Лауреат Нобелевской премии - о погружении в науку

Оригинал взят у paulmylnikov в Лауреат Нобелевской премии - о погружении в науку

Осенью 2003 года Стивен Вайнберг написал колонку для журнала Nature – в которой дал несколько полезных советов молодым учёным.
Впрочем, даже далёким от мира науки они могут пригодиться. 

Когда я получил степень бакалавра, литература по физике казалась мне обширным неизведанным океаном, каждую деталь которого предстояло нанести на карту прежде, чем отправляться в самостоятельное плавание. Как мог я заниматься  чем-либо, не зная всего, что уже было сделано или открыто? К счастью, на первом году дальнейшего обучения я попал под крыло опытных учёных, которые в ответ на беспокойные возражения настаивали, что я должен взяться за исследования, постигая все необходимые знания в процессе работы. Пан или пропал. К моему удивлению, их совет сработал. Я быстро получил кандидатскую степень, хотя в то время почти ничего не знал о физике. Впрочем, я выучил один важный урок: не существует человека, знающего абсолютно всё – и вам ни к чему стремиться к этому.

( Следующий урок )

таблица заимствований

Оригинал взят у sergepolar в таблица заимствований

Только водород и гелий свои изначально.
Остальное заимствовано у космических лучей, звезд и сверхновых.

Квантовый компьютер D-Wave Two проигрывает обычному компьютеру в одном из "не квантовых" тестов прои

Квантовый компьютер D-Wave Two проигрывает обычному компьютеру в одном из "не квантовых" тестов производительности

В прошлом году компания Google и американское космическое агентство НАСА объединились и приобрели в свое распоряжение квантовый компьютер D-Wave Two с целью изучения технологий машинного самообучения и разработки новых методов обработки огромных массивов информации.

И за это время в Лаборатории искусственного интеллекта, в которой установлен вышеупомянутый квантовый компьютер, был произведен ряд работ, результаты некоторых из которых уже нашли практическое применение. Среди задач, которыми загружен квантовый компьютер D-Wave, с завидной регулярностью проскакивают различные тесты, проведение которых имеет цель выяснения преимуществ и недостатков квантовых компьютеров в сравнении с обычными вычислительными системами.

В одном из таких тестов, который является одним из основных тестов производительности, компьютер D-Wave в пух и прах проиграл обычному настольному персональному компьютеру, пусть и в самой мощной на сегодняшний день конфигурации.

В теории квантовые компьютеры по определению должны быть быстрее традиционных вычислительных систем, процессоры которых оперируют только двумя значениями битов, логической 1 и логическим 0. В отличие от этого квантовые биты, кубиты, могут находиться в состоянии так называемой квантовой суперпозиции, когда их значение равно одновременно 1 и 0. В связи с этим квантовый компьютер может выполнять большее количество одновременных операций над одним битом, что делает его более быстрым, нежели обычная вычислительная система.

Во времена проведения предыдущих тестов компьютер D-Wave Two уже не раз продемонстрировал свою высокую эффективность при решении задач определенного вида. Но на этот раз, алгоритм одного из стандартных тестов на производительность, переложенный специалистами компании Google на язык квантового компьютера, нагрузил квантовые биты так, что суммарная производительность компьютера была ниже обычного настольного компьютера.

Более того, квантовый компьютер D-Wave Two не оправдал надежд специалистов НАСА, которые задействовали его вычислительные мощности в программе анализа данных, собранных космическим телескопом Kepler, миссия которого заключалась в поиске экзопланет, вращающихся вокруг далеких звезд.

Анализ всех данных, выполненный квантовым компьютером, не позволил выявить ни одной экзопланеты сверх того, что уже было обнаружено раньше при помощи обработки этих данных обычными вычислительными системами.

Специалисты объясняют этот феномен тем, что квантовый компьютер при каждом шаге выполнения программы требует этапа своего переконфигурирования, от чего свободен обычный компьютер.

Тем не менее, ни специалистов компании Google, ни специалистов НАСА абсолютно не расстраивает низкая производительность компьютера при выполнении традиционных задач, их более интересует способность компьютера самообучаться и решать иные задачи, которые могут быть решены только при помощи технологий квантовых вычислений.

