Физики не шутят

[Grigoriy]

Любопытная статья, решил запостить сюда:

Сложно о сложном

Физики потихоньку изменяют мир

На протяжении большей части XX века главной наукой была физика. Электрификация, автомобили, полеты в космос, атомная бомба - всеми этими достижениями (если такое слово приложимо к последнему из упомянутых изобретений) человечество обязано именно физике. Ближе к началу нового века энтузиазм человечества в отношении физики слегка угас, а безусловной фавориткой стала биология, обещавшая такие чудеса, как трансплантация новых органов и победа над старостью. Однако, несмотря на потерю статуса, физика не умерла. Ученые, выбравшие для себя эту науку, продолжают работать и создавать удивительные вещи, которые однажды в будущем, возможно, совсем недалеком, смогут изменить мир.

На прошлой неделе физики как будто специально решили напомнить о себе. Практически одновременно вышло множество работ в самых различных областях этой науки. Большая часть исследований была связана с созданием разного рода электронных устройств - очень маленьких или весьма необычных.

Компьютер из всего

Первые машины, для описания которых можно применить термин "компьютер", появились в 1940-х годах. Прародители современных ноутбуков и КПК занимали десяток комнат и могли выполнять несколько тысяч элементарных операций в секунду. Основу электронных вычислительных машин, как их было принято называть в СССР, составляли вакуумные лампы размером с небольшой огурец. На смену лампам пришли транзисторы, которые позже уступили место интегральным кремниевым схемам.

Вскоре после рождения микроэлектроники стало понятно, что ее развитие будет стремительным. В 1965 году, через шесть лет после изобретения интегральной схемы, один из основателей компании Intel Гордон Мур предсказал, что каждые два года число транзисторов на кристаллах интегральных схем будет удваиваться. С ростом числа транзисторов растет и мощность соответствующих вычислительных устройств.

Закон Мура неуклонно выполнялся до настоящего момента. Элементарные компоненты вычислительных устройств становились все меньше и меньше, пока на прошлой неделе большая группа физиков из разных стран не доложила о создании диода из одной молекулы. Диодом называют устройство, которое пропускает электрический ток только в одном направлении. Диоды лежат в основе работы транзисторов, которые с высокой вероятностью тоже уменьшатся до размеров молекул в обозримом будущем.

• Гетероциклическими соединениями, или гетероциклами, называют органические молекулы, имеющие кольцевую структуру и содержащие в своем составе атомы других элементов, помимо углерода.

Мономолекулярный диод состоит из единственной молекулы, один из концов которой закреплен на катоде (электрод, присоединенный к отрицательному полюсу источника тока), а второй - на аноде (электрод, который соединен с положительным полюсом). Молекула-диод состоит из четырех гетероциклических колец, причем на одной ее половине наблюдается дефицит электронов, а на другой - избыток. Свойства диода обеспечиваются за счет того, что концы молекулы прикреплены к электродам строго определенным образом.

Главное достижение авторов нового исследования заключалось именно в разработке схемы присоединения молекулы к электродам. Ученые защитили особые группировки на концах молекулы химическими группами, которые "отваливались" при различных условиях. Последовательно создавая необходимые условия, специалисты добились формирования связей сначала между электродом и одним из концов молекулы, а потом между "оставшимся" концом и вторым электродом.

За несколько дней до выхода работы по созданию диода из одной молекулы другой коллектив исследователей опубликовал статью с описанием микроволнового диода. Как следует из названия, такое устройство пропускает в одном направлении только излучение микроволнового диапазона частот. Добиться такой избирательности авторам удалось за счет использования "леса" из полупроводниковых наноштырей. Подобный "нанолес" обладает свойствами фотонного кристалла - структуры, диэлектрическая проницаемость которой периодически меняется при переходе от одной части кристалла к другой.

• Демон Максвелла - существо, способное переносить быстрые (горячие) молекулы из более холодной области в более горячую, а медленные (холодные) - наоборот, из более горячей в более холодную. Таким образом демон Максвелла нарушает второй закон термодинамики.

