Архив рубрики: Физика

Долгое возвращение «эмпэ» Бронштейна

(Март 2018, сюжеты НБКР)

Будущее наступает незаметно (как многие наслышаны, вероятно). Но услышать мимоходом от кого-то затертую до банальности народную мудрость – это одно, а вот осмысленно наблюдать собственными глазами, как именно происходят великие и в то же время незаметные перемены в науке – это совершенно другое.

В первых числах марта сразу на двух широко известных веб-сайтах – почти одновременно и абсолютно независимо друг от друга – появились публикации о разных новейших достижениях на передовых рубежах физической науки. Объединяет же статьи то, что центральным персонажем данных материалов является один и тот же человек из весьма отдаленного прошлого. Некто Матвей Петрович Бронштейн (для близких «Митя» и, как правило, просто «эм пэ» для остальных). Один из самых выдающихся, ярких и разносторонних теоретиков ранней советской науки, трагически погибший совсем молодым еще человеком в конце 1930-х годов…

Первая из публикаций этой пары – научно-популярная статья  на сайте солидного издания Quanta Magazine – посвящена новым идеям и затеям в области физики экспериментальной. Статья другая – сугубо теоретического прогнозно-обзорного характера – появилась на сайте научных препринтов Arxiv.org.

И если принять во внимание тот факт, что за всю четверть-вековую историю проекта Arxiv.org среди исчисляемых уже миллионами статей здесь появилось всего лишь три (не считая самую свежую) работы, посвященных освоению научного наследия Матвея Бронштейна, а в новостях мировых СМИ (согласно поисковику Google) за все последние годы имя этого ученого вообще нигде и никем не упоминалось ни разу (помимо нынешнего), то выявленное здесь совпадение выглядит по меньшей мере примечательным.

С учетом же того, что комплекс идей, выдвинутых и разрабатывавшихся Бронштейном свыше 80 лет назад, именно сейчас выходит в физике на самые передовые рубежи научных исследований, несложно сообразить, наверное, что синхронный дуплет нынешних публикаций – это событие вовсе на случайное. А отражающее дух времени, что называется. Или другими словами, событие, определенно достойное внимания и более тщательного рассмотрения.

Читать далее Долгое возвращение «эмпэ» Бронштейна

Новый канал связи «вода-воздух»

(Январь 2018, сюжеты НБКР)

Любопытная новость в развитие предыдущего материала – из области инструментальных транс-коммуникаций между средами с разными физическими свойствами.

Сконструированный учеными новый материал способен эффективно передавать звуки между водой и воздухом – причем в ту и другую сторону.

Вода имеет намного большую плотность, чем воздух, и передает звук с большей скоростью. Для физики распространения волн это несоответствие скоростей означает, что когда звук, проходящий в воде, достигает её границы с воздухом, то свыше 99,8% звуковой энергии отражается обратно интерфейсом между разными средами.

Дабы улучшить передачу звукового сигнала из одной среды в другую, коллективом корейских ученых из университета Yonsei в Сеуле создан особая «метаповерхность». То есть специфической структуры материал, состоящий из массива крошечных элементов, позволяющих изменять форму сигнала весьма особенным образом, чего обычные естественные материалы делать не могут.

Когда звуковые волны, приходящие из воды, достигают поверхности «приемопередатчика» из этого материала толщиной 4,8 миллиметра, то там они проходят по особым каналам–цилиндрам, каждый из которых содержит наполненную воздухом полость и латексные мембраны.

Благодаря такой конструкции «метаповерхности», звуковые волны, отражающиеся от различных частей структуры, взаимодействуют друг с другом так, чтобы сокращалось общее отражение энергии обратно в воду. Результатом же такого перераспределения энергии становится то, что сигнал вторичной волны, передаваемой в воздух, усиливается примерно в 160 раз, так что теперь в среду воздуха переходит 30% исходной энергии звука.

Среди потенциальных областей применения новой технологии авторы упоминают морскую биологию, поскольку теперь есть возможность применять уже имеющиеся чувствительные микрофоны, разработанные для работы воздухе, для выявления, записи и анализа звуков подводных.

#

Идейно похожая конструкция пассивного приемо-передатчика на основе цилиндрической полости и мембраны была изобретена Львом Терменом в 1940-е годы – для работы в качестве подслушивающего устройства. Технология весьма успешно применялась сначала советской разведкой, а затем и перенявшими её англо-американскими спецслужбами. Подробности см. в материалах «Крипто-акустика» и «Секреты дальночувствия».

Основной источник:
Metasurface for Water-to-Air Sound Transmission
Eun Bok, Jong Jin Park, Haejin Choi, Chung Kyu Han, Oliver B. Wright, and Sam H. Lee
Phys. Rev. Lett. 120, 044302 – Published 26 January 2018

Секретная гидрофония с открытым ключом

(Октябрь 2001)

Подводные коммуникации – дело крайне непростое. Инженеры многие десятилетия бьются над созданием надежных и дальнодействующих систем связи для подводников, однако вплоть до нынешнего времени для приема и передачи сообщений на глубине чаще всего продолжают использовать несложные устройства под названием гидрофоны.