Тем временем канадская компания D-Wave готовится к выпуску своего компьютера третьего поколения. Этот компьютер, который появится к концу этого года, будет иметь тысячу квантовых битов, что ровно в два раза больше количества квантовых битов компьютера D-Wave Two, и специалисты D-Wave считают, что их новый компьютер будет в состоянии с честью выдержать любой тест производительности.

http://www.newscientist.com/article/dn24882-googles-quantum-computer-flunks-landmark-speed-test.html?full=true#.Ut2xxbSGi00

Почему воспаление в мозге вредит памяти

Почему воспаление в мозге вредит памяти

Воспаление, которое может начаться в мозге, например, при болезни Альцгеймера, через эпигенетические механизмы подавляет работу гена, отвечающего за формирование синапсов: в результате синапсы исчезают, нейронные цепочки распадаются, память слабеет.

Ответить на вопрос, почему при болезни Альцгеймера ухудшается память, не так просто, как кажется. Главную роль тут играют знаменитые бета-амилоид и тау-белок, которые образуют нерастворимые отложения в нейронах, но вот как именно они вредят клеткам — учёные всё ещё обсуждают. Самая распространённая и самая очевидная версия состоит в том, что сами эти белковые отложения и губят нейрон. Однако, согласно некоторым последним данным, дело может быть не столько в отложениях, сколько в растворимых формах этих же белков, которые вмешиваются в регуляцию глюкозного обмена клетки и тем самым ухудшают её самочувствие.

Белковые отложения в мозге при болезни Альцгеймера вредят памяти с помощью воспалительной реакции. (Фото Visuals Unlimited / Corbis.)

Кроме того, нейродегенеративные заболевания, в том числе болезнь Альцгеймера, тесно связаны с воспалением: оно может спровоцировать болезнь, но и сам бета-амилоид способствует его развитию. Может, это воспаление в мозге и есть изначальная причина ухудшения памяти?

В журнале Nature Neuroscience исследователи из Кливлендской больницы (США) утверждают, что именно так дела и обстоят: воспаление меняет активность генов, имеющих отношение к синапсам, в результате чего синапсы исчезают и нейронные цепочки, поддерживающие память, распадаются.

Нейровоспалительный процесс подавляет работу фермента гистоновой деацетилазы 2, из-за чего возрастает уровень ацетилирования на гистонах, связанных с геном Nlgn1. Изменения в ацетилировании гистонов — один из основных эпигенетических рычагов регуляции генетической активности; если гистон сильно ацетилирован, он «запирает» гены, с которыми связан, и они становятся неактивными.

В данном случае это приводит к падению уровня белка нейролигина-1, который необходим для образования и поддержки синапсов и который участвует в формировании памяти. А за этим, по словам авторов работы, распадались нейронные цепочки в гиппокампе, одном из главных центров памяти в мозге, и память начинала слабеть. Начиналось же всё, напомним, с появления амилоидных отложений в нейронах.

Предыдущие эксперименты этой же исследовательской группы показали, что некое вещество MDA7 может тормозить воспаление в нервной ткани и что у животных это MDA7 способствовало восстановлению синаптической пластичности и памяти. Теперь эти результаты получили более или менее подробное молекулярно-генетическое объяснение того, как именно воспаление вредит памяти. Кстати, об MDA7: все необходимые доклинические тесты уже проведены, и теперь исследователи ждут, когда можно будет начать клинические испытания. Если они окажутся успешными, у нас появится средство, которое поможет если не остановить, то хотя бы ещё сильнее замедлить утрату памяти при болезни Альцгеймера.

А пока что для борьбы с воспалением в мозге можно использовать обычный кофе: не так давно удалось выяснить, что кофеин защищает нейроны от воспалительных атак иммунной системы, давая клеткам возможность нормально работать.

Подготовлено по материалам Medical Xpress. Изображение на заставке принадлежит Shutterstock.

