Археологические метаматериалы, или секретные технологии Древнего Рима

(Май 2019, idb)

Затертый штамп про «всякое новое как хорошо забытое старое» применяют и часто, и к чему угодно. Но крайне редко – к новейшим хайтек-технологиям передовой науки. Здесь, однако, будет рассказ именно о таком случае…

На сайте научных препринтов arXiv.org недавно выложена весьма примечательная обзорная статья, подготовленная в области междисциплинарных исследований на стыке нанофотоники, геофизики и инженерных аспектов строительства/архитектуры. Авторами работы являются ученые из французского Института Френеля при Марсельском университете, а название у статьи такое: «Роль нанофотоники в рождении сейсмических мегаструктур» (arXiv:1904.05323).

Начиная свой обзор, авторы работы первым делом поясняют, какая тут вообще может быть взаимосвязь между столь разными, казалось бы, вещами как нанофотоника (сочетание оптики и нанотехнологий) и конструирование сейсмоустойчивых зданий. Ведь нанооптика с её фотонными кристаллами и электромагнитными волнами, с одной стороны, и наука геофизика с её сейсмическими волнами землетрясений, со стороны другой, занимаются волнами совершенно разной природы.

В нанофотонике, в частности, исследователи манипулируют электромагнитными излучениями в диапазонах видимого света и прилегающих к нему областей ультрафиолетовых и ближних-инфракрасных частот. То есть в диапазоне волн длиной примерно от 300 до 1200 нанометров. Волны же сейсмические, проходящие через толщу земли и по её поверхности, не только сильно отличаются от природы света, но и имеют совсем-совсем другие длины – порядка десятков и сотен метров.

Физика волн, однако, на всех масштабах имеет по сути одни и те же ключевые особенности. Типа эффектов интерференции и дифракции, то есть усиливающего или гасящего колебания наложения волн, отражения и способностей волн к огибанию встреченных препятствий. А потому при грамотном использовании опыта и математического инструментария исследователям волн удается весьма эффективно переносить достижения одной области в области совершенно другие.

Если же говорить конкретно о нынешней истории, то разработка фотонных кристаллов, теоретически открытых примерно лет тридцать тому назад, в своем развитии шла бок о бок не только c большими достижениями науки в смежных нанотехнологических областях вроде плазмоники и метаматериалов. Все эти совокупные успехи со временем вдохновили ученых и на создание метаповерхностей значительно более крупных масштабов – с линейными размерами порядка десятков метров. Такого рода структуры получили название сейсмические метаматериалы.

Эксперименты ученых и инженеров с сейсмическими метаматериалами, сооружаемыми из зарытых в грунт элементов, убедительно показали, что мощный математический инструментарий, изначально разработанный для фотонных кристаллов и нанооптики, предоставляет отличные возможности и для этой области. Важнейшая среди таких возможностей – существенно новое описание и предсказание тех сложных феноменов во взаимодействиях между землей и возведенными на ней сооружениями, что происходят в периоды сейсмических возмущений.

Впечатляющие успехи на данном направлении – типа работоспособной концепции волнового «плаща-невидимки», защищающего здание от землетрясений – уже ведут ученых и к куда более смелым футуристическим идеям. Ибо те же самые подходы, что помогают при разработке метаструктур, закопанных в грунт, аналогично можно использовать и для изучения совокупных эффектов от уже выстроенных и/или проектируемых к постройке зданий. При таком обобщенном подходе все возводимые на земле сооружения рассматриваются как надповерхностные резонаторы в мегаструктурах типа «мета-городов».

Иначе говоря, грамотно размещая здания с правильными сочетаниями их формы, площадей и высоты, можно заранее обеспечивать повышенную сейсмоустойчивость всего метакомплекса сооружений в целом. Особо же интересно, как подчеркивают авторы обзора, что столь замечательные перспективы для зодчества недалекого будущего попутно должны напоминать нам и о богатейшем наследии архитекторов и строителей древности.

Ибо реальная ситуация здесь такова, что как только разработчики сейсмических метаматериалов разобрались как следует, что и как тут следует делать, то вскоре им открылась и воистину поразительная вещь. Оказалось, что имеется поразительное и несомненное сходство между конструкциями их новейших «плащей-невидимок», защищающих современные здания от землетрясений, и архитектурой некоторых весьма и весьма древних мегаструктур – таких как древнеримские арены-цирки и амфитеатры.

