Содержание
Физика элементарных частиц в 2018 году. Часть 1 • Игорь Иванов • Новости науки на «Элементах» • Физика, Поиск Новой физики, LHC
2018 год в физике элементарных частиц обошелся без сенсаций. Это вовсе не означает, что исследования забуксовали. В 2018 году были опубликованы десятки тысяч научных статей по самым разным вопросам физики элементарных частиц, и многие из них оказались по-настоящему важными, даже прорывными, в своих направлениях исследований. В этом обзоре мы постараемся перечислить те результаты, которые привлекали широкое внимание физиков в минувшем году. Эта подборка, неизбежно субъективная, разбита на пять разделов: ситуация на LHC, результаты при низких энергиях, будущие коллайдерные проекты, физика нейтрино, и, наконец, сведения об элементарных частицах, полученные из астрофизических наблюдений (в первой части рассказано о первых трех из них). Достижения чистой теоретической физики частиц мы оставим за кадром; их бегло обозреть не получится.
Очередная веха коллайдера
В 2018 году Большой адронный коллайдер завершил очередной четырехлетний сеанс работы Run 2.
В техническом плане этот год был вполне успешным (рис. 1). Хотя по ходу работы возникали непредвиденные препятствия, специалисты находили пути в обход и продолжали набирать статистику ударными темпами. Детекторы ATLAS и CMS накопили в 2018 году по 66 fb−1 каждый, превысив исходный план. Полная интегральная светимость, набранная за весь сеанс Run 2, составила по 150 fb−1 в каждом из них. Теперь экспериментальные коллаборации будут в течение нескольких лет обрабатывать эти данные и регулярно сообщать о новых результатах.
Не лишним будет снова напомнить, что в современной физике элементарных частиц (ФЭЧ) превращение сырых данных в четкие научные результаты длинный, сложный и трудоемкий процесс. Между сеансом набора данных и выходом научных статей проходят уже даже не месяцы, а годы. Большинство публикаций LHC в 2018 году по-прежнему базировались на статистике 2015–2016 годов. И хотя в 2017 и 2018 годах было накоплено втрое больше данных, они будут обрабатываться еще как минимум год-два.
Причина такой задержки — постоянно возрастающая сложность вкупе с ограниченными ресурсами. Детекторы стареют, в них добавляются новые элементы, все это приходится заново калибровать, а затем обновлять программы моделирования детектора. Эта работа не только требует человеческих и компьютерных ресурсов, но и не позволяет просто так объединять данные разных лет, ведь инструментальные характеристики меняются год от года. Наконец, данные надо сравнивать с результатами численного моделирования в рамках чистой Стандартной модели, которое приходится проводить снова и снова. Без всего этого невозможно ответственно сказать, видим ли мы в данных что-то новое или нет.
В плане научных результатов Большого адронного коллайдера, кардинального измерения в 2018 году не произошло. Была проведена обширнейшая программа по изучению свойств бозона Хиггса — очень важной, но все еще плохо изученной частицы. После пяти лет измерений наконец-то были надежно открыты все основные каналы рождения и распада этой частицы, причем для этого экспериментаторам приходилось проявлять недюжинную смекалку.
Измеренная на LHC интенсивность этих процессов в пределах погрешностей совпадала с ожиданиями Стандартной модели. Иными словами, никаких ярких эффектов Новой физики, за которыми охотится коллайдер, по-прежнему не видно.
Зато можно отметить обострившееся в 2018 году расхождение между тем, как экспериментаторы и теоретики воспринимают эти результаты. Для экспериментаторов такие измерения, как регистрация распада бозона Хиггса на b-анти-b пару (рис. 2) или рождение системы топ-антитоп-Хиггс, стали триумфальным завершением многолетних усилий. В своих сообщениях ЦЕРН и коллаборации не скрывают гордости за полученные результаты. Для теоретиков же они, а точнее — их полное согласие с предсказаниями Стандартной модели, символизировали очередной крах надежд на скорое открытие Новой физики (см. новость Процесс рождения ttH окончательно открыт, но уже не вызывает энтузиазма теоретиков).
Ничего экстраординарного не произошло и в других пунктах научной программы коллайдера. Были опубликованы сотни статей с измерениями свойств топ-кварков и других известных частиц, а также отчеты о поисках суперсимметрии, новых частиц, новых взаимодействий, и вообще любых отклонений от предсказаний Стандартной модели.
В данных CMS встречались любопытные намеки на такие отклонения при 28 ГэВ и при 95 ГэВ, однако они не вызвали ажиотажа даже среди теоретиков. Можно однозначно сказать, что никаких достоверных проявлений Новой физики пока не выявлено.
Здесь, впрочем, необходимо вновь напомнить, что на сегодняшний день обработана лишь небольшая часть всей статистики сеанса Run 2. Никто не может исключить, что через год-два обнаружится какая-то новая аномалия в данных Run 2 или окрепнет старая. Так, до сих пор не обновлены данные LHCb по загадочным отклонениям в распадах B-мезонов (две проблемы с лептонной универсальностью и настойчивое расхождение теории и эксперимента в редких распадах). Для очень многих теоретиков эти отклонения сейчас — самая большая надежда на Новую физику. К тому же, в 2018 году стартовал обновленный эксперимент Belle II на японском электрон-позитронном коллайдере SuperKEKB, который тоже поможет подтвердить или опровергнуть эти аномалии. Так что в ближайшие год-два к этим двум экспериментам будет приковано пристальное внимание.
Результаты при низких энергиях
Хотя поиск Новой физики остается ключевой задачей ФЭЧ, внутри Стандартной модели по-прежнему остается множество сложных нерешенных вопросов. Прежде всего, это касается устройства адронов. Напомним, что в формулировке Стандартной модели адроны вообще не фигурируют. Там есть кварки и есть сильное взаимодействие. Но в реальных экспериментах мы регистрируем не кварки, а их комбинации — адроны, которые возникают за счет явления конфайнмента. Почему конфайнмент сильного взаимодействия вообще происходит — до сих пор не объяснено со всей математической строгостью; это одна из знаменитых задач тысячелетия. Но он есть, и из-за него многие характеристики адронов вовсе не проистекают из свойств кварков, а образуются динамически.
