Щепотка бесконечности

Пузыри Ферми

Изображение: NASA

За прошедший год только в архив электронных препринтов arXiv.org было выложено почти 12 тысяч научных статей по астрономической тематике, то есть ученые писали по несколько десятков статей ежедневно. «Лента.ру» начинает регулярный обзор свежих и интересных астрономических препринтов. Главная его цель — без претензии на объективность показать читателям, что происходит в науке прямо сейчас.

«Пузыри Ферми» и темная материя

Американские физики заявили о том, что рентгеновское свечение так называемых «Пузырей Ферми», вопреки наиболее распространенной среди ученых версии, может объясняться не только рассеянием света Галактики на входящих в их состав быстрых частицах. Оказалось, что свет от «нижней» части этих пузырей имеет другие спектральные характеристики и соответствует скорее процессу аннигиляции неких тяжелых частиц, которые, возможно, и составляют загадочную темную материю.

«Гигантские пузыри Ферми» были открыты два года назад с помощью космического рентгеновского телескопа имени Энрико Ферми — свое название они также получили в честь знаменитого итальяно-американского физика. Пузыри представляют собой две области слабого рентгеновского свечения, лежащие над плоскостью нашей Галактики и имеющие форму надутых воздушных шаров. Размеры каждой из них оценивают в 25 тысяч световых лет.

Изучению «пузырей Ферми» посвящены уже десятки опубликованных научных работ. В целом астрономы считают их результатом потока плазмы, идущего из центральной области нашей Галактики. Рентгеновское же свечение «пузырей» определяется рассеянием «межзвездных» фотонов на высокоэнергетичных частицах (электронах, протонах), из которых эти «пузыри» состоят. Такая гипотеза подтверждалась и видом соответствующего рентгеновского спектра. Во всяком случае так можно было объяснить большую часть излучения поверхности пузырей.

Распределение темной материи

Иллюстрация: mppmu.mpg.de

Теперь же американские физики — авторы последней работы — установили (на основании наблюдений все на том же телескопе имени Ферми), что свечение «основания» пузырей — более близкой к диску Галактики области — имеет несколько другие спектральные характеристики. Причем такие, как если бы их спектр обуславливался постоянной аннигиляцией невидимых, в 10-50 раз более массивных, чем протоны, частиц. Таким образом, речь идет об экспериментальном подтверждении возможного существования тяжелых частиц неизвестного нам ранее типа.

Но где имеются тяжелые частицы, там должна быть и дополнительная масса. А раз они никак себя больше не проявляют, то в других областях Галактики они должны быть «темными», что автоматически делает их кандидатами в частицы загадочной темной материи — невидимой массы неизвестной природы, существование которой приходится постулировать для того, чтобы объяснить особенности движения звезд в Галактике. Впрочем, гипотеза о существовании темной материи полезна не только для физики галактик, но и для космологии в целом.

Таким образом, возможно, что американские физики обнаружили, пусть и косвенно, частицы, которые и составляют темную материю. А это можно считать очень значительным астрофизическим результатом. Впрочем, авторы не настаивают на том, что наличие загадочных частиц — единственный способ объяснить результаты их наблюдений. Они предлагают и другое объяснение наблюдаемой особенности спектра «пузырей Ферми»: наличие большого количества миллисекундных пульсаров в этой области Галактики. Эти объекты — компактные нейтронные звезды, образовавшиеся во время вспышек сверхновых. Обладая сильными магнитными и электрическими полями на поверхности, они являются источником ветра из релятивистских частиц, которые и «портят», пусть и слабо, спектр излучения «пузырей».

Однако эта гипотеза нуждается в дополнительном объяснении того, откуда в центральной области Галактики могло взяться столь большое количество действующих миллисекундных пульсаров. Простым-то пульсаром становится далеко не каждая нейтронная звезда, а миллисекундные пульсары еще более редки — они чаще всего получаются из объектов, родившихся не изолированно, а в двойной системе. Надо сказать, что американские физики не вдаются в подробности этой гипотезы. И их можно понять: возможное обнаружение следов частиц темной материи является куда более заманчивой перспективой, чем «прозаичные» нейтронные звезды. LENTA.RU

Planck's 'almost perfect' universe could point to new physics

The map of the oldest light in the universe shows intriguing deviations from expectations. Will these oddities be explained away or are we at the beginning of a revolution in cosmology?