Проанализировав структуру фундаментов нескольких цирков и амфитеатров эпохи Древнего Рима, французских исследователи обнаружили, что изучают, по сути дела, «археологические метаматериалы». То есть инженерные конструкции, которые неявным образом (как минимум) могли обеспечивать защиту сооружений от землетрясений, искривляя прохождение сейсмических волн в обход постройки.

Именно этому открытию и будет посвящен дальнейший рассказ – в проекции на особенности современных метаматериалов оптики и геофизики.

Читать «Археологические метаматериалы, или секретные технологии Древнего Рима» далее

Истории прыгающей капли (и при чём тут квантовая физика)

(Апрель 2019, idb)

Очередное случайное открытие ученых-экспериментаторов – как ещё один маленький ключик к разгадке больших тайн природы. И ещё один повод обратить внимание на странности в реакциях науки на собственные открытия.

Сегодня уже многие, наверное, наслышаны о том серьезнейшем кризисе непонимания, который довольно неожиданно обозначился вдруг в фундаментальных основах физики. А значит, и в базовом фундаменте всей науки человечества в целом – если иметь представление, сколь важное место занимает физика в конструкции всего того здания научных знаний, что выстраивалось учеными на протяжении последних четырех столетий.

О глубинных причинах и характерных чертах нынешнего кризиса можно рассказывать долго и с разных сторон (ссылки на содержательные тексты приведены в конце), однако в данном случае речь пойдет всего лишь об одном – и далеко не самом важном – из аспектов этой большой истории. Особенности аспекта, однако, таковы, что даже при разборе совсем небольшого и рядового, в общем-то, эпизода из жизни и поисков физиков здесь становятся куда понятнее и главные причины гранд-проблем в научном фундаменте.

Тема рассказа – новый феномен, буквально только что открытый в опытах экспериментаторов с физикой движения жидкостей, иначе именуемой гидродинамикой. Суть феномена – необычное или, как еще иногда выражаются, контр-интуитивное поведение жидкой капли, оказавшейся в жидкости несколько другого рода и плотности.

Обычно, как всем известно, такого рода капли – если сразу не начинают растворяться – либо растекаются на поверхности, либо идут ко дну под действием гравитации. В данном же случае капля сначала начинает тонуть, но затем процесс погружения переходит в прыжки капли вверх-вниз, что может продолжаться довольно долго – до получаса. Причем и собственно прыжки выглядят здесь весьма специфически.

Для того, чтобы объект подпрыгивал, обычно подразумевается наличие твердого барьера, от которого объект отталкивается. Либо наличие, по крайней мере, отчетливо обозначенного интерфейса или границы между двумя средами. В данном же случае никакой четкой границы не наблюдается. Тонущая капля останавливается где-то среди жидкости – или «в балке», как еще выражаются, – и начинает движение вверх. Затем, в другой точке балка, всплытие останавливается и сменяется движением ко дну. После чего цикл прыжков повторяется снова и снова, снова и снова…

Вообще говоря, наблюдавшие за каплей физики-экспериментаторы занимались в это время опытами со смесями жидкостей совсем в других целях. Однако, когда неожиданно обнаружился данный феномен – как еще один эпизод в длинной череде случайных открытий науки – основное дело было решено на время отложить и заняться повнимательнее изучением новой необычной физики.

Читать «Истории прыгающей капли (и при чём тут квантовая физика)» далее

Микромосты Эйнштейна-Розена и большая ложь Википедии

(Март 2019, idb)

Сто десятая и сто сороковая годовщины со дня рождения известных ученых – как повод для рассказа о мрачной и малоизвестной стороне замечательной всенародной энциклопедии.

Случилось так, что у двух больших физиков-теоретиков – и одно время даже близких коллег-соавторов знаменитых статей – даты дней рождения пришлись на одно и то же время года. Сто сорок лет тому назад, 14 марта 1879, в этот мир пришел Альберт Эйнштейн. А ровно через тридцать лет, 22 марта 1909, родился Натан Розен.

Спустя еще примерно три десятка лет, в середине 1930-х, эти ученые совместно подготовили и опубликовали две в высшей степени примечательные статьи, которым в конечном итоге будет суждено в корне изменить как фундаментальные основы физической науки, так и общие представления просвещенного человечества об окружающем мире. Но это, правда, произойдет несколько позже – в недалеком будущем.