Изучение свойств адронов, в том числе недавно открытых многокварковых, остается горячей темой исследований. Публикаций на эту тему — многие сотни, но выделить какой-то один по-настоящему яркий результат 2018 года затруднительно.
Скажем так: тут идет обычный рабочий процесс накопления и кристаллизации знаний.
Пожалуй, самый симпатичный результат, опубликованный в мае в журнале Nature и освещенный во многих СМИ, — это измерение давления внутри протона (рис. 3). В самом центре протона, по оценкам авторов, кварки испытывают давление порядка 1035 Па — больше, чем даже внутри нейтронных звезд. Научная ценность этого результата не в самом по себе числе, а в том, что сейчас, анализируя данные по глубоко-виртуальному комптоновскому рассеянию, физики научились извлекать из данных и такие тонкие эффекты (см. подробности здесь).
Впрочем, столкновения частиц на рекордно больших энергиях — не единственный способ открывать новые законы мира элементарных частиц. Можно работать и при низких энергиях, но выполнять измерения исключительно точно. Если теоретические предсказания для измеренной величины столь же точны, то даже небольшое расхождение будет иметь огромные последствия для физики частиц.
Знаменитый пример такого измерения — магнитный момент мюона g.
Эта величина показывает, насколько хорошо мюон чувствует внешнее магнитное поле. И теоретические расчеты, и экспериментальные измерения выполнены с безумной точностью: они дают величину g = 2,00233184… и начинают различаться только в следующих десятичных знаках. Однако различие это довольно существенное — 3–4σ. Этого хватает, чтобы вызывать неугасающий интерес теоретиков, но недостаточно для громкого заявления об открытии Новой физики. И поскольку последнее экспериментальное измерение датируется аж 2004 годом, это (недо)расхождение, словно заноза, не дает физикам покоя уже почти 20 лет.
В 2017 году, после нескольких лет подготовки, в Фермилабе наконец-то стартовал новый эксперимент по измерению магнитного момента мюона, Muon g-2. Он должен уменьшить экспериментальную погрешность примерно в 4 раза (рис. 4). Если отклонение сохранится — это станет серьезной заявкой на самое громкое открытие в физике частиц за последние годы. Первый сеанс набора данных прошел с марта по май 2018 года, предварительные результаты были обнародованы в середине года (см.
доклад коллаборации на летней конференции ICHEP 2018). Точность измерений в таком коротком сеансе работы пока не дотягивает до результатов 2004 года, но в целом все идет по плану. В 2019 году ожидается первая научная публикация на статистике, сравнимой с 2004 годом, и вот тогда мы узнаем, подтверждается аномалия или нет. К концу 2021 года объем данных превзойдет статистику 2004 года уже в 20 раз, и мучившая физиков загадка получит то или иное разрешение.
А вот другая характеристика элементарных частиц — электрический дипольный момент d, — несмотря на похожее название, имеет совсем иной статус. Эта характеристика не может просто так возникать у фундаментальных частиц, например, у электрона. Она появляется только в результате CP-нарушения и потому оказывается исключительно малой (см. подробный рассказ в новости Первые результаты эксперимента ACME: электрический дипольный момент электрона по-прежнему нулевой). В рамках чистой Стандартной модели электрический дипольный момент электрона предсказывается настолько малым, что измерить его просто нереально.
Поэтому если какой-то эксперимент получит любое значение, достоверно отличное от нуля, это тоже станет сенсацией.
Впрочем, до сих пор все эксперименты устанавливали лишь ограничение сверху на величину d. В 2011 году оно составило 10,5·10−28 e·см. В 2013 году эксперимент ACME усилил ограничение на порядок, до 8,7·10−29 e·см (та работа была описана в нашей новости). И вот недавно, в октябре 2018 года, та же коллаборация ACME улучшила свой же результат еще почти на один порядок: теперь ограничение сверху составляет 1,1·10−29 e·см. Это ограничение накладывает серьезные ограничения на различные теории за пределами Стандартной модели. Если в природе существуют новые частицы, которые взаимодействуют с электроном и нарушают CP-симметрию, то они должны быть тяжелее нескольких ТэВ, — иначе эффект от виртуальных частиц уже проявился бы в виде электрического дипольного момента электрона.
Если речь заходит про CP-нарушение в распадах мезонов, то здесь фигурирует еще одна важная величина, для которой физики почему-то не хотят придумывать отдельную букву, а обозначают загадочным выражением ε’/ε.
Это отношение характеризует ту роль, которую играет прямое CP-нарушение, то есть нарушение CP-симметрии прямо в момент распада мезона, без промежуточного превращения разных мезонов друг в друга. Этот вклад в CP-нарушение невелик, но он существует и был обнаружен в распадах K-мезонов в 80–90-х годах. Измерения экспериментов NA48 и KTeV дали значение ε’/ε = (16,6 ± 2,3)·10−4.
Теоретические предсказания для этой величины долгое время получить не удавалось, поскольку они зависят от внутренней структуры K-мезонов. Только несколько лет назад, благодаря зубодробительным численным методам (Квантовая хромодинамика на решетке, см. Lattice QCD) стали появляться примерные теоретические оценки. Практически все они давали поразительно малые значения: (1–6)·10−4, что в несколько раз меньше экспериментального результата! А поскольку Новая физика вполне может стать новым источником CP-нарушения, возникшая аномалия привлекла в 2018 году внимание десятков, если не сотен теоретиков.
Более того, признанные мэтры этой области заговорили о ренессансе физики каонов, которая была модной этак с полвека назад.
