[Дмитро]

Панспермия: жизнь на Землю пришла из космоса

Гипотеза панспермии гласит, что жизнь на Землю была привнесена «извне». В соответствии с этой гипотезой по Вселенной странствуют зародыши жизни, способные попасть и на нашу планету.

Истоки идеи панспермии прослеживаются еще в ранней античности, но расцвела она лишь в XIX веке. Ее сторонниками стали Уильям Кельвин, Герман фон Гельмгольц и Сванте Аррениус. Позже ее поддерживали один из первооткрывателей двойной спирали ДНК Фрэнсис Крик и Фред Хойл, автор термина «Большой взрыв». В настоящее время теорию активно развивает команда единомышленников, сгруппировавшаяся вокруг Налина Чандры Викрамасингха, главы Астробиологического центра им. Бэкингема (Великобритания).

Ахиллесова пята концепции панспермии — необходимость объяснить миграцию самовоспроизводящихся биомолекул или иных носителей жизни по межпланетному и тем более по межзвездному пространству. Космос не слишком гостеприимен для сложной органики, в нем чересчур много быстрых частиц и жестких излучений. Для межзвездного путешествия носители жизни должны сохранять свою жизнеспособность в течение миллионов лет. Вряд ли это возможно без надежных транспортных средств — но где их взять? На этот счет есть немало идей, и все они отягощены теми или иными недостатками.

Недавно Чандра Викрамасингх и четверо его коллег предложили новый метод, основанный на весьма смелой космогонической гипотезе, которая почти не имеет сторонников среди специалистов по астрономии ранней Вселенной. Но все же это не чистый вымысел, а наука, хотя и не слишком возможная.


Раннее рождение
Считается, что планеты начали формироваться лишь после того, как через десятки миллионов лет после Большого взрыва образовались первые звезды (вероятнее всего, много позже, поскольку эти светила с массами в десятки и сотни солнечных масс быстро взрывались или коллапсировали). Тем не менее 16 лет назад соавторы Викрамасингха Карл Гибсон и Рудольф Шилд выдвинули альтернативную модель сверхраннего планетогенеза. По их мнению, первые планеты начали формироваться вскоре после того, как через 400 000 лет после Большого взрыва Вселенная лишилась плазменной среды и заполнилась нейтральными молекулами водорода и атомами гелия. Поскольку космический газ не был однородным, в нем могли возникнуть сферические сгустки диаметром в сотни километров, которые и стали первыми планетами (или планетоидами). Согласно этой модели, Вселенная в возрасте 3−4 млн лет содержала аж 1080 газовых шаров, стянутых силой гравитации.

Температура реликтового излучения в эту эпоху измерялась сотнями кельвинов, и поэтому юные планеты были разогреты по всему объему. Но ко времени, когда Вселенной исполнилось 1,5 млрд лет, температура упала ниже точки плавления водорода (14 К), и посему планеты обрели твердую водородную кору. А еще до этого они в изобилии нахватались атомов элементов тяжелее гелия, разбросанных по космическому пространству после взрывов звезд. Так у них возникли железо-никелевые ядра, силикатные мантии и легкие внешние оболочки, содержащие водяной лед. Более того, часть воды вплоть до нашего времени и даже позже может пребывать в жидком состоянии из-за притока внутреннего тепла, обеспеченного распадом урана и тория.

Модель Викрамасингха, которую авторы называют «Гидрогравитационной динамической космологией», неизбежно приводит к появлению проявлений жизни не на отдельных планетах, а повсеместно в галактических масштабах — благодаря сложным молекулам, которые разносятся кометами и «бродячими» планетами. Турбулентный Большой Взрыв порождает плазменную эпоху, когда на границе с пустотами (войдами) формируются гигантские протогалактики. В газовую эпоху в них зарождаются галактические шаровые скопления и планеты. В скоплениях рождаются и умирают звезды, поставляя химические элементы для создания молекул (в первую очередь молекул воды), которые в дальнейшем могут стать основой жизни на планетах, где температура опускается ниже критической точки воды (647 К). Эти планеты связаны между собой «транспортной системой» из комет, разносящих молекулы по галактике.

Планетные скопления
Согласно модели Гибсона и Шилда, гало Млечного Пути (и, предположительно, гало Андромеды и прочих спиральных галактик) содержат великое множество древнейших планет, объединенных в шарообразные скопления, которые соседствуют со звездными шаровыми скоплениями. Правда, в отличие от звездных скоплений, планетные нельзя увидеть ни в один телескоп. Тем не менее они отклоняют своим тяготением лучи космических объектов заднего плана, и поэтому их все же можно обнаружить благодаря эффекту гравитационного микролинзирования. Эти скопления устойчивы, хотя и до определенного предела. Гравитационные возмущения могут выбросить замерзшие первородные планеты в плоскость диска Галактики, где некоторые из них нагреваются до частичной или полной потери твердой водородной коры, а остальные (и их большинство) путешествуют в относительно первозданном виде. Викрамасингх и его соавторы вычислили, что в среднем каждые 26 млн лет одна из таких планет подходит к нашему Солнцу. Визитерша пересекает околосолнечное линзообразное облако из пыли и замерзшего газа, служащее источником зодиакального света, и аккумулирует на своей поверхности около тысячи тонн вещества.


Подвезите до галактики
Но при чем здесь панспермия? На Землю иногда падают массивные астероиды и ядра комет, которые выбивают земное вещество в космическое пространство. Вместе с ним в космосе оказываются микроорганизмы — некоторым из них удается уберечься от гибельных температур и давлений и сохранить свою жизнеспособность. Такие организмы могут попасть из зодиакального облака на поверхность мигрирующей планеты и вместе с ней унестись в далекий космос. Если эта планета окажется в окрестностях какой-нибудь звезды, то принесет туда зародыши земной жизни, в роли которых могут выступать не только неповрежденные микроорганизмы, но и фрагменты их генома.