Кирилл Стасевич

Млечный Путь формировался изнутри - наружу

Млечный Путь формировался изнутри - наружу

Проект «Gaia — Европейская южная обсерватория» объединяет только что «заступивший на вахту» космический телескоп с наземными средствами наблюдения. И наземные компоненты системы показали отличный результат ещё до получения первых плодов работы космического собрата.

Используя данные «Очень большого телескопа», что расположен в Чили, исследователи во главе с Джерри Гилмором (Gerry Gilmore) из Кембриджского университета (Великобритания) показали, что, судя по распределению химических элементов в галактическом диске, наша Галактика формировалась сначала в районах, прилегающих к ядру, и лишь затем постепенно распухала во все стороны.

Сначала Млечный Путь был много компактнее, и лишь по мере взросления и поглощения соседних галактик он расширился до своей современной периферии. (Здесь и ниже иллюстрации Wikimedia Commons, Joe Parks, Gaia-ESO.)

Массивные звёзды, чаще всего нарабатывавшие те или иные элементы, включая магний, разбрасывают его по своим окрестностям при взрыве, который ставит точку в их жизненном цикле. Хотя это давно известно, отследить распространение магния в различных звёздах Галактики долгое время не удавалось.



На сей раз астрономы сравнили содержание магния в так называемом Солнечном круге — той части Галактики, которая находится внутри орбиты Солнца, обращающегося вокруг центра Млечного Пути. Выяснилось следующее: тамошние светила богаты магнием куда чаще, чем их аналоги за пределами этого круга.

При этом вне круга звёзды могут быть как металлически богатыми, так и бедными, однако средний их возраст много меньше, чем внутри круга, и даже при общей высокой металличности магния в них меньше, чем у столь же богатых тяжёлыми элементами светил внутри «Солнечного круга».

Кроме прочего, выяснилось и то, что звёзды в молодом «тонком диске» Галактики, имеющие возраст до 8 млрд лет, почти все характеризуются сходной степенью металличности, вне зависимости от того, живут ли они семь или один миллиард лет. При этом многие из них весьма богаты тяжёлыми элементами.

Та часть Галактики, что лежит внутри Солнечного круга, опредёленно древнее и богаче магнием.

А вот звёзды старше 9 млрд лет, частые для так называемого толстого диска Галактики, плавно «теряют» в металличности с возрастом, и при этом ни одна из тех, что перевалила за этот рубеж, не может похвастаться изобилием тяжёлых элементов. В то же время отдельные светила обоих дисков могут иметь самый разный возраст, и нельзя сказать, что в «толстом» или «тонком» диске сосредоточены объекты лишь одной группы.

В ближайшее время эти данные будут значительно дополнены наблюдениями космического телескопа Gaia.

Отчёт об исследовании вскоре появится в журнале Astronomy and Astrophysics, а его препринт доступен на сайте arXiv.

Подготовлено по материалам Кембриджского университета.

Александр Березин

В созвездии Волка рождается колоссальная планетная система

В созвездии Волка рождается колоссальная планетная система (видео)

Наблюдения молодой звезды HD142527 спектрального класса F, отстоящей от нас на 437 световых лет, подтвердили, что там формируется планетарная система исполинских масштабов.

HD 142527 не старше одного миллиона лет, поэтому у неё ещё есть объект Хербига — Аро, небольшой участок туманности, живущий несколько тысяч лет. Разумеется, наблюдения за этой системой бесценны, поскольку демонстрируют тот момент формирования, который чрезвычайно редко можно видеть с таких сравнительно небольших дистанций.

Газ и пыль у звезды HD142527. Ближний ИК показан синим. Хорошо видно, что в системе уже идут процессы образования отдельных тел, быть может, довольно массивных. (Здесь и ниже илл. ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), NAOJ, Fukagawa et al.)

При помощи снимков радиотелескопа Атакамской большой миллиметровой-субмиллиметровой решётки (ALMA) удалось уточнить оценки плотности асимметричного протопланетного кольца, окружающего звезду, и прийти к выводу, что в нём должно идти активное формирование планет. Примечательно, что этот регион протопланетного диска располагается примерно в 150. а. е. от звезды, то есть впятеро дальше, чем Нептун от Солнца, и намного дальше, чем «Вояджер-1» от него же. Это первое свидетельство образования планет на столь огромном удалении, и оно значительно углубляет наше понимание того, как формируются все эти загадочные планеты, которые астрономы обнаруживали в других, уже сформировавшихся системах на необычных орбитах, вплоть до 600 а. е. от своих звёзд.


