Физика

Российские ученые из МФТИ и НИЦ «Курчатовский институт» разработали уникальный программный комплекс, способный решать одну из самых сложных задач современного строительства — определять минимально необходимую прочность материалов для возведения сейсмостойких многоэтажных зданий на свайных фундаментах в суровых условиях Крайнего Севера. Вместо того чтобы методом проб и ошибок проверять готовые проекты, новый подход позволяет точно вычислить требуемые характеристики конструкций еще на этапе проектирования, обеспечивая баланс между безопасностью и экономической эффективностью. Результаты исследования опубликованы в Lobachevskii Journal of Mathematics.

Эта статья — пятая и финальная часть цикла, в котором я последовательно собирал «теорию всего» из квантовой информации и симметрий. В первых четырёх текстах мы прошли путь от линейной квантовой механики и конформных теорий поля до гравитации, голографии, Стандартной модели, чёрных дыр и космологии. Но неизбежный вопрос после всего этого один: какой мир мы вообще описываем?

Здесь я честно ухожу в метафизику, опираясь на уже построенный физический каркас. Сначала объясняю, почему картинка «одна классическая Вселенная + наше неполное знание» не работает: неравенства Белла, отложенный квантовый ластик и запрет клонирования слишком сильно ограничивают возможные модели реальности. Многомировая интерпретация в духе Эверетта оказывается не «фантастикой», а минимально честным способом сохранить унитарность и согласовать всё с экспериментом.

Затем я предлагаю видеть мир как информационный граф: вершины — события, рёбра — причинные связи, глобальное квантовое состояние — распределение амплитуд по всем возможным ветвям этого графа. В такой картине «материя» перестаёт быть фундаментальным кирпичом и становится особым классом устойчивых информационных конфигураций, а пространство-время и геометрия — эффективным описанием крупномасштабной каузальной структуры.

Отдельная глава посвящена роли сознания: не как «магической сущности», а как подсистемы с памятью и моделью мира, которая идёт по одной ветке информационного графа и переживает её как «свою жизнь». В финале я формулирую, что для меня значит «теория всего»: минимальный набор информационных принципов и симметрий, из которого нельзя ничего убрать и нельзя ничего добавить, не сломав согласованность с собой и с экспериментом.

Это не ответ на все вопросы и не попытка навязать веру. Это — честная попытка описать, как выглядит реальность, если всерьёз принять результаты современной квантовой физики, гравитации и голографии, а не прятать их в разрозненных курсах.

Представьте: вы гуляете по ночному парку с прекрасной девушкой после романтического вечера в ресторане. Тут перед вами открывается полянка, а над ней — летнее небо, полное звезд. Вы невзначай говорите: “о, смотри, сейчас Плеяды особенно яркие”! Показываете на небо, девушка прижимается к вам поближе, чтобы разглядеть, куда же вы показываете, и…Ну дальше все в ваших руках. А вот не знали бы, где Плеяды — и все, так и пошли бы грустно по домам. В этом посте расскажу, как научиться различать созвездия, что можно наблюдать невооруженным взглядом, как выбрать первые девайсы и всякое такое.

Для тех, кто хочет подходить к вопросу подготовленным, порекомендую свой текст про небесную сферу: в нем мы рассказываем, как устроены небесные координаты, как пользоваться картами звездного, какие бывают телескопы и всякое прочее полезное. Материал рассчитан на школьников и учителей, так что там все очень доступно :)

В этом же посте пройдемся по самой-самой базе, чтобы гарантированно впечатлять друзей и кайфануть самому.

Группа российских ученых из Института прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН и МФТИ провела детальное численное исследование источников шума, генерируемых крылом прототипа сверхзвукового бизнес-джета на режиме посадки. Эта работа, сочетающая передовые методы вычислительной гидродинамики и аэроакустики, впервые позволила с высокой точностью локализовать и охарактеризовать основные зоны шумообразования вблизи  полноразмерной геометрии крыла модели прототипа сверхзвукового пассажирского самолета в посадочной конфигурации. Результаты исследования, имеющие важное значение для проектирования малошумных летательных аппаратов будущего, опубликованы в журнале Supercomputing Frontiers and Innovations. 