Скорее всего, Земля не единственная обитель жизни в Галактике. И если жизнь зародится где-то еще, то странствующие первородные планеты понесут ее дальше. Поэтому, заключает Чандра Викрамасингх с коллегами, Млечный Путь может оказаться единой супербиосферой космического масштаба. Это и есть панспермия в ее галактическом варианте.   

[Дмитро]

Физики воспроизвели в лаборатории одну из ярчайших вспышек во Вселенной

Учёным удалось воссоздать в лабораторных условиях миниатюрную копию гамма-всплеска – грандиозного космического события, природа которого давно интересует астрономов. В этом физикам помог один из самых мощных лазеров на Земле. О достижении сообщается в научной статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters.
Гамма-всплеск – это вспышка гамма-излучения длительностью от 1 до 100 секунд. Энергия, которая выделяется в этом катаклизме, в одних только гамма-лучах составляет 1050 эрг. Для сравнения: вся Галактика в этом диапазоне излучает в секунду в сто раз меньше энергии!
Какие процессы приводят к столь масштабной иллюминации? Несмотря на то, что гамма-всплески наблюдаются примерно раз в сутки, их природа всё ещё не известна учёным. Проблем добавляет то, что эти события имеют разную продолжительность и зависимость интенсивности излучения от времени (кривую блеска, как говорят астрономы).
Разнообразие гамма-всплесков наводит на мысль, что они делятся на несколько видов, порождаемых различными источниками. В 2017 году произошло выдающееся событие, о котором "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) подробно рассказывали: удалось отождествить короткий гамма-всплеск с источником гравитационных волн. Тем самым было доказано, что по крайней мере некоторые из этих событий – это столкновения нейтронных звёзд.
Какие ещё существуют версии? Мейнстримом является гипотеза, что дело во вспышке сверхновой. При определённых условиях (высокая плотность звезды перед взрывом, её быстрое вращение и так далее) энергия выделяется не равномерно во все стороны, а в узкий конус, напоминающий джет квазара.
Если материи внутри этого конуса мало (порядка массы планеты), то давление излучения ускорит частицы этого вещества почти до скорости света. При этом должно возникнуть мощнейшее магнитное поле. Электроны и позитроны (их "двойники" из антиматерии), вращаясь в этом поле, высвечивают свою огромную энергию в гамма- и жёстком рентгеновском диапазоне.
Если конус направлен прямо на Землю, гамма-телескопы зафиксируют мощный всплеск излучения. А такой всплеск – как раз то, что наблюдают астрономы.
Однако всё это по большей части теоретические модели. Физикам неизвестно, как на самом деле ведёт себя электрон-позитронная плазма в таком пучке и получится ли в итоге излучение с нужными характеристиками.
Большая команда исследователей во главе с Джанлукой Сарри (Gianluca Sarri) из Университета Квинс в Белфасте решила по возможности восполнить этот пробел в знаниях. Правда, в лаборатории затруднительно взорвать сверхновую, поэтому авторы придумали миниатюрную модель процесса.
Учёным помог один из мощнейших на Земле лазеров – Gemini. В импульсах продолжительностью всего 30 фемтосекунд достигается впечатляющий поток излучения: 1021 ватт на квадратный сантиметр. То есть на квадратный метр приходилось бы 10% полной светимости Солнца!
Облучая мишень с помощью такого лазера, авторы создали узкий пучок электронов и позитронов, имитирующий джет при взрыве сверхновой. Используя быстродействующие детекторы, исследователи зафиксировали поведение магнитного поля, которое порождается такой струёй.
К большой радости учёных, основные теоретические предположения о величине и распределении такого поля оказались правильными. Так независимый лабораторный эксперимент подтвердил астрономическую модель, рождённую на кончике пера. Окончательная разгадка природы гамма-всплесков стала на шаг ближе.
К слову, мы уже писали о том, как в лабораториях в уменьшенном масштабе воспроизводятся грандиозные космические процессы. Например, мы рассказывали о том, как были воссозданы алмазные дожди планетарных недр и процесс образования органики в межзвёздной среде.
Говорили мы и об астрономических наблюдениях гамма-всплесков, например, об их оптическом излучении и о ярчайшем таком событии в истории.
ВЕСТИ.РУ   

[Дмитро]

Для чего нужна математика?

В своей книге «Как не ошибаться. Сила математического мышления» Джордан Элленберг рассуждает на тему того, кому и зачем в жизни может понадобиться такая наука, как математика. Далеко не каждому преподавателю удается ответить на этот вопрос так, чтобы по-настоящему заинтересовать студентов в предмете. Что уж говорить о самих учащихся, которые наотрез отказываются признавать, что математическое мышление может пригодиться за пределами университетской аудитории.

Сейчас, в эту самую минуту, где-то в мире какая-нибудь студентка пререкается со своим преподавателем математики, вручившим ей список из тридцати определенных интегралов, на вычисление которых уйдет немалая часть ее драгоценных выходных.

На свете так много всего, чем она хотела бы заниматься. В принципе нет такого дела, за которое она не была бы готова взяться — практически за любое, но только не за решение интегралов. Это абсолютно точно, поскольку на прошлой неделе ей уже пришлось в свои выходные потратить уйму времени на почти такие же тридцать определенных интегралов.

В подобном времяпровождении она не видит никакого смысла, о чем заявляет вслух. В их непростой беседе наступает тот самый момент, когда наша студентка собирается задать вопрос, которого любой преподаватель боится больше всего: "И когда же мне это пригодится?"