Как часто бывает в теоретической физике частиц, не все исследователи согласились с этими оценками. Так, теоретики из Валенсии на основании своих расчетов предсказывают намного большую величину, (15 ± 7)·10−4, что отлично согласуется с экспериментом (нижняя сиреневая точка на рис. 6). Однако они находятся в меньшинстве, и в появившемся в середине декабря обзорном докладе arXiv:1812.06102 эта оценка подвергается критике. В целом ситуация вокруг величины ε’/ε остается подвешенной. Теоретические расчеты, хотя и намекают на существенное расхождение с экспериментом, остаются пока не слишком надежными и не позволяют прийти к определенному выводу. Но работа кипит, и через год-два ситуация должна проясниться, а может быть, и обостриться.
В завершение этого раздела можно упомянуть спектроскопические исследования антиводорода в эксперименте ALPHA в ЦЕРНе (см.
две статьи в журнале Nature по переходами 1S-2S и 1S-2P). Антиводород состоит из антипротона и позитрона, античастиц для протона и электрона. Теоретическая физика говорит, что все уровни энергии в атомах и антиатомах одинаковы, но экспериментаторы, разумеется, стремятся проверить эти заявления. Пока что все согласуется с предсказаниями. А что касается новых проверок того, как гравитация влияет на антивещество, то на той же «фабрике антиматерии» в ЦЕРНе в конце года стартовали два эксперимента, ALPHA-g и GBAR, которые в ближайшие годы выполнят эти измерения с рекордной точностью.
Коллайдерное будущее
Трендом года можно назвать работу над проектами будущих грандиозных экспериментов в физике частиц. У Большого адронного коллайдера есть в запасе пара десятилетий: расписание работы LHC, а точнее, его реинкарнации с высокой светимостью HL-LHC, простирается до 2037 года. Однако физики уже давно приступили к обсуждению того, какие коллайдеры придут ему на смену. Существует несколько проектов разной степени амбициозности и на разном этапе готовности технологий.
В каждом есть свои плюсы и минусы, и научное сообщество тщательно их взвешивает перед принятием решений. Ситуация усугубляется тем, что, в отсутствие гарантированных открытий далеко не все финансирующие организации считают целесообразным тратить миллиарды долларов на новый коллайдер.
В этой ситуации ЦЕРН и другие крупные исследовательские центры запустили максимально открытую и прозрачную кампанию по определению приоритетов развития ФЭЧ в ближайшие годы (см. подробности в новости Куда двигаться коллайдерной физике в следующем десятилетии?). Обновленная Европейская стратегия по физике частиц задаст вектор развития этого раздела физики на 2020–2026 годы. Но уже сейчас ясно, что результаты, полученные в этот шестилетний период, скажутся на развитии ФЭЧ и 2030-е и даже 2040-е годы.
Дедлайн для внесения предложений по формированию обновленной Стратегии прошел 18 декабря. Сразу несколько групп, работающих над будущими коллайдерами, опубликовали свои планы и проекты. В сентябре и ноябре вышли два тома предварительного проекта китайского циклического электрон-позитронного коллайдера CEPC (arXiv:1809.
00285 и arXiv:1811.10545). Технологии для его создания практически готовы, и, если Китай возьмется за его реализацию, CEPC заработает в начале 2030-х годов.
Перспективы FCC, грандиозного протонного коллайдера на 100 ТэВ, который тоже будет базироваться в ЦЕРНе, остаются довольно туманными, хотя работа над этим проектом идет уже несколько лет. 700-страничная сводка научных задач FCC появилась еще год назад (arXiv:1710.06353), однако до полноценного технического проекта тут еще далеко. Его предварительная версия вместе с оценкой стоимости должна быть обнародована в январе 2019 года. В любом случае, реализация FCC потребует существенного развития технологий изготовления сверхпроводящих магнитов с нужными параметрами, и этот этап растянется как минимум до начала 2030-х годов. Если все пойдет без задержек, FCC заработает не раннее 2043 года. Проект LHC на повышенной энергии, HE-LHC, рассматривается сейчас как «облегченный» вариант FCC. Он потребует тех же технологий, но сможет разместиться в нынешнем кольце LHC, а не в новом 98-километровом туннеле.
Но даже этот коллайдер сможет вступить в строй самое раннее в 2040 году. Научная программа HE-LHC, впрочем, уже интенсивно разрабатывается, см. два недавних отчета — arXiv:1812.07638 (по распадам мезонов) и arXiv:1812.07831 (по поискам Новой физики).
А вот с Международным линейным коллайдером ILC, который должен быть построен в Японии, ситуация совершенно иная. Технологии давно готовы, и научное сообщество вот уже несколько лет ждет, когда японское правительство решится на его строительство. Но это подразумевает, что Япония возьмет на себя значительную часть расходов по реализации и работе ILC. Правительство Японии настроено позитивно, но оно хочет быть уверенным, что эти расходы оправданы, что они принесут в конечном итоге научную, образовательную, и даже экономическую выгоду стране. Кроме того, оно ожидает от других стран и от крупнейших исследовательских центров гарантии, что они разделят с Японией финансовое бремя. Другие страны и финансирующие организации отвечают, что они будут рады вложиться, но они вначале хотят услышать официальное согласие Японии строить ILC.
Ясно, что такая ситуация не может продолжаться вечно. В 2018 году резко активизировались переговоры как внутри Японии, так и на международной арене. Была надежда, что правительство Японии даст окончательный ответ к 18 декабря, однако решение так и не было принято. Более того, 19 декабря появилось сообщение, что Научный совет Японии, играющий роль консультанта Министерства науки Японии, не поддержал строительство ILC. Официальное сообщение от координаторов проекта ILC в Японии звучит куда более сдержанно. В нем высказывается надежда, что решение японского правительства будет озвучено к началу марта 2019 года, когда в Токио пройдет 83-я встреча ICFA, Международного комитета по будущим ускорителям. Подробности о текущем статусе проекта можно найти в специальном выпуске ILC Newsline за 21 декабря 2018 года.
