Задача трёх тел. Второй орган слуха. Описание ядра атома. Новости QWERTY №319
Всем привет! Вы смотрите научно-популярный канал "Крти". Меня зовут Владимир, и прямо сейчас мы начинаем ролик, который делает понедельник приемлемым днём недели. По крайней мере, именно так вы пишите в комментариях к самым интересным новостям науки за предыдущую неделю. И, как обычно, все ссылки на источники будут в описании.
Время от времени полезно вспоминать не только о Священной Римской империи, но и о Рагнарёке — гибели богов и практически всего мира, перед которой наступает Фимбульвингт или Фимбульвинтер — трёхлетняя зима. Это в контексте скандинавской мифологии, конечно же. Потому что в контексте современности Фимбульвинтер наступил бы после Рагнарёка. Обнаруженные археологические находки в Дании указывают на возможные природные корни скандинавского мифа о Рагнарёке.
Но нас будет интересовать скорее не грандиозная битва Асс во главе с Одином с великанами, мировым змеем Локи, Фенрисом и прочими разными Йотунами. Спойлер: Один, Тор, Локи — все погибнут. По крайней мере, так написано в Эдде. Уж не знаю, как их там читали сценаристы Marvel, но нас будет интересовать Фимбульвинтер — зима, с которой списывал свою знаменитую длинную зиму Джордж Мартин в "Песне Льда и Пламени".
И вот эта зима, похоже, имела свой реальный прообраз в виде реальной климатической катастрофы, случившейся 1500 лет назад. Всё началось в VI веке с двух крупных извержений вулканов в Америке, которые выбросили в атмосферу гигантские облака пепла и диоксида серы. Это значительно охладило Северное полушарие примерно на полтора года. Это мы знаем, вследствие изучения кернов из Гренландии и многочисленных письменных источников.
Да, 536 год часто называют худшим годом для жизни на этой планете. Даже в китайских записях того времени было указано, что солнце было бледно и холодно, а зерно не вызревает. Перемены сказались и на Дании. Учёные проанализировали кольца на спилах деревьев и обнаружили, что с 536 по 541 годы случилось нечто, что привело к сильному ухудшению условий роста.
Посмотрите на кольца: просто в ниточку. Деревья почти не росли. Учёные считают, что в среднем по планете температура должна была снизиться на 1,5–2°С, а среднегодовая температура в Дании должна была снизиться на 3–5°. И это очень много. А если так, то и несколько лет была никаким. В это время многие поля были заброшены и превратились в леса. Потому что люди покидали их в поисках лучшей доли. Те, кто смогли выжить тогда, полагались в основном на сельское хозяйство. И считается, что половина людей в Норвегии и Швеции тогда погибла. Ну, скорее всего, то же самое произошло и в Дании.
Исследователи также отмечают большое количество захоронения ценных предметов, кладов по всей Дании. Скорее всего, они служили жертвоприношениями, призванными подкупить солнце. Ведь люди считали, что начался Фимбульвинтер. Да, эти климатические изменения могли бы объяснить не только сдвиги в социальной структуре, в экономике, технологиях, конфликтах того времени. Они могли бы объяснить и мифы.
А сегодня нам интересно понять, как люди адаптировались в такие тяжёлые времена и могли выжить. Ну, потому что от климатических изменений в наше время тоже никто не застрахован. Те же вулканы мы предсказывать пока ещё не умеем. У человеческого уха есть ограничения на диапазон воспринимаемых низкочастотных звуков. Нижняя планка считается 20 Гц. Это не самый плохой результат среди животных.
Механизм здесь довольно-таки простой: барабанная перепонка, ряд косточек, улитка — все дела. В общем, всё, что мы знаем со школьной скамьи. Но есть более интересный механизм, и им обладают гекконы. Ящерицы, которые довольно неплохо слышат для рептилий. Так-то гекконы и голос подать могут. Некоторые гекконы достаточно громкие.
Но для такого голоса им, они оповещают о своих территориальных притязаниях. Должен быть и орган восприятия. Но у гекконов, кроме привычного organа слуха, имеется ещё один. Гекконы используют в дополнение к слуховым косточкам и барабанной перепонке ещё один слуховой путь. Он начинается тоже во внутреннем ухе, но в другой его части — вестибулярном аппарате.
