Физика

На протяжении почти трёх столетий самым точным способом определения времени для человечества были маятниковые часы. С момента своего появления в XVII веке и до изобретения кварцевых часов в 1920-х годах маятниковые часы стали неотъемлемой частью домашней жизни, позволяя людям организовывать своё расписание в соответствии с общепринятым стандартом. Изначально маятниковые часы были изобретены в Нидерландах Христианом Гюйгенсом в 1656 году, их ранние конструкции были быстро усовершенствованы для значительного повышения точности, и вскоре маятниковые часы стали обычным явлением, позволяющим точно определять время с точностью до ~2 секунд в день.

Но когда первые маятниковые часы привезли в Америку, произошло нечто странное. Часы, которые прекрасно работали в Европе, изначально были синхронизированы с известными астрономическими явлениями, такими как закат/восход солнца и заход/восход луны. Но уже через неделю или две пребывания на американском континенте стало ясно, что часы не показывают точного времени. Первые часы в Америке потерпели полное фиаско, но это только начало истории, которая впоследствии перевернула наше представление о физике и гравитации на планете Земля.

Миф о материальной природе информации чрезвычайно популярен и стоек, но легко развенчивается очень простым мысленным экспериментом, демонстрирующим возможность создания канала связи, в котором источник данных не взаимодействует физически с приёмником ни напрямую, ни косвенно. Притом, в отличие от многих других мысленных экспериментов, например, демона Максвелла, этот будет легко воспроизводимым любым желающим в бытовых условиях.

Существует множество ситуаций, когда требуется сохранять высокую точность и имеющиеся размеры изделия даже с учётом нагрева. Сплавы, которые умеют работать без изменения линейных размеров при нагревании, называются инварами. Как физически можно объяснить такую аномалию?

Ранее я рассматривал в этом блоге возможные варианты завершения или продолжения закона Мура. Эта тема активно обсуждается на Хабре и за его пределами. В частности, уважаемый Юрий Парфёнов @YuriParfenov опубликовал статью о законе Хуанга, который точнее, чем закон Мура, описывает развитие аппаратного обеспечения. Уважаемый Валерий Истишев @istishev в одной из статей 2021 года подробно описал, с какими нюансами закон Мура продолжает работать сегодня. Наиболее очевидный способ компенсировать замедление закона Мура — распараллелить вычисления, о чём, в частности, рассказывает уважаемый Александр Якубович @ragequit в этой статье. Но вместе с потребностью в увеличении вычислительных мощностей растёт и потребность в компактных хранилищах данных, обладающих высокой доступностью. Ниже мы рассмотрим, как в таком качестве могут помочь одноатомные магниты, и как сравнительно недавно научились их создавать.

Метод конечных элементов (МКЭ) применяют в задачах упругости, теплопередачи, гидродинамики — всюду, где нужно как-то дискретизировать и решить уравнения сплошной среды или поля. На Хабре было множество статей с красивыми картинками о том, в каких отраслях и с помощью каких программ этот метод приносит пользу. Однако мало кто пытался объяснить МКЭ от самых основ, с простенькой учебной реализацией, желательно без упоминания частных производных через каждое слово.

Мы напишем МКЭ для расчёта упругой двумерной пластины на прочность и жёсткость. Код займёт 1200 строк. Туда войдёт всё: интерактивный редактор, разбиение модели на треугольные элементы, вычисление напряжений и деформаций, визуализация результата. Ни одна часть алгоритма не спрячется от нас в недрах MATLAB или NumPy. Код будет ужасно неоптимальным, но максимально ясным.

Размышление над задачей и написание кода заняли у меня неделю. Будь у меня перед глазами такая статья, как эта, — справился бы быстрее. У меня её не было. Зато теперь она есть у вас.

Сегодня искусственный интеллект и, в особенности, машинное обучение, кажутся максимально прикладными дисциплинами. Но наблюдаемый нами прогресс стоит на плечах серьёзных фундаментальных исследований, которые не перестают двигаться дальше.

Я попал в эту отрасль науки сравнительно недавно — после того, как меня, как научного журналиста, позвали освещать достижения Института искусственного интеллекта AIRI. При этом я оставался физиком-теоретиком, ведущим свои исследования, и мне сразу бросились в глаза отличия между этими двумя областями наук.

