Физика

Практически любой аспект жизни человека в той или иной степени связан с измерением чего-либо: масса, расстояние, длина, температура и т. д. Часто от точности проведенных измерений зависит точность и успешность выполнения того или иного процесса. Когда речь идет об измерении крайне малых объектов, таких как молекулы используются оптические биосенсоры. Они чрезвычайно точны, но нуждаются в громоздком и дорогом оборудовании для генерации и обнаружения света. Ученые из Федеральной политехнической школы Лозанны (Швейцария) разработали систему, которая использует квантовую физику для обнаружения присутствия биомолекул без необходимости использования внешнего источника света. Как именно работает эта система, какие аспекты квантовой физики позволили ее реализовать, и что именно она может измерять? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

В квантовой механике система описывается на языке состояний. То или иное состояние, в котором пребывает система, – это не число, вещественное или комплексное, не какая-либо математическая функция, это некая абстракция. Эта абстракция обозначается вот такими вот скобочками . Внутри пишут, что угодно: буквы , цифры , даже можно так |моё любимое состояние>. К сожалению, человеку не дано в своём воображении представлять, как именно выглядит какое-либо квантовое состояние заданной системы. И даже, что электрон, как планета летает, вокруг ядра – это глубоко ошибочное представление, идущее вразрез с реальностью. Речь идет именно о некотором состоянии, в котором электрон пребывает в данных условиях, как некое размытое облако, как некий сгусток энергии.

Однако систему нужно как-то описывать. Системы в физике описывают на языке математики. Так вот, оказывается, что тому или иному состоянию, назовём его |1>, можно приписать вектор:

Многие интеллектуалы склонны называть математику «царицей наук» и преподносить её теоремы как абсолютную истину, полученную чисто логическим дедуктивным выводом безотносительно физической реальности, не опираясь на эмпирические данные. Якобы математические объекты существуют вне пространства-времени, в разуме Бога или в платоновском мире идей, а мы лишь открываем вечные истины: числа и арифметические операции, геометрические фигуры, аксиомы и теоремы, а также правила вывода и доказательства истинности или ложности любых математических утверждений. Говорят, наше сознание имеет прямой доступ к этому миру математических абстракций посредством интуиции – не иначе, как божественного откровения или снисхождения самой истины, открывающейся только тем, кто её достоин.

Но в данной статье я собираюсь обосновать прямо противоположную и достаточно крамольную идею, что всё наше математическое знание производно от физического знания, а не наоборот. Знание не имеет гарантий, его невозможно получить одной логикой или интуицией. Знание экспериментально, подвержено ошибкам и не является абсолютной истиной, так как мы изучаем математику на опыте, взаимодействуя с физическими объектами. Поэтому математика ничем не лучше и не «точнее» естественных наук. За такую ересь инквизиторы уже могут приговорить меня к сожжению на костре, но пока этого не произошло, позвольте объяснить и обосновать свою позицию.

Квантовая механика систематически изучается вот уже около ста лет, и по-прежнему актуальны слова Ричарда Фейнмана о том, что никто вполне её не понимает – а Шон Кэрролл добавляет, что её не понимают даже физики. Квантовая механика действительно полна парадоксов, противоречащих как классической физике, так и обычному здравому смыслу. Один из наиболее известных парадоксов такого рода — мысленный эксперимент «кот Шрёдингера» — демонстрирует, что на квантовом уровне даже граница между жизнью и смертью оказывается размытой. Этот эксперимент популяризован в самых разных источниках, однако, если вас интересует более подробный разбор его деталей и экскурс в смежные эксперименты, такие, как «друг Вигнера» — рекомендую почитать об этом на Хабре статью уважаемого @dionisdimetor «Интерпретации квантовой механики. На каком свете кот Шрёдингера».

Я же сегодня хочу затронуть ещё одну близкую тему – мысленный эксперимент под названием «Квантовое самоубийство», предложенный выдающимся современным шведско-американским физиком Максом Тегмарком, автором книг «Наша математическая Вселенная» и «Жизнь 3.0». 

Современные «мыслящие» машины возникли благодаря открытиям в области физики сложных материалов.

Спиновые стекла могут оказаться самыми полезными из бесполезных вещей, когда-либо обнаруженных. 

Эти материалы — обычно состоящие из металла, а не стекла — демонстрируют загадочное поведение, которое заинтересовало небольшое сообщество физиков в середине 20-го века. Спиновые стекла сами по себе не имеют какого-либо практического применения, но теории, разработанные для объяснения их странностей, в конечном итоге вызвали сегодняшнюю революцию в области искусственного интеллекта. 