Пока суть да дело, ЦЕРН продолжает развивать свой проект линейного электрон-позитронного коллайдера CLIC. В его основе лежит иной, более эффективный механизм ускорения электронов и позитронов, что позволит уменьшить размеры ускорителя, а в перспективе позволит повысить энергию столкновений до 3 ТэВ, что лежит совершенно за пределами возможностей ILC.
Предварительный технический отчет был опубликован еще в 2012 году, и сейчас CLIC сейчас можно воспринимать как «план B» научного сообщества на тот случай, если Япония откажется от строительства ILC. В декабре 2018 года вышло сразу несколько отчетов, посвященных разным аспектам проекта: физике на CLIC (arXiv:1812.02093), техническим подробностям ускорителя (arXiv:1812.06018) и детектора (arXiv:1812.07337). Краткая сводка этих отчетов, подготовленная для Европейской стратегии по физике частиц, приведена в публикациях arXiv:1812.07986 и arXiv:1812.07987. Если проекту CLIC будет дан зеленый свет, его строительство может начаться в 2026 году, и первый сеанс работы с энергией столкновений 380 ГэВ стартует в районе 2035 года.
В целом, если не случится ничего экстраординарного, можно рассчитывать на новый крупный электрон-позитронный ускоритель в 2030-х годах и на новый адронный коллайдер в 2040-х. Но если речь зашла о таком отдаленном будущем, но нельзя сбрасывать со счетов и прорывные технологии ускорения частиц, которые могут стать основой совершенно новых коллайдеров.
Для одной такой технологии — кильватерного ускорения электронов — 2018 год стал прорывным. В церновском эксперименте AWAKE была продемонстрирована принципиальная возможность кильватерного ускорения внутри плазменной ячейки на масштабах в несколько метров, против сущих сантиметров во всех предыдущих установках (см. новость В эксперименте AWAKE испытана новая схема ускорения электронов).
В ближайшие годы коллаборация AWAKE будет экспериментировать с параметрами установки и постарается подобрать такой режим, который можно будет масштабировать на километровые размеры. Если это удастся, то можно будет думать и о строительстве полноценного коллайдера на этом принципе. В недавней публикации arXiv:1812.11164 были обрисованы научные перспективы электрон-протонного коллайдера с энергией несколько ТэВ, для которого протоны будет поставлять LHC, а электроны будут разгоняться кильватерным способом с помощью тех же самых протонов из LHC.
См. также:
Физика элементарных частиц в 2018 году.
Часть 2, «Элементы», 09.01.2019.
Игорь Иванов
Физика — наука побеждать
Два представителя Института физики — студент Ильхам Галиуллин и магистрант Фаиль Мухаметзянов, которые проводят свои исследования в рамках САЕ «Астровызов», вчера были объявлены победителями Конкурса на лучшую научную работу среди студентов КФУ.
Кроме того, Алмаз Зинатуллин занял 2-е, а Ильнур Гимазов – 3-е место в конкурсе по естественнонаучному направлению. Оба начинающих ученых – магистранты 1 года обучения Института физики. Работа Алмаза, научным руководителем которого является Ф.Вагизов, называется «Микроскопические и магнитные свойства оксида магния, имплантированного ионами железа». Научное изыскание Ильнура звучит так: «Исследование влияния сверхпроводящих флуктуаций на микроволновое поглощение в кристаллах Bi2Sr2Ca1-xYxCu2O8 вблизи критической температуры», проводит его он под чутким руководством Ю.Таланова.
Стоит пояснить, что ежегодный конкурс проходит по трем направлениям: естественнонаучному, инженерно-техническому и социогуманитарному.
Поражает тот факт, что вот уже несколько лет подряд будущие физики занимают первые места в одном или двух направлениях конкурса. В этом году победителей двое.
В чем же секрет успеха физиков? Этот вопрос мы задали Ильфану Бикмаеву — наставнику Ильхама, победителя конкурса по естественнонаучному направлению, а также Руслану Латыпову – научному руководителю Фаиля, одержавшего победу в инженерно-техническом направлении конкурса. А ребят попросили рассказать о своих исследованиях.
Ильхам Галиуллин, студент 4 курса ИФ, победитель российской национальной премии «Студент года» в номинации «Открытие года», стипендиат Президента РТ (2014):
— Моя работа называется «Идентификация рентгеновских источников в галактике М51 по данным космической обсерватории Chandra». Я дважды проходил стажировку в Институте астрофизики им. Макса Планка , который находится в Германии, в Мюнхене, где занимался обработкой и анализом архивных наблюдательных данных, полученных космической обсерваторией «Chandra».
Эта обсерватория была запущена на орбиту в 1999 году и на данный момент имеет самое лучшее угловое разрешение в рентгеновской астрономии. В КФУ моей работой руководит член-корр. Академии наук Республики Татарстан, профессор Ильфан Фяритович Бикмаев, а в Германии — академик Рашид Алиевич Сюняев и член-корр. Российской академии наук, профессор Марат Равильевич Гильфанов. Летом я снова поеду на стажировку в Мюнхен, где продолжу работать с данными спутника «Chandra».
Ильфан Бикмаев, заведующий кафедрой астрономии и космической геодезии Института физики КФУ:
Работа Ильхама Галиуллина связана с новым направлением в КФУ — “Рентгеновская астрономия”, которое мы планируем развивать в ближайшие годы совместно с коллегами из Института космических исследований РАН (Москва) и Института астрофизики им. Макса Планка (Германия). Это связано, в первую очередь, с предстоящим в 2018 году запуском на орбиту российско-германской рентгеновской обсерватории “Спектр-Рентген-Гамма”, обработка данных которой потребует квалифицированных молодых исследователей.