Воспользовавшись Днём российской науки в качестве повода, я хочу поделиться различиями между физикой и исследованиями в области искусственного интеллекта, которые я для себя отметил.

У типичного разбрызгивателя для газонов есть несколько сопел, расположенных под углом на вращающемся колесе; при подаче воды они выпускают струи, которые заставляют колесо вращаться. Но что произойдёт, если вместо этого вода будет всасываться в разбрызгиватель? В какую сторону повернётся колесо, и повернётся ли оно вообще? В этом суть задачи «обратного разбрызгивателя», над которой физики, такие как Ричард Фейнман и другие, бились с 1940-х годов. Теперь прикладные математики из Нью-Йоркского университета считают, что им удалось разгадать эту загадку, согласно недавней статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, и ответ бросает вызов общепринятому мнению по этому вопросу.

В предлагаемой статье речь пойдет об электронной микроскопии. Рассматриваются различные типы электронных микроскопов (ЭМ), включая просвечивающие и зондирующие микроскопы с высоким разрешением, рентгеновская микроскопия и анализ, новейшие методы получения изображения посредством обратно рассеянных электронов, а также методы электронной криомикроскопии для исследования биообъектов. Микроскопы — важное средство измерения размеров и форм объектов. Что касается рентгеновского микроскопа, то важным требованием является представление объекта в кристаллической форме. Дж. Уотсон и Ф. Крик вынуждены были найти кристаллизованную молекулу ДНК, чтобы приступить к исследованию.

Использование электронных микроскопов (ЭМ) обеспечивает (включает) изучение материи на уровне наночастиц, нанопроволок, нанотрубок, трехмерных наноструктур с размерами менее 100 нм, квантовых точек, магнитных наноматериалов, фотонных кристаллов и биологических наноструктур. Рассматриваются кратко методы зондовой и растровой электронной микроскопии (РЭМ) применительно к нанотехнологиям, а также упоминается не только исследование характеристик различных наноматериалов, наноструктур и нанообъектов, но и технология их изготовления in situ (на месте).

Сканирующим туннельным микроскопом (СТМ) в 1989 г. исследователи выложили из 35 атомов ксенона три буквы логотипа IBM. Прибор (микроскоп), позволил получить изображение объектов с максимальным увеличением до 10⁶ раз, благодаря использованию, в отличие от оптического микроскопа, вместо светового потока, пучка электронов с энергиями от 200 эВ до 400 кэВ и более (например, просвечивающие электронные микроскопы высокого разрешения с ускоряющим напряжением 1 МВ). СТМ показала себя как наиболее простой и удобный метод манипулирования отдельными атомами (IBM).

Спустя почти 25 лет IBM сделала мультфильм, в котором действовала фигура мальчика. Все сцены фильма были сложены из 242 молекул угарного газа. Как ученые работают с отдельными атомами и молекулами? Метод может быть использован для модификации наноструктур, применяющихся в фотонике и спинтронике.

Цель публикации в первую очередь образовательная, познавательная, популяризация науки, а также стремление привлечь в ряды исследователей, в науку приток новых молодых умов, вызвать в таких умах стремление к поиску ответов на возникающие вопросы. Масштабность темы требует ввести разумные ограничения.

Представьте, лазер испускает короткий импульс света, так называемый волновой пакет, ограниченный в пространстве. На каком-то расстоянии от лазера находится детектор излучения, который обнаруживает волновой пакет. Детектор – довольно чувствительный, он может обнаружить начало волнового пакета, даже пока максимум амплитуды пакета ещё не достиг детектора. Волновой пакет ограничен в пространстве, значит, спектр его имеет некоторую ширину. Чем короче пакет в пространстве, тем шире его спектр. Всё же детектор не может обнаружить пакет  раньше, чем самое начало пакета его достигнет, однако может обнаружить пакет практически по его самому началу, еще до прохождения максимума амплитуды через детектор.

Теперь в нашем мысленном эксперименте мы на пути пакета между лазером и детектором поставим узкополосный фильтр, который вырежет из спектра пакета одну чрезвычайно узкую спектральную линию. Понятно, что амплитуда пакета после фильтра будет меньше, так как наш фильтр будет пропускать только ту часть энергии пакета, которая попадает в полосу пропускания фильтра.