Когда я начинал первую статью — ту самую «Теория всего. From Zero to Hero» — мотивация была простая: физика — это не набор разрозненных курсов (квантовая механика, теория поля, теория струн, космология), а единый язык, который пока плохо организован на интуитивном уровне. Я не пытаюсь «создать новую физику», а лишь систематизирую понятийный аппарат вокруг цельного восприятия теоретической физики и облегчить читателю путь к пониманию самых сложных областей человеческого знания.

Эта, четвёртая статья цикла, посвящена тому, ради чего всё и затевалось: гравитация, горизонты, квантовая информация и космология. Сначала я аккуратно разбираю классическую сторону: как из принципа эквивалентности рождается идея, что гравитация — это не сила, а кривизна пространства-времени; что такое метрика, геодезические и уравнения Эйнштейна; как в этой картине появляются горизонты — чёрных дыр, горизонты Риндлера для ускоренных наблюдателей и космологические горизонты.

Затем поверх этой геометрии поднимается квантовая теория поля: эффект Унру (почему ускоренный наблюдатель видит вакуум «тёплым»), излучение Хокинга и энтропия Бекенштейна–Хокинга, четыре закона термодинамики чёрных дыр. На этом фоне я формулирую информационный парадокс и подключаю голографическую дуальность AdS/CFT: чёрная дыра в AdS ↔ тёплое состояние унитарной CFT на границе. Вводятся формулы Рю–Такэяги и квантово-экстремальных поверхностей (RT/QES), которые делают идею «информация на поверхности» буквально истинной и дают правильную кривую Пейджа для энтропии излучения.

В финале статья поднимается до космологии: FRW-модели и уравнения Фридмана, тёмная материя и тёмная энергия в общем языке «QFT + информация + гравитация», теоремы Пенроуза–Хокинга о сингулярностях и сценарии, которые пытаются обойти классические «бесконечности» (bounce, fuzzballs, causal set, струны). Текст написан в том же стиле, что и предыдущие части: без лишней формальной казуистики, но с максимальной аккуратностью и уважением к читателю с физмат-бэкграундом.

На протяжении десятилетий космологи рассказывали нам удивительную историю о составе нашей вселенной: 95% её состоит из загадочных, невидимых компонентов, получивших название тёмная материя и тёмная энергия. Эта «стандартная модель» космологии успешно объяснила многие наблюдения, но какой ценой? Нам нужно принять, что подавляющая часть Вселенной состоит из веществ (и веществ ли?), которые ни одна лаборатория никогда не обнаруживала напрямую. И вот теперь учёные начинают приходить к радикально иному объяснению, предполагая, что нас обманули. Точнее, нас ввела в заблуждение «неровная», неоднородная структура Вселенной.

Эта альтернативная точка зрения принадлежит к области неоднородной космологии, которая постулирует, что наблюдаемое ускорение расширения Вселенной может быть вызвано не загадочной тёмной энергией, а космическим миражом, созданным неравномерным распределением материи в пространстве. Если эта теория верна, она произведёт революцию в нашем понимании космоса и устранит одну из величайших загадок современной физики.

Стандартная модель часто выглядит как странный зоопарк частиц: шесть кварков, шесть лептонов, восемь глюонов, W и Z, фотон, Хиггс… Но если смотреть на неё не как на таблицу, а как на язык симметрий, оказывается, что это очень жёсткая и экономичная конструкция.

В этой статье я продолжаю цикл про «Теорию всего» и разбираю Стандартную модель как минимальную калибровочную квантовую теорию поля. Мы начинаем с симметрий Пуанкаре и внутренних групп SU(3)×SU(2)×U(1), показываем, как из них неизбежно рождаются глюоны, W/Z и фотон. Потом разбираем фермионный сектор: кварки и лептоны как представления этих групп, левый/правый, поколения. Отдельная часть посвящена Хиггсу — не как «шайбе массой 125 ГэВ», а как механизму, который даёт массы W/Z и фермионам, не разрушая калибровочную структуру.