The map of the cosmic microwave background radiation revealed today by the European Space Agency's Planck mission. Photograph: ESA and the Planck Collaboration

Today is a great day. The European Space Agency has released the most precise map so far of the oldest light in the universe. The best news is that is reveals an 'almost perfect universe'. By that they mean it almost conforms to expectations – but not quite.

While the basic 'big bang' picture of our universe's birth is confirmed, the unexplained aspects of the data are where the real excitement lies because these could be signposts to new physics. At the press conference this morning, Professor George Efstathiou, University of Cambridge, UK said that the Planck data showed that, 'Cosmology is not finished.'

In an accompanying video, he even speculates that some of the strange data could be evidence of physics that took place before the big bang. This explosive origin has traditionally been thought to be the beginning of space and time.

Although now called the big bang, Belgian cosmologist Georges Lemaître, who was the first to mathematically investigate the origin of the universe, wistfully referred to it as the 'day without yesterday'. If Efstathiou is right, however, the big bang did have a yesterday after all.

ESA say that this new map of the cosmic microwave background 'challenges some of the fundamental principles of the big bang theory.' It does this by confirming the existence of features in the map that cannot be explained by prevailing theory.

The first strange feature is that the universe's temperature appears to fluctuate more on one side of the universe than the other.

Secondly, there is definitely a 'cold spot' in the universe that extends over an area of space much larger than expected.

A third challenge is that the large scale temperature fluctuations across the entire universe are smaller than those expected from the fluctuations measured at smaller scales.

The theory that these observations challenge is called inflation. It postulates that a tiny fraction of a second after the big bang, the universe underwent a sudden catastrophic expansion. This behaviour was invented to explain why the temperature of the microwave background appeared, at the time, to be so uniform across the entire universe, and on all cosmic scales.

Now, Planck is showing that the temperature, and the fluctuations in it, are not as uniform as thought.

Another problem with inflation is that it lacks a theoretical underpinning from fundamental physics. In other words, no one can find a convincing explanation for why the universe would suddenly expand just after the big bang.

The anomalies in the Planck map announced today could be the extra clues that are needed to urge inflation into a fully fledged theory, or they could provide nails for its coffin.

Time will tell, and either way, we will have made progress.

More data is expected from Planck in about a year's time.

• Stuart Clark is the author of The Day Without Yesterday (Polygon). guardian.co.uk

Cosmos may be 'inherently unstable'

Оригинал взят у в Cosmos may be 'inherently unstable'

By Jonathan Amos Science correspondent, BBC News, Boston Scientists say they may be able to determine the eventual fate of the cosmos as they probe the properties of the Higgs boson.

A concept known as vacuum instability could result, billions of years from now, in a new universe opening up in the present one and replacing it.

It all depends on some precise numbers related to the Higgs that researchers are currently trying to pin down.

A "Higgs-like" particle was first seen at the Large Hadron Collider last year.

Associated with an energy field that pervades all space, the boson helps explain the existence of mass in the cosmos. In other words, it underpins the workings of all the matter we see around us.

Since detecting the particle in their accelerator experiments, researchers at the Geneva lab and at related institutions around the world have begun to theorise on the Higgs' implications for physics.

One idea that it throws up is the possibility of a cyclical universe, in which every so often all of space is renewed.

"It turns out there's a calculation you can do in our Standard Model of particle physics, once you know the mass of the Higgs boson," explained Dr Joseph Lykken.

"If you use all the physics we know now, and you do this straightforward calculation - it's bad news.

"What happens is you get just a quantum fluctuation that makes a tiny bubble of the vacuum the Universe really wants to be in. And because it's a lower-energy state, this bubble will then expand, basically at the speed of light, and sweep everything before it," the Fermi National Accelerator Laboratory theoretician told BBC News.

