Интересные новости и факты (физика, техника)

[ArefievPV]

Сергей Попов о том, как наука пытается объяснить феномен гравитации

Почему наука до сих пор не может объяснить одну из главных сил во Вселенной? Как выглядит движение «по прямой» в искривленном пространстве? И в каком случае можно с уверенностью сказать, что вес — это не самое важное?

Вы просили рассказать про гравитацию — мы исполняем. В новом «Толке» астрофизик и доктор физико-математических наук Сергей Попов приоткроет завесу одной из основных загадок современной космологии. Выясним, как ученые исследуют гравитационное взаимодействие на околоземной орбите, и почему им иногда все-таки приходится отстраняться от многократно подтвержденной Альбертом Эйнштейном общей теории относительности. А также попробуем разобраться, существуют ли на самом деле частицы темного вещества или все это — тоже происки гравитации. Казалось бы, мы с детства знаем, что благодаря ей ходим по земле, а наша планета вращается вокруг Солнца. Но знаем ли мы главное: что такое гравитация?

00:00 - Интро.
00:34 - Вопросы, которые сегодня стоят перед астрофизиками.
01:39 - Основные виды взаимодействий.
03:09 - Что такое инерция и инертная масса?
04:20 - От чего зависит инерция?
05:14 - Влияет ли инертная масса на движение под действием гравитации?
06:51 - Что влияет на траекторию движения тел в космосе?
07:42 - Два подхода к изучению гравитации.
10:03 - Зачем ученые стремятся расширить общую теорию относительности?
11:34 - Хокинговское испарение черных дыр.
13:58 - Гравитационная теория темного вещества.
15:28 - Находят ли глобальные научные теории утилитарное применение?
16:35 - Что толкает ученых к проведению экспериментов.

P.S. Примерно в 2:18 появляется текст с информацией, что электромагнитное взаимодействие сильнее гравитационного в 1035 раз. Наверное, имели в виду 10³⁵ (просто текст из другого формата так отобразился). Можно было написать и 10^35. В Википедии пишут вообще 10³⁶...

[ArefievPV]

Две мегамолнии установили рекорды по длительности жизни и дальности распространения
https://nplus1.ru/news/2022/02/01/megaflash

Мегамолния рекордной длительности, возникшая в июне 2020 года, по данным спутника GOES-16.

Всемирная метеорологическая организация подтвердила новые рекорды по длительности жизни и дальности распространения одиночной молнии. Рекорд дальности в 768,8 километра установила молния, зафиксированная весной 2020 года над США, а самой длительной признали одиночную вспышку, возникшую над Южной Америкой летом того же года — она продлилась 17,102 секунды. Статья опубликована в Bulletin of the American Meteorological Society.

Во время обычных гроз мегамолнии не рождаются — им необходимы обширные облачные системы, которые разряжаются с достаточно низкой скоростью, чтобы могли образовываться одиночные разряды, двигающиеся в горизонтальном направлении и охватывающие очень большие расстояния. Облака-наковальни и дождевые стратиформные области в мезомасштабных конвективных системах соответствуют этим критериям. Однако немногие из подобных систем порождают экстремальные грозовые разряды, которые наблюдались только на Великих равнинах в Северной Америке и в бассейне реки Ла-Плата в Южной Америке. Последний рекорд по длительности и дальности распространения молнии был установлен в 2019 году и составил 16,73 секунды и 709 километров соответственно.

Группа метеорологов во главе с Рэндаллом Червени (Randall S. Cerveny) из Университета штата Аризоны сообщила о двух новых мегамолниях, установивших новые рекорды по длительности и дальности распространения разряда, которые подтверждены Всемирной метеорологической организацией. Наблюдения за ними велись при помощи спутников GOES-16 и 17, а также наземной системы HLMA (Houston Lightning Mapping Array).


Мегамолния рекордной длины, возникшая в апреле 2020 года, по данным спутника GOES-16.

Самой длинной молнией теперь считается одиночная, стратифицированная вспышка, охватившая расстояние 768,8 километра. Она образовалась 29 апреля 2020 года и была вызвана мезомасштабной конвективной системой, которая возникла над Великими равнинами и переместилась в южную часть США прежде чем мигрировать в море над Мексиканским заливом. Самой продолжительной молнией стала одиночная вспышка, возникшая в грозовой системе над Уругваем и северной Аргентиной 18 июня 2020 года. Она продлилась 17,102 секунды.