Ранее выдвигались предположения о том, что сформироваться в такой жуткой дали планеты не могли — а значит, оказались там в силу миграционных процессов. Новые наблюдения, однако, скорее поддерживают гипотезу об образовании планет на сверхудалённых орбитах in situ.

Заметим, что речь идёт об одном из главнейших вопросов экзопланетной астрономии: совершенно непонятно, почему в одних системах мы находим планеты, вращающиеся вокруг светила в десятки раз ближе Меркурия, а в других, напротив, отстоящие на дистанции, где в Солнечной системе нет не только планет, но даже массивных обломочных дисков. Это экзопланентное разнообразие определённо указывает на неполноту наших представлений о механизмах и месте образования небесных тел.

Именно поэтому, когда проект ALMA установил, что одна часть протопланетного диска, условно называемая северной, даёт изучение в субмиллиметровом диапазоне в 30 раз ярче, чем противоположная сторона (признак формирования планеты), это произвело довольно сильное впечатление на астрономов.

«Мы чрезвычайно удивлены яркостью в северной части, — говорит Мисато Фукагава (Misato Fukagawa) из Осакского университета, возглавлявший научную группу. — Я никогда не видел столь яркого пятна на таком удалении от звезды».

Та же система в радиодиапазоне. Северная часть диска выделена оранжевым.

Измерив различия в изотопомерах угарного газа, зарегистрированного в облаке, учёные установили, что там вполне достаточно материла для формирования планет. Пока не удалось лишь выяснить, тела какого именно типа там возникнут. Исследователи собираются продолжить изучение, чтобы выяснить, является ли соотношение газа и пыли в этом регионе стандартным для наблюдаемой Вселенной (пыль к газу относится как 1:100) — или, напротив, около HD142527 сложились «пылевые ловушки», которые могут привести к формированию тел, где основную часть массы составляют твёрдые породы, а не лёгкие газы. В первом случае следует ожидать рождения газовых гигантов, а во втором — твёрдых планет земного типа.

Отчёт об исследовании вскоре появится в журнале Publications of the Astronomical Society of Japan, а с его препринтом можно ознакомиться здесь.

Подготовлено по материалам Национальной астрономической обсерватории Японии.

У самцов дрозофил нашли нейроны агрессивности

У самцов дрозофил нашли нейроны агрессивности

Чтобы самцы плодовых мушек могли лучше управлять своей агрессивностью, природа снабдила их специальными нейронами и особым нейропептидом, которые есть только у самцов и которые отвечают у них за агрессивное поведение.

Теория о врождённой агрессивности особей мужского пола получила ещё одно подтверждение — правда, пока оно касается только самцов дрозофил. На страницах журнала Cell Дэвид Андерсон (David Anderson) и его коллеги из Калифорнийского технологического института (США) описывают специфические нейроны агрессивности, которые им удалось отыскать у «мужчин» этих насекомых.

Довольно просто устроенная нервная система дрозофил позволяет создавать линии мух, у которых можно включать и выключать нейроны определённого типа. Заодно можно следить за динамикой нейропептидов, связанных с тем или иным типом нервных клеток. Исследователи произвели 40 линий таких мух, каждую из которых испытали на агрессивность, повышая активность того или иного типа нейронов. Оказалось, что наиболее резкий ответ был при стимуляции нервных клеток, синтезирующих нейропептид тахикинин (tachykinin, или Tk).

Чтобы завоевать самку, самцы дрозофил должны знать толк в сражениях. (Фото Solvin Zankl.)

Дальнейшие исследования показали, что эти нейроны характерны лишь для самцов. В том, что один пол имеет какие-то нервные клетки, отсутствующие у другого, нет ничего необычного: у тех же дрозофил есть специфические самцовые нейроны, отвечающие за брачный ритуал. Однако для агрессивного поведения такая нейронная специфичность по полу до сих пор ни у кого не наблюдалась.