Успех Ильхама, на мой взгляд, связан с его глубоким интересом к астрофизике и ее современным достижениям, упорством и настойчивостью в овладении новых знаний и умений. Необходимо отметить высокий уровень физико-математической подготовки в Институте физики КФУ, который позволил Ильхаму проявить себя в новых областях астрофизики, будучи на стажировках в Германии. Отдельно хочу отметить очень профессиональную работу доцента Альберта Хамзина – ответственного за НИРС в Институте физики. Его живое и неформальное отношение к научной работе студентов сильно их поддерживает . а также позволяет отыскивать молодые таланты в Институте физики !
Фаиль Мухаметзянов, магистрант 1 года обучения Института физики, младший научный сотрудник НИЛ «СВЧ проектирование и радиотелекоммуникации»:
— Я занимаюсь созданием системы мониторинга артериального давления. Работа, которую представил на конкурс, имеет такое название: «Система беспроводного сбора виброданных». Мы в лаборатории уже сделали макет устройства.
Прибор, который планируем на его основе разработать, предназначен для измерения давления беспроводным способом. Наш прибор будет мерить скорость распространения акустической волны от удара сердца. В готовом виде тонометр будет похож на фитнес- браслет, управляемый при помощи смартфона.
Руслан Латыпов, доцент кафедры радиофизики:
— Разработкой системы мониторинга артериального давления занимается научная группа НИЛ «СВЧ проектирование и радиотелекоммуникации». Победа Фаиля – это победа всех энтузиастов, которые трудятся над созданием прибора, вкладывая в него не только душу, но и собственные средства. Сколько жизней можно будет спасти, если мы сможем наладить производство таких браслетов, позволяющих вести непрерывный контроль артериального давления!
на фото: И.Галиуллин, первый проректор КФУ Р.Минзарипов, начальник УНИД КФУ Н.Журавлева и И.Бикмаев
на фото:Ильнур Гимазов, Ильхам Галиуллин и Алмаз Зинатуллин
на фото: Р.
Минзарипов, Н.Журавлева и Ф.Мухаметзянов
Нужна ли программистам физика?
Автор: преподаватель Школы программистов Ева Пархоменко
Многие уверены, что будущему программисту нужно хорошо знать только математику и информатику, а физику — очень отдаленно. А вот и нет! В IT много сфер, где пригодится знание этой технической науки.
Место физики в программировании
Нельзя сказать, что физика занимает первое, второе или сто двадцать пятое место в программировании. Направлений IT много — и в некоторых ее требуется знать. Например, без нее не обойдется GameDev: поиск сигналов, проектирование графики и разработка движков — невозможны без физики. Также будет проблематично работать с проектированием «железа» — начинкой ПК. Специалисту необходимо знать некоторые разделы физики — схемотехнику и электричество. Да и программисту робототехнических устройств было бы неплохо понимать, по каким физическим законам «живет» робот. Специалисты Boston Dynamics хорошо их понимают, поэтому их роботы умеют делать сальто в воздухе.
В то же время проектировщикам веб-интерфейсов вряд ли поможет знание закона Ома для разработки качественного проекта. Не понадобится он и во многих других IT-направлениях. Но все же базово знать физику нужно. Хотя бы для понимания, как работает компьютер, на котором программист пишет свой код.
Когда физика точно пригодится
Эта наука точно нужна, если вы выберете инженерный профиль в IT: решите заниматься проектированием печатных плат для компьютеров, разработкой микроконтроллеров и устройств «умного дома», электроникой или роботами.
К слову, выбор инженерного профиля весьма перспективен. Например, робототехника — хоть и молодая, но стремительно развивающаяся сфера. Грамотных специалистов мало, спрос на них будет только расти, как и заработок таких профи.
Кроме того, робототехника станет хорошим стартом для изучения программирования в любом возрасте. В Школе программистов, например, во время занятий у детей есть возможность вживую наблюдать за тем, как исполняются их команды.
Можно задать команду для движения вперед и увидеть, как робот идет по указанному направлению.
Ещё один плюс — робототехника учит грамотно распределять время, декомпозировать задачи, применять стандартные алгоритмы или создавать нестандартные для более сложных задач. Все это позволит в будущем освоить не один, а даже несколько инженерных IT-профилей.
Например, стать разработчиком устройств «умного дома». Для того, чтобы «умное» устройство работало так, как задумал специалист, также нужно хорошо знать основные законы физики, а именно электричества. А еще — раздел механики. Ваше «умное» устройство будет автоматически открывать двери или опускать шторы? Тогда нужно знать, какой мотор вам подойдет, как он работает и как им управлять.
Кроме того, в инженерном IT-профиле без знания фундаментальных законов невозможно реализовать ни одно конструкторское решение. Например: как передать свою идею в производство? Разработать принципиальную электрическую, структурную и кинематическую схему.
А это — снова один из разделов физики.
Или возьмем профессию разработчика чипов для микроконтроллеров. Чип — это «мозг» устройства, разработчик закладывает определенную логику работы. Зная основы схемотехники и дискретной математики, можно создать собственный процессор.
Какие ещё IT-решения можно разработать на базе физики? Все, на что хватит фантазии. Понимая законы физики и применяя их в своих проектах, можно реализовать любые устройства: от управляемого со смартфона ночника до робота, который будет привозить из кухни чашку чая. Мы также знаем историю о пятикласснике, который собрал дома инкубатор для куриц.
Сферы, в которых пригодятся физика и программирование
Знание физики позволит программисту работать не только в сфере IT. Например, сегодня можно встретить такое понятие, как IT-медицина. В идеале IT-медик должен обладать как знаниями в медицине и физике, так и в программировании.
Такие специалисты работают с Big Data, анализируют и систематизируют медицинскую информацию.
Они также изучают приборы, оборудование и физические факторы, которые используются для диагностики и лечения пациентов. Благодаря этому им удается создавать программное обеспечение для медицинского оборудования. И это дает свои плоды!
Например, в 2018 году в Институте скорой помощи им. Н. В. Склифосовского провели уникальную операцию с помощью робота. У пациента была редкая опухоль мозга, которую не могли оперировать из-за высоких рисков. Она находилась в глубинных отделах, на стыке двух полушарий. Робот обнаружил опухоль и показал с ювелирной точностью, под каким углом и насколько глубоко нужно вводить иглу. Благодаря этому операция длилась всего 40 минут, пациенту спасли жизнь.