Ранее мы рассказывали о том, как молнию поймали за созданием радиоактивных изотопов и где находятся самые притягательные для молний места Земли.

P.S. Ссылки в дополнение:

Названы 500 самых притягательных для молний мест Земли
https://nplus1.ru/news/2016/12/29/earth-lightnings

Молнию поймали за созданием радиоактивных изотопов
https://nplus1.ru/news/2017/11/24/radioactive-isotopes-from-lightning

[ArefievPV]

Физики научились закручивать звук
https://nplus1.ru/news/2022/02/14/twist-and-shout

Физики предложили концепцию устройства для создания акустических волн, переносящих орбитальный угловой момент. Устройство представляет собой трубку, один из концов которой имеет пилообразный профиль. Ученые показали, что при погружении такой трубки в воду, орбитальный момент будет передаваться волнам давления в жидкости. Это можно использовать для передачи вращения объектам, захваченным акустическим пинцетом. Исследование опубликовано в Physical Review Letters, кратко о нем пишет Physics.

Тридцать лет назад физики выяснили, что кванты света могут переносить орбитальный момент. Волновой фронт такого излучения имеет геликоидальный (то есть, винтообразный) вид с фазовой сингулярностью в середине луча, а для его создания экспериментаторы используют спиральные пластинки. Это открытие добавило новое измерение в управлении свойствами света и дало импульс к развитию физики оптических пинцетов.

Ученые не ограничились только светом. Вскоре стало понятно, что закрутить в теории можно любые свободно распространяющиеся волны. Через какое-то время физики сообщили, что им удалось закрутить волны электронной плотности, а сравнительно недавно они добрались и до нейтронов. При этом в литературе нет никаких данных о том, можно ли закрутить звук. Отчасти это связано с более сложным характером распространения упругих волн в конденсированных средах по сравнению с распространением света. Так, физики лишь недавно разобрались в непростой структуре собственного момента импульса (спина) упругих волн, отбрасывая при этом наличие у них орбитального момента.

Английские и итальянские исследователи при участии Грегори Чаплэйна (‪Gregory Chaplain) из Эксетерского университета решили сфокусироваться именно на этом вопросе. Они теоретически рассмотрели распространение волн упругости вдоль стенок полой трубы и показали, что им можно передать орбитальный момент с помощью акустического аналога спиральной пластинки. Оказалось, что если есть контакт между трубкой и жидкостью, то в последнюю может передаться закрученность, что было бы полезно при создании акустических пинцетов или иных микрофлюидных устройств.

Физики рассмотрели трубку из однородного линейного упругого материала, подчиняющегося динамическому уравнению Навье-Коши. Проведя каноническую процедуру построения тензора энергии-импульса в соответствии с теоремой Нётер, они вывели тензор Эшелби, с помощью которого получили выражение для потока орбитального момента по аналогии с тем, как это было сделано в оптике.

Стенки труб, состоящие из упругого материала, могут содержать в себе три типа механических волн: продольные, крутильные и изгибные. Физики показали, что условия для возникновения орбитального момента, а именно наклоненный волновой фронт, напоминающий винтовую резьбу, могут быть выполнены для волн третьего типа. Для их возбуждения авторы предложили использовать описанную ими ранее спиральную фазовую трубку — упругий аналог оптической спиральной фазовой пластинки, — один из краев которой имеет пилообразный профиль. Вычисления, сделанные методом конечных элементов и методом спектральной коллокации, позволили получить дисперсионные соотношения и эффективность закручивания звуковых волн различными алюминиевыми спиральными трубками.

Физики также изучили возможность передачи волн с угловым моментом в жидкость. Для этого они рассмотрели алюминиевую трубу, частично погруженную в воду. В трубке с помощью спирально-фазового структурирования возбуждались изгибные волны со степенью закрутки, равной трем. Симуляция показала, что это создает в жидкости закрученные волны давления. Такие волны можно использовать для селективной доставки вращения в нужные точки.

Ранее мы уже рассказывали, как с помощью создания акустических вихрей физики заставили левитировать вращающийся полистирольный шарик.