It was not something we need worry about, he said. The Sun and the Earth will be long gone by this time.

Dr Lykken was speaking here in Boston at the annual meeting of the American Association for the Advancement of Science (AAAS).

He was participating in a session that had been organised to provide an update on the Higgs investigation.Two-year hiatus

The boson was spotted in the wreckage resulting from proton particle collisions in the LHC's giant accelerator ring.

Data gathered by two independent detectors observing this subatomic debris determined the mass of the Higgs to be about 126 gigaelectronvolts (GeV).

That was fascinating, said Prof Chris Hill of Ohio State University, because the number was right in the region where the instability problem became relevant.

"Before we knew, the Higgs could have been any mass over a very wide range. And what's amazing to me is that out of all those possible masses from 114 to several hundred GeV, it's landed at 126-ish where it's right on the critical line, and now we have to measure it more precisely to find the fate of the Universe," he said. continue to source article at bbc.co.uk

Из чего состоит пространство-время

08.02.2013

Из чего состоит пространство-время

Нобелевскую премию Дэвид Гросс получил совместно с Фрэнком Вильчеком — своим бывшим аспирантом в Принстонском университете, а также с Дэвидом Политцером из Гарварда за представленное ими в 1973 году элегантное математическое объяснение удивительного феномена. Эксперименты показывали: интенсивность взаимодействия между кварками, базовыми кирпичиками мироздания, с уменьшением расстояния между ними падает и, напротив, при их удалении друг от друга растет.

Это парадоксальное явление получило официальное название «асимптотическая свобода» (на сверхмалых расстояниях поведение кварков становится поведением почти свободных частиц), а Гроссу и его коллегам удалось показать, почему у универсальной физической константы (так называемой бета-функции), характеризующей интенсивность силового взаимодействия, в случае с кварками неожиданно возникает отрицательное значение. Странности поведения кварков объясняются тем, что помимо самих кварков активное участие в сильном взаимодействии принимают и его переносчики — глюоны. Глюоны — это нейтральные безмассовые частицы, главной отличительной характеристикой которых является наличие цветового заряда, аналога электрического заряда (глюоны наделены двумя цветовыми зарядами, а кварки — тремя).

Ученые-теоретики обнаружили, что на больших расстояниях «цветные силы», действующие между кварками и глюонами, возрастают, то есть они как бы удерживают кварки и не дают им вылетать из адронов (протонов и нейтронов) на свободу. В физике это называется конфайнментом (что в переводе с английского означает «тюремное заключение»), и именно благодаря ему в природе кварки в свободном состоянии (вне атомных ядер) не встречаются.

Возможно, наиболее важным практическим следствием открытой Гроссом, Вильчеком и Политцером асимптотической свободы кварков является то, что оно существенно облегчило физикам-теоретикам их главную задачу — построение унифицированной теории всех видов природных взаимодействий.

Как отметил сам Дэвид Гросс в своей нобелевской лекции 2004 года, «практически сразу после того, как была открыта асимптотическая свобода, теоретики стали предпринимать активные попытки объединения всех видов взаимодействий. Этот энтузиазм ученых был совершенно естественным, поскольку для описания всех известных науке взаимодействий использовались достаточно схожие теоретические конструкции. И вскоре Говард Джорджи, Хелен Куинн и Стивен Вайнберг смогли убедительно показать, что интенсивности всех трех негравитационных взаимодействий (электромагнитного, слабого и сильного) на сверхмалых расстояниях, составляющих примерно 10–29 сантиметров, становятся одинаковыми».

Дэвид Гросс за прошедшие с момента своего главного открытия четыре десятилетия сумел прочно утвердиться в качестве крайне разностороннего теоретика-универсала; в частности, он считается ведущим мировым специалистом в области струнных теорий, и сегодня его смело можно причислить к числу «зубров» современной теоретической физики.

В последние годы Гросс регулярно приезжает в Россию. Последний по времени его визит состоялся в декабре прошлого года, тогда мы и взяли у него это интервью.