Но звуковые волны в океане имеют тенденцию разбегаться во всех направлениях, многократно отражаясь от дна и поверхности воды, плюс активно интерферируя с собственными отражениями. Поэтому даже на сравнительно небольших расстояниях акустический сигнал от одного гидрофона до другого доходит зачастую в чудовищно искаженном виде, слабо поддающемся восстановлению и пониманию.

Так что более-менее приличные результаты связи эта техника дает лишь на больших глубинах, а для дальней связи с берегом или другими кораблями подлодкам приходится либо всплывать, либо использовать плавающую на поверхности антенну. И тот, и другой метод, ясное дело, плохо подходят для тайных операций, которые так любят возлагать на субмарины.

Новая оригинальная идея недавно пришла в голову Джефу Эдельману (www.geoffreyedelmann.com) и его коллегам по Институту океанографии в Сан-Диего. Они решили воспользоваться для связи специфической методикой эхолокации, обычно применяемой на флоте при поиске вражеских подводных лодок и именуемой «акустическое обращение времени».

Читать далее Секретная гидрофония с открытым ключом

BackDoor, или нелинейная магия ультразвука

(Август 2017)

В области электроники для обработки акустических сигналов открыта новая примечательная технология. Одновременно у новинки обнаруживается множество корней, уходящих вглубь тысячелетий – но об этом стараются не говорить…

Новый взгляд на известные вещи

В последних числах июня 2017 среди ландшафтов Ниагарского водопада проходила очередная международная конференция MobiSys 2017, на которую ежегодно собираются представители науки и индустрии, занимающиеся развитием обширной области под названием «системы мобильных коммуникаций».

По завершении данного мероприятия, как это здесь заведено, специальное жюри критически оценило все сделанные на конференции доклады и выбрало среди них самый лучший, отметив работу почетным призом. В нынешнем году победителем конкурса стала работа под названием «БэкДор: заставляя микрофоны слышать неслышные звуки» («BackDoor: Making Microphones Hear Inaudible Sounds«, by Nirupam Roy, Haitham Hassanieh, Romit Roy Choudhury, PDF ).

Самую замечательную особенность этого исследования, проведенного учеными Университета Иллинойса в Шампань-Урбана, можно охарактеризовать, по мнению коллег, как существенно новый и оригинальный взгляд на нелинейные свойства аппаратуры для обработки аудиосигналов.

Согласно общепринятым воззрениям, линейность акустического сигнала – то есть возможность принимать его очень слабым, а затем усиливать и передавать без каких-либо искажений – является важнейшим условием для качественной работы всякой аудиоаппаратуры. Нелинейное же поведение таких сигналов, соответственно, с давних пор принято рассматривать как крайне нежелательный эффект, порождающий разного рода искажения и мешающий чистой передаче звука. Отчего с нелинейностью в акустике обычно принято бороться и всячески её подавлять.

Теперь же учеными разработана особая методика и сконструированы устройства, которые позволяют смотреть на проблему в корне иначе, предоставляя массу возможностей для извлечения из нелинейности всяческой пользы. Аккуратно формируя специфические ультразвуковые сигналы, исследователи продемонстрировали неожиданный феномен: генерируемые подобным образом звуки совершенно не слышны для людей, но при этом хорошо регистрируются и записываются никак не модифицированными обычными микрофонами.

Столь интересная особенность новой нелинейной акустики – всегда оставаться за пределами слышимости для людей, но отчетливо и громко появляться в аудиозаписях – при творческом или коммерческом подходе к делу может воплощаться во множество новых приложений. Начиная от акустических «водяных знаков» или неслышных аудио-коммуникаций между устройствами «интернета вещей» и заканчивая ультразвуковой защитой конфиденциальных переговоров с помощью неслышного глушения всех подслушивающих устройств.

Но особенно интересные аспекты новой технологии – это такие, о которых ее разработчики не говорят ни слова. Однако и с данными гранями новшества разбираться тоже надо обязательно. Ибо концептуально близких и просто очевидно родственных технологий-предшественников здесь на самом деле имеется довольно много.

Самое же главное, что слои непроявленных взаимосвязей здесь необычайно богаты и уходят вглубь тысячелетий. Ну а надлежащее освоение всех этих вещей позволяет сильно иначе смотреть не только на загадки истории или тайны устройства нашего организма, но и на куда более масштабную тему – о смертности тела и бессмертии сознания человеческого…

Читать далее BackDoor, или нелинейная магия ультразвука

Вопрос, конечно, интересный…

(Июль 2017)

Публикация про «обратный разбрызгиватель Фейнмана» вызвала не только заметное оживление среди читателей, но и породила естественные вопросы — главным образом, из-за видео-демонстраций на YouTube, наглядно как бы «опровергающих» глубину проблемы.

Если напомнить суть проблемы совсем вкратце, то очередное обращение к теме весьма странной физики, которую демонстрирует Reverse Sprinkler или простой разбрызгиватель воды для лужаек, работающий в обратную сторону, заключалось вот в чем.