P.S. Ссылка в дополнение:

Акустический луч впервые заставил левитировать объект больше длины волны
https://nplus1.ru/news/2018/01/23/acoustic-levitation

[ArefievPV]

Почему Вселенная разрушится, если исчезнет симметрия?

В этом выпуске мы разбираемся, как возникает закон сохранения энергии, импульса, электрического заряда, откуда берется электромагнетизм, сильные и слабые ядерные взаимодействия, и какая симметрия лежит в основе Вселенной?

ТАЙМКОДЫ
0:00 Обращение.
1:29 Intro.
4:11 Актуальная профессия.
6:01 Что такое симметрия?
7:42 Теорема Эмми Нетер.
10:23 Фундаментальные взаимодействия.
11:48 Волновая функция.
13:38 Калибровочная симметрия.
14:32 Как возникает электромагнетизм?
16:49 Как возникают слабые взаимодействия?
19:02 Как возникают сильные взаимодействия?
20:17 Гравитация - тоже калибровочная!
20:43 Что все это значит? Теории всего?
21:58 Спонтанное нарушение симметрии.
22:38 Outro.

P.S. Тема интересная, но вот обращение Дмитрия меня несколько напрягло (и какой-то нехороший осадок в душе остался). Попытка отстраниться и остаться в стороне к добру не приводит - ведь рано или поздно, но сторону выбирать придётся. Пока решил разместить ролик.

[ArefievPV]

Аналоговые компьютеры возвращаются? (Veritasium)

Аналоговые компьютеры долгое время являлись самыми мощными, пока не появились цифровые вычислительные машины, вытеснившие их. Вернутся ли аналоговые компьютеры, чтобы проявить себя во всей красе в машинном обучении в наше время? В этом выпуске Дерек расскажет про историю решения задачи предсказания приливов и отливов, над которой пришлось изрядно попотеть и даже создать аналоговые вычислительные машины ещё в 19 веке.  А так же о том, как аналоговые компьютеры помогали артиллерии во время Второй мировой войны.

[ArefievPV]

Veritasium: Возвращение аналоговых компьютеров (ч.2)

Во второй части Дерек расскажет о становлении искусственных нейронных сетей и про современные решения чипов для использования преимуществ аналоговых вычислений в работе обученных нейронных сетей, которые плотно входят в нашу повседневность.

[ArefievPV]

Зачем Вселенная нарушает симметрию?

Продолжаем тему, в этом выпуске разбираемся, что такое спонтанное нарушение симметрии, где его можно встретить, и как оно влияет на наш мир.

Мы разберемся, как работает сверхтекучесть жидкого гелия, сверхпроводимость и квантовая левитация, механизм Хиггса. Как из электрослабого появляется слабое и электромагнитное взаимодействия, что такое бозоны Голдстоуна, как они пожирают другие частицы, где можно найти ложный вакуум и как он может уничтожить всю Вселенную!

ТАЙМКОДЫ
0:00 Intro.
1:33 Спонтанное нарушение симметрии на механическом уровне.
4:07 Python.
6:06 Изотропная симметрия.
6:39 Намагничивание.
7:21 Сверхтекучесть.
8:39 Сверхпроводимость.
9:44 Электрослабое взаимодействие.
10:55 Почему безмассовые частицы летают со скоростью света?
12:13 Поле Хиггса.
14:11 Нарушение симметрии полем Хиггса, тахионная конденсация.
15:32 Механизм Хиггса: образование масс.
16:45 Как уложить все в голове?
17:28 Разделение взаимодействий.
17:56 Масса фотонов в сверхпроводнике и левитация.
18:33 Инфляция.
19:22 Ложный вакуум.
20:48 Outro.

[ArefievPV]

Что если Времени - не существует?

Ученые и философы давно спорят о природе времени. Некоторые даже заявляют что времени может не существовать. Что это значит? Как на время смотрят ученые и философы, как его может не существовать? Об этом сегодня и поговорим.

00:00 - Начало.
02:24 - Интеграция.
04:27 - Что это значит?
10:07 - Время в разных физических теориях.
22:09 - Философия времени.