По всей вероятности, учитель математики ответит так: «Понимаю, сейчас это занятие кажется вам бессмысленным. Но имейте в виду следующее: вы еще не знаете, чем будете заниматься завтра; сегодня вы не находите никакой связи между интегралами и своим будущим, но вы можете выбрать такую профессию, в которой будет чрезвычайно важно уметь быстро и правильно вычислять определенные интегралы вручную».

Вряд ли подобный ответ удовлетворит студентку, поскольку он лживый. Что понимают и преподаватель, и ученик. Количество взрослых людей, которым когда-либо пригодится интеграл (1–3x+4x2)–2 dx или формула косинуса 3θ, или синтетическое деление многочленов, можно сосчитать на нескольких тысячах рук.

Эта ложь не доставляет особого удовольствия и учителю. Мне ли не знать: за многие годы преподавания математики я давал сотням студентов задание вычислять целые списки определенных интегралов. К счастью, есть и более подходящее объяснение. Я постараюсь его для вас сформулировать:

«Математика— не просто последовательность вычислений, которые необходимо выполнять механически до тех пор, пока у вас не закончится терпение и выдержка — хотя эта мысль может показаться весьма далекой от того, чему вас учили на курсах, именуемых „математика“. В математике интегралы играют ту же роль, что силовые тренировки и физическая подготовка в футболе. Если вы хотите научиться играть в футбол— а я имею в виду играть по-настоящему, — вам предстоит выполнить множество скучных, однообразных, на первый взгляд бессмысленных упражнений. Используют ли когда-либо эти упражнения профессиональные игроки? На поле никто не поднимает штангу и не бегает зигзагами между конусами. Но все-таки футболисты используют ту силу, скорость, понимание сути игры и гибкость, которую они обрели в процессе выполнения — неделя за неделей — множества утомительных упражнений. Отработка таких упражнений — неотъемлемая часть обучения игре в футбол.

Если вы хотите зарабатывать игрой в футбол на жизнь или даже стать членом университетской команды, вам предстоит провести много скучных выходных на тренировочном поле. Другого пути нет. Но есть и хорошая новость: если интенсивные тренировки вам не под силу, вы все равно сможете играть в футбол — для развлечения, для самого себя. Сделав пас защитнику или забив гол с большого расстояния, вы будете получать такое же удовольствие, как и профессиональный спортсмен. Кроме того, играя в футбол с друзьями, вы почувствуете себя намного здоровее и счастливее, чем если просто сидели бы и смотрели по телевизору игру профессионалов.

Математика представляет собой почти то же самое. Возможно, вы не станете обременять себя профессией, непосредственно связанной с этой наукой. Что вполне нормально, поскольку большинство людей не ставят перед собой такой цели. Тем не менее вы все-таки можете заниматься математикой. По всей вероятности, вы — сами того не зная — уже решаете математические задачи. Математика вплетена в ткань нашего мышления. В объяснении правил судоку в английской версии газеты Metro, в частности, сказано: «Хотя это игра с числами, она не требует математических навыков — только понимания логики и терпения».

Кроме того, математика помогает человеку лучше делать свое дело. Знание математики — своего рода рентгеновские очки, позволяющие увидеть структуру мира, скрытую под беспорядочной, хаотичной поверхностью. Математика— это наука о том, как не совершать ошибок, а математические формы и методы выковывались на протяжении многих столетий упорного труда и дискуссий. Владение математическим инструментарием позволит вам составить более глубокое, достоверное и осмысленное представление об окружающем мире. Все, что вам нужно, — это тренер или по крайней мере книга, которая научит вас правилам игры и некоторым базовым тактическим приемам. Я буду вашим тренером. Я научу вас этому».

К сожалению, на занятиях из-за нехватки времени мне не часто приходится произносить подобные речи. Напротив, в книге всегда найдется место и для более пространных рассуждений. Надеюсь, мне удастся оправдать сделанные выше серьезные заявления, показав вам, что математика позволяет решать многие из задач — будь то политика, медицина, коммерция или богословие, — над которыми мы размышляем каждый день.
  

[Дмитро]

Американским физикам предстоит стабилизировать «кристаллы времени»

Исследовательский отдел Управления перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (или DARPA – Defense Advanced Research Projects Agency) инициировал проект по изучению «кристаллов времени» и их потенциального применения.

Около года назад американские физики совершили открытие новой формы неравновесной материи, атомы которой периодически повторяют свою структуру, потому что получает энергию извне. Так называемые «кристаллы времени» представляли собой странное состояние вещества, атомная структура которого повторяется не только в пространстве, но и во времени, что позволяет им поддерживать постоянное колебание без затраты энергии. Это был один из первых примеров неравновесного вещества, но ученые не предполагали, как именно его можно использовать.

Новый проект предусматривает работу над созданием квантовых систем, состоящих из большого количества неравновесных частиц. Частицы в квантовом состоянии очень чувствительны к изменениям окружающей среды. При малейших потрясениях они могут потерять свои свойства. Но приведение их в состояние квантовой когерентности (согласованности) откроет новые возможности для разработки новых сверхточных технологии – от квантовых компьютеров до атомных часов.

Физикам предстоит разработать способы стабилизации атомов в такой системе и продемонстрировать концепции, которые смогут минимум в десять раз улучшить стабильность состояния колеблющихся частиц.   

[Дмитро]

IBM разработала самый маленький в мире компьютер
Самый маленький в мире компьютер помещается на кончике пальца, но вычислительной мощностью не уступает громоздким компьютерам девяностых.

IBM сделала самый маленький в мире компьютер с габаритами 1х1 мм (высота неизвестна). Компьютер состоит из процессора, оперативной памяти, солнечной панели, модуля обмена данными и фотоприемника. Связь с другими устройствами осуществляется через передачу и прием вспышек светодиода. Первый прототип компьютера сейчас тестируют, в частности, на работе с блокчейном; в серийное производство компьютер должен попасть к 2023 году.