Такое строение приводит к появлению запрещенных зон для фотонов определенных энергий. То есть, кристалл блокирует распространение света определенных длин волн и беспрепятственно пропускает излучение других (длина волны излучения связана с энергией фотона обратной зависимостью). Микроволновые диоды теоретически позволяют создавать компьютеры, в которых переносчиками информации являются фотоны, а не электроны.

Одновременно с описанием микроволнового диода появилось исследование, посвященное тепловым диодам. Помимо создания гипотетических тепловых компьютеров такие диоды могут пригодиться для конструирования охлаждающих систем для "обычных" процессоров. В описании теплового диода неуловимо видится демон Максвелла, и это заставляет несколько настороженно относиться к этой работе.

Компьютер из ничего

Еще один гипотетический тип вычислительных устройств, который, возможно, появится в будущем - это квантовые компьютеры. Элементарными единицами таких устройств выступают квантовые системы, а для работы пока не созданных компьютеров используются квантовомеханические эффекты. Несмотря на некоторые ограничения квантовых компьютеров (в частности, они выдают не точный ответ, а вероятностный), их вычислительная мощность намного превосходит мощности традиционных аналогов.

Первые работы, в которых разрабатывалась концепция квантовых компьютеров, появились еще в 1960-х годах. Спустя почти полвека физики и математики существенно углубили теоретические основы работы таких компьютеров, однако практическая реализация все еще остается под вопросом. Тем не менее, ученые по всему миру исследуют возможности квантовых компьютеров и рассматривают различные варианты эмпирического воплощения многочисленных идей.

За прошедшую неделю физики еще немного приблизились к созданию квантового компьютера. Во-первых, им удалось описать, как такие машины будут решать системы линейных уравнений (это умение незаменимо, например, при работе с трехмерной графикой). Во-вторых, ученые описали так называемый дробный эффект Холла в графене. За сложным названием скрывается возможность образование квазичастиц с дробным зарядом, которые могут использоваться в квантовых компьютерах. Графен является чрезвычайно перспективным во многих отношениях материалом, однако до сих пор наблюдать в нем дробный эффект Холла не удавалось. Подытоживая, можно сказать, что новая работа указывает на возможность создания квантовых компьютеров на основе графена.

Необозримые перспективы, открывающиеся в связи с бурным развитием микроэлектроники и (гипотетически) квантовых компьютеров, может перечеркнуть еще одно исследование, появившееся на прошлой неделе. Команда физиков подсчитала, что тот самый закон Мура, который оставался справедливым больше 40 лет, вскоре может нарушиться. Появление у закона Мура "срока годности" связано с фундаментальными законами, не зависящими от уровня развития техники.

Исследователи определили минимально возможное время, необходимое для выполнения одной вычислительной операции. Зная этот параметр, физики подсчитали, сколько операций сможет выполнять идеальный квантовый компьютер за секунду. Согласно их выводам, это число составляет свыше 10 квадриллионов. Быстрее не сможет работать ни один компьютер, насколько бы совершенным и квантовым он ни был. Впрочем, 10 квадриллионов операций в секунду - это настолько огромное число, что, вероятнее всего, действие закона Мура закончится по банальным технологическим причинам задолго до достижения этого значения.

Приятные мелочи

В областях физики, не связанных с квантовыми компьютерами, за последнее время тоже произошло немало интересного. Например, ученые описали, как должна работать такая полезная вещь, как фотонный термос. Собственно, такой термос почти ничем не отличается от обычного, только вместо вакуума между стенками сосуда находятся уже упоминавшиеся выше фотонные кристаллы.

Коме того, физикам впервые удалось наблюдать "магнетричество". Этим термином обозначают движение магнитных монополей - до недавнего времени существовавших только в теории квазичастиц с ненулевым магнитным зарядом. Монополи впервые были получены в спиновом льду в сентябре 2009 года. Авторы новой работы смогли зафиксировать "ток" магнитных монополей и измерить их заряд.

• Магнитный монополь можно мысленно представить себе как один из полюсов магнита в отсутствии второго. В реальности, если попытаться разделить один магнит надвое, то каждый из полученных магнитов все равно будет обладать двумя полюсами.

