Как определить количество звезд во вселенной: галактические наблюдения и оценки

Глядя в ночное небо, астроному-любителю достаточно сложно подсчитать количество видимых невооруженным глазом звезд. С большими телескопами становится видно больше звезд, что делает невозможным счет из-за количества времени, которое на это потребуется. Так как же астрономы выясняют, сколько звезд во Вселенной? «Первая неприятная часть – попытка определить, что означает «вселенная», – сказал Дэвид Корнрайх, доцент в колледже Итака в штате Нью-Йорк. «Я не знаю ответ, потому что я не знаю, бесконечно ли велика вселенная или нет», – сказал он. Наблюдаемая вселенная возвращает нас во времени примерно на 13,8 миллиардов лет назад, но кроме этого, вероятно, мы могли бы видеть намного больше. Некоторые астрономы также думают, что мы можем жить в «мультивселенной», где были бы другие вселенные, подобные нашей, содержащиеся в какой-то более крупной сущности. Самый простой ответ может состоять в том, чтобы оценить количество звезд в типичной галактике, а затем умножить это на предполагаемое количество галактик во Вселенной. Но даже это сложно, так как некоторые галактики лучше видны в видимой части спектра, а некоторые в инфракрасном. Также существуют препятствия для оценки, которые необходимо преодолеть.

Читать далее

Ученые приблизились к решению проблемы добавления вероятностных процессов в работу детерминированных машин

Давняя проблема компьютеров – симуляция броска шулерского кубика. Исследователи на один шаг ближе подошли к добавлению вероятностных процессов к детерминистским машинам. Вот вам обманчиво простое упражнение: придумайте случайный номер телефона. Семь цифр подряд, выбранных так, чтобы каждая из них была одинаково вероятной, и так, чтобы ваш выбор очередной цифры не влиял на выбор следующей. Скорее всего, у вас этого не выйдет. Можете не верить мне на слово – исследования, проводимые ещё с 1950-х годов, показывают, насколько мы неслучайны с математической точки зрения, даже не осознавая этого. Не расстраивайтесь. Компьютеры тоже не генерируют случайных чисел. Они и не должны – программы и аппаратура компьютеров работают на булевой логике, а не на вероятностях. «Компьютерная культура зиждется на детерминизме, — сказал Викаш Мансинхка, руководящий проектом вероятностных вычислений в Массачусетском технологическом институте, — и это проявляется практически на всех уровнях». Однако программисты хотят создавать программы, работающие со случайностью – иногда того требуют задачи. За все эти годы были разработаны хитроумные алгоритмы, которые, хотя и не генерируют случайных чисел, предлагают хитрые и эффективные способы использования и манипулирования случайностью.

Читать далее

Математика распространения коронавируса: секрет коллективного иммунитета в формулах

Коллективный иммунитет меняется от одной местности к другой, а на его подсчёты влияет множество факторов. Довольно сложно просчитать момент, когда заболевание заканчивает полностью распространяться в популяции. Хотя многие аспекты текущей пандемии коронавируса остаются для нас неизвестными, одно мы знаем – закончится она, когда распространение вируса начнёт замедляться, и в итоге практически остановится, из-за того, что достаточное количество людей выработают к нему иммунитет. Получится ли это из-за появления вакцины или из-за распространения болезни – в итоге у популяции появится “коллективный иммунитет“. «Как только уровень иммунитета превысит определённый порог, эпидемия пойдёт на спад, поскольку не сможет найти достаточно новых людей для заражения», — сказала Натали Дин из Флоридского университета. Определить это пороговое значение для коронавируса крайне важно – однако в расчётах точного процента людей, которые должны приобрести иммунитет для появления коллективного иммунитета, защищающего ещё не болевших людей, есть множество нюансов. С первого взгляда всё просто. Вам нужно знать только одно – сколько людей в среднем заражает инфицированный человек.

Читать далее

Теорема о прямоугольных колышках или как можно найти в замкнутой петле все виды прямоугольников?

Джошуа Грин и Эндрю Лобб, скучая на карантине, придумали, как доказать один из вариантов теоремы о прямоугольных колышках.  В середине марта математики Джошуа Грин и Эндрю Лобб оказались в сходном положении – закрыты в четырёх стенах, пытаясь приспособиться к росту эпидемии коронавируса. Они решили справиться с ней, углубившись в свои исследования. «Думаю, что пандемия послужила определённым катализатором этого процесса, — сказал Грин, профессор Бостонского колледжа. – Мы решили, что будет лучше налечь на какую-нибудь совместную работу, которая сможет поддержать нас». Одна из проблем, которой решили заняться два друга, был вариант геометрического вопроса, остававшегося без ответа более ста лет. «Эту задачу крайне просто сформулировать и понять, однако она очень сложная для решения», — сказала Элизабет Денн из Университета Вашингтона и Ли. Всё начинается с замкнутой петли – любого искривлённого пути, у которого совпадают начало и конец. Задача, за которую взялись Грин и Лобб, по сути, утверждает, что в любом таком пути найдутся наборы из четырёх точек, составляющих вершины прямоугольника любой заданной пропорции.