Ещё одна интересная сфера, в которой можно работать — космос. ПО спутников плотно связано как с программированием, так и с физикой. Не зная законов физики, специалист не сможет написать код, чтобы они передвигались корректно. А значит, не запустит спутники в космос.
Пригодятся знания по физике и программированию и в телекоммуникациях.
Специалисты, работающие в этой сфере, хорошо разбираются в радиоволнах и кодинге. Благодаря этому мы можем пользоваться современными протоколами передачи данных — 3G, 4G, 5G и тд.
И это далеко не предел! Сфер, в которых могут работать программисты, знающие физику, большое количество.
А начать большой путь к карьере программиста можно уже сейчас! Доверьте своего ребенка опытным профессионалам: Школа программистов уже 20 лет воспитывает победителей олимпиад по информатике и готовит кадры для Google, Apple, Microsoft и др.
Чтобы начать учиться, зарегистрируйтесь на нашей платформе Informatics и выберите дату вступительного испытания! Мы проверим знания ребенка и поможем подобрать программу обучения.
Хочу поступить
Новаторские изобретения в области лазерной физики — ScienceDaily
Новости науки
от исследовательских организаций
2
Новаторские изобретения в области лазерной физики
- Дата:
- 2 октября 2018 г.
- Источник:
- Нобелевский фонд
- Резюме:
- Нобелевская премия по физике 2018 года присуждается Артуру Ашкину «за оптический пинцет и его применение в биологических системах» и совместно Жерару Муру и Донне Стрикленд «за их метод генерации сверхкоротких оптических импульсов высокой интенсивности».
- Поделиться:
ПОЛНАЯ ИСТОРИЯ
Изобретения, отмеченные в этом году, произвели революцию в лазерной физике. Чрезвычайно маленькие объекты и невероятно быстрые процессы теперь предстают в новом свете. Усовершенствованные прецизионные инструменты открывают неизведанные области исследований и множество промышленных и медицинских применений.
реклама
Шведская королевская академия наук приняла решение присудить Нобелевскую премию по физике 2018 г. «за новаторские изобретения в области лазерной физики» с половиной Артуру Ашкину, Bell Laboratories, Холмдел, США, «за оптическую пинцеты и их применение в биологических системах», а другую половину совместно Жерару Муру, Политехническая школа, Палезо, Франция и Мичиганский университет, Анн-Арбор, США, и Донне Стрикленд, Университет Ватерлоо, Канада, «за их метод создания высокоинтенсивных импульсов».
, сверхкороткие оптические импульсы».
Артур Ашкин изобрел оптический пинцет, который захватывает частицы, атомы, вирусы и другие живые клетки своими лазерными лучами. Этот новый инструмент позволил Ашкину осуществить давнюю мечту научной фантастики — использовать радиационное давление света для перемещения физических объектов. Ему удалось заставить лазерный свет подталкивать мелкие частицы к центру луча и удерживать их там. Был изобретен оптический пинцет.
Крупный прорыв произошел в 1987 году, когда Ашкин использовал пинцет для захвата живых бактерий, не причиняя им вреда. Он сразу же начал изучать биологические системы, и теперь оптический пинцет широко используется для исследования механизмов жизни.
Жерар Муру и Донна Стрикленд проложили путь к созданию самых коротких и интенсивных лазерных импульсов, когда-либо созданных человечеством. Их революционная статья была опубликована в 1985 году и легла в основу докторской диссертации Стрикленда.
Используя изобретательный подход, им удалось создать сверхкороткие высокоинтенсивные лазерные импульсы без разрушения усиливающего материала.
Сначала они растягивали лазерные импульсы во времени, чтобы уменьшить их пиковую мощность, затем усиливали их и, наконец, сжимали. Если импульс сжимается во времени и становится короче, то в одном и том же крошечном пространстве собирается больше света — интенсивность импульса резко возрастает.
Недавно изобретенный Стриклендом и Муру метод, названный усилением чирпированных импульсов, CPA, вскоре стал стандартом для последующих высокоинтенсивных лазеров. Его использование включает в себя миллионы корректирующих операций на глазах, которые проводятся каждый год с использованием самых острых лазерных лучей.
Бесчисленные области применения еще не полностью изучены. Однако и сейчас эти прославленные изобретения позволяют нам порыться в микромире в лучшем духе Альфреда Нобеля — для наибольшей пользы человечества.
Лауреаты:
- Артур Ашкин , родился в 1922 году в Нью-Йорке, США. Кандидат наук. 1952 г., Корнельский университет, Итака, США.
- Жерар Муру , родился в 1944 году в Альбервиле, Франция. Кандидат наук. 1973 г.
- Донна Стрикленд , родилась в 1959 г. в Гвельфе, Канада. Кандидат наук. 1989 г., Рочестерский университет, США.
Сумма приза: 9 миллионов шведских крон, половина из которых принадлежит Артуру Ашкину, а другая половина делится между Жераром Муру и Донной Стрикленд.
изменить мир к лучшему: спонсируемая возможность
История Источник:
Материалы предоставлены Нобелевским фондом . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.
Цитировать эту страницу :
- MLA
- АПА
- Чикаго
Нобелевский фонд. «Нобелевская премия по физике 2018 года: новаторские изобретения в области лазерной физики».
ScienceDaily. ScienceDaily, 2 октября 2018 г.
Нобелевский фонд. (2018, 2 октября). Нобелевская премия по физике 2018 года: новаторские изобретения в области лазерной физики. ScienceDaily . Получено 6 октября 2022 г. с сайта www.sciencedaily.com/releases/2018/10/181002091942.htm
Нобелевский фонд. «Нобелевская премия по физике 2018 года: новаторские изобретения в области лазерной физики». ScienceDaily. www.sciencedaily.com/releases/2018/10/181002091942.htm (по состоянию на 6 октября 2022 г.).