— Господин Гросс, недавно я писал в нашем журнале об альтернативных Нобелевским премиях Кавли (международные премии Кавли присуждаются раз в два года начиная с 2008-го; подробнее см. «Норвежский ответ Нобелю» в № 23 «Эксперта» за 2012 год), поэтому мне бы хотелось узнать, что представляет собой Институт теоретической физики имени Кавли Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, в котором вы давно работаете и который долгое время возглавляли.

— Этому институту уже тридцать три года. Основная идея его создания заключалась в том, чтобы он стал универсальным связующим звеном, удобным местом встречи различных ведущих физиков-теоретиков, стимулирующим эффективное общение и взаимодействие между теоретиками, а также организацию совместных исследовательских программ и проектов.

— И сколько всего в нем научных сотрудников?

— В среднем за год институт посещает порядка тысячи ученых, но на постоянной основе в нем работает меньше десятка человек. Примерно половина из приезжающих в институт — ученые из самих Соединенных Штатов, еще столько же — из остального мира.

В течение года в институте обычно реализуется где-то десять-двенадцать различных научных программ продолжительностью около трех месяцев каждая, и, как правило, внутри самого здания одномоментно находятся не более сотни с небольшим ученых.

— А эти научные программы носят исключительно теоретический характер или в институте также проводятся какие-либо экспериментальные исследования?

— Наш институт занимается только чистой теорией, то есть, грубо говоря, ученые в нем пользуются в основном бумагой и ручкой, но диапазон научных направлений весьма обширен — это проблемы современной космологии и астрофизики, биофизические и геофизические исследования и так далее. При этом обычный подход при выборе новых программ и проектов заключается в том, что мы стремимся работать на опережение, определяя темы, которые, по нашему мнению, должны выйти на передний план в научном сообществе в течение ближайших двух-трех лет. И пока такой подход себя полностью оправдывает.

Я был директором института в Санта-Барбаре в течение пятнадцати лет и только в июле 2012-го ушел в отставку, сохранив за собой место профессора. Теперь я наконец получил возможность полностью сосредоточиться на чисто научной работе, и должен признаться, что выбранное для института место чрезвычайно стимулирует эту работу. (Смеется.) К тому же у меня в последнее время появились и другие интересные научные обязанности, в частности работа в попечительском совете Российского квантового центра (РКЦ) в Сколкове.

— А чем вас так заинтересовали Россия и этот проект?

— В Россию я стал приезжать достаточно регулярно начиная с 1989 года, то есть задолго до того, как получил Нобелевскую премию. Что же касается моего вхождения в состав попечительского совета РКЦ, мне предложил эту работу мой хороший друг Миша Лукин (содиректор Гарвардского центра квантовой оптики и Центра ультрахолодных атомов Гарварда — MIT. — «Эксперт») во время одного из заседаний консультативного совета Института теоретической физики в Санта-Барбаре, членом которого он также является.

Затем, около года назад, я повстречался в Москве с Сергеем Белоусовым (председатель попечительского совета РКЦ. — «Эксперт») и пришел к выводу, что этот проект действительно выглядит очень амбициозно и интересно. В итоге я решил, что могу попытаться принести ему определенную пользу своим участием.

— И каково ваше мнение о перспективах проекта РКЦ, а также Сколковского центра в целом?

— По поводу самого Сколкова мне пока известно очень немного. К тому же на данный момент внутри Сколкова почти ничего еще не построено, это все еще по большей части теоретическая концепция, чистая идея. Впрочем, многие проекты такого рода, какими бы трудноосуществимыми они ни казались поначалу, при правильной организации вполне могут стать успешными. Некоторое время назад мне уже довелось поучаствовать в похожем проекте в Китае: в июне 2006 года в Пекине был создан аналог нашего Института теоретической физики в Санта-Барбаре — Kavli Institute for Theoretical Physics China, KITPC. Причем само шестиэтажное здание этого института было построено китайцами всего за одиннадцать месяцев! И в целом, по моему мнению, проект оказался очень удачным.