Вычислительная мощность маленького компьютера невелика: согласно публикации IBM, она аналогична мощности процессора архитектуры x86, выпускавшегося в 1990-х годах (конкретный процессор компания не называет). После выхода в серию такие компьютеры, по расчетам специалистов IBM, должны стоить не больше 10 центов. Миниатюрный компьютер можно будет использовать в самолетах и автомобилях, в охранных системах и в устройствах «умного дома», а также для отслеживания посылок и аутентификационных товарных метках.

До сегодняшнего дня самым маленьким в мире компьютером считался M3, созданный программистами из Мичиганского университета — 3х4х2 мм.   

[Дмитро]

Исследован механизм «питания» бактерий электронами
Ученые исследовали механизм получения энергии бактериями, которые «дышат» электронами — для этого они используют «нанопровода».

Ученый М. Эль-Наггар (Университет Южной Калифорнии, США) и его группа, исследуя метаболизм бактерий вида Shewanella oneidensis, обнаружили механизм, благодаря которому они могут «питаться» электричеством.

Большинство живых организмов можно отнести к двум классам. Хемотрофы получают энергию за счет окислительно-восстановительных реакций (очень редко иных) с органическими или неорганическими веществами, а фототрофы для этого используют свет. Однако существуют микроорганизмы, которые способны поглощать электроны напрямую, — электролитоавтотрофы. Так, их обнаружили в жерлах глубоководных гидротермальных источников — «черных курильщиков».

Эль-Наггар и его коллеги работали с бактерией Shewanella oneidensis, открытой около 30 лет назад Кеннетом Нилсоном. Лишь спустя столько времени стал понятен механизм получения электроэнергии.

«Микробы — это высокоразвитые машины, — образно выразился Эль-Наггар. — <…> Это класс [существ], который действительно хорош в преобразовании энергии и взаимодействии с абиотическим миром».

Исследуемая бактерия, как и многие другие, имеет ворсинки, также называемые фимбриями или пилусом. Эти поверхностные структуры есть у многих бактерий — белковые цилиндры длиной до 1,5 микрометра и диаметром семь-десять нанометров. Они различаются по строению и предназначению, у одной бактерии может быть сразу несколько типов ворсинок, а у некоторых бактерий их значение не выявлено. Однако все они так или иначе связаны с прикреплением бактерии к внешним объектам.

Исследователи применили метод электронной криотомографии: бактерии мгновенно замораживали, что позволяло сохранять их естественное состояние, а затем проводили трехмерную томографию. Фимбрии Shewanella oneidensis оказались не простыми трубками для крепления — они включали цепочку мембранных шариков, нанизанных друг на друга. Ворсинки являлись продолжением клеточной мембраны в такой специфической форме. Ученые назвали их «нанопроволоками»: наличие цитохромов, железосодержащих белков, позволяет переносить электроны между бактерией и внешней поверхностью. На рисунке изображен такой «нанопровод», а транспортирующие электроны белки обозначены красным и зеленым цветами.

Транспортные белки в мембране расположены на расстоянии до 30 нанометров друг от друга — это много для переноса электрона. Таким образом, только близкорасположенные белки могут передавать электрон друг другу. Исследователи предположили, что внутри мембранных пузырьков находятся протеины, столкновения с которыми помогают носителям заряда приближаться на нужное расстояние. Проверка этой гипотезы заявлена как следующий шаг исследования.

Эль-Наггар буквально в восторге от перспектив: «…Мы могли бы разработать новые машины, где живые клетки функционируют как часть гибридной биотически-абиотической системы».

Открытие полезно и для разработки микробиологических топливных элементов, которые генерируют электричество, и для очистки сточных вод. Сейчас широко изучается тема использования бактерий для различных ранее исключительно технологических процессов. Например, некоторые бактерии могут вырабатывать водород, а другое — добывать золото из руды.

С научной же точки зрения важна сама возможность жизни, основанной на таком нестандартном для Земли принципе.Транспортные белки в мембране расположены на расстоянии до 30 нанометров друг от друга — это много для переноса электрона. Таким образом, только близкорасположенные белки могут передавать электрон друг другу. Исследователи предположили, что внутри мембранных пузырьков находятся протеины, столкновения с которыми помогают носителям заряда приближаться на нужное расстояние. Проверка этой гипотезы заявлена как следующий шаг исследования.

Эль-Наггар буквально в восторге от перспектив: «…Мы могли бы разработать новые машины, где живые клетки функционируют как часть гибридной биотически-абиотической системы».

Открытие полезно и для разработки микробиологических топливных элементов, которые генерируют электричество, и для очистки сточных вод. Сейчас широко изучается тема использования бактерий для различных ранее исключительно технологических процессов. Например, некоторые бактерии могут вырабатывать водород, а другое — добывать золото из руды.

С научной же точки зрения важна сама возможность жизни, основанной на таком нестандартном для Земли принципе.   

[Дмитро]

Ученые показали, что мозговые волны слушателей на концерте синхронизируются

Каждый меломан знает, что переживания «живого» концерта — это нечто особенное, чего никак не могут передать даже самые лучшие наушники и колонки. Знает об этом и мозг: Джессика Гран (Jessica Grahn) и ее коллеги обнаружили, что ритмические колебания мозговой активности у посетителей концерта синхронизируются, стимулируя позитивные переживания. Об этом ученые рассказали на ежегодной встрече Общества когнитивных нейронаук (Cognitive Neuroscience Society), прошедшей недавно в американском Бостоне.