В вестибулярном аппарате есть перепончатый лабиринт, а при нём есть сферический мешочек. В общем, вот он и помогает улавливать вибрации в диапазоне от 50 до 200 Гц. То есть помимо определения положения тела в пространстве, он также отправляет сигналы в ту зону мозга, которая отвечает за слуховое восприятие. Итак, шестое чувство низкочастотные вибрации, воспринимаемые сферическим мешочком, обычным своим внутренним ухом, геккон не слышит.
Вполне возможно, что он мог бы почувствовать их просто телом, как мы чувствуем дрожь баса. Но в дополнение к этому он именно слышит их через второй слуховой путь. Для чего именно им слышать такие низкие частоты — пока непонятно. Может быть, так они лучше реагируют на хищников. Учёные считают, что подобные дублирующие слуховые пути, связанные с слуховыми нейронами в заднем мозге, могут присутствовать и у других змей и ящериц. Например, у гаттерии.
Ведь змеи известны тем, что они хорошо чувствуют вибрации почвы, но считается, что они обычным традиционным образом при помощи традиционного уха. Но если есть такие дублирующие пути, то это может в принципе перевернуть наше представление о том, как слышат рептилии.
В X веке Исаак Ньютон сформулировал проблему, известную сейчас под названием "задача трёх тел". Если вам знаком термин "три Солярис", вы наверняка в курсе, о чём идёт речь. Предсказать движение трёх массивных объектов в единой системе в космическом пространстве не представляется возможным. Их гравитационные взаимодействия слишком хаотичны. Вычислить траектории и скорость объектов в некий момент времени, исходя из заданных начальных параметров, нельзя. Есть только некие концепции и отдельные частные решения, но не общее решение задач. Да, эта система хаотическая, и в таких системах слишком многое зависит от первоначальных условий.
Даже небольшие изменения в исходных данных или в окружающей среде могут привести к непредсказуемым последствиям. Но даже хаос можно попытаться упорядочить, и сейчас к этой истории пишется новая глава. Миллионы симуляций, которые сейчас проводят учёные на суперкомпьютерах, вполне оправданы. Решение этой задачи буквально может многое поведать о тайнах мироздания, особенно учитывая, как много во Вселенной систем из трёх тел.
Тех же тройных звёздных систем или систем с чёрными дырами, по Анкаре. Например, ещё 140 лет назад подмечают, что в таких системах часто весь вальс трёх тел разрешается по вполне предсказуемому сценарию: один из объектов просто изгоняется через некоторое время из гравитационного объёма. И вот итоги анализа очередной группы симуляций на суперкомпьютерах показали возникновение неких островков стабильности в этом море хаоса.
Датские учёные перебирали миллионы комбинаций задачи трёх тел. Нам считывать их на основе законов механики и теории относительности. Результат отображался первоначальному набору данных: углам, скоростям, координатам. А цвет точки соответствовал тому, какой из этих объектов был в итоге изгнан из системы.
Ну да, чаще всего это был самый лёгкий объект. Но суть не в этом. В полностью хаотичной системе все цвета были бы перемешаны случайным образом, на такой карте. Но мы видим несколько областей, в которых превалирует один из цветов. Это и есть те самые островки закономерности. Они указывают на то, что есть значительная связь между начальными условиями и исходом гравитационного вальса. Её получилось описать математически.
А это, в свою очередь, указывает на то, что для задачи трёх тел вообще-то должно быть общее решение. Правда, были сложности: модель прекращала работать, когда траектории объектов из хаотичных становились, так сказать, упорядоченными. В эти моменты статистические расчёты ломались. Учёные говорят, что им придётся сочетать статистические методы, работающие с хаосом, и численные методы, применяемые, когда появляются некоторые упорядоченные траектории, для того чтобы охватить, так сказать, все оттенки задач трёх тел.
