Термодинамика = квантовая запутанность? Дельфины-рыбаки. Нанотрубки-генераторы. Новости QWERTY №246
Всем привет! Вы смотрите научно-популярный канал QWERTY. А меня зовут Владимир. Когда-то мы и представить себе не могли, что сможем разглядеть планеты у других звезд. А теперь мы можем!
Своими глазами наблюдать таймлапс продолжительностью в целых 12 лет. На нем вы видите сразу четыре экзопланеты, вращающиеся вокруг звезды hr-8799, расположенной в 130 световых годах от нас. Да, за этой звездой наблюдают давно. Это первая звезда, у которой было получено изображение планетной системы.
В 2008 у одной из её планет в 2010 зарегистрировали спектр, что было первым подобным событием в мире. Но даже сейчас возможности наших приборов ограничены, поэтому мы видим эти планеты во многом из-за того, что они гигантские, примерно в 10 раз массивнее Юпитера и отстоят достаточно далеко от звезды. Таймлапс состоит из скорректированных изображений в инфракрасном спектре, полученных обсерваторией Тека на Гавайях. Изображение самой звезды, конечно, приглушено.
Хочется верить, что предел возможности приборов настанет еще не скоро, если вообще когда-нибудь настанет. Ну а наблюдать за тем, как человечество раздвигает пределы возможного, можно прямо здесь и сейчас в выпуске самых интересных новостей науки за предыдущую неделю. И, как обычно, все ссылки на источники и подробности в описании.
[музыка]
Люди все реже работают совместно с представителями дикой природы. Попробуйте вспомнить и, может быть, даже указать в комментарии пример, подобный тому, который я сейчас опишу. Он касается двух высших хищников этой планеты. В Бразилии вот уже 140 лет существует традиция совместной ловли кефали между людьми и дельфинами. Исследования показывают, что выигрыш есть у обоих видов.
При таком подходе рыбаки добывают в четыре раза больше рыбы, чем если бы они забрасывали невод без морских помощников, а вероятность успешной ловли так вообще поднимается в 17 раз. Дельфины, в свою очередь, питаются более плотно и повышают свою выживаемость на 13%. К огромному сожалению, статья оставила за бортом подробности в возникновении такой коллаборации. Хотя я думаю, она была бы достойна Хемингуэя или Хаггерда.
Конечно же, свидетельства подобного сотрудничества человека и морских обитателей еще имеются. Но их становится все меньше и меньше. Вот карта подобных событий 20 века. Причем известные кружки — это исчезнувшие взаимодействия. В этих местах рыбаки отвергли традиции в пользу новых технологий, либо рыба там просто исчезла.
Мы же опишем, как происходит совместная рыбалка в крупных синих кружках на юго-востоке Бразилии. Для фиксации сотрудничества ученые использовали подводные камеры и дроны.
Начинают все дельфины — они сгоняют кефаль в плотные стаи и направляют их в сторону рыбаков. Когда кефаль подходит на нужное расстояние от 4 до 12 метров, дельфины подают рыбакам сигнал: могут хлопнуть хвостом, высунуться из воды или даже выпрыгнуть. Рыбаки, у которых сети уже наготове, бросают свои сети туда, куда им указывают дельфины. Интересно, что дельфины отслеживают действия рыбаков и начинают загон самостоятельно по их готовности.
При этом фактически они играют ведущую роль, хотя и рыбаки тоже могут выбирать, с кем сотрудничать, потому что качество сигналов у разных дельфинов может отличаться. Да, кстати, об этом не сказано, но похоже, что у дельфинов есть определенные грейды по командной работе, где-нибудь в грузовых книжках.
В любом случае, рыбаки учатся этому способу рыбалки у своих отцов, а дельфины, видимо, тоже, ведь они умеют перенимать друг у друга поведенческие навыки в сложных взаимодействиях, направленных на сотрудничество, а не на конфликты. Хорошо было бы, если бы мы умели делать то же самое.