Читать далее

Открыто отрицательное влияние радиации на устойчивость сверхпроводящих кубитов

Иллюстрация: Antti Vepsäläinen et al. / Nature, 2020. Американские физики показали, что ионизирующее излучение от космических лучей и радиоактивных материалов в окружающей среде может ограничить время когерентности сверхпроводящих кубитов. Исследователи показали, что радиация приводит к разрушению куперовских пар в сверхпроводнике и сокращает время жизни квантовых состояний, а радиационная защита увеличивает устойчивость системы. В будущем борьба с ионизирующим излучением должна помочь в создании отказоустойчивых сверхпроводящих квантовых компьютеров, пишут ученые в журнале Nature. Квантовые компьютеры потенциально могут справляться с целым рядом задач на порядки быстрее, чем даже самые мощные существующие суперкомпьютеры. В то время как обычные компьютеры основаны на простых битах, квантовые устройства состоят из связанных кубитов (квантовых битов), и именно стабильность последних — главная проблема в таких системах. Дело в том, что квантовые состояния крайне неустойчивы и легко разрушаются, поэтому основная характеристика кубитов — это время когерентности, или же их «время жизни». Чем дольше «живут» кубиты, тем более длительные, сложные и интересные вычисления могут выполнить квантовые компьютеры.

Читать далее

Предложен новый изолятор на основе графена с наноструктурным подслоем

Иллюстрация: Gennady Shvets et al. / Advanced photonics, 2020. Физики предложили экспериментальную модель топологических изоляторов второго порядка на основе графена с наноструктурным подслоем. Такой подход позволяет управлять распределением энергетических зон в графене «удаленно» с помощью метазатвора. Разработанная система поможет в изучении квантовых нелокальных эффектов в периодически легированном графене и разработке сверхкомпактных нанофотонных волноводов и резонаторов. Работа  опубликована в Advanced photonicsНачало активному исследованию топологических изоляторов положила нобелевская премия 2016 года «за теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз материи». Структура энергетических уровней изолятора отличается от полупроводника или проводника тем, что все его электроны находятся в валентной зоне, в то время как зона проводимости остается незаполненной. Электроны двумерных материалов в магнитном поле тоже имеют распределение по уровням, называемым уровнями Ландау.

Читать далее

Впервые сформировано изображение светового поля без использования объектива на основе схемы с рассеивателем в качестве кодировщика информации

Иллюстрация: Zewei Cai et al. / Light: Science & Application, 2020. Ученые сформировали изображения светового поля без использования объектива. Вместо него в схему камеры поместили рассеиватель излучения, который играл роль кодировщика информации о световом поле для ее дальнейшего восстановления по двумерному изображению. Такой подход позволил физикам повысить как пространственное, так и угловое разрешение получаемых изображений, а в будущем этот метод поможет преодолеть фундаментальные ограничения на качество векторного изображения светового поля, характерные для предыдущих поколений похожих устройств. Текст работы опубликован в журнале Light: Science & Application. Обычная фотография представляет собой двумерное изображение, которое не может передать угловое распределение попавшего на сенсор света. Камеры светового поля (они же пленоптические), напротив, созданы для регистрации информации как о пространственном расположении источников излучения, так и о направлении распространения света. Такое сочетание открывает множество возможностей: к примеру, на готовой фотографии можно изменить дистанцию фокусировки, а по полученному изображению измерить расстояние до объекта. Потенциал камер светового поля уже используют в микроскопии, а также существуют коммерческие пленоптические камеры.

Читать далее

Многомировая интерпретация мироустройства вселенной: кратко о ведущей физической гипотезе

Из-за того, что квантовую физику нельзя полностью наблюдать и точно проводить эксперименты по всем возникающим вопросам, ученые делятся на несколько лагерей относительно мироустройства вселенной. Многомировая интерпретация является одной ведущих многомировых гипотез в физике и философии, наряду с копенгагенской интерпретацией и новой интерпретацией согласованных хронологий. В классической физике все просто: есть пространство и время, есть материя, находящаяся в этом пространстве, есть параметры системы (как импульс или положение), и есть законы физики, которые описывают изменение этих параметров. Если точно знать начальное состояние системы, можно предсказать ее поведение в будущем с абсолютной точностью. В квантовой физике все не так. Тут систему описывает волновая функция. Она определяет вероятность измерить систему в определенном состоянии (например, определенную координату или импульс). До измерения нельзя сказать, что система обладает определенным моментом, она обладает только волновой функцией. Когда мы пытаемся измерить волновую функцию частицы, то она покажет нам один из вариантов, а не весь возможный градиент.

Читать далее

Обнаружен эффект произвольного движения капель ацетона по полимерной мембране, что может быть полезно для создания маломасштабных двигателей

Американские физики увидели колебания ацетоновых капель на тонкой подложке без какого-либо внешнего воздействия. Причиной движений оказалось сочетание искривления и релаксации подложки за счет впитывания и испарения жидкости на ее поверхности. Ученые теоретически и экспериментально описали закономерности движения в такой системе и предположили, что обнаруженные эффекты можно будет применить в разработке маломасштабных двигателей. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters. Если поместить каплю жидкости на твердую плоскую поверхность, то она либо распластается по твердому телу, либо примет форму, близкую к шарообразной, — в зависимости от смачиваемости поверхности. Смачиваемость, в свою очередь, зависит от того, как соотносятся силы притяжения частиц жидкости между собой и с частицами более плотного вещества. В случае, если структура поверхности или внешние силы не создают градиент потенциала капли, то на этом ее движение обычно останавливается. Однако Адити Чакрабати (Aditi Chakrabarti) из Гарвардского университета вместе с коллегами заставил каплю из ацетона колебаться на подложке из полидиметилсилоксана без какого-либо внешнего воздействия на систему.

Читать далее