реклама
Нобелевская премия по физике 2018 г. — Новые достижения в лазерных технологиях
Этот пост в блоге является частью серии статей о научных исследованиях, которые привели к присуждению Нобелевских премий в этом году. Официальная церемония вручения Нобелевской премии состоится в Стокгольме 10 декабря 2018 года. биологии, а половину совместно Донне Стрикленд и Жерару Муру за их исследования новых методов создания интенсивных лазерных импульсов, которые изменили производственные и медицинские процедуры.
Эта премия является последней в серии наград, присуждаемых за достижения в области лазерных технологий, которые демонстрируют, что лазеры продолжают быть волной будущего. Лазеры были впервые разработаны в 1960 году, и с тех пор они произвели революцию в научных инструментах, медицинских процедурах и производстве, среди многих других приложений. Вот как появились два достижения, отмеченные Нобелевской премией 2018 года, и как они используются сегодня.
Артур Ашкин, Донна Стрикленд и Жерар Муру, лауреаты Нобелевской премии по физике 2018 г., © Peter Badge/typos 1 in coop. Встречи с Нобелевским лауреатом Линдау
Захваченные частицы
Лазеры генерируют интенсивный узкий луч одноцветного света с волнами, выровненными по направлению, частоте и фазе. Частицы света, называемые фотонами, путешествуют внутри этих волн и создают оптические силы, когда сталкиваются с объектом и рассеиваются.
В 1970 году Артур Ашкин, один из лауреатов премии по физике этого года, использовал эти силы, чтобы втянуть микрочастицу в лазерный луч и заманить ее внутрь.
В конце концов, он также приостановил действие вируса и живой клетки. Его техника, получившая название «оптический пинцет», с тех пор стала ключом к изучению кинетики и механики клеточных моторов и компонентов.
Вот как работает оптический пинцет:
Когда Ашкин впервые поместил частицу микронного размера в лазерный луч, он заметил, что частица втягивается в центр луча, где интенсивность была наибольшей. Он понял, что два типа оптических сил удерживают частицу в луче. Поступательное движение фотонов подтолкнуло частицу в направлении лазерного луча. Давление этого излучения было достаточно сильным, чтобы левитировать микрочастицы внутри вертикального лазерного луча.
Вторая сила, та, которая толкает частицу к центру луча, также удерживает ее внутри луча. Эта градиентная сила возникает из-за того, что интенсивность лазера слабее на краях луча и максимальна в центре. Фокусировка луча с помощью линзы создает очень крутой градиент интенсивности, так что сила градиента становится сильнее, чем та, которая толкает частицы вперед в луче.
После того, как Ашкин и его коллеги добавили линзу к своему оптическому пинцету, они улавливали в воде частицы диаметром от 10 мкм до 25 нм.
Экспериментируя с улавливанием различных видов частиц, Ашкин понял, что может улавливать вирус или бактериальную клетку. Он изменил систему, чтобы использовать инфракрасный лазер вместо зеленого, и тогда он мог ловить даже живые клетки. Благодаря работе Ашкина над биологическими системами оптический пинцет теперь широко используется в биофизике и клеточной биологии. Новаторские биофизические эксперименты с оптическим пинцетом включают в себя прикрепление белка под названием «кинезин» к шарику, захваченному оптическим способом. Внутри клеток кинезин переносит молекулярный груз по клеткам, перемещаясь по нитям, называемым микротрубочками. Используя оптический пинцет, исследователи сделали первые измерения длины каждого шага кинезина.
Повышение интенсивности
Донна Стрикленд и Жерар Муру разделили вторую половину Нобелевской премии по физике 2018 года за их метод повышения интенсивности ультракоротких лазерных импульсов таким образом, чтобы не расплавить компоненты лазера.
Их подход привел к промышленному и медицинскому применению лазеров, включая точное производство и хирургию глаза.
В течение первых 25 лет разработки лазеров исследователи выяснили, как создавать сверхкороткие импульсы лазерного света, но интенсивность этих импульсов была ограничена. Они могли усиливать только наноджоули энергии в каждом импульсе до уровня миллиджоулей, потому что более интенсивные импульсы повреждали усиливающий материал и компоненты лазера.
Один из способов, которым исследователи увеличили интенсивность импульса, заключался в увеличении диаметра луча для рассеивания его интенсивности. Однако для этого требовалось большое и дорогостоящее оборудование, которое могли разместить только национальные исследовательские институты. Кроме того, эти лазеры могли производить только несколько импульсов в день, потому что им требовалось время для охлаждения между выстрелами.
В 1985 году Стрикленд и Муру описали метод решения этой проблемы. Вдохновленные радарными технологиями, они решили уменьшить пиковую мощность лазерного импульса, сначала увеличив его длину волны на несколько порядков.
Тогда они могли усиливать волну, не повреждая материал. Наконец, они сжали волну, чтобы восстановить ее первоначальные свойства. Через два года после демонстрации усиления чирпированных импульсов они изменили компоненты системы и усилили наноджоульные импульсы до энергии в джоулях — увеличение на девять порядков.
После разработки усиления чирпированных импульсов исследователи использовали его для передачи все более коротких и интенсивных лазерных импульсов. Эти импульсы объединились для создания мощных лазеров в доступных инструментах. Ученые-исследователи теперь могут приобретать настольные лазеры мощностью в тераватты — пиковую мощность больших лазеров раньше можно было найти только в научно-исследовательских институтах. В настоящее время институты используют петаваттные лазеры, и по крайней мере 50 петаваттных лазеров работают, строятся или планируются по всему миру. Объект Extreme Light Infrastructure Beamlines, проект, возглавляемый Муру и строящийся в Праге, Чешская Республика, будет иметь лазерную систему мощностью 10 ПВт.
Эти сверхбыстрые лазерные импульсы высокой интенсивности открыли новые области исследований в физике, включая изучение вещества в конденсированной фазе и динамики электронов внутри атомов.