Электроэнцефалография (ЭЭГ) позволяет измерить ритмические групповые колебания активности нейронов в разных отделах мозга. Их частота, амплитуда и форма меняются от стабильных альфа-волн в спокойном бодрствующем состоянии до быстрых бета- и гамма-волн при интенсивной работе мозга, долгих тета- и дельта-волн — в период восстановления и сна. Их нарушения могут быть связаны с такими состояниями, как болезнь Паркинсона и дислексия.

В ходе своих экспериментов исследователи использовали электроды ЭЭГ для наблюдения за мозговыми волнами у добровольцев, разделенных на группы по 20 человек. Все они слушали одну и ту же песню, специально написанную для этого опыта, с сильно выраженной ритмической основой. Но одни подопытные услышали ее в «живом» исполнении перед большой аудиторией, вторые — в записи на экране телевизора, третьи же смотрели видео выступления перед немногочисленной группой зрителей.

И действительно: у участников первой группы отмечалась намного более высокая синхронизация мозговых волн как друг с другом, так и с ритмом самой музыки. Более того, заполненные после исполнения опросники показали, что люди именно из этой группы переживали опыт как более позитивный, чем те, которые смотрели исполнение в записи.

Ученые считают этот эффект еще одним напоминанием о высокой социальной природе нашего вида. Сегодня большинство из нас привыкли выступать лишь в роли слушателя, но некогда музыка и танец были частью культовых ритуалов и соответствующих групповых действий, ведущих к созданию тесных социальных связей. Такое поведение вознаграждается мозгом — и мы до сих пор переживаем на концертах «нечто особенное».   

[Дмитро]

Большой адронный коллайдер был снова запущен в пятницу, впервые в 2018 году. Самый мощный в мире ускоритель частиц работает уже семь лет подряд и четыре года осуществляет сбор данных проектной энергии в 13 ТэВ (энергия, с которой протоны поступают в ускоритель).

Для перезапуска ускорителя требуется гораздо больше действий, чем простое включение переключателя, поскольку коллайдер является конечным звеном в цепочке ускорителей, состоящей из пяти отдельных машин. После перерыва на зиму, который позволил инженерам выполнить ряд операций по техническому обслуживанию, машинные операторы постепенно восстанавливают работу инфраструктуры и ускорителей.

Полный ввод в эксплуатацию еще далек от завершения. Множество подсистем необходимо запустить синхронно. Также необходимо обеспечить питанием 1,5 тысячи электрических цепей и провести около десяти тысяч тестов, что будет сделано в ближайшие дни. Полноценную работу коллайдера планируют начать в мае. В этом году ученые надеются собрать намного больше данных, чем в прошлом.   

[Дмитро]

Вселенная может быть уничтожена бозоном Хиггса

Эксперты утверждают, что Вселенная может быть уничтожена при столкновении с пузырем отрицательной энергии, созданным бозоном Хиггса — «частицей Бога».

Исследователи из Гарвардского университета сделали удивительное открытие, изучив данные о массе частиц и их взаимодействии. Масса бозона Хиггса не всегда может оставаться постоянной. Ученые полагают, что если масса квантовой частицы, которая отвечает за массу всей материи в мире, вдруг изменится, это подействует на все процессы, которые делают жизнь во Вселенной возможной. Появится огромный расширяющийся пузырь отрицательной энергии, в котором законы физики в том виде, в каком мы их знаем, будут полностью уничтожены. И этот пузырь будет расти, пока не поглотит всю Вселенную.

Ученые отмечают, что если «крах» бозона Хиггса все-таки произойдет, мы, скорее всего, не узнаем об этом, пока не станет слишком поздно. Образование отрицательной энергии будет происходить где-то за пределами нашей галактики, поэтому нет возможности обнаружить его с Земли. Вполне вероятно, что это событие уже произошло, но мы просто слишком далеки от него.   

[Дмитро]

Предки людей встали на ноги уже 4,4 млн лет назад
Ученые сравнили нагрузку на мышцы при прямохождении современных шимпанзе и бонобо и ископаемых родственников человека и подтвердили гипотезу о том, что способность ходить по земле на двух ногах развилась уже у самых ранних представителей трибы гоминини — ардипитеков, живших 4,4 миллиона лет назад.


Ранним представителям трибы гоминини, к которой относятся шимпанзе и современные люди, а также их (и наши) предки, обычно приписывают неспособность к прямохождению, доказывая это «обезьяньим» устройством конечностей. В 1994 году антропологи даже поставили эксперимент, надев на ноги своим лаборантам специальные длинные ботинки, которые должны были имитировать удлинненные пальцы ног древних гоминин. Лаборанты спотыкались и падали, и ученые заключили, что длиннопалые предки не умели ходить на двух ногах и высоко держа голову.

Результаты нового исследования, проведенное группой исследователей под руководством Германа Понцера (Herman Pontzer) из Городского университета Нью-Йорка, противоречат выводам, сделанным из эксперимента с длинными ботинками. Понцер и его коллеги заключили, что прямохождение развилось уже 4,4 млн лет назад; ходить на двух ногах могли и австралопитеки, и еще более древние ардипитеки. Последние еще и сохраняли навык лазания по деревьям и могли жить и на равнинах, и в лесу.

Ученые основывались на измерениях подвижности суставов задних конечностей у людей и шимпанзе, а также бонобо, горилл, гиббонов и других приматов. Наблюдения за животными в зоопарках позволили рассчитать нагрузку, которую испытывают кости задних конечностей обезьян, когда они передвигаются на двух ногах. Оказалось, что из-за длинного копчика и неспособности вывести ногу в одну плоскость со спиной обезьяны вынуждены прилагать гораздо больше усилий, чем это делаем мы, чтобы передвигаться на двух ногах. При этом у обезьян активнее работают мышцы задней поверхности бедра и мышцы, которые крепятся к копчику.