Если же говорить о том проекте, в который я непосредственно вовлечен здесь, в России, то есть об РКЦ, его возглавляют энергичные, умные люди, он ориентирован главным образом на экспериментальные исследования, и пока динамика его развития тоже, на мой взгляд, выглядит многообещающе.

— Не кажется ли вам, что в отличие от вашего нового детища, РКЦ, «большой сколковский проект» чересчур амбициозен?

— Я могу привести пример Индии, которая столкнулась с очень сложной проблемой, связанной с необходимостью полного перестроения системы университетского обучения, доставшейся ей в наследство от британских колониальных времен. Британская университетская модель оказалась совершенно непригодной в современных условиях, для массового обучения миллионов молодых индийцев базовым научно-техническим знаниям, и несколько лет назад индийское руководство пришло к выводу: не надо пытаться как-то ее модернизировать и улучшать, более эффективным решением будет создание совершенно новой сети университетов научно-исследовательского типа, по образу и подобию уже давно действующих в стране инженерно-технических институтов. И, по моему мнению, такое радикальное решение было единственно правильным.

Возможно, что-то похожее должно быть сделано и в России, то есть вам нужно ответить на вопрос, следует ли и дальше продолжать работать в рамках уже сложившейся системы научно-исследовательских учреждений или же надо полностью отказаться от нее как от неэффективной и попытаться создать взамен что-то совершенно новое. Очевидно, простого решения не существует, но проект «Сколково» определенно относится ко второй, радикальной, модели выбора стратегии.

— В продолжение темы отношения государства к фундаментальной науке: а как бы вы могли охарактеризовать текущую ситуацию в самих Соединенных Штатах, а также в Европе?

— Значительные проблемы с финансированием большой науки наблюдались в США во время правления президента Буша-младшего, однако после прихода в Белый дом администрации Обамы, на мой взгляд, общая ситуация изменилась в лучшую сторону. По крайней мере, на уровне формальных заявлений различные американские госчиновники теперь постоянно подчеркивают, что поддержка науки, фундаментальной науки в том числе, — один из важнейших приоритетов госполитики. Впрочем, на самом деле серьезные проблемы возникают, когда дело доходит до нижнего уровня, то есть до непосредственного распределения бюджетных денег по конкретным научным проектам и программам. Именно на этом этапе мы пока наблюдаем регулярные сокращения и урезания расходов вплоть до полного прекращения финансирования ряда проектов. Но, с другой стороны, нельзя не отметить, что администрация Обамы, в отличие от предыдущей республиканской администрации, достаточно честно и открыто признает существование этих временных бюджетных трудностей и подчеркивает, что генеральная линия на долгосрочный рост инвестиций в большую науку, несмотря ни на что, остается в силе и отказываться от нее никто не собирается. И, что также немаловажно, большинство американских ученых в целом верят в искренность этих заявлений.

В Европе же общая поддержка научных мегапроектов в последние годы очень сильно возросла, и на фоне текущей неопределенности с их финансированием в Соединенных Штатах можно констатировать, что Евросоюз вышел в этой сфере на лидирующие позиции в мире. Особенно активные шаги предпринимаются в Германии, а также в Великобритании и ряде североевропейских стран (прежде всего в Голландии, Дании и Швеции).

Но не следует забывать и о крупнейших развивающихся странах мира, в первую очередь о Китае, в который я в последние годы приезжаю довольно часто, и меня просто восхищает, насколько значительное внимание уделяется там развитию науки и насколько серьезные финансовые ресурсы инвестируются в различные национальные научно-технологические проекты и программы.

Как вы, возможно, знаете, в их очередном пятилетнем плане содержится требование удвоить общую долю госинвестиций в фундаментальную науку в ВВП. А если при этом учесть, что и сам китайский ВВП за этот срок должен вырасти еще примерно вдвое по сравнению с нынешним уровнем, то нетрудно посчитать, что совокупные госрасходы на науку в Китае увеличатся в четыре раза. Честно говоря, я даже не могу представить себе, во что может вылиться подобный колоссальный прирост!