Ну а на сегодняшний день, в марте 2019 года, научный журнал Nature Human Behaviour, специализирующийся на психологических особенностях человеческого поведения, опубликовал большую аналитическую статью, которая хотя бы отчасти, по крайней мере, объясняет, каким же образом мы умудрились столь странно устроить здесь нашу жизнь. Когда всемирно известными учеными сделаны воистину великие открытия, а все мудрецы большой науки уже почти сто лет никак не могут разобраться, в чем же эти открытия заключаются…

Интересующая нас статья социо-психологов исследует собственно феномен и механизмы формирования так называемой «мудрости толпы». А еще точнее, анализируется «Мудрость поляризованных толп» – если переводить дословно название данной работы («The wisdom of polarized crowds», by Feng Shi, Misha Teplitskiy, Eamon Duede and James A. Evans. Nature Human Behaviour, 04 March 2019).

В качестве же поля, особо благодатного для их исследований, учеными была избрана всенародная веб-энциклопедия Wikipedia. Где стараниями многотысячной армии энтузиастов ныне собраны, как известно, содержательные сведения практически обо всем на свете. И при этом, что самое главное, в Википедии очень хорошо отлажены механизмы для формирования как бы «нейтральной» или общей-усредненной точки зрения даже на такие вещи, которые для всех прочих интернет-площадок становятся предметом споров столь яростных и бесконечных, что они вообще никогда не приводят к согласию поляризованных сторон.

С одной стороны, конечно же, это великое достижение Википедии и её главных лидеров-редакторов. Но абсолютно у всех вещей, включая и бесспорные консенсус-достижения, всегда есть и другая, менее приятная сторона. О чем имеет смысл тоже помнить. И хотя бы иногда внимательно анализировать и такие – обычно скрываемые – аспекты нашей жизни.

Авторы свежего исследования в журнале Nature Human Behaviour не рассказывают совсем ничего про темные стороны википедия-консенсуса, закрепляющего, бывает, как непреложные истины в корне ошибочные идеи. Ну а мы здесь рассмотрим именно это. На конкретном примере вики-статей про Натана Розена и его научные достижения.

Читать «Микромосты Эйнштейна-Розена и большая ложь Википедии» далее

Большая наука в поисках Главного Вопроса

(Март 2019, idb )

Элита теоретической физики задумалась над отысканием Вопроса, потерянного наукой почти столетие тому назад. Есть повод переиздать «Краткую историю нашей глупости»…

Респектабельный американский журнал The New Yorker, уже третий век публикующий для читателей-интеллектуалов содержательные материалы на самые разнообразные темы жизни, недавно решил осветить на своих страницах и насущные проблемы фундаментальной теоретической физики.

Соответствующая статья была подготовлена Натальей Волховер, весьма компетентной в подобных темах журналисткой, занимающей пост редактора и ведущего обозревателя в Quanta Magazine. То есть в одном из наиболее качественных для нынешнего интернета веб-изданий, специализирующихся на популярном освещении достижений и новостей с передовых рубежей науки.

Статья у Волховер, лично знакомой чуть ли не со всеми светилами современной физики, обитающими в США, вышла довольно любопытная и получила интригующее название «Теория Всего другого рода» (A Different Kind of Theory of Everything. By Natalie Wolchover, The New Yorker, February 19, 2019).

Но прежде чем переходить к содержательной сути этой публикации, имеет смысл обратить внимание на нечто совершенно иное. И задаться для начала таким вопросом. Какая может быть связь между новейшей инициативой Ливерхьюмского Центра будущего интеллекта, запускающего ныне «Олимпиаду Животные-ИИ» (о чем был рассказ в прошлой статье), и глубочайшим кризисом у теоретиков, работающих в области фундаментальных основ физики с мечтами о создании Теории Всего?

На первый взгляд, связи тут нет совершенно никакой. Однако, если присмотреться к обеим темам чуть более пристально, то проступают весьма странные и удивительные вещи. В очередной раз напоминающие о древней концепции Unus Mundus, то есть «Мира Единого», – где всё и со всем постоянно сцеплено незримыми взаимосвязями…

Читать «Большая наука в поисках Главного Вопроса» далее

Живая физика сверхтекучести (и при чем тут гравитация)

(Октябрь 2018, текст  idb )

Если анализировать новости науки методами OSINT, то есть разведки открытых источников информации, то происходит занятная вещь. Обнаруживается, что самое интересное в новых открытиях – это то, о чем упоминают мимоходом или вообще предпочитают умалчивать…

За последние три-четыре года учеными сделан целый ряд весьма примечательных открытий в пока еще совсем новой и малоизведанной области исследований, носящей название физика активной материи. Чуть иначе то же самое часто именуют «живая материя». [r1][r2]

Суть особо интересующих нас открытий заключается в том, что практически одновременно сразу на двух направлениях – экспериментально и теоретически – удалось продемонстрировать, каким образом живая материя при комнатной температуре воспроизводит феномен сверхтекучести. То есть давно известное, но по-прежнему во многом загадочное физическое явление, обычно наблюдаемое в квантовых жидкостях лишь при очень низких температурах около абсолютного нуля.