Затем антропологи реконструировали по костным останкам характер движения задних конечностей у трех ископаемых видов гоминин: африканских и афарских австралопитеков и ардипитеков. Оказалось, что представители всех трех видов могли полностью выпрямлять ногу и минимизировать нагрузку на мышцы при прямохождении. Особенно интересно, что делать это могли даже ардипитеки, несмотря на их длинный копчик: сказывалась особая ориентация тазовых костей. Эта особенность, вероятно, позволяла ардипитекам и уверенно ходить по земле, и ловко лазить по деревьям.   

[Дмитро]

Во Вселенной не хватает фосфора для зарождения жизни
Фосфор, без которого не может существовать ни один живой организм на Земле, может встречаться в космосе реже, чем считалось ранее.

Крабовидная туманность. Снимок телескопа "Хаббл".

Когда астрономы говорят о поиске в космосе необходимых для зарождения жизни элементов, речь чаще всего идет о кислороде и углероде. Эти два элемента не так распространены в космосе, как другие два органогенных элемента — водород и азот, поэтому их обнаружение позволяет сузить радиус поиска потенциально обитаемых уголков Вселенной. Другие элементы в меньших количествах присутствуют и в космосе, и в живой природе, но науке неизвестно ни одно живое существо, которое могло бы обойтись без калия, кальция, магния, натрия, серы, хлора и фосфора; эти элементы, вместе с четырьмя органогенными, составляют набор абсолютно необходимых для жизни в известных нам формах элементов, поэтому их поиск во Вселенной тоже можно использовать как косвенный метод поиска внеземной жизни.

Фосфор присутствует в живых организмах в небольших количествах (у человека на него приходится 1,1% массы тела), но совершенно необходим для существования жизни, поскольку входит в состав нуклеиновых кислот — ДНК и РНК, а также других крайне важных биомолекул. До сих пор считалось, что от массы вещества Вселенной фосфор составляет всего 0,0007%. Основной его источник — сверхновые; в следовых количествах он также синтезируется в ходе термоядерных реакций в недрах звезд. Новое исследование международной группы астрофизиков показало, что некоторые сверхновые дают меньше фосфора, чем другие, и в целом его содержание во Вселенной может быть еще меньше, чем предполагалось, а значит, мест, где его достаточно для зарождения жизни — тоже меньше.

Туманность Кассиопея А, снимок телескопа «Хаббл»

Астрофизики искали фосфор в двух туманностях, оставшихся после взрывов сверхновых — Крабовидной в созвездии тельца и туманности Кассиопея A в одноименном созвездии. Эти огромные облака газа и пыли образовались в результате очень схожих астрономических событий - взрывов сверхновых II типа, и математическое моделирование этих событий предсказывало примерно одинаковое распределение разных химических элементов в двух туманностях. Предварительные результаты исследования, однако, указывают на то, что в Кассиопее А фосфора намного больше, чем в Крабовидно туманности.

Разница в содержании фосфора удивила ученых. Она может означать, что еще не известные науке процессы во время взрывов сверхновых, приводят к более или менее интенсивному синтезу некоторых элементов. Возможно также, что расхождение объясняется разницей двух туманностей в возрасте. Свет от взрыва сверхновой, породившей Крабовидную туманность, дошел до Земли около тысячи лет назад; свидетельства о нем сохранились в китайских хрониках. Свет же от взрыва звезда, породившей туманность Кассиопеи, дошел до Земли всего 300 лет назад.

Фосфор и его соединения в Крабовидной туманности могли со временем перейти из газовой фазы в твердую; это может объяснить разницу газовых спектров двух туманностей, считают авторы исследования. Впрочем, возможно и более простое объяснение: когда телескоп Уильяма Гершеля на Гавайях был направлен на Крабовидную туманность, небо было облачным, и это могло исказить результаты измерений. Выводы о различном содержании фосфора в остатках сверхновых еще предстоит проверить, отмечают авторы работы, но если они верны, это означает, что жизнь во Вселенной имеет еще меньше шансов, чем мы думали. Новые звезды и планеты вокруг них формируются из вещества, выброшенного взрывами сверхновых; если во всей туманности мало фосфора, то и на планете его может оказаться недостаточно для зарождения жизни — по крайней мере в том единственном виде, с которым мы знакомы.

Результаты новых наблюдений ученые представили на Европейской неделе астрономии и наук о космосе в Ливерпуле.   

[Дмитро]

Исследователи разработали новый тип микроскопической камеры, которая может работать автономно и без подзарядки. Камера способна делать снимки достаточно высокого качества.

Инженеры Мичиганского университета обнаружили, что светочувствительные диоды достаточно прозрачны, чтобы пропускать много света. Поэтому солнечный элемент, помещенный под датчик изображения, не мешает работе камеры, и она может одновременно делать снимки и заряжаться. Разработанный прототип по размерам меньше квадратного миллиметра и работает на солнечном свете. Камера снимает со скоростью до 15 кадров в секунду, при этом разрешение снимков достаточно высокое для устройства таких размеров.

В своей работе исследователи отмечают, что они могут легко улучшить качество изображений, добавив изменения в сенсоры камеры. В конечном итоге у них должна получиться практически невидимая камера, которой не нужны батарейки или беспроводная сеть. Ученым осталось доработать возможности камеры в области хранения и передачи данных, но это всего лишь вопрос времени и усилий.   

[Дмитро]

У современной фотокамеры есть ряд стандартных параметров: выдержка, регуляция диафрагмы, чувствительность сенсора. От их настроек зависит качество изображения, например: яркость кадра, глубина резкости, шум. Иногда никакие манипуляции со стандартными настройками камеры не позволяют добиться желаемого качества изображения. Тогда и приходят на помощь современные вычислительные методы формирования изображений (computational imaging).