То, что бозон Хиггса удалось открыть уже в 2012 году, это тоже прямое свидетельство большого прогресса современной экспериментальной физики высоких энергий, поскольку, согласно большинству прогнозов, это событие должно было состояться как минимум на год-два позже Фото: Тигран Оганесян

— Как вы относитесь к тому, что в вашей научной области, физике частиц, практически все крупные американские экспериментальные установки к настоящему времени либо уже закрыты (как тот же чикагский Тэватрон в 2011 году), либо могут быть закрыты в ближайшее время? Разве вы не испытываете проблем с тем, что ваши теоретические идеи и концепции теперь стало намного сложнее тестировать на территории Соединенных Штатов?

— Вы знаете, в этой сфере все далеко не так мрачно, как может показаться со стороны. По сути, сегодня для большинства подобных экспериментальных проверок более чем достаточно мощностей, предоставляемых на женевском Большом адронном коллайдере (LHC). А США — крупнейший участник этого мегапроекта.

— Но LHC все-таки находится в Европе, а не в Соединенных Штатах…

— Лично для меня это не является проблемой. Но, отвечая на ваш вопрос о текущей ситуации в США в экспериментальной физике высоких энергий, вынужден признать, что эта область действительно оказалась в очень непростом положении. И непосредственные истоки этой тяжелой ситуации, безусловно, следует искать в недавнем прошлом, когда в начале девяностых американские законодатели окончательно похоронили проект строительства в штате Техас Сверхпроводящего суперколлайдера (SSC), который должен был стать прямым конкурентом женевского LHC. Для всех американских ученых, участвовавших в разработке SSC, это решение стало настоящей трагедией. Да и в дальнейшем, по моему мнению, было сделано немало серьезных стратегических ошибок, и, по большому счету, с тех пор мы сильно утратили свои позиции в мировой науке в этой области. В настоящее время мы находимся на критической развилке, и лично я совершенно не удовлетворен ни тем, какие решения принимаются на высшем уровне сегодня, ни теми планами на будущее, которые обнародуют американские чиновники от науки. И проблема здесь не только в недостатке господдержки этих исследований, но и в том, что серьезный разброд наблюдается и внутри самого американского научного сообщества, внутри министерства энергетики США (DOE), которое непосредственно курирует все эти проекты.

Однако, чтобы мои комментарии не прозвучали слишком пессимистично, я хотел бы отметить, что в более широком, мировом контексте экспериментальная физика высоких энергий сегодня, напротив, переживает период очередного подъема — достаточно вспомнить о недавнем важнейшем открытии бозона Хиггса на LHC. Это открытие однозначно можно считать грандиозным триумфом мейнстримовской Стандартной модели физики частиц, и лично для меня оно стало очень радостным событием, поскольку все альтернативные теоретические модели, в которых предлагались запасные варианты на случай, если бозон Хиггса так и не удастся экспериментально обнаружить, на мой взгляд, выглядели крайне неудобоваримыми.

— Чего следует еще ожидать от физики высоких энергий и какие важнейшие теоретические задачи и вопросы ей предстоит решить в ближайшем будущем?

— Нам, физикам-теоретикам, конечно же, очень бы хотелось, чтобы экспериментаторы наконец нашли нечто, что явно не вписывается в стандартные рамки и позволит выйти за пределы Стандартной модели, то есть открыть пресловутую «новую физику».

— Насколько мне известно, вы сами неоднократно предсказывали, что на том же LHC «вот-вот» должны быть обнаружены так называемые суперсимметричные частицы — партнеры обычных частиц…

— Да, я говорил об этом и продолжаю надеяться на то, что рано или поздно их все-таки смогут открыть. И то, что эти частицы все еще не найдены, по моему мнению, отнюдь не означает, что их вовсе нет в природе, просто, возможно, мы пока не можем их поймать из-за ограниченности наших экспериментальных возможностей. Кроме того, не забывайте и о том, что вплоть до настоящего времени ученые статистически обработали лишь один-два процента общего массива данных, которые уже удалось получить на LHC. Так что, быть может, эти новые частицы уже детектированы, но пока дожидаются того, чтобы ученые-теоретики смогли их наконец «задним числом» увидеть.