Другой коллектив исследователей создал в лаборатории черную дыру. Пока она необратимо поглощает только микроволновое излучение, но до конца года авторы обещали сконструировать дыру, "работающую" для всех диапазонов частот. Настольная черная дыра состоит из нескольких слоев метаматериалов. Эти вещества обладают способностью хитрым образом искривлять пути световых лучей. Наиболее активно развивающейся сферой применения метаматериалов является создание устройств, делающих окружающие предметы невидимыми и неслышимыми. Однако не так давно с их помощью предложили сконструировать Большой Взрыв, с которого, как считает большинство физиков, началась Вселенная.

Все еще будет

Несмотря на то что физика не очень часто появляется в заголовках новостей, эта наука продолжает активно развиваться. В настоящее время физики осваивают совершенно новые области, так что пока многие работы являются своего рода пробными шарами. Что будет, когда эти шары вырастут и покатятся по-настоящему, сегодня предсказать трудно. Но с высокой вероятностью - будет интересно.

Ирина Якутенко

[cartesius]

Другой коллектив исследователей создал в лаборатории черную дыру. Пока она необратимо поглощает только микроволновое излучение, но до конца года авторы обещали сконструировать дыру, "работающую" для всех диапазонов частот. Настольная черная дыра состоит из нескольких слоев метаматериалов. Эти вещества обладают способностью хитрым образом искривлять пути световых лучей. Наиболее активно развивающейся сферой применения метаматериалов является создание устройств, делающих окружающие предметы невидимыми и неслышимыми. Однако не так давно с их помощью предложили сконструировать Большой Взрыв, с которого, как считает большинство физиков, началась Вселенная.

Это не черная дыра в релятивистском смысле, а ее имитация. Поглощение микроволнового излучение должно быть связано с повышением внутренней энергии и температуры этих "метаматериалов".

[cartesius]

Печально, что спустя один век таки сбылось предсказание Планку: здание теоретической физики практически полностью достроено, великих фундаментальных открытий нет уже лет 40, после открытия лазера.

Удел физиков-теоретиков - спускаться в шахтах и копаться в поисках крупиц золота, вычерпанного их великими предшественниками. А прикладные физики стали просто умелыми инженерами.

[Chantal]

Интересное название "метаматериалы" Почему мета? Ведь метафизика - это нечто, стоящее за пределами постигаемого опыта. А как известно, физики ни во что такое не верят. Может это и относится в большей степени к теоретикам, но почему такое название? Они абсолютно не связаны? Термин «метаматериалы» имеют качества, нехарактерные для объектов, встречающихся в природе. Значит близко к метафизике или нет?

Не было сделано каких-либо выдающихся открытий в течение 40 лет. Наверное потому, что ученые больше думают левой половиной головного мозга. Нет у них творческого подхода к делу :rolleyes: Хотя нельзя отрицать и большого влияния в будущем, а я думаю, и может доминации именно квантовой физики, которая близко подошла все к той же нелюбимой учеными метафизике.

А я насколько знаю, Макс Планк эти слова про теорию, которая себя исчерпала, услышал от своего преподавателя в университете. И он решил доказать обратное. В общем, ведь он считается отцом квантовой физики. Это не так?

[cartesius]

Интересное название "метаматериалы" Почему мета? Ведь метафизика - это нечто, стоящее за пределами постигаемого опыта. А как известно, физики ни во что такое не верят. Может это и относится в большей степени к теоретикам, но почему такое название? Они абсолютно не связаны? Термин «метаматериалы» имеют качества, нехарактерные для объектов, встречающихся в природе. Значит близко к метафизике или нет?

Не было сделано каких-либо выдающихся открытий в течение 40 лет. Наверное потому, что ученые больше думают левой половиной головного мозга. Нет у них творческого подхода к делу :rolleyes: Хотя нельзя отрицать и большого влияния в будущем, а я думаю, и может доминации именно квантовой физики, которая близко подошла все к той же нелюбимой учеными метафизике.

А я насколько знаю, Макс Планк эти слова про теорию, которая себя исчерпала, услышал от своего преподавателя в университете. И он решил доказать обратное. В общем, ведь он считается отцом квантовой физики. Это не так?

"Мета" - греческая приставка "сверх". Если физика изучает естественные явления, то метафизика - сверхъестественые. Но в 20-ом веке появились такие удивительные явления, как сверхпроводимость, которая также является предметом исследований физики. Метаматериалы - сверхматериалы, обладающие уникальными свойствами, как и следует из текста статьи, хотя и получены вполне естественными путями.