Подробнее о развитии фототехнологий, применении методов распознавания изображений в медицине и возможностях сверхразрешения — в рассказе специалиста по computational imaging Дмитрия Дылова:

Вычислительные методы сегодня — важный инструмент для обработки и формирования изображений. Результаты их использования улучшают качество телефонных снимков, позволяют делать медицинскую диагностику точнее и помогают увидеть новые объекты на звездном небе. Как это происходит, рассказывает специалист по computational imaging Дмитрий Дылов, доцент Центра Сколтеха по научным и инженерным вычислительным технологиям для задач с большими массивами данных.

ПостНаука и Сколковский институт науки и технологий представляют курс «Математическое моделирование», составленный на основе магистерской программы «Вычислительные системы в науке и технике».

У современной фотокамеры есть ряд стандартных параметров: выдержка, регуляция диафрагмы, чувствительность сенсора. От их настроек зависит качество изображения, например: яркость кадра, глубина резкости, шум. Иногда никакие манипуляции со стандартными настройками камеры не позволяют добиться желаемого качества изображения. Тогда и приходят на помощь современные вычислительные методы формирования изображений (computational imaging). Они позволяют по каждому из этих параметров сделать что-то для улучшения итоговой картинки.

Классический пример — увеличение диапазона яркости кадра (High Dynamic Range): можно сделать три-четыре снимка с разной выдержкой, наложить их и получить равномерную гистограмму изображения (получится увидеть объекты на солнце так же детально, как и в тени). Похожим способом можно добиться и незначительного увеличения глубины резкости, и уменьшения шума (зернистости) на фотографии. За этими возможностями стоят довольно простые методы прикладной математики, которые сегодня уже никого не удивляют, — они интегрированы в программное обеспечение цифровых камер и смартфонов.

Более интересная математика начинается, когда система пытается увидеть изображение на пределе своих физических возможностей. Например, когда фотографируемый объект очень мал по сравнению с эффективным размером детектора (пикселя) или когда сигнал от него очень слаб по сравнению с шумом. Тут вычислительные алгоритмы приходят на помощь на самых разных масштабах: от астрономии до микроскопии. Например, важнейшая задача в астрономии — компенсация искажений наблюдаемых звезд, вызванных турбулентностью, — решается посылкой зондирующего луча, который возбуждает атомы натрия в атмосфере, заставляя их светиться (астрономы называют такое свечение «опорной звездой»). При этом измеряется искажение фазы волнового фронта, а затем вычислительный алгоритм компенсирует присутствие турбулентности, и изображение наблюдаемой звезды становится четким. А в флуоресцентной микроскопии точно такое же зондирование волнового фронта и компенсация с помощью адаптивной оптики позволяют в разы улучшить физически ограниченное разрешение — так, что сегодня биологи могут нормально рассмотреть мельчайшие бактерии и вирусы. И с точки зрения математических методов в вопросах вытягивания полезной информации уже не так важно, идет речь о телескопии или о микроскопии.

Когда камера видит больше деталей, она на самом деле видит больше различных частот в Фурье-пространстве (или в пространстве углового распределения). Поэтому основной характеристикой качества систем формирования изображений является ее частотно-контрастная характеристика (ЧКХ). Разрешение и контраст — это на практике два самых важных параметра системы, которые описывает ЧКХ. Если знать, что именно искажает изображение, то можно цифровыми способами восстановить качество, используя математическую операцию обратной свертки и предварительно измерив ЧКХ системы.

Нестандартные системы: кодированные искажения и пленоптические камеры

Отдельное направление computational imaging посвящено созданию синтетических ЧКХ для формирующих изображения систем, когда ЧКХ не только формирует картинки, но и сама выглядит как какая-то картинка. То есть она не стандартная круглая, как в обычной камере, а многоугольная или даже внешне похожая на QR-код — такая диафрагма камеры помогает закодировать имеющееся в системе искажение с помощью своей формы, а потом настоящее изображение получается восстанавливать той же обратной сверткой. Можно даже кодировать диафрагму во времени какой-то последовательностью открываний и закрываний. Зная точно эту последовательность, получается останавливать движущиеся объекты в кадре, убирать артефакты движения (размытие). Сегодня идут работы не только по кодировке в пространстве координат и в пространстве-времени, а также с помощью цвета (синтетическое распределение по длинам волн) и с помощью поляризации света (мозаика из поляризационных фильтров с различным ориентированием относительно пикселей камеры).

Резкий рост интереса к цифровым технологиям в создании и обработке изображений произошел после 2005 года, когда люди на практике научились измерять световое поле с помощью портативной системы размером с обычный фотоаппарат — так называемый light field imaging. Такая система называется пленоптической камерой (концептуально предложена в 1992 году), она отличается от обычной камеры множеством маленьких линз, расположенных поверх пикселей матрицы сразу после обычного объектива. Эти линзы могут не только измерять освещенность какого-то объекта в кадре, но и давать локальную информацию о том, под каким углом объект был спроецирован в плоскость изображения в данной точке. Можно сказать, что один кадр, снятый такой системой, как будто содержит информацию о других ракурсах, о других углах обзора фотографируемого объекта, создавая стереоэффект. Математически разделяя соответствующие Фурье-компоненты углового распределения, получается, например, вычислить точные расстояния между объектами вдоль оптической оси камеры. В результате можно синтетически восстановить глубину резкости у размытого изображения на внушительном диапазоне расстояний. Сегодня особенно популярно использование пленоптических камер для 3D-видеосъемки, для стереоскопических дальномеров, для разработки микроскопов, для решения задач компьютерной графики.