[ArefievPV]

Физики сделали сверхпроводниковый биоподобный нейрон на основе золотых нанопроводов
http://neuronovosti.ru/fiziki-sdelali-sverhprovodnikovyj-biopodobnyj-nejron-na-osnove-zolotyh-nanoprovodov/

Учеными МФТИ и МГУ им. М. В. Ломоносова найден перспективный вариант использования нанопроводов из золота для реализации сверхпроводниковых аналогов нейронов. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда. По материалам исследований опубликована статья в журнале Nanomaterials.


Биологический нейрон и его искусственный аналог из сверхпроводящего материала.

Моделирование нейрофизиологических процессов в мозгу живых существ — задача актуальная и очень сложная. Одной из основных проблем в этой области является недостаточное количество нейронов и синапсов в современных нейроморфных процессорах Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS), поскольку увеличение ведет к большому энергопотреблению и тепловыделению в таких системах.

Василий Столяров, директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ, комментирует: «Лучшие на сегодня нейроморфные системы имитируют сети, состоящие примерно из одного миллиона нейронов и четверти миллиарда синапсов. Однако самые амбициозные биологические проекты ставят цели достичь 10 миллиардов нейронов и 100 триллионов синапсов. Стремление к такой высокой сложности требует решений на основе новых физических принципов передачи и обработки сигналов. Мы исследовали двух- и трехпереходные сверхпроводящие квантовые интерферометры с джозефсоновскими контактами на основе золотых нанопроволок».

Применение сверхпроводящих материалов уже используют при разработке искусственных нейронов. Переключение джозефсоновского перехода (контакта сверхпроводников через прослойку диэлектрика) обеспечивает генерацию квантованного всплеска напряжения. Форма этого всплеска может быть близка к той, которая возникает в нейрофизиологических процессах. При этом искусственный нейрон можно реализовать с помощью всего двух джозефсоновских контактов. Это на порядок меньше, чем в технологии, реализуемой с помощью транзисторов в нейроморфных процессорах  CMOS.

Ученые из  Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ с коллегами разработали джозефсоновские структуры на основе нанопроводов для реализации сверхпроводящих биоинспирированных нейронов. Дополнительно была разработана схема сверхпроводящего искусственного нейрона, позволяющая работать в режимах, соответствующих важной биологической активности, отсутствующей в ранее предложенных устройствах. Проведенные  эксперименты показали, что нанопровода из золота могут использоваться как слабая связь для наноразмерных джозефсоновских контактов.

Сверхпроводящий контур с двумя такими контактами может работать как «биоподобный» нейрон в быстродействующих и энергоэффективных комплексах моделирования нейрофизиологической активности. Замена одного из джозефсоновских контактов на двухконтактный интерферометр позволила добиться для биоподобного нейрона специальных режимов работы, моделирующих поведение биологической системы в случае заболеваний или под действием медикаментов.

Игорь Соловьев, научный сотрудник МГУ им. М. В. Ломоносова, рассказывает: «И эксперимент, и проведенное численное моделирование показывают, что предложенная трехпереходная ячейка способна имитировать активность специфических биологических нейронов, отсутствующую в ранее представленных сверхпроводящих искусственных нейронах».

Николай Кленов, доцент МГУ им. М. В. Ломоносова, добавляет: «Предлагаемый нейрон способен имитировать биологическую активность, соответствующую типичной реакции нейрона на обычную внешнюю стимуляцию, а также на допороговое раздражение. Кроме того, он имитирует режим травмы — биофизическую аномалию, вызванную различными нервными заболеваниями и повреждениями нейронов, и взрывной режим».

[ArefievPV]

Шокирующая правда о преломлении!

Мы все знакомы с преломлением света. Искажения в воде, миражи, радуга, преломление света в линзах оптических приборов – все это вполне привычные вещи.

Но если разобраться, иногда преломление работает совсем не так, как обычно! Луч пропадает, прозрачность исчезает, всплывают квантовые эффекты. Все это можно использовать в роутерах, сканерах отпечатков пальцев, датчике дождя и других приборах.

Плюс ко всему, на самом фундаментальном уровне преломление работает вообще не так, как обычно рассказывают! Все намного интересней и изящней, и в этом выпуске мы раскроем правду об этом. Это настолько удивительный, поразительный принцип, что вы совсем по-другому будете смотреть на привычные вещи!