В финале обсуждаем аномалии, BRST-симметрию и ренормгруппу: как требования отмены аномалий фиксируют дробные гиперзаряды и структуру поколений, почему QCD оказывается асимптотически свободной, а калибровочные константы почти унифицируются на высоких энергиях. Цель статьи — показать читателю с физмат-бэкграундом, что Стандартная модель — это не случайный набор формул, а почти единственный самосогласованный способ устроить наш мир из симметрий, который не ломается ни на уровне математики, ни на уровне эксперимента.

Принцип запрета Паули знают все, но мало кто в деталях понимает, почему «два электрона не могут сидеть в одном состоянии» — и при чём тут вообще отрицательные детерминанты и какие‑то «поля‑призраки».

Эта статья — вторая часть цикла о том, как современная квантовая теория очищает своё собственное пространство состояний. Мы начинаем с неразличимости и антисимметрии, аккуратно выводим принцип Паули из линейной алгебры, обсуждаем теорему спин‑статистики и роль грассмановых чисел. Затем переходим к калибровочным теориям: показываем, откуда берутся призраки Фаддеева‑Попова, что делает BRST‑симметрия и почему антикоммутирующие «призраки» не нарушают теорему спин‑статистики, а наоборот — спасают унитарность и калибровочную независимость.

Текст написан в «человеческом» стиле: без избыточной формальной казуистики, но с максимальной аккуратностью. Цель — дать читателю с физмат‑бэкграундом действительно понять архитектуру квантовой теории поля, а не просто выучить стандартные формулы наизусть.

Давайте начистоту. Для большинства из нас первая встреча с математическим анализом была интеллектуальной травмой. Туман из эпсилонов и дельт, теоремы, падающие с потолка, и тоскливое чувство самозванца, который вот-вот будет разоблачен.

Я здесь, чтобы сказать вам: дело было не в вас.

Проблема не в том, что вы «гуманитарий». Проблема в том, что вам преподавали не математику. Вам показывали вскрытие: препарирование живой, интуитивной идеи до тех пор, пока от нее не оставался лишь скелет формальных определений.

Моя предыдущая статья, где я впервые озвучил этот тезис, стала хитом. Судя по множеству сообщений в личке, эта боль знакома слишком многим. И почти в каждом была просьба:

«Напиши учебник. Тот самый, который мы заслужили».

Что ж, это он. Глава первая. Забудьте всё, что вы знали. Мы начинаем с нуля.

Мы отправимся в путешествие к самым основам человеческого мышления. Мы увидим, как драма, начавшаяся 2500 лет назад с простого вопроса о летящей стреле, породила всю современную науку — от физики до нейросетей.

Пристегнитесь. Мы погружаемся.

Международный коллектив ученых из Греции (FORTH, Университет Крита), Китая (Университет Вестлейк, Университет Тунцзи), Великобритании (Университет Сент‑Эндрюс) и России (МФТИ, Санкт‑Петербургский государственный университет) впервые продемонстрировал создание и управление экзотическими топологическими состояниями света при комнатной температуре, используя уникальные свойства самособирающихся кристаллов перовскита. Заперев свет в микроскопической ловушке вместе с этими кристаллами, исследователи смогли создать «синтетические» магнитные поля для фотонов, что привело к появлению необычных и надежно защищенных световых состояний. Статья об открытии опубликована в журнале Light: Science & Applications.

^{Sean McGrath}

Проживая большую часть жизни в городах, задыхающихся от пыли, люди вынуждены придумывать способы от неё избавиться, так как отсутствие пыли в воздухе, это не только комфорт, но и здоровье — ведь пыль бывает и практически не извлекаемая из органов дыхания, накапливаясь десятилетие за десятилетием (привет, силикозу, и прочим радостям). 