С одной стороны, задача усложнилась, а с другой — продвинулась. Но в физике так бывает часто. Кстати, ещё немного о физике. А из чего состоят ядра атомов? Это вроде бы вопрос тоже из школьной программы. Наряду с вопросом о строении уха — из протонов и нейтронов. А из чего состоят протоны и нейтроны? Вопрос несколько сложнее. На него тоже есть ответ, разумеется. Это кварки, связанные при помощи глюонов.
Знания о составе ядра атома мы получаем, сталкивая обломки, зная, что из чего состоит. Казалось бы, можно было бы воспроизвести все параметры ядра, наблюдаемые нами в экспериментах, в терминах не только нейтронов и протонов, но и этих самых кварков. Речь идёт об экспериментах вроде столкновений в большом коллайдере.
Но парадоксальным образом это случилось только сейчас, через 100 лет после того, как были открыты протоны и нейтроны, и через 60 лет после того, как мы таки поняли, что они не неделимы. Но как так вышло, что за десятилетия не получилось при помощи кварк-глюонных моделей воспроизвести результаты ядерных экспериментов на низких энергиях, когда для исследователей ядры атомов представляются состоящими только из протонов и нейтронов?
До настоящего времени было как бы два параллельных способа описать ядро атома: один основывался на протонах и нейтронах — ну, клонах, которые видны на низких энергиях столкновений в разного рода коллайдерах, когда сталкиваюсь с атомным ядром электрона относительно низкой энергии. А другой способ — при помощи кварков и глюонов, которые становятся видимыми на высоких энергиях столкновений.
Теперь же два эти способа объединены. Физики использовали данные о высокоэнергетических столкновениях, полученных, в том числе, из ЦЕРН с большого адронного коллайдера. Они помогают изучить структуру ядра и функции распределения частиц в нём. Эти функции помогают построить карту распределения кварков и глюонов внутри протонов и нейтронов — внутри ядра атома.
А вот дальше учёные, по сути, расширили эту карту и эти функции распределения кварков и глюонов на ядерные модели низких энергий. Эти модели, кстати, предполагают, что протоны и нейтроны образуют прочные связи внутри пар: Нейтрон-Нейтрон, Протон-Нейтрон и Протон-Протон. И для восемнадцати изученных с помощью нового метода ядер атомов получилось совместить функции распределения кварков и глюонов внутри ядра с функциями распределения нуклонов в таких парах и даже подсчитать количество этих пар.
Самой распространённой парой оказалась пара Протон-Нейтрон. Так что результаты нового метода совпадают с ранее полученными экспериментальными данными для ряда случаев. Экспериментальные данные лучше описываются в новом подходе, например, для тяжёлых ядер вроде золота или свинца. Также стало возможно определить ряд экспериментально измеряемых параметров, вроде вероятности рождения той или иной частицы в момент столкновения ядра с электроном. Теоретические предсказания поведения ядер при столкновениях на разных уровнях энергии наконец совпадают с экспериментальными данными.
А это означает, что физики могут глубже погрузиться в структуру ядра атома и лучше её понять. Лучшей новостью предыдущего выпуска вы признали новость про то, что учёные нашли подводные камни в способе продления жизни при помощи сокращения потребления калорий.
Больше всего от этого выигрывают организмы, более устойчивые к стрессу и с более здоровой иммунной системой. Так как сокращение калорий — это испытание для всего организма, получается, что при одинаковом сокращении калорий одни могут от этого выигрывать, а другие проигрывать. И зависит это во многом от генетической лотереи, которую нужно учитывать при попытках продлить жизнь или продолжительность здорового периода жизни при помощи сокращения калорий.
Похоже, что в будущем именно комплексный подход из коррекции генетики и индивидуальных пищевых рекомендаций сможет обеспечить максимальные приросты продолжительности здорового периода жизни. Ну что ж, а на этом на сегодня всё. Большое спасибо вам за просмотр! Напишите в комментариях, а какие сложные вопросы из школьной программы вам запомнились лучше всего и вы можете ответить на них вот прямо сейчас.
Ну а проголосовать за самую интересную новость выпуска вы можете, как обычно, в нашем Telegram-канале. И до скорых встреч! Пока!