Таймкоды

0:00 Что мы знаем о преломлении?
1:25 Intro.
3:04 Ностальгия и профессия будущего.
5:07 Полное внутреннее отражение.
6:33 Квантовые эффекты в стакане с водой.
8:09 Роутер, сканер отпечатков и датчик дождя.
11:20 Принцип Ферма (наименьшего времени).
12:52 Что не так с принципом Ферма?
13:43 Как работает преломление на самом деле?
16:33 Волновой принцип повсюду?
17:18 Outro.
18:16 Конструктор Детектор радиации.

[ArefievPV]

Кто стряхивает пыль с астероидов?
https://www.nkj.ru/news/44859/

Физики объяснили, почему поверхность небольших астероидов покрыта большими и маленькими камнями, а не толстым слоем пыли.

Чтобы вещи не покрывались пылью, ими нужно почаще пользоваться или хотя бы вовремя протирать от этой самой пыли. Возьмём, например… Луну – человек уже давно лично не посещал свой единственный естественный спутник, а на немногочисленных луноходах вместо манипулятора с веником учёные скорее поставят какой-нибудь масс-спектрометрический анализатор. Вот Луна и покрылась толстым слоем пыльного реголита, который никто не убирает. Шутки шутками, но с пылью на космических телах, действительно, не всё так просто.

Начнём с того, что пыль на астероидах и других объектах, бороздящих просторы Солнечной системы, образуется в результате космического выветривания. Потоки заряженных частиц солнечного ветра, излучение, периодические нагрев и охлаждение (если космическое тело подставляет солнечным лучам то один, то другой свой бочок) – всё это вызывает дробление и измельчение каменистых пород на поверхности астероидов и других объектов, лишённых атмосферы. Так, на Луне толщина слоя реголита или лунной пыли, образовавшейся за миллиарды лет, в некоторых местах достигает нескольких метров. Что-то похожее астрономы ожидали увидеть и на астероидах, несколько из которых удалось изучить вблизи с помощью космических аппаратов. Как, например, небольшой околоземный астероид Бенну.

В конце 2018 года его посетил аппарат «OSIRIS-REx», который не только рассмотрел его со всех сторон, но даже в октябре 2020 года «пощупал» космическое тело – забрал образцы грунта, чтобы к концу следующего года доставить их на Землю.

Первые детальные фотографии астероида, сделанные OSIRIS-REx, стали сюрпризом для астрономов: они ожидали, что поверхность Бенну будет напоминать лунную, и на ней будет много пыли, однако, астероид оказался «чистеньким», как будто кто-то смахнул с него всю пыль перед прилётом гостя с Земли. И раз уж автоматические межпланетные пылесосы пока ещё не бороздят околоземные просторы, стало быть, существует какой-то механизм, сбрасывающий пыль с астероида.

Построив теоретические модели и изучив поведение пыли в экспериментальных камерах, имитирующих условия космоса, группа исследователей из Колорадского университета в Боулдере пришла к выводу, что роль веника для астероида выполняет статическое электричество. Под действием солнечного излучения частички пыли могут накапливать отрицательный электрический заряд, в результате чего некоторый пылинки начинают «выпрыгивать» с поверхности, отталкиваясь от одноимённо заряженных собратьев. Особо прыгучие пылинки могут таким образом развивать скорость до 8 метров в секунду, чего вполне хватит, чтобы преодолеть слабую гравитацию астероида и покинуть «отчий дом». Такой электростатический веник может очистить небольшой астероид от пыли «всего» за несколько миллионов лет.

А что с большими астероидами? Как можно догадаться, размер космического тела здесь играет первостепенное значение. Чем он больше, тем более сильное гравитационное притяжение испытывают пылинки и тем сложнее им отпрыгнуть от поверхности. На астероидах размером порядка километра и меньше, вроде того же Бенну или Рюгу, пыль надолго не задерживается, а вот более крупные тела уже не могут самостоятельно «стряхнуть» пыль. Поведение пыли определяет не только внешний вид астероида и его спектральные характеристики, но и эволюцию его орбиты, которую очень полезно рассчитывать как можно точнее, чтобы заранее подготовиться к тому случаю, если астероид «захочет» сам доставить образец своего материала на нашу планету. Да и в целом, если вы когда-нибудь захотите провести отпуск на астероиде, не гонитесь за размером «жилплощади» – больше времени потратите на уборку!