И здесь, на первый план выходит один из очень интересных видов фильтрации воздуха, придуманный достаточно давно — электростатический фильтр.

Ученые из Московского физико-технического института (МФТИ) и Всероссийского научно-исследовательского института автоматики им. Н.Л. Духова (ВНИИА), Евгений Андрианов и Олег Толстихин, разработали теорию, которая показывает, как казалось бы пассивное облако свободных электронов, рожденных при ионизации газа мощным лазером, способно кардинально изменять саму квантовую природу этого лазерного света. Их работа, опубликованная в журнале Physical Review A и отдельно особо отмеченная редакцией (Editors’ Suggestion), предсказывает формирование так называемых неклассических и негауссовых состояний света, включая состояния с кольцеобразной функцией Вигнера, что открывает новые пути к созданию и управлению светом для будущих квантовых технологий.

Проблема глобального потепления является одной из самых острых и, простите за каламбур, глобальных. Изменения климата, вызванные множеством факторов, в том числе и техногенных, оказывает существенное влияние на многие аспекты жизни планеты и ее обитателей. За последние десятилетия было предложено немало стратегий по борьбе или хотя бы замедлению данного процесса. Некоторые из них перспективны, другие требует серьезных вложений, но есть и весьма спорные. К таковым относится распыление отражающих аэрозолей в верхних слоях атмосферы, что должно уменьшить поступающее на поверхность Земли солнечное излучение. Ученые из Колумбийского университета (Нью-Йорк, США) провели исследование, в котором подчеркнули все негативные последствия такого «грубого» метода борьбы с глобальным потеплением. Что именно удалось выяснить ученым, и перевешивают ли найденные недостатки потенциальные преимущества? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Амплитуэдр — это геометрическая фигура, обладающая почти мистическими свойствами: вычислив её объём, вы получите ответ на ключевой вопрос физики о том, как взаимодействуют частицы. 

Молодой математик из Корнеллского университета Павел (Паша) Галашин обнаружил, что амплитуэдр связан с оригами — искусством складывания бумаги. В доказательстве (октябрь 2024) он показал: узоры оригами можно перевести в набор точек, образующих амплитуэдр. Иными словами: способ складывания бумаги и способ столкновения частиц приводят к одной и той же геометрической форме. 

«Паша уже проделал блестящую работу, связанную с амплитуэдром», — сказал Нима Аркани-Хамед, один из авторов идеи амплитуэдра, изобретённого в 2013 году. «Но это для меня совершенно новый уровень». 

Опираясь на связь с оригами, Галашин решил открытую гипотезу: импульсный амплитуэдр можно разрезать на простые части, соответствующие физическим расчётам. Проще говоря, части амплитуэдра действительно соединяются так, как и должно быть. 

Результат не только связывает две разные области — математики уже исследуют, какие ещё идеи можно перенести по этому мосту. Они используют его, чтобы лучше понять амплитуэдр — и ответить на другие вопросы в гораздо более широком диапазоне контекстов. 

Привет, друзья! На связи Алексей Разин. Я работаю инженером‑оптиком в Яндексе и уже четвёртый год занимаюсь разработкой лидаров. Мы с командой сделали несколько устройств, и сегодня я хочу поделиться с вами своими мыслями и опытом в сфере разработки лидаров — приборов, которые играют ключевую роль в развитии автономного транспорта. 

Разработка лидаров — это сложный и увлекательный процесс, который требует от команды разработчиков компетенций и знаний в области оптики, механики, электроники и программирования. Порой в процессе разработки лидаров приходится сталкиваться с нереалистичными требованиями. Например, нужно, чтобы лидар имел большой угол обзора, большую дальность действия, высокое разрешение, малый форм‑фактор, низкую цену и был готов через полгода. В реальности же приходится чем‑то жертвовать и находить наилучшее из возможных решений.