Однако, спектр пакета после прохождения фильтра окажется более узким, это означает, что пакет окажется растянутым в пространстве. В пределе пакет после фильтра будет близок к гармонической волне, которая в пространстве не ограничена.

Правда, если ширина полосы пропускания фильтра будет бесконечно малой, то через фильтр сможет пройти только бесконечно малая энергия пакета, поэтому мы ограничимся достаточно малой, но не бесконечно малой шириной полосы пропускания фильтра. Наш волновой пакет в любом случае окажется растянутым в пространстве.

Информация – одно из самых неоднозначных и неопределённых понятий в науке и философии. Для гуманитария это любые сведения, которые можно запомнить и передать в устной или письменной форме. Для математика это абстрактная сущность, сохраняющаяся при вычислительном изоморфизме. Для физика-теоретика это набор квантовых чисел, характеризующих состояние элементарной частицы. Для программиста это цифровые данные, которые можно представить в двоичном коде и измерить в битах. Для философа-материалиста это отражение многообразия окружающего мира с помощью знаков и сигналов. Для философа-идеалиста это нематериальная, неизмеримая и нелокальная сущность, что-то связанное с духом или сознанием. Для эзотериков это некая метафизическая субстанция или информационное поле. Что же такое информация на самом деле? В данной лекции я покажу, что информация – физическая, объективная, измеряемая величина, в которой нет ничего субъективного и мистического. Заодно мы разберёмся, что такое энтропия по Шеннону, насколько избыточен естественный язык, в чём заключается принцип Ландауэра и обладает ли информация массой.

Отопление тепловыми насосами

Продолжим обсуждение способов экономичного отопления в ИЖС без использования трубного газа.

Ранее были рассмотрены варианты отопления электричеством и отопления с применением СУГ.

Экономика загородного дома. Как утеплить дом и не разориться?

По желанию читателей решил рассмотреть и вариант отопления с помощью «кондиционеров на тепло».

То есть нужно рассмотреть простую и дешёвую систему получения халявного тепла на отопление от и так уже установленного для лета кондиционера, который простым нажатием кнопки на пульте начнёт выкачивать тепло из воздуха холодной улицы, переправляя его внутрь отапливаемого домика.

Изначально предполагается использовать именно самую дешёвую версию сплит‑кондиционера, у которого компрессорно‑конденсаторный блок (далее ККБ) установлен на улице.

Идея сама по себе увлекательная, но содержит в себе ряд подводных камней, не очень афишируемых в рекламных проспектах.

Рассмотрением этих незаметных или преднамеренно скрываемых препятствий мы и займёмся в этой статье.

Сейчас частенько можно услышать, что тот или иной материал с эффектом памяти формы научились использовать очередным перспективным образом. В большинстве случаев, про «память формы» многие вычитывают в описании какого-нибудь умного матраса или подушки для сна. Такой матрас принимает форму тела пользователя и потом тело поддерживается в удобном состоянии.

Но на самом деле эффект памяти куда более интересный, если рассматривать его с позиции материаловеда.

Чаще всего эффект демонстрируют на примере проволоки из сплавов титана с никелем. Это лишь самый простой вариант демонстрации и на практике память формы наблюдается у разных материалов, в том числе и полимерных. Но, традиционно для моих заметок, разбирать подобные эффекты на металлах проще всего.

Несмотря на всё, что мы уже узнали о природе Вселенной — от фундаментального, элементарного уровня до самых больших космических масштабов — мы абсолютно уверены, что нам ещё предстоит совершить множество великих открытий. Наши современные лучшие теории впечатляют: квантовые теории поля, описывающие электромагнитное взаимодействие, а также сильные и слабые ядерные взаимодействия, с одной стороны, и общая теория относительности, описывающая эффекты гравитации, с другой стороны. Где бы нашим теориям ни бросали вызов, от субатомных до космических масштабов, они всегда выходили победителями. И всё же они просто не могут отразить абсолютно всё, что существует на свете.

Есть много загадок, которые на это намекают. С помощью нынешней физики мы не можем объяснить, почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии. Мы также не понимаем, какова природа тёмной материи, является ли тёмная энергия чем-то иным, кроме космологической константы, и как именно произошла космическая инфляция, создавшая условия для горячего Большого взрыва. И на фундаментальном уровне мы не знаем, объединяются ли каким-то образом все известные силы под неким всеобъемлющим зонтиком.