К слову, то, что бозон Хиггса удалось открыть уже в 2012 году, это тоже прямое свидетельство большого прогресса современной экспериментальной физики высоких энергий, поскольку, согласно большинству прогнозов, это событие должно было состояться как минимум на год-два позже.

— А что вы можете сказать относительно энергетических мощностей, которые в настоящее время достигнуты на LHC? По вашему мнению, их уже достаточно для того, чтобы рассчитывать на открытие нового класса суперсимметричных частиц?

— Мы, безусловно, надеемся на то, что это так, но, возможно, все-таки потребуется еще нарастить энергию. Время покажет, думаю, в течение ближайших нескольких лет ответ на вопрос о существовании этих частиц должен быть получен наверняка. И поскольку женевский ускоритель до сих пор выведен лишь на половинную мощность от запланированного максимального уровня, мы имеем весьма большой запас для дальнейших экспериментов. В декабре 2012 года работа LHC была в очередной раз приостановлена для проведения плановой отладки самой «машины» и совершенствования детектирующего оборудования, и новый ее запуск, уже на полной проектной мощности, произойдет лишь через два года. Но, повторюсь, я не исключаю, что «новую физику» удастся обнаружить еще до того, как произойдет это финальное включение LHC в 2014 году — благодаря более глубокому анализу и обработке тех данных, которые уже имеются в нашем распоряжении.

— Каковы ключевые проблемы и вызовы, с которыми предстоит столкнуться теоретической физике в целом?

— Я уже неоднократно рассказывал о своем общем видении перспектив физики, выступая с обзорными лекциями здесь, в России. Например, в 2011 году я подробно говорил об этом в московской лекции «Будущее современной физики».

Если попытаться предельно коротко, пунктиром обозначить магистральное направление развития теоретической физики, то я и многие мои коллеги верим, что квантовая теория поля, которую мы используем для Стандартной модели теорфизики, и активно разрабатываемая в последние десятилетия теория струн не являются принципиально разными подходами. Скорее они часть чего-то большего, единой теории. И у нас уже сегодня есть инструменты, которые позволяют нам соединять струнные описания определенных квантовых состояний с квантовой теорией поля и ее описаниями тех же квантовых состояний.

Иными словами, теория струн, которой я посвятил большую часть своей научной карьеры, оказалась отнюдь не настолько революционной, как мы надеялись еще лет пятнадцать-двадцать назад. Она всего лишь часть того, что я сейчас условно называю «общей рамочной структурой» теоретической физики. Пока мы не знаем четких границ этой структуры, четких механизмов взаимодействия между различными способами ее описания — теориями струн, теорией поля и другими альтернативными концепциями, но, надеюсь, что рано или поздно мы сумеем их выявить.

И в конце концов мы также столкнемся с теорией гравитации, а гравитационная теория прежде всего должна описать динамику пространства-времени. То есть далее мы должны будем задаться ключевым вопросом: какова истинная структура пространства-времени, из чего оно состоит?

Лично для меня это, пожалуй, самый главный вопрос, для ответа на который мы, возможно, будем вынуждены полностью изменить свои теоретические концепции. Пресловутая унифицированная теория, теория объединения всех физических взаимодействий, если, конечно, мы ее когда-нибудь создадим, ответит на этот ключевой вопрос, и это, в свою очередь, даст нам понимание общей структуры Вселенной, в которой мы живем. А это позволит нам наконец понять не только, каково состояние Вселенной «сейчас» (хотя на самом деле в физике нет ничего, что особо выделяет то, что мы чувствуем как «сейчас», как «настоящее время»), но и что произошло в самом ее начале, и что произойдет в ее конце.

— Быть может, тогда в заключение вы приведете какой-нибудь более конкретный пример из обширного перечня приоритетных задач современной физики?

— Что ж, поскольку мы уже говорили о проекте РКЦ, в развитии которого я рассчитываю принять участие, думаю, можно в качестве примера взять тему квантового компьютинга, то есть немного порассуждать о том, сможем ли мы в ближайшем времени сконструировать реально работающие квантовые компьютеры.