В 1982 году учёный, изучающий физику конденсированного состояния, Джон Хопфилд, позаимствовал теорию спиновых стёкол, чтобы построить простые сети, которые могли учиться и иметь воспоминания. Сделав это, он оживил изучение запутанных сетей цифровых нейронов, которые были в значительной степени заброшены исследователями искусственного интеллекта, — и вывел физику в новую область: изучение разума, как биологического, так и механического. 

Тема разума в космосе (вселенной) малоизученная и перспективная. Знания для размышлений по ней дают философия, психология, физика, биология, космология и компьютерные науки. В настоящей работе тема подсвечена с авторской “колокольни”. Исследуется сущность возможных видов разумных существ и их расселение в космосе. Статья может показаться в чём-то предвзятой или фантастичной. Приветствую конструктивную критику.

После приключений в Стране чудес вымышленная Алиса в романе Льюиса Кэрролла «Алиса в зазеркалье» (1871) прошла через зеркало над камином, чтобы узнать, чем отражённый мир отличается от её собственного. Она обнаружила, что все книги были написаны задом наперёд, а люди «жили задом наперёд», перемещаясь по миру, где следствия предшествовали причинам.

Когда предметы отличаются от своего зеркального отражения, учёные называют их хиральными. Например, руки являются хиральными. Представьте, что Алиса пытается пожать руку своему отражению. Правая рука в зеркальном мире превращается в левую, и нет никакой возможности идеально совместить их для рукопожатия, потому что пальцы сгибаются не в ту сторону. (На самом деле само слово «хиральность» происходит от греческого слова, означающего «рука»).

Под маской богатства нашего мира скрывается первозданная простота. Всё состоит всего из 17 фундаментальных частиц, и эти частицы, хотя и различаются по массе или заряду, бывают всего двух основных типов. Каждая из них является либо «бозоном», либо «фермионом».

Физик Поль Дирак ввёл оба термина в своей речи в 1945 году, назвав эти два царства частиц в честь физиков, которые помогли выяснить их свойства: Сатьендра Натх Бозе и Энрико Ферми.

В 1924 году Бозе работал в Университете Дакки, расположенном на территории современной Бангладеш. Ранее, около 1900 года, Макс Планк предложил закон, определяющий, сколько света каждого цвета излучает горячий объект. (То, что свет испускается в виде дискретных пакетов, или «квантов», послужило толчком для физиков на пути к квантовой механике). Бозе нашёл более сильное математическое обоснование закона Планка. Он написал Альберту Эйнштейну, прося помочь представить результат в немецкий журнал, а затем сотрудничал с Эйнштейном, чтобы довести идею до совершенства.

Учёные из Корейского научно-исследовательского университета POSTECH разработали уникальный высокопрочный сплав, способный сохранять свои механические свойства в экстремальных условиях — от –196 °C до +600 °C. Это достижение открывает новые перспективы для применения материала в авиакосмической, автомобильной и энергетической промышленности.

Исследование было проведено под руководством профессора Хён Соп Кима из кафедры материаловедения и инженерии POSTECH, а также специалистов Градуированного института черных металлов и кафедры машиностроения. Результаты работы опубликованы в международном научном журнале Materials Research Letters.

Есть множество материалов написанных о работе полупроводников и работе транзисторов.

Зачем еще одна?

Дело в том, что я заметил такую тенденцию в вузовских учебниках – довольно подробное описание работы p-n перехода и очень поверхностное описание работы биполярного транзистора. Зачастую «механика» работы такого транзистора описывается довольно схематично (в совершенно неработоспособном виде) и далее следует быстрый переход на описание внешних параметров. Причем у этих же авторов описание «механики» работы полевого транзистора дается куда обширнее. Видимо, авторы учебников сами не очень «догоняют», как там все работает. И это не удивительно. Человечество вначале эры полупроводников пыталось повторить схему работы вакуумной лампы на полупроводниках, т.к. работа лампы достаточно логична. И собственно полевые транзисторы, в какой-то степени повторяют принцип работы вакуумных ламп. Но вот биполярный транзистор, хотя и был изобретен первым, но это было скорее случайное изобретение, а не осознанный путь к цели.

И даже после изобретения биполярного транзистора, сами его изобретатели не сразу поняли принцип его работы, хотя это были довольно продвинутые люди в области полупроводников.

Если Вы задавали себе вопросы наподобие таких:

почему через коллекторный p-n переход, включенный в обратном направлении, течет ток, да еще и самый, что не на есть главный рабочий ток?