Также сейчас будем говорить про графен — удивительный материал! Даже лишних слов про него не нужно. Экспериментируют с ним во всех направлениях и постоянно совершают открытия. Например, из графеновых плоскостей можно свернуть на на трубки, тоже потрясающие структуры. Им нашли множество применений.
Один из поставленных нанотрубками экспериментов был такой: попробовать скрутить жгуты из нанотрубок. Это делали еще в 2017 году. Такие жгуты назвали твистеронами. И выяснили, что в них может образовываться электричество при их растягивании или дальнейшем скручивании до 8% механической энергии. Квист трона превращали в электрическую.
Вполне логичны были попытки развития этой серии опытов. Если одна нить дает некоторый эффект, то значит, нужно взять несколько нитей, сплести из них косички, вставить в них сердцевину или что-то подобное. Получились вот такие конфигурации нитей, которые подвергли испытаниям.
Самое лучшее плетение по своим характеристикам — это три нити, закрученные в одну сторону. В таком состоянии такой тросик может превращать в электроэнергию 17% от передающейся ему энергии растяжения и 22% энергии скручивания. То есть, та энергия, которая обычно просто рассеивается в пространстве, может быть хотя бы частично собрана и направлена на полезное действие.
Но приходят несколько вариантов использования таких нитей. В первую очередь, это ткани, в которые можно вплетать на трубочные нити и собирать с них энергию для носимой электроники во время растягивания или сжимания волокон. Во-вторых, размещать поплавки с такими нитями в областях морских волнений. Эксперимент с поплавком и запасающим энергию кон был успешен в лабораторных условиях. Вот в таком дизайне.
Интересно, что принцип действия этих нитей до конца не понятен. При их растягивании, вместо того чтобы становиться менее плотными, они становятся более плотными, и именно это вносит вклад в генерацию энергии. Так что, что-то мне подсказывает, что эта история еще не окончена.
Раз уж заговорили о практически применимых изобретениях, вот еще одно. Оно помогает сократить расходы на обогрев или наоборот, охлаждение наших жилищ. Ведь известно, что огромное количество потерь тепла или наоборот, нагрева в жаркие дни происходит через прозрачные окна. Просто они не умеют работать с разными диапазонами света, и уж если пропускают, то все подряд.
Физики часто экспериментируют с напылениями, покрытиями, авто затемнением, но далеко не всегда эти решения оптимальны. Новый вариант оптимизации стекол был подсмотрен у осьминогов, чья кожа содержит несколько слоев пигментных клеток, хроматофоров, за счет чего очень быстро меняет свою окраску, иногда даже текстуру.
В новом оконном стекле работает такая же структура: есть несколько слоев из прозрачного пластика, между которыми размещены тонкие капиллярные трубочки диаметром около 1 мм. Они содержат пигментные растворы, каждый слой имеет свой состав. Один слой может блокировать ближний инфракрасный диапазон, другой — видимый свет и так далее.
Ток жидкости в этих слоях можно регулировать в зависимости от внешних условий, например, не пропуская внешнюю жару внутрь летом, а зимой пуская видимый и инфракрасный свет. Так, даже при однослойном стекле с блокировкой ближнего инфракрасного света, экономия энергии в жилище достигает 25%. А с двумя слоями уже 50%.
Интересный, причем весьма удобный в управлении способ полного контроля за оптическими свойствами наших окон, и вполне возможно, его получится масштабировать и применить при полном покрытии зданий. Я предполагаю, что в общих чертах наши зрители знакомы со вторым законом термодинамики и принципом квантовой запутанности.
Ну, по крайней мере, с чем-то одним из них, поэтому не будем слишком углубляться в предысторию. Второй закон термодинамики неумолим: энтропия в изолированной системе, не имеющей притока энергии извне, не убывает. В этом законе можно разглядеть стрелу времени, указывающую на то, какие процессы будут обратимыми, а какие — нет.