Интенсивные лазерные импульсы также имеют практическое применение в прецизионном производстве и медицинских процедурах. Менее интенсивные импульсы могут термически обрабатывать материал, в то время как более интенсивные импульсы могут резать, вырезать или протыкать его. Короткие, интенсивные лазерные импульсы также необходимы для хирургии глаза LASIK, когда врачи изменяют внешнюю оболочку глаза пациента, чтобы исправить проблемы со зрением, которые обычно требуют ношения очков или контактных линз.
Дополнительное примечание: Узнайте больше об увлекательном мире лазерных технологий в тематической группе в нашей медиатеке.
Нобелевская премия по физике 2018 г.: инструменты из света, «оптический пинцет» и мощные лазерные импульсы .
Артуру Ашкину, который в свои 96 лет стал старейшим ученым, когда-либо удостоенным Нобелевской премии, приписывают изобретение так называемого «оптического пинцета».
На самом деле это технология, а не физический инструмент, эти «пинцеты» широко используются для выделения и исследования очень маленьких частиц, таких как отдельные атомы, нити ДНК или биологические клетки.
Жерар Муру и Донна Стрикленд, получившие вторую половину премии, разработали метод, который позволил генерировать наиболее интенсивные лазерные импульсы, которые сейчас используются в самых разных научных и медицинских целях, в том числе в хирургии глаза.
Стрикленд, 59-летний канадский ученый, стала теперь только третьей женщиной, получившей Нобелевскую премию по физике, после Марии Кюри в 1903 году и Марии Гёпперт Майер в 1963 году. ее работа в сотрудничестве с ее научным руководителем Муру была описана в самой первой научной статье, которую она опубликовала еще в декабре 19.85.
Истории только для подписчиков
Просмотреть все
Цены начинаются от 2,5 рупий в день
ПРОЧИТАТЬ | Познакомьтесь с лауреатами Нобелевской премии по физике 2018 года
«Оптический пинцет» Ашкина тоже был разработан в середине 1980-х годов.
Фактически, с тех пор несколько ученых были удостоены Нобелевской премии за работу, проделанную над разработанной им технологией, но сам Ашкин до сих пор оставался в стороне.
Эшкин, американец, работал над лазерными импульсами с тех пор, как они были впервые получены в 1960. Световые лучи, производимые лазером — это устройство, а не сам луч — имеют единую частоту (цвет) и высокую интенсивность, а значит и большую мощность.
В течение нескольких лет было широко известно, что свет может оказывать давление на объекты, на которые он падает. Но это давление было недостаточно большим, чтобы иметь какой-либо наблюдаемый эффект, который ученые могли бы измерить. Развитие лазерных лучей благодаря их высокой мощности открыло новые возможности. Ашкин впервые показал, что эти световые лучи действительно можно использовать для перемещения очень маленьких объектов. Он обнаружил, что сферы микрометрового размера, которые он использовал для своих экспериментов, были притянуты к центру светового луча, где интенсивность света или количество световых частиц в луче было наибольшим.
Реклама
На протяжении многих лет, тщательно манипулируя световым лучом и используя различные виды линз, Ашкин мог управлять движением сферы или других мелких частиц и даже создавать своего рода ловушку, в которой частица содержался. Это было похоже на выделение этих маленьких частиц для специального наблюдения. Это то, что стало называться «пинцет», где один или несколько лучей света могли изолировать и удерживать очень маленькие частицы, такие как атом, для изучения учеными.
До работы Ашкина такие мелкие частицы не могли быть выделены и исследованы. Выделение отдельных частиц помогает ученым понять поведение отдельных атомов или клеток вместо изучения среднего поведения совокупности таких частиц. К 1986 году «оптический пинцет» был достаточно развит, чтобы останавливать и улавливать отдельные атомы. Примерно в это же время он случайно также поймал бактерии в свой «пинцет», а затем показал, что с помощью определенного вида инфракрасного света бактерии могут быть пойманы или изолированы без какого-либо вреда для них.
В наши дни «оптический пинцет» является стандартным оборудованием в лабораториях по всему миру и используется для изучения различных областей, включая биологические процессы отдельных белков, ДНК или других клеток.
Реклама
В то время как Ашкин использовал лазерные лучи для совершенно новых вещей, Муру и Стрикленд расширили возможности самого светового луча. Лазеры излучают свет с очень короткими интервалами, порядка микро- или наносекунд или даже меньше. Мощность светового луча или его интенсивность измеряется энергией, которую он переносит в секунду. Таким образом, чем короче временной интервал, в котором создавался импульс, тем выше была мощность.
Через несколько лет после изобретения лазера лабораторные настольные лазеры начали достигать мощности около гигаватт (10 в степени 9). Но после этого было достигнуто состояние пиковой мощности. Более интенсивные световые импульсы не могли быть получены без повреждения усиливающего материала.
Муру и Стрикленд нашли выход.
Они увеличили продолжительность импульсов перед усилением света, чтобы интенсивность снизилась. Тогда свет мог бы усиливаться нормально. После усиления импульс можно было сжать обратно до его первоначальной продолжительности, упаковав гораздо больше световых частиц в очень маленьком пространстве, тем самым увеличив интенсивность на несколько порядков.
С помощью этого метода Муру и Стрикленд смогли увеличить интенсивность светового луча почти в миллион раз за один раз. С тех пор ученые развили эту технологию дальше, так что современный лазер может производить световые лучи с мощностью порядка петаватт (10 в степени 15), и предпринимаются усилия по установке лазеров, которые могут быть еще выше.
В настоящее время в Индии есть два лазера, производящих лучи мощностью 100 тераватт (10 в степени 12). Центр передовых технологий Раджа Раманна в Индоре находится в процессе установки двух петаваттных систем, а еще одна, вероятно, будет установлена в Хайдарабаде.
Реклама
Такие высокие интенсивности чрезвычайно полезны во многих научных контекстах.