Жизнь и физика активной материи

Дабы лучше понимать, в чем именно заключаются особенности и важность нынешних открытий, прежде имеет смысл чуть поближе познакомиться с собственно новой областью исследований. Потому что живая или активная материя – это, во-первых, довольно специфическая форма существования вещества, в прежние времена для фундаментальной физики практически никакого интереса не представлявшая.

Во-вторых же, и это самое главное, активная или живая материя по сути дела во всех своих проявлениях демонстрирует такую физику, которая НЕ является ни классической-ньютоновой, ни квантово-механической. То же самое можно сформулировать и по-другому. Базовые элементы живой материи находятся полностью в области физики классической, но при этом демонстрируют в макро-масштабе разнообразные феномены микро-физики квантовой. Причем внешне феномены живой материи нередко выглядят как очевидное нарушение фундаментальных догм в основах физической науки – вроде законов сохранения или начал термодинамики…

Факты конфликтов с догмами, впрочем, ученые предпочитают не афишировать, дабы без помех продолжать занятия своей наукой, а не отбиваться от беспочвенных обвинений в ереси. Абсолютно беспочвенных обвинений, следует подчеркнуть, поскольку чуть более глубокий разбор подобных феноменов позволяет показать, что никаких посягательств «на святое» тут нет. Дабы не запутывать картину нюансами и деталями, исследователи живой материи просто предпочитают всегда заранее подчеркивать, что вовсе не занимаются антинаучными чудесами, а работают полностью в рамках общепринятых законов физики.

Что же включает в себя интересующая нас область исследований под общим названием «активная материя»? В первую очередь, это широкое разнообразие биологических систем – начиная от гелей-цитоскелетов живых клеток, смесей клеточных экстрактов или бактериальных растворов-суспензий, и вплоть до коллективного поведения роя пчел, косяков рыб или больших птичьих стай.

Другая обширная часть той же области – это «формально-не-живая» активная материя, характерные особенности которой стабильно отмечаются в следующих условиях. В подвергаемых регулярным вибрациям гранулированных материалах и вязких жидкостях. В коллоидных растворах, где наномасштабных размеров частицы способны самостоятельно двигаться сквозь жидкость из-за каталитических реакций, происходящих на их поверхности. В скоплениях роботов, наконец, где самопроизвольно порождаются взаимодействия типа роевого поведения насекомых или стаи животных.

Читать «Живая физика сверхтекучести (и при чем тут гравитация)» далее

Природа самообмана в точных науках

(Июль 2018, сюжеты idb)

Золотой юбилей одной большой научной теории – как повод для рассказа об очень серьезной, хотя и не смертельной болезни фундаментальной физики.

Man Holding Ice Pack On Head.

«Теория Всего» без наблюдений, опытов и предсказаний

С 25 по 29 июня 2018 в Японии, в стенах Института науки и технологий на острове Окинава, проходила очередная научная конференция физиков-теоретиков Strings 2018 . Такого рода масштабные встречи ученых специалистов со всего мира проходят в самых разных местах планеты ежегодно, однако нынешний форум был весьма особенным. По той причине, прежде всего, что нынешний год – это дата «золотого юбилея» или 50-летия струнной теории.

Открывая конференцию, глава её оргкомитета Хироши Оогури характерно неудачно пошутил по поводу одной весьма болезненной для теории струн темы. Отметив, что организаторы весьма тщательно спланировали время проведения форума именно на такой период, когда сезон дождей уже закончился, Оогури тут же решил сострить: «И кто же теперь может говорить, будто струнные теоретики не делают никаких предсказаний?».

Неудача с шуткой стала очевидна очень скоро. Едва торжественная часть заседания сменилась перерывом на ланч-перекус, как тут же начался сильнейший тропический ливень. Природа и её погода опровергли даже такое предсказание ученых-физиков, которое вообще никак не опиралось на уравнения их струнной теории…

Для всех, кто смутно представляет себе особенности нынешней жизни большой теоретической науки, сразу же надо подчеркнуть такой факт. Теория струн – это в высшей степени примечательная, в некотором смысле даже уникальная разновидность фундаментальной физики.

Читать «Природа самообмана в точных науках» далее

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 «Долгое возвращение «эмпэ» Бронштейна» далее