Изучая эти нейроны, авторы работы обнаружили заодно и ген, от которого зависела степень агрессивности в поведении самцов: чем сильнее он был активен, тем больше получалось нейропептида Tk и тем жёстче вели себя мухи. Если активация клеток накладывалась на гиперактивность этого гена, дрозофилы нападали даже на те цели, которые им положено игнорировать. Для агрессивного поведения нужна обычно какая-то причина — скажем, запах соперника, но «простимулированным» самцам, чтобы начать атаку, никакого запаха не требовалось: они бросались даже на неодушевлённые объекты, сравнимые по размеру с ними самими.

Впрочем, тут было бы точнее говорить о том, что у самцов больше не столько агрессивности, сколько инструментов, чтобы ею управлять. Наличие у них специального гена и специальных нейронов, которые стимулируют буйное поведение, ещё не говорит о том, что агрессивность в них заложена генетически, поскольку она не зависит от одних лишь генов — и сами по себе самцы на неодушевлённые предметы не бросаются. Но можно представить, что некоторые аномалии в поведении вполне могут быть связаны именно с дефектами мужской нейронно-генетической системы контроля агрессивности.

Но, говоря «мужской», мы опять же делаем допущение о том, что такая специфическая нейронно-генетическая система есть у людей, а это пока под вопросом: исследователям предстоит ещё проверять и проверять, есть ли нейроны агрессивности у каких-то других видов животных, кроме плодовых мушек.

Подготовлено по материалам Калифорнийского технологического института.

Кирилл Стасевич

Позволит ли одна безумная идея разглядеть инопланетную жизнь?

Позволит ли одна безумная идея разглядеть инопланетную жизнь?

Если вы посветите на кучку стеклянных, скажем, шариков лазером, то они «зависнут», приняв форму шестиугольника. Как ни смешно это звучит, такой метод можно использовать для создания мощнейшего телескопа в земной истории.

Оптический пинцет — это... впрочем, вы и так знаете. К сути: если стеклянный или любой другой шарик попадётся на пути лазерного луча, то он сдвинется от краёв последнего, где излучение слегка слабее, к центру, где оно сильнее.

Но что будет, если этих шариков много? Все они не смогут занять центр луча: там просто не хватит места. Поэтому они образуют двумерный гексагональный объект, выстраиваемый перпендикулярно направлению распространения луча. Что интересно, входя в контакт с соседними шариками, они прилипнут друг к другу за счёт электростатических сил.

Полторы сотни 3-микрометровых пенополистироловых шариков выглядят не слишком серьёзно, но именно за подобными самособирающимися зеркалами, вероятно, будущее космических телескопов. (Иллюстрация Grzegorczyk et al.)

Итак, перед нами самосборка тонкой перегородки, причем если вы из хулиганских побуждений проделаете в ней дыру, то она затянется «сама по себе» — точнее, за счёт действия луча. Более того, если сделать перегородку из правильного материала, перед вами предстанет зеркало. Если полученная поверхность будет ровной... Да, вы правы: это рецепт изготовления зеркал для космических телескопов титанических размеров.



Трио физиков во главе с Жан-Марком Фурнье (Jean-Marc Fournier) из Швейцарской высшей политехнической школы в Лозанне провело эксперимент, чтобы понять, насколько ровным может быть такое зеркало. Для этого использовался лазер, подобным образом управляющий группой пенополистироловых шариков в воде. В итоге шарики действительно самособрались в плоское зеркало. В теории подобным же образом можно получить и слегка изогнутые поверхности, и даже трёхмерные.

Применив это плоское зеркало как часть системы получения изображений, исследователи оценили качество его работы, и результаты оказались... никудышными. Впрочем, иного и ожидать не стоило — ведь это эксперимент по доказательству работоспособности концепции, а вовсе не конвейер по сборке телескопов, по крайней мере пока. И тем не менее удалось продемонстрировать, что зеркало не слишком сильно искажает отражаемый свет; это в принципе позволяет использовать нечто подобное в телескопах.