Читать далее Вопрос, конечно, интересный…

О внимании к деталям (Фейнман)

(Июнь 2017)

Окончание «двух-сюжетного» материала. Сюжет второй – о малоизвестных фактах и до сих пор неясных моментах из научной биографии физика-теоретика, нобелевского лауреата Ричарда Фейнмана.

На сайте-агрегаторе «хакерских новостей», где тусуется по преимуществу публика из той весьма широкой категории ИТ-специалистов, которую обобщенно именуют «программисты», в очередной раз мелькнула тема под названием Feynman sprinkler или «Разбрызгиватель Фейнмана» по-русски.

Тему эту весьма затруднительно называть свежей новостью, коль скоро Ричард Фейнман покинул этот мир три десятка лет тому назад. Но по каким-то умалчиваемым причинам так называемый «фейнмановский разбрызгиватель» всплывает для обсуждений на форуме Hacker News с примечательной регулярностью: не только в 2017 году, но и годом ранее в 2016, и два года тому назад в 2015.

Помимо перечисленных, на этой же площадке можно найти и другие страницы подобного рода, однако суть в том, что каждый раз никакого содержательного обсуждения на самом деле не получается. Кому-то почему-то данная тема явно очень интересна, для начала дискуссии стандартно приводится ссылка на информативную статью в Википедии, – однако изюм проблемы участники дискуссии либо не ухватывают, либо просто не способны добавить что-либо новое или мало-мальски оригинальное.

Короче говоря, всякий раз обмен мнениями стабильно и быстро затухает. Что при первичном поверхностном взгляде на этот сюжет выглядит естественным и понятным – ведь статья в Википедии доходчиво объясняет не только суть давно известной задачи, но и предоставляет её решение с точки зрения современной науки. Что же тут обсуждать?

Обсуждать же в действительности тут есть много чего… Но прежде надо чуть более тщательно присмотреться к деталям предоставляемого «решения». Причем в особенности обращая внимание на мутные места и расплывчатые формулировки. Потому что именно такие вещи и являются важным сигналом.

Для начала это выглядит просто – «сигналом имитации понимания». Но вот если далее углубиться в тему как следует, то сигнал тут оказывается о проблемах гораздо более серьезных. Можно даже сказать, о фундаментально важных и по сию пору нерешенных проблемах в основах физики… Однако начинать разбор удобнее с простого.

Если ты не можешь объяснить это простыми словами, значит, ты не понимаешь этого сам…

Читать далее О внимании к деталям (Фейнман)

SYK как начало Gloria Mundi

(Апрель 2017)

Новейшая разработка ученых под названием «модель Сачдева-Йе-Китаева» или кратко SYK сразу заняла в теоретической физике совершенно уникальное место. Не только из-за способности решать неразрешимые прежде задачи, но и по той причине, что обычно научные революции вот так НЕ происходят…

Конструкция SYK, также известная как «простая модель квантовой голографии», является первой и единственной в физике моделью, которая не только объединяет гравитацию и квантовую теорию на основе голографической концепции, но делает это логически внятно и математически убедительно. То есть с опорой на ясные идейные схемы и точные аналитические решения.

Если рассказывать о восходе SYK в строго хронологическом порядке, то начало всей этой истории было бы естественно отсчитывать от событий четверть-вековой давности, из первой половины 1990-х. Однако для большей объемности картины, а также для отражения особой динамичности и интриги нынешнего момента, удобнее рассказывать про то же самое фрагментами, переносясь скачками из одного периода в другой, когда надо пояснить структуру модели и логику происходящего.

Так что наш рассказ начинается в 2012 году. Хотя и тогда собственно названия SYK еще не было даже в проекте.

Не катастрофа, но конец большого цикла

В 2012 году имели место три, как минимум, примечательных и важных для этой истории события.

В тот год исследователи-экспериментаторы, работающие с Большим Адронным Коллайдером в CERN под Женевой, объявили о долгожданном обнаружении бозона Хиггса. То есть частицы, предсказанной примерно за полвека до этого, а теперь как бы явившей себя, наконец, заждавшимся ученым и увенчавшей их Стандартную Модель для устройства микромира.

Но случилось так, что данный успех стал не только первым, но и последним великим достижением БАК. Несмотря на дальнейшие титанические усилия, ученые так и не смогли подтвердить больше ничего из тех своих предсказаний, которые делались для развития теории за пределы Стандартной Модели. А это результаты огромной работы теоретиков на протяжении как минимум 40 последних лет. Абсолютно всё, фактически, что было рассчитано и предсказано, оказалось неверно…

Многие склонны расценивать произошедшее как полную катастрофу. Хотя событие второе, с другой стороны, напомнило и показало, что дела в науке – как и во всех прочих делах нашей жизни – не происходят линейно, то есть просто вверх или вниз. А скорее напоминают движение по спирали – как оно предписано циклами космоса.

Читать далее SYK как начало Gloria Mundi