[ArefievPV]

Эффективность фотонного квантового двигателя приблизилась к ста процентам
https://nplus1.ru/news/2022/07/23/photonic-quantum-engine

Корейские физики изготовили первый в мире квантовый двигатель, использующего квантовую когерентность резервуара. Для этого они использовали в качестве рабочего тела фотонный газ в резонаторе, через который пролетают сверхизлучающие атомы. Таким способом им удалось достичь 98-процентной эффективности двигателя. Исследование опубликовано в Nature Photonics.

Квантовые тепловые двигатели, впервые описанные Сковилом и Шульцем-Дюбуа в 1959 году, могут превзойти свои классические аналоги за счет использования квантово-механических принципов. Для этого рабочее тело должно обладать дискретной энергетической структурой, а потому на его роль пока годятся только атомы, молекулы или наночастицы. Подробнее об их принципе работы читайте в материале «Двигатель квантового сгорания».

Главной особенностью квантовых тепловых двигателей считается их способность обладать эффективностью, превышающей эффективность цикла Карно — предел, ограничивающий классические тепловые машины. Достичь такого превосходства удалось сравнительно недавно на уровнях NV-центров в алмазе, часть из которых играла роль рабочего тела, а часть — резервуаров. Физики повторили этот успех и с квантовыми двигателями иной природы, например, нанопластиной арсенида галлия.

Важно, что принципы квантового двигателя универсальны: они оперирую абстрактными квантовыми системами, что дает ученым гибкость в их реализации. Среди прочего интерес представляет использование фотонов в резонаторе в качестве рабочего тела, поскольку в этом случае также реализуется дискретность состояний. Более того, было показано, что фотонные двигатели могут быть существенно усилены благодаря явлению сверхизлучения — то есть коллективному испусканию атомами света. Его интенсивность пропорциональна квадрату числа атомов, а значит, это позволит быстро масштабировать выходную мощность двигателя. Несмотря на такие перспективы, фотонные квантовые двигатели с применением сверхизлучения еще никто не реализовывал.

Впервые это удалось сделать группе корейских физиков под руководством Ан Гён Вон (Kyungwon An) из Сеульского национального университета. Они показали, что использование сверхизлучения способно существенно увеличить эффективность квантового двигателя за счет большой разницы между температурой рабочего тела и резервуаров, а также допускает его нелинейное масштабирование. В своем эксперименте исследователи добились коэффициента полезного действия, равного 98 процентам.

В качестве рабочего тела физики использовали состояние фотонов в резонаторе, через которые пролетали атомы бария, а в качестве резервуара — сами атомы, связанные с полем резонатора. Впрыск атомов перпендикулярно оси резонатора они производили через пластину с периодически расположенными отверстиями.

Период был выбран равным длине волны резонансной моды, чтобы взаимодействие всех атомов со светом было сфазировано. Авторы имели возможность отстраивать частоту лазера и частоту резонанса от частоты перехода в атоме, соответствующей длине волны 791 нанометр. В тот момент, когда первые две оказывались равны, атомы сверхизлучали.


Схема эксперимента

Цикл, в котором работал фотонный двигатель, напоминал классический цикл Стирлинга. В роли объема выступала отстройка резонатора от атомной частоты, измеряемая в мегагерцах. Давление же, создаваемое фотонным газом на стенки резонатора, ученые характеризовали средним числом фотонов, которое также поддавалось измерению в эксперименте. В этих двух координатах цикл представлял собой замкнутый прямоугольник.

На первом этапе цикла A→B физики согласовывали частоты лазера и резонатора, немного отличающиеся от атомной частоты. В течение одной микросекунды число фотонов изохорно росло, увеличивая давление на стенки. На этапе расширения B→C авторы синхронно отстраивали обе частоты еще дальше от атомной, что соответствовало увеличению объема фотонного газа. Затем они резко меняли частоту лазера (процесс C→D), чтобы выключить сверхизлучение и привести газ в равновесие с резервуаром, уменьшив число фотонов в резонаторе. Наконец, стадия сжатия D→A возвращала цикл к исходной точке.