Коллектив исследователей из Московского физико-технического института и Института автоматизации проектирования Российской академии наук разработал новаторский вычислительный подход, позволяющий заглянуть в самое сердце процесса усталостного разрушения материалов. Их метод, основанный на комбинации сеточно-характеристических расчетов и технологии перекрывающихся сеток, дает возможность детально, цикл за циклом, моделировать накопление повреждений в конструкциях под воздействием высокочастотных нагрузок, что критически важно для таких отраслей, как авиастроение. Первые результаты, демонстрирующие работоспособность и точность предложенной методики, опубликованы в журнале Mathematical Models and Computer Simulations. 

При разработке электроники порой приходится создавать и отлаживать аналоговые устройства.

В этом тексте я произвел разбор генератора Колпитца.

Это генератор переменного напряжения в виде синус сигнала.

Долгое время не мог разобраться в квантовой физике на глубоком уровне — не в формулах, а в понимании: что всё это значит? Теория струн казалась непреодолимым препятствием:  слишком много математики, непонятно с какой стороны подступиться, какие физические основы. Квантовую механику ещё как-то популяризируют, но про струны популярная наука обычно молчит.

Эта статья — попытка пройти путь «от нуля до героя»: от базовых принципов квантовой информации до теории струн, дуальностей и голографии. Не упрощая математику до метафор, но и не требуя докторской степени. Уровень — физмат-школа при МИФИ: серьёзно, но доступно.

Мы покажем, как квантовая информация порождает симметрии, симметрии требуют полей, поля организуются конформной инвариантностью, конформность приводит к струнам, а голография  замыкает круг: геометрия оказывается способом кодирования квантовой запутанности. В конце — программа экспериментальных проверок и честный ответ: действительно ли это «теория всего»?

Российские ученые из Московского физико-технического института и Института системного анализа Российской академии наук разработали новый вычислительный метод и программное обеспечение, способные с высокой точностью моделировать сейсмическое воздействие на многоэтажные здания, возведенные на свайных фундаментах в суровых условиях Крайнего Севера. Результаты исследования опубликованы в журнале Mathematical Models and Computer Simulations. 

Строительство в регионах Крайнего Севера – это вызов инженерной мысли. Неустойчивые грунты, подверженные просадке из-за оттаивания вечной мерзлоты, и потенциальная сейсмическая активность требуют особого подхода к возведению зданий. Одной из ключевых технологий, обеспечивающих надежность сооружений в таких условиях, являются свайные фундаменты. Сваи, уходящие глубоко в землю, передают нагрузку на более прочные слои грунта, предохраняя конструкцию от разрушения. Однако существующие методы моделирования либо чрезмерно упрощают картину, либо требуют колоссальных вычислительных ресурсов, что ограничивает их практическое применение.

Перед коллективом российских исследователей стояла амбициозная цель: создать такой инструмент, который позволил бы не только точно, но и эффективно оценивать сейсмостойкость зданий на сваях. Ученые стремились разработать метод, который бы учитывал максимальное количество параметров, влияющих на поведение конструкции: от количества этажей и подъездов, высоты потолков и частоты расположения свай до их длины и толщины, упругих и прочностных характеристик используемых материалов, а также сложной геометрии просадки грунта и характеристик самой сейсмической волны.

Стоя посреди поля, мы легко забываем, что живём на круглой планете. Мы настолько малы по сравнению с Землёй, что с нашей точки зрения она кажется плоской.

Мир полон таких форм, которые кажутся плоскими для живущих на них муравьёв, хотя в целом они могут иметь более сложную структуру. Математики называют эти формы многообразиями. Введённые Бернхардом Риманом в середине XIX века, многообразия изменили представление математиков о пространстве. Оно перестало быть просто физической средой для других математических объектов, а стало абстрактным, чётко определённым объектом, заслуживающим самостоятельного изучения.

Эта новая перспектива позволила математикам тщательно исследовать пространства более высоких измерений, что привело к зарождению современной топологии — области, посвящённой изучению математических пространств, таких как многообразия. Многообразия также стали играть центральную роль в таких областях, как геометрия, динамические системы, анализ данных и физика.