Дело в том, что в конце 19-го века техника не достигла еще максимума своего развития. Люди практически ничего не знали об атомах, о молекулах, могли лишь предполагать, что их свойства не отличаются от обычных объектов. Когда техника дошла до уровня, способного исследовать микромир, обнаружилось, что микрочастицы ведут себя совершенно не так, как ожидалось. Планк, Бор и Эйнштейн исследовали и предсказывали свойства микромира.

В настоящее время же техника практически достигла своего предела. Энергии, требующие для еще более глубокого исследования микромира, слишком велики и требуют миллиардных капиталовложений для построения приборов типа адронного коллайдера. Да и темных пятен в практической физической теории практически не осталось, в отличие от состояния 100-летней давности.

[Chantal]

Картезиус, большое спасибо за подробные разъяснения. Ты как всегда все знаешь

Но мне бы очень хотелось, а вернее, я очень надеюсь, что когда-нибудь физики все-таки будут использовать по полной свои способности обоих полушарий мозга для изучения и дальнейшего развития этой важной науки в современном мире

[cartesius]

Картезиус, большое спасибо за подробные разъяснения. Ты как всегда все знаешь

Но мне бы очень хотелось, а вернее, я очень надеюсь, что когда-нибудь физики все-таки будут использовать по полной свои способности обоих полушарий мозга для изучения и дальнейшего развития этой важной науки в современном мире

Для развития науки одной головы мало, нужно еще и широкое поле для исследований. В том же положении, если не хуже, находятся ботаники, зоологи, географы. Все виды зверей, растений и природных объектов систематизированы, описаны и хорошо изучены. Что остается бедным ученым?

Великих открытий в этих областях уже никогда не будет.

[Chantal]

Ну, о том, что не хватает поля для широкой деятельности, может больше относится к нашему бывшему совку, ученый мир которого сидит на бедных бюджетных дотациях, потому что правительства заняты "игрой в войну". Политика сейчас больше интересует их, и соответственно, самые главные затраты в первую очередь идут к себе в карман, а затем на военные нужды. То есть основные мысли об этом. В более развитых цивилизованных странах, я думаю, процесс отличается бОльшим развитием и эволюцией, в связи с хорошим финансированием.

Знал бы ты, Картезиус, СКОЛЬКО ЕЩЕ ВСЕГО НЕ ИЗУЧЕНО НА ЗЕМЛЕ УЧЕНЫМИ ВСЕГО МИРА! Будет ли это когда-нибудь достигнуто, знает только сам Создатель Вселенной. Так что ничего они особого еще не открыли. Так, элементарное все, в пределах нашей земной цивилизации, но не с точки зрения ВЦ. А почему? Потому что мышление однобокое, настоящие наши способности еще не развились должным образом. Ну и, в некотором роде я уже ответила чуть выше с чем это связано.

[cartesius]

Знал бы ты, Картезиус, СКОЛЬКО ЕЩЕ ВСЕГО НЕ ИЗУЧЕНО НА ЗЕМЛЕ УЧЕНЫМИ ВСЕГО МИРА! Будет ли это когда-нибудь достигнуто, знает только сам Создатель Вселенной. Так что ничего они особого еще не открыли. Так, элементарное все, в пределах нашей земной цивилизации, но не с точки зрения ВЦ. А почему? Потому что мышление однобокое, настоящие наши способности еще не развились должным образом. Ну и, в некотором роде я уже ответила чуть выше с чем это связано.

Знаю, я знаю. Речь идет лишь о том, что некоторые отрасли и направления науки обречены на исчерпание в силу изначально ограниченной сферы их интересов. Скажем, зоология - нет больше новых видов животных, все уже открыты и изучены (хоть и не досконально). Для дальнейшего развития физики элементарных частиц необходимы энергии космического масштаба, которыми человечество не обладает. А, например, механическая статика - вообще полностью изученная область, которой сейчас занимаются лишь инженера да архитекторы.