P–V диаграмма цикла при различных температурах резервуара (синяя – 6200 кельвин, красная – 6800 кельвин, черная – 8000 кельвин)

Важной особенностью такого двигателя стало соотношение температур резервуара и рабочего тела. Стоит отметить, что понятие температуры в такой системе несколько отличается от температуры атомных и молекулярных газов, в случае которых она становится мерой их средней кинетической энергии. Здесь температура выступает в роли меры статистических свойств системы, поэтому ее называют эффективной. Значения эффективных температур существенно выше (тысячи кельвин), чем привычные температуры, поскольку они характеризуют более высокоэнергичные процессы, чем броуновское движение.

В отсутствии сверхизлучения фотонный газ находится в термодинамическом равновесии с атомами: в такой ситуации эффективная температура довольно точно характеризует распределение системы по степенями свободы. В сверхизлучательном же режиме равновесия нет. Тем не менее, физики все равно вводят эффективную температуру для такого состояния, равную температуре эквивалентного равновесного состояния с таким же энергообменом.

Примечательно, что эффективная температура резервуара постоянна весь цикл, в то время как температура газа то растет, то возвращается к резервуарному значению. Это делает изменение энтропии за замкнутый цикл нулевым. Авторы определяли температуру резервуара через связь атомов с резонатором, а температуру фотонного газа — через отношение числа фотонов в текущем (например, сверхизлучающем) состоянии к равновесному числу фотонов.

Строя зависимость температуры газа от среднего числа атомов в резонаторе, они увидели ее нелинейный рост, как того предписывает явление сверхизлучения. Для двух атомов в резонаторе отношение температуры газа к температуре резервуара достигло 40, из-за чего эффективность двигателя оказалась равной 98 ± 4 процента. И хотя фактически число атомов в резонаторе штучно, на интенсивность сверхизлучения влияет то, как часто они успевают провзаимодействовать с полем. В представленном опыте это происходило в среднем 20 раз на время пролета атома.


Зависимость (a) температуры фотонного газа в сверхизлучающем (SR) и равновесном (TH) режимах, а также (b) эффективности двигателя от среднего числа атомов в резонаторе

Работа построенного двигателя за один цикл довольно мала — порядка 10⁻²⁸ джоулей, — поэтому пока речь не идет о практическом применении таких устройств. Вместе с тем, это первая реализация теплового двигателя, использующего квантовую когерентность резервуара, что позволило приблизиться к стопроцентной эффективности. Результат работы авторов также представляет собой универсальную платформу для будущих исследований квантовой термодинамики.
Ранее мы рассказывали, как физики пытались увеличить эффективность квантового двигателя с помощью магнитного резонанса ядер углерода.

P.S. Ссылки в дополнение:

Физики продемонстрировали тепловой квантовый двигатель
https://nplus1.ru/news/2020/01/04/quantumengine

Двигатель квантового сгорания
(Как справиться с энтропией)
https://nplus1.ru/material/2020/01/29/quantum-engine

[ArefievPV]

Как спастись от жары без кондиционера?

Для нас спасением от жары почти всегда является кондиционер. Он прекрасно справляется, если не обращать внимания на счета за электричество.

Но что делать, если кондиционера нет? Как с жарой справлялись в прошлом? Какие лайфхаки можно применить в настоящем? Что еще можно использовать вместо кондиционера для охлаждения?

В этом выпуске мы изучим древние персидские кондиционеры и холодильники, работающие без электричества, разберемся что общего у футболистов, спутников и атомных электростанций, узнаем, что может быть холоднее сердца твоей бывшей, какая морозильная магия творится в кондиционере и как спастись от жары без нее!

Таймкоды:
0:00 Новый конструктор "Детектор радиации".
1:17 Ледяные ступы в Гималаях.
2:17 Intro.
3:14 Привычные методы.
3:44 Индийские кхус ки татти.
4:28 Холодильники без электричества.
5:09 Охлаждающие растворы.
6:55 Бадгиры - древние кондиционеры.
8:47 Где купить лед в 40-градусную жару?
9:46 Индустрия продажи льда.
11:02 Уиллис Керриер - изобретатель современного кондиционера.
11:55 Коллаба с МФТИ (онлайн-магистратура).
13:43 Спортивная заморозка.
14:50 Охлаждение в космосе.
15:51 Жидкий гелий.
16:25 Градирни.
16:53 Испарительные кондиционеры.
17:45 Парокомпрессионный цикл.
20:23 Почему испарение - лучший выбор?
21:37 Outro.