почему неосновные носители тока базы в биполярном транзисторе, вдруг стали вполне себе главными представителями тока?

Почему ток в базы через открытый эмиттерный p-n переход меньше тока через закрый коллекторный p-n переход?

Ну и совсем «подковыристый» вопрос. Почему при включении биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером, когда транзистор полностью открыт (находится в режиме насыщения), напряжение на коллекторе становиться меньше напряжения базы? Ведь если смотреть на транзистор с точки зрения пирога n-p-n переходов (как рисуют в учебниках), то сумма падения напряжения на двух p-n переходах (открытом эмиттерном и закрытом коллекторном) должно быть больше напряжения на одном открытом эмиттерном переходе. А оно у нас меньше.

Некоторые новые результаты в философии квантовой механики указывают на то, что ближе всего к истине был не Бор, не Эверетт, и, конечно, не Эйнштейн, а… Фейнман. Эти результаты позволяют изложить базовые принципы квантовой механики одновременно консервативно и радикально прогрессивно.

Мы точно знаем, что атомы притягиваются друг к другу и сегодня этот факт не вызывает у учёных никаких сомнений. Именно благодаря взаимодействию из отдельных атомов формируется любой материал.

Столь сложное и интересное взаимодействие обычно преподносится учебниками «как оно есть». Но смею предположить, что эта чуть ли не самая главная сила во Вселенной достойна куда более детального изучения. Помимо факта существования притяжения, хотелось бы что‑то узнать и про его механизм. Давайте попробуем найти относительно понятное и доступное всем описание принципа работы притяжения между атомами, которое будет выходить за рамки «просто потому, что».

Когда мы смотрим на звёзды, изучаем движение планет или анализируем поведение атомов, мы сталкиваемся с удивительным фактом: математика, созданная человеческим разумом, с поразительной точностью описывает реальность. От уравнений Ньютона, предсказывающих траектории небесных тел, до Квантовой механики, раскрывающей тайны микромира, математика кажется универсальным ключом к пониманию Вселенной. Но почему она так эффективна? Является ли математика изобретением человечества или открытием, отражающим фундаментальную структуру космоса? Этот вопрос, впервые сформулированный физиком Юджином Вигнером как "необъяснимая эффективность математики", затрагивает не только науку, но и философию, заставляя нас задуматься о природе реальности и нашего места в ней.

Привет, Хабр! На связи снова Михаил Ремнев, аналитик Cloud.ru и ученый-физик. В этой статье я собираюсь немного поспорить с популярным тезисом о том, что универсальные квантовые компьютеры нужны для высоких материй типа квантовой химии, факторизации чисел и искусственного интеллекта, а квантовые симуляторы (в частности — отжигатели типа D-Wave) годятся лишь для задач оптимизации и логистики.

Демонстрировать буду на примере решения задачи факторизации целого числа. Будет много формул, но пугаться не нужно: я расскажу все очень подробно. Надеюсь, что получится интересно не только для всех, кто интересуется квантовыми вычислениями, но и для тех, чья работа непосредственно связана с решением таких практических задач как оптимизация финансовых портфелей, работа с большими данными, материаловедение, драг-дизайн, предсказание свойств молекул и многое другое. А еще в статье будет бонус для тех, кто всегда мечтал «потрогать» что-нибудь квантовое своими руками.

В данной заметке хотелось бы обратить внимание на Эффект Холла в полупроводниках p-типа. Хотя в вузовских учебниках говориться об эффекте Холла в таких полупроводниках, но ни слова не упоминается о том, что невозможно объяснить результат с точки зрения классической физики, если не сделать допущение о положительном носителя тока - «Дырке». Хотя, фактически носителями тока в полупроводниках остаются электроны.

Вообще эффект Холла в p-полупроводниках – это удивительное проявление квантового поведения электронов в макро-масштабе.

Всем привет! На связи снова Константин Ушенин из AIRI, и мы продолжаем говорить о глубоком обучении в квантовой химии. В прошлом посте мы немного разобрались в том, что такое молекула, как её представлять в компьютере, и как работают графовые нейронные сети.

В этот же раз я расскажу о том, какие результаты в этой области получила наша команда. Речь пойдет о новой архитектуре для предсказания электронной плотности LAGNet, про которую у нас недавно вышла статья в Journal of Cheminformatics [1]. Мы применили несколько интересных усовершенствований к модели DeepDFT, что позволило в 8 раз снизить требование к объёму необходимых данных и в целом сделало выучивание плотности более эффективным.