У нас есть подсказки, что во Вселенной есть нечто большее, чем то, что мы знаем на сегодняшний день, но есть ли среди них новая фундаментальная сила? Хотите верьте, хотите нет, но у нас есть два совершенно разных подхода, чтобы попытаться найти ответ на этот вопрос.

Сразу стоит сказать, что проект далёк от коммерческого использования, пока это лишь задел на будущее. Но эксперты считают, что перспективы у него есть, и неплохие. О том, что из себя представляет технология и на базе чего работает, расскажем под катом.

Есть вероятность, что мы неправильно понимаем чёрные дыры.

Физики долгое время считали, что чёрные дыры — это просто: массивные гравитационные объекты, огромные количества материи и пространства-времени, сколлапсировавшие в своего рода тюрьму, из которой невозможно сбежать.

Но чем больше мы их изучаем, тем больше чёрные дыры отказываются сотрудничать с этой картиной, родившейся из общей теории относительности Альберта Эйнштейна — масштабной модели, объясняющей работу гравитации на вселенских масштабах. Мы не до конца понимаем, что происходит в центрах и на границах чёрных дыр. Чёрные дыры могут быть даже не совсем чёрными, поскольку они могут испускать небольшое количество излучения. И, пожалуй, самое неприятное то, что они не очень хорошо согласовываются с нашими представлениями о том, как энергия и материя могут работать в крошечных квантовых масштабах, по мере того, как эти представления становятся всё более понятными и определёнными.

Большинство звёзд относится к основным спектральным классам, от бело-голубых O до красных M. Проходя типичную звёздную эволюцию, они укладываются в знаменитую Главную Последовательность, раскинувшуюся по центру диаграммы Герцшпрунга-Расселла. Возможно, данная диаграмма была открыта и описана именно потому, что на данном этапе развития Вселенной в изобилии встречаются звёзды разных спектральных классов. В одной из публикаций я описывал, как диаграмма Герцшпрунга-Рассела может преобразиться в далёком будущем. В той и некоторых последующих статьях я затрагивал тему пекулярных звёзд, выбивающихся из Главной Последовательности прежде всего потому, что в них содержатся элементы тяжелее железа и никеля, которые не могут образоваться при термоядерном синтезе в ходе типичной звёздной эволюции. Пекулярные звёзды с высокой металличностью – удивительный класс объектов, интересовавших ещё Ивана Ефремова. Обнаружены и такие звёзды, вокруг которых не успевает сформироваться планетная система; вместо этого звезда обзаводится обширными кольцами и немного напоминает Сатурн. О таких причудливых объектах мы поговорим под катом.

Пример решения системы дифференциальных уравнений (ДУ) в MATLAB адаптивным и не адаптивным методами.

В MATLAB встроено множество численных решателей с адаптивным шагом для решения жестких, нежестких и полностью неявных систем. С помощью Symbolic Math Toolbox можно сначала выводить системы ДУ, а затем тут же решать их численными методами.

Описание модели

Для примера решим систему ДУ, которая описывает систему из двух масс m1 и m2, которые жестко соединены невесомым стержнем длинной L.

В предлагаемой вниманию читателей работе сосредоточимся на изложении вопросов образования (синтеза, создания) наноматериалов подходом («снизу‑вверх»), т. е. на сборке, самосборке и катализе. В макромире аналогичная задача синтеза изделий также решается при использовании подходов «снизу‑вверх» и часто «сверху‑вниз», но методы совершенно другие, которые перенести в наномир по ряду принципиальных причин не удается. Тем не менее, и в этой области специалисты не стоят на месте и находят со временем более совершенные решения. Имеются ввиду в первую очередь возможности 3D‑печати. Печать выполняется на подложке (англ. carrier или support), которая является инертным или малоактивным материалом, служащим для стабилизации на его поверхности частиц активной каталитической фазы.

Новинки в макромире интересны, но о них упомянем очень кратко на основе публикаций в печати. Главное внимание уделим наноснтезу наноматериалов. Важной стороной производства является масштабность и применимость в интересах хозяйственных отраслей.

Цель публикации в первую очередь образовательная, познавательная, популяризация науки, а также стремление привлечь в ряды исследователей, в науку приток новых молодых умов, вызвать в таких умах стремление к поиску ответов на возникающие вопросы. Масштабность темы требует ввести разумные ограничения.