смысле картонный цилиндр мог представлять вселенную? Чтобы извлечь из него полноценную теорию, как фокусник извлекает из цилиндра кролика, Хокингу пришлось бы объяснить связь этой модели с тем, что мы видим вокруг, с «данными наблюдений» или с теми данными, которые мы могли бы получить, располагай мы более точной аппаратурой для наблюдений. И даже если кто-то поставит на стол картонный цилиндр и объяснит его связь с реальной вселенной, мы еще не обязаны признать этот цилиндр единственной моделью вселенной. Никто не заставляет нас доверчиво глотать любые теории: сперва нужно присмотреться и разобраться. Это всего лишь идея, существующая «только у нас в голове». Может быть, этот картонный цилиндр и годится в модели, а может быть, найдутся факты, противоречащие такой теории. Возможно, мы убедимся, что правила игры, в которую мы вовлечены, в чем-то отличаются от правил, подразумеваемых этой картонной моделью. Означает ли это, что нам предложили «плохую» теорию? Нет, вполне вероятно, что для своего времени это была очень даже хорошая теория, и пока ученые разбирались с ней, проверяли, что-то в ней меняли или опровергали ее, они многому успели научиться.

И для того чтобы покончить с этой теорией, понадобились новый подход, эксперименты, открытия, в результате которых сложилась новая, более удачная теория или же эта работа окупилась каким-то иным образом.

По каким же критериям оценивается, насколько «хороша» теория? Процитируем вновь Хокинга: она должна «точно описывать целый класс наблюдений на основании модели, содержащей не слишком много произвольных элементов, и должна с определенностью предсказывать результаты будущих наблюдений».

Например, теория всемирного тяготения Ньютона охватывает огромный класс наблюдений. Она предсказывает как поведение объектов, падающих на Землю, так и движение планет по их орбитам.

«Если вселенная едина и гармонична, то граничные условия при возникновении вселенной, элементарные частицы и управляющие ими силы, физические константы — все взаимосвязано и полностью совпадает и подчиняется единому закону, неизбежному, абсолютному и самоочевидному»

Однако следует учесть, что хорошая теория рождается не только из наблюдения — это может быть шальная догадка, подвиг воображения. «Способность к скачкам воображения — дар, необходимый физику-теоретику», — утверждает Хокинг. Тем не менее хорошая теория не должна противоречить уже известным данным наблюдений, разве что к ней прилагается убедительное объяснение, почему этими наблюдениями можно пренебречь. Так, теория суперструн, одна из самых интересных современных теорий, предсказывает существование более трех пространственных измерений, и это со всей очевидностью противоречит тому, что мы видим собственными глазами. Теоретики предлагают объяснение: дополнительные измерения свернуты и потому недоступны нашему зрению.

Что подразумевает второе требование Хокинга — ограничить число произвольных элементов в теории, — нам уже известно. И последнее требование: хорошая теория должна предсказывать результаты будущих наблюдений. Она бросает ученым вызов: проверьте меня в эксперименте! Она говорит нам, чтó мы увидим, если эта теория верна. Она также подскажет нам, какие наблюдения смогут опровергнуть эту теорию, если она окажется неверной. Например, общая теория относительности Альберта Эйнштейна предсказывает искривление световых лучей дальних звезд при прохождении мимо тел, обладающих большой массой, — например, мимо Солнца. Это предсказание можно проверить, и проверка подтвердила правоту Эйнштейна.

Некоторые теории, в том числе большинство теорий Стивена Хокинга, не поддаются проверке с помощью современных технологий. Может быть, подходящих технологий не создадут и в будущем. Тем не менее эти теории проверяются — математически. Они должны математически соответствовать тому, что нам известно и что мы наблюдаем. Однако ранние стадии формирования вселенной нам наблюдать не дано, и нет прямых данных за или против гипотезы об отсутствии граничных условий (о ней мы поговорим в дальнейшем). Кое-какие тесты для доказательства или опровержения существования «кротовых нор» предлагались, но сам Хокинг сомневался в результативности этих проверок. Зато он поведал нам, что мы обнаружим, если когда-нибудь обзаведемся нужной технологией, и он убежден, что его теории не противоречат уже имеющимся данным. В некоторых случаях он отваживался предсказывать вполне конкретные результаты опытов и наблюдений, которые должны раздвинуть границы нынешних наших возможностей.

Если вселенная едина и гармонична, то граничные условия при возникновении вселенной, элементарные частицы и управляющие ими силы, физические константы — все взаимосвязано и полностью совпадает и подчиняется единому закону, неизбежному, абсолютному и самоочевидному. Достигни мы такого уровня понимания, мы бы действительно открыли теорию всего, абсолютно всего, вероятно, получили бы даже ответ на вопрос, почему вселенная устроена именно таким образом. Проникли бы в «замысел Бога», как формулирует Хокинг в «Краткой истории времени», в «Великий замысел», как он выражается в недавней книге, именно так и озаглавленной.

Profile

donmigel_62: (Default)
donmigel_62

March 2014

S M T W T F S
       1
2 3 4 5 6 7 8
9 10 11 12 13 14 15
16 17 1819202122
23242526272829
3031     

Style Credit

Expand Cut Tags

No cut tags