Машинное обучение и распознавание изображений

Применение этих технологий в компьютерном зрении позволяет использовать различные достижения вычислительных наук вместе со всевозможными методами глубинного обучения. Текущие исследования направлены на то, чтобы не только получать из снимков полезную дополнительную информацию, улучшая их качество, но и тренировать распознающие алгоритмы, делать анализ в процессе сбора данных и понимать, из чего состоит конкретное изображение. Это наиболее интересно для применения в медицинских задачах.

Нейронные сети сегодня являются одним из основных методов компьютерного зрения. В последнее время нейронные сети учат сражаться друг с другом: они создают какие-то модели, которые вообще находятся за гранью человеческого понимания. Нейросети все еще остаются для нас черным ящиком, пусть и настраиваемым: они работают сами по себе, а на выходе дают какой-то результат, нередко очень точный. Но предстоит еще много сделать, чтобы понять, какие процессы происходят внутри них, потому что сегодня их математика все еще непонятна.

Если интегрировать вычислительные методы формирования и глубинного анализа изображений в единую систему, то, возможно, получится понять основы как одной, так и другой дисциплины. Над этим и ведет исследования моя группа. А приложения могут быть самые разные. Например, в медицинских целях при помощи новых технологий прямо во время получения изображения врач сможет узнать, на что именно он смотрит в реальном времени: опухоль, нервные волокна, жировую ткань или мышцу. Объединить измерение и диагностику в один процесс и есть основная цель разработок сегодня.

Внутри некоторых госпиталей есть подразделения, которые пытаются внедрять эти новые методы. Как правило, они делают это совместно с большими биоинженерными центрами, обычно при государственном финансировании, но в целом при самых разных сценариях. Например, нам удалось запустить в Нью-Йорке стартап по созданию платформы для минимального инвазивного вмешательства (minimally invasive surgery) при помощи частного инвестора, который увидел в вычислительных оптических технологиях потенциал для будущего. Врач при помощи микроманипуляторов проводит операцию: вырезает опухоль, делает прижигание или другую медицинскую процедуру, не разрезая всю брюшную полость. При этом, благодаря вычислительным методам формирования изображения, он через лапароскоп точно различает нервные волокна пациента во время операции и контролирует, не повреждаются ли они микроманипуляторами. Это пример того, как новые технологии компьютерного зрения могут транслироваться в самые важные смежные отрасли уже сегодня.

Развитие дисциплины

Исторически сначала появились математические способы представить визуальную информацию на языке чисел, а потом подоспели вычислительные мощности, позволяющие реализовать эти идеи. Если мы говорим о синтезе двух процессов — получении данных и их анализе, диагностике, — то для первого шага, то есть для создания изображений, важную роль сыграло постепенное развитие именно математических методов. Вычислительные мощности скорее важны для следующего шага, для понимания измерения.

Новые математические подходы в нашей дисциплине ведутся в основном в приложениях, а не в фундаментальной науке. Но на конференциях по вычислительным методам формирования изображений обычно всегда есть небольшая секция, посвященная именно математическим вопросам. Там обсуждают новые понятия вроде суперпикселей, возможности агностического моделирования сложных систем из множества линз; также это безлинзовые системы, вычислительные алгоритмы на разреженных или сжатых данных (compressed sensing), регуляризация шума и так далее. А затем из этих секций наиболее перспективные методы переходят в практику.

Реализация новых методов на практике может занимать разное время — в зависимости от задачи. Ту же пленоптическую камеру можно собрать просто в лаборатории, если имеется массив из линз и крупноформатная зеркальная камера. Это довольно простой пример применения вычислительной оптики, который можно достаточно быстро осуществить на практике. А если мы говорим о сверхразрешении (super-resolution), то реализовать его гораздо сложнее. Например, установка GE Healthcare OMX DeltaVision стоит около полумиллиона долларов из-за необходимости иметь очень высокую степень контроля оптической фазы, минимум аберраций и отсутствия вибрации на оптической платформе микроскопа (не говоря о вычислительных алгоритмах, которые сложнее на порядок).

Сверхразрешение — эта смежная отрасль сейчас очень популярна — хорошо иллюстрирует, в каком направлении развивается наука, основанная на данных. Общая тенденция в науке о формировании изображений и компьютерном зрении — брать важную прикладную задачу, например, в медицине или биологии, настраивать систему получения изображений, скажем микроскоп, при этом достигая пределов его возможностей, а потом применять вычислительные методы для преодоления этих пределов. При этом дополнять эти методы такими нейронными сетями, которые тоже работали бы за пределами измеримости (например, для предсказания вероятности обнаружения какого-то гена или молекулы, даже если их не видно под микроскопом).   

[Дмитро]

Про небезпеку нездорового сну, про сон в горах та відсутність користі від усіляких програм на телефоні про фази сну.
https://www.youtube.com/watch?v=QHaKtdbvDYc&feature=youtu.be   

[Дмитро]

Как переубедить другого человека: научный подход
Как говорили древние, в споре рождается истина. Но последние исследования в психологии показывают, что это не совсем так.

Казалось бы, дело в доказательной базе. Приведи достоверные факты, и все будет хорошо. Но нет: множество когнитивных исследований показывают, что если у человека уже сформировано мнение по какому-то вопросу, то на факты он внимания не обращает. Так что никакие факты и споры переубедить человека не помогут. А вот общность группы или общие мотивы, те пункты, по которым согласны обе стороны, могут помочь донести свою мысль. Так что даже любимая забава интернета по «поиску пруфов» на самом деле толком никого переубедить не может. А подробнее об этом вопросе вы узнаете из ролика, озвученного и переведенного студией Vert Dider.
https://www.youtube.com/watch?v=wNe0L1HcEV4