[ArefievPV]

Почему мы считаем квантовую механику странной: возможно, все дело в нашем мозге
https://www.techinsider.ru/science/1555973-pochemu-my-schitaem-kvantovuyu-mehaniku-strannoy-vozmozhno-vse-delo-v-nashem-mozge/

Когда начинаешь погружаться в законы квантовой механики, эта область физики кажется максимально странной. Но виновата в этом квантовая механика или наше восприятие реальности?

На самом деле квантовая механика не такая странная, как кажется на первый взгляд.

Квантовая физика кажется странной потому, что она противоречит нашим повседневным представлениям о том, как устроен мир. Законы, описывающие поведение квантовых систем, которые мы открыли — уравнение Шредингера и так далее — явно не похожи на законы, которые мы используем для описания повседневных объектов — законы движения Ньютона и другие вещи, которые вы изучали на физике в средней школе. Мы проводим большую часть нашей жизни, взаимодействуя с вещами, которые подчиняются законам Ньютона, и это определяет нашу интуицию относительно того, как вещи «должны» вести себя. Когда квантовая физика отклоняется от этого, это кажется странным.

Почему квантовая физика странная?

Но почему существует такая разница между обычными правилами физики, которые определяют нашу интуицию, и квантовыми правилами? Копенгагенский подход утверждает, что нужно просто принимать это как данность, и пытается установить абсолютное разделение между микроскопическим масштабом, где применяются квантовые правила, и макроскопическим масштабом, где господствуют классические правила.

Но эта позиция явно несостоятельна. Мысленный эксперимент с известным котом Шредингера должен был показать именно это: состояние макроскопической кошки переплетается с состоянием микроскопического атома таким образом, что пересекает масштабную границу, которую наложил бы копенгагенский подход.

Лучший ответ — сказать, что на самом деле нет разницы в правилах, применимых к большим объектам, и в правилах, применимых к маленьким — вселенная квантовая в любом масштабе. «Классические правила», которые мы видим, являются просто результатом применения квантовых законов к действительно большим объектам. В некотором смысле, это просто еще одно применение принципа «чем больше, тем лучше».

Когда вы изучаете поведение огромного количества объектов, чьи индивидуальные взаимодействия описываются простыми правилами, вы часто обнаруживаете, что коллективное поведение большой системы, по-видимому, описывается другим набором простых правил, правил, которые не обязательно явно связаны с исходными законами. Эта идея высокоуровневых правил, вытекающих из правил более низкого уровня, приводит к иерархической структуре наук: химия — это физика очень большого количества атомов, а биология — это химия огромного количества молекул, и так далее.

Когда мы применяем квантовую механику к частицам, которых так много, что они составляют видимый объект, частицы и их взаимодействия управляются квантовыми правилами, но коллективный эффект создает видимость другого набора правил, которые мы называем «классическими». Таким образом, классические законы, к которым мы привыкли — это лишь совокупность квантовых законов для огромного количества частиц.

[ArefievPV]

Гаджеты, нарушающие законы физики! Часть 2

В этом выпуске мы обсудим устройства, которые работают необычным образом, имеют неожиданный форм-фактор, используют неочевидные физические принципы, или даже при первом взгляде нарушают законы физики!

ТАЙМКОДЫ
0:00 Магнитный переключатель MagSwitch.
1:25 Intro.
2:15 Лайфхак, как быстро войти в IT.
4:20 Ионолет (лифтер).
7:04 Клапан Теслы.
8:55 Абсорбционный холодильник.
10:54 Механический телевизор.
13:20 Истории простых, но успешных изобретений.
14:29 Банк для предпринимателей.
16:17 Необычная компьютерная память.
16:50 Память на ферритовых сердечниках.
17:46 Трубка Уильямса.
18:40 Ртутные линии задержки.
20:25 Перспективные виды памяти.
21:10 Квантовая память.
22:29 Атомные наручные часы.
25:18 Outro.