[Grigoriy]

Так что ничего они особого еще не открыли. Так, элементарное все, в пределах нашей земной цивилизации, но не с точки зрения ВЦ. А почему? Потому что мышление однобокое, настоящие наши способности еще не развились должным образом. Ну и, в некотором роде я уже ответила чуть выше с чем это связано.

[Chantal]

Однако... довольно обидные слова для тех, кто все это "элементарное" открывал...

[Grigoriy]

Ну, во-первых, я лишь один из тех, кто отдает должное всем этим великим умам, которые "ничего ... особого еще не открыли".

Во-вторых вы не так уж и ясно написали: "Так, элементарное все, в пределах нашей земной цивилизации, но не с точки зрения ВЦ". Я этого ВЦ не знаю, то ли это Великий Цезарь, то ли Вычислительный Центр, то ли вареный цыпленок, но все равно - открыватели огня, колеса, письменности и даже таких мелочей как законы тяготения, лазер и ОТО - великие люди.

А чтобы нам смело говорить " СКОЛЬКО ЕЩЕ ВСЕГО НЕ ИЗУЧЕНО НА ЗЕМЛЕ УЧЕНЫМИ ВСЕГО МИРА", нам надо знать сколько всего есть и сколько процентов изучено. Мы этого не знаем. Может это и хорошо.

Уходя от лирики, хочется отметить, что наши шаги в медицине как-то уж слишком малы, если их соизмерять с важностью этой отрасли-науки и с другими отраслями...

[Chantal]

Ну, во-первых, я лишь один из тех, кто отдает должное всем этим великим умам, которые "ничего ... особого еще не открыли".

Во-вторых вы не так уж и ясно написали: "Так, элементарное все, в пределах нашей земной цивилизации, но не с точки зрения ВЦ". Я этого ВЦ не знаю, то ли это Великий Цезарь, то ли Вычислительный Центр, то ли вареный цыпленок, но все равно - открыватели огня, колеса, письменности и даже таких мелочей как законы тяготения, лазер и ОТО - великие люди.

А чтобы нам смело говорить " СКОЛЬКО ЕЩЕ ВСЕГО НЕ ИЗУЧЕНО НА ЗЕМЛЕ УЧЕНЫМИ ВСЕГО МИРА", нам надо знать сколько всего есть и сколько процентов изучено. Мы этого не знаем. Может это и хорошо.

Уходя от лирики, хочется отметить, что наши шаги в медицине как-то уж слишком малы, если их соизмерять с важностью этой отрасли-науки и с другими отраслями...

[bars]

Григорий, пожалуйста, не надо так ерничать со мной и в таком тоне разговаривать. Я не школьница какая, которую вы тут решили отчитать. Знаю я вашу братию, ни во что не верящую, отсюда и результат всех мировых исследований и открытий. И никто вам не мешает отдавать должное этим великим умам человечества.

И почему это я должна тут разъяснять вам, относящемуся к "неверующим фомам", которым надо принести на блюдечке, чтобы вы попробовали это на зуб? Как я могу объяснить человеку, что черное может быть белым, только потому что мы можем это захотеть и увидеть? И что тут непонятного с ВЦ, если это аббревиатура идет в конктексте с земной цивилизацией? Что за примитивный подход с примерами? Конечно речь идет о Внеземных Высших Цивилизациях. Так даже точнее будет и понятнее для вас. Я просто сократила до Внеземных.

Да, я смело могу заявить это выделенное крупным шрифтом! А почему я не могу этого сделать? Мне никто не вправе это запретить или указывать, что я могу писать, а что нет. А вот то, что вы считаете это "хорошо", я не согласна. Это очень плохо.

И что вы называете лирикой? Все мои слова в посте? Или потому что я, не имеющая отношения к науке, смею делать такие заявления? А теперь, так скаать поговорим о медицине. Вы подразумеваете мои высказывания насчет полушарий мозга отношением к медицине? Вы не считаете медицину такой уж важной наукой? Хорошо, пусть так по-вашему, но я вообще-то не имела в виду медицину. И то, что вы написали полностью подтверждает устройство вашего мышления, о котором я говорила выше в постах.

[sacred]

Не стоит делать несвоевременные выводы Господа.Велосипед еще не раз будут изобретать.Ни одна отрасль науки еще не подошла к Рубикону.