Чтобы понять, насколько хорошо подобное зеркало будет в реальных условиях, учёные попробовали оценить качество работы моделируемого аналога. По сегодняшним оптическим стандартам, зеркало имело не слишком ровную поверхность, однако было способно почти к такой же фокусировке, что и очень ровное зеркало. Исследователи, по сути, показали, что этот регулярный упорядоченный набор шариков действует как большой массив антенн, работающих со светом.

При размерах составляющих зеркало частиц, меньших, чем длина световой волны, с которой будет работать телескоп, получились весьма оптимистичные результаты в смысле качества и устойчивости подобного зеркала к ошибкам. Чтобы добиться их, учёные предположили, что частицы можно будет расположить при помощи такого оптического пинцета с точностью до 200 нм, что, вообще говоря, довольно сложно при сегодняшнем уровне техники.

Приняв это допущение о размерах частиц, авторы работы попробовали оценить массу такого зеркала. Оказалось, что для расчётной отражающей плоскости в 35 м, созданной из шариков диаметром 100 нм, вес будет равен 100 г. Более того, даже если размер шарика поднять до микрометра, подобное зеркало всё равно будет легче создаваемого по нынешним технологиям.

Почему это важно? Просто вглядитесь в зеркала современных космических телескопов. «Кеплер» — 1,4 м. «Джеймс Уэбб» (который ещё только предстоит достроить и запустить) — 6,5 м из 18 частей. Очевидно, что если исследователи правы, то при аналогичной стоимости проекта они смогут развернуть зеркала как минимум на порядок крупнее — то есть добиться от них такого качества итоговых изображений, которое позволит напрямую увидеть сами экзопланеты, а не ограничиваться регистрацией колебаний в светимости их родительских звёзд в момент прохождения планет перед диском.

Впрочем, нельзя сказать, что тут всё чересчур радужно. Да, зеркало может быть большим и самовосстанавливающимся, но приводиться в рабочее состояние оно будет при помощи лазера.

Зеркало размером 35 м при текущем уровне развития оптических пинцетов потребует от лазера внушительной мощности — точнее, огромной, вплоть до гигаваттов, а по иным оценкам — и до 100 ГВт. Хотя это вполне достижимо, если использовать массив лазеров с излучением, согласованным по фазе, запитать их в космических условиях будет неоткуда: вряд ли космический телескоп сможет нести с собой пару сотен квадратных километров солнечных батарей.

Однако не будем отчаиваться: технологии оптических пинцетов развиваются довольно быстро, и, кроме того, в качестве заместителя сплошного зеркала можно использовать сразу много малых зеркал, что потребует намного меньших энергозатрат и, как знать, может оказаться по зубам телескопам следующего поколения. Джонатан Аренберг (Jonathan Arenberg) из Northrop Grumman, ведущий инженер «Джеймса Уэбба», замечает, что у схемы есть важные принципиальные достоинства, и массивы таких зеркал на оптических пинцетах в принципе способны иметь практически любые размеры — при меньшем энергопотреблении, чем у сплошных объектов.

На первый взгляд — научная фантастика. С другой стороны, всего 70 лет назад «Кеплер» показался бы среднему астроному куда бóльшей фантастикой. (Иллюстрация Lucasfilm.)

«10 или 100 км при таком методе могут стать достижимыми, и это позволит получать прямые изображения двойников Земли в других планетных системах, вплоть до снимков континентов и покрытых лесами районов, аналогичных Амазонии на Земле», — считает г-н Аренберг.

Это, в теории, обещает переворот в экзопланетной астрономии, сравнимый с «кеплеровским», если не более серьёзный. По всей видимости, с зеркалами такого размера нам наконец-то станет доступен поиск признаков обитаемости как минимум на планетах у ближайших звёзд. Излишне говорить о тех последствиях, которые может иметь такая находка для человечества как вида. Несмотря на вышеописанные практические затруднения для развёртывания таких зеркал, потенциал собственно технологии огромен, и дальнейшие исследования в этом направлении могут иметь чрезвычайное значение.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Physical Review Letters.

Подготовлено по материалам Ars Technica.

Александр Березин