Кубик льда растает в горячем кофе, содержимое яйца не втечет обратно. Только состояние равной энтропии и энергии могут быть обратимо обращены одно в другое, и такая противность, пусть в основном теоретическая, когда-то привела к открытию термодинамических процессов вроде цикла Карно, указывающих на пределы эффективности при вращении тепла в работу в замкнутых системах с изменяющимися давлениями и температурами.
В какой-то степени именно это и позволило запустить промышленную революцию со всеми вот этими заводами, с холодильниками, трубками, преподавателями. Прелесть второго закона состоит в том, что он применим к любой макроскопической системе независимо от ее микроскопического состояния. И, кстати, к таким микроскопическим состояниям может относиться и квантовая запутанность.
В квантовых системах это квантовое состояние, позволяющее отдельным элементам иметь общие характеристики. Интересно, что у квантовой запутанности есть много общего с термодинамикой. Ученые обнаруживают признаки, так сказать, квантовой энтропии, которая как минимум в идеализированных и изолированных квантовых системах играет роль термодинамической энтропии.
Целясь в практическое применение знаний для квантовых вычислений, ученые задались вопросом: а может ли квантовая запутанность быть всегда обратимой, как это случается в термодинамике, или, по аналогии с циклами Карно, хотя бы в теории? Такая обратилась должна была бы выполняться даже для зашумленных, то есть не идеально изолированных систем.
Было вынесено предположение, что второй закон запутанности мог бы быть выражен в едином уравнении, объединяющем величину квантовой энтропии и протоколы управления этой квантовой запутанностью.
Не возьмусь подробно описывать эксперименты, которые проводили ученые, чтобы проверить это предположение. Вкратце они создавали особое квантовое состояние, очень дорогостоящее в плане квантовой запутанности. При его создании неизбежно теряется часть запутанности, вложенной в это состояние, и эта запутанность не может быть восполнена.
Выходит, что трансформировать такое состояние в какое-то другое и обратно назад невозможно как раз из-за этих потерь. К слову, существование подобных квантовых состояний раньше не наблюдалось. Итог таков: никакого так сказать второго закона запутанности не обнаружено, обратимость запутанности в любых состояниях быть не может, если только, конечно, эти состояния не создают запутанность самостоятельно, но это уже читерство.
Это как повышать градус алкоголя уже закупоренных бутылках. А это что? Теория термодинамики и квантовой запутанности управляются на совершенно разных принципах. И получается, что квантовая запутанность сложнее, чем ее представляли ученые. И вероятно, хранят в себе больше возможностей для нас.
Лучшее новость предыдущего выпуска — вы признали новость про то, что внутреннее ядро Земли остановилось в 2009 году, а затем продолжило свое вращение в противоположном направлении. Новость вызвала много споров в комментариях. Некоторые комментарии заявляли, что это новость нонсенс по двум основным причинам.
Позвольте пройтись по ним. Первая причина: якобы из-за остановки внутреннего ядра исчезло бы магнитное поле, и мы бы все умерли. Это не так, поскольку основным источником главного магнитного поля Земли является внешнее ядро, а не внутреннее. При высоком давлении железо теряет свои магнитные свойства, однако только до тех пор, пока к нему не добавляют никеля, который присутствует во внешнем ядре.
Вторая причина: якобы неправильное прочтение статьи, в котором это было, ни слова про смену направления вращения, иначе бы мы все умерли. Однако выделенный фрагмент в абстракте статьи, на который мы ссылались, говорит буквально следующее: новый характер сейсмических волн, похоже, связан с постепенным разворотом внутреннего ядра относительно мантии, являющимся частью примерно 70-летнего цикла. Так что раунд.
Ну что, а на этом на сегодня все. Большое спасибо вам за просмотр! Мне будет приятно, если вы поделитесь этим видео со своими друзьями, поставите ему лайк и напишите комментарий. Как обычно, проголосовать за самые интересные новости выпуска можно в нашем Telegram-канале. Все ссылочки будут в описании.
И если вы еще не подписались на QWERTY, то самое время сделать это. И до скорых встреч. Пока!
[музыка]