Этот вызов относится к числу очень серьезных. В частности, физике, работающей с наномасштабами (nanoscale physics), необходимо будет разобраться в том, какие различные фазовые состояния вещества присутствуют в природе на наноуровне, какие новые виды и типы материалов потребуются для того, чтобы успешно работать в этой шкале масштабов. Сегодня даже самые продвинутые в этой области исследователи и теоретики честно признают, что мы еще очень далеки от реального понимания обширного комплекса явлений и механизмов, характерных для наномасштабов. Более того, даже если мы сумеем в самых общих чертах разобраться с тем, какие именно виды и типы вещества существуют или могут существовать на этом уровне организации материи, далее нам потребуется понять, каковы их реальные свойства и как их можно использовать полезным образом на практике, то есть при помощи каких «сборочных операций» мы сумеем организовать эффективное взаимодействие сложных комплексов отдельных атомов и заставим их выполнять нужную для нас работу.

Что же касается теоретического обоснования различных физических процессов, происходящих на наноуровне, в принципе нам уже известны многие уравнения; при помощи квантовой хромодинамики, изучающей особенности поведения кварк-глюонной плазмы (сверхплотного состояния вещества), сделаны достаточно сложные теоретические расчеты, позволяющие двигаться дальше в этом направлении.

Но помимо наноуровня нам также потребуется понять строение вещества на еще более мелких масштабах, на которых дополнительным значимым фактором станет квантовая гравитация. Иными словами, на передний план выйдут те вопросы, о которых я уже сказал: проблемы построения «итоговой» теории большого объединения, выявления физической природы пространства-времени в сверхмалых (а равно и сверхкрупных, «космологических») масштабах и так далее.

— Возвращаясь к исходному вопросу о перспективах создания квантовых компьютеров: что в случае их успешного конструирования может произойти с нынешними кремниевыми машинами — их придется выбрасывать на свалку?

— На самом деле ничего подобного, скорее всего, нам делать не придется. Полупроводниковые компьютеры доказали свою высокую эффективность для человечества и, по крайней мере в обозримом будущем (пускай даже на смену кремнию и придут какие-то другие новые материалы, например графен), отказываться от их массового использования никто не будет.

Квантовый компьютинг будет задействован лишь в весьма ограниченной сфере, требующей специальных, сверхсложных вычислений, то есть ни о какой тотальной замене полупроводниковых компьютеров на квантовые речи не идет, произойдет лишь добавление этих новых супермашин к уже имеющимся традиционным вычислительным мощностям.

— Как известно, в настоящее время разрабатываются очень разные теоретические схемы и модели будущих квантовых компьютеров, поэтому хотелось бы узнать ваше мнение: какая из них могла бы оказаться наиболее эффективной и полезной?

— Ну, тут очень многое зависит от того, для чего конкретно их хотелось бы использовать. Скажем, как физик-теоретик я был бы более всего заинтересован в создании некоего универсального квантового симулятора, который смог бы точно смоделировать различные реальные процессы, происходящие в квантово-механических системах. К слову сказать, такие устройства на самом деле уже существуют, их рабочие прототипы были созданы несколько лет назад — на базе ультрахолодных атомов. И эти симуляторы на ультрахолодных атомах достаточно быстро приближаются к той стадии, когда они смогут быть использованы на практике. То есть аналоговые квантовые компьютеры — это не какая-то далекая мечта, а вполне обозримая перспектива. Более того, уже сейчас они почти созрели для конкретного применения: так, в моем институте в Санта-Барбаре в настоящее время активно разрабатывается новая программа по изучению квантовой динамики — это крайне сложная проблема, требующая специальных вычислений, и при помощи симуляторов на холодных атомах мы рассчитываем понять, что именно происходит с квантово-механическими системами, и в буквальном смысле увидеть, снять кино о том, как перемещаются в пространстве-времени отдельные атомы.

UNDERSTANDING IS A POOR SUBSTITUTE FOR CONVEXITY (ANTIFRAGILITY)

Nassim Nicholas Taleb

The point we will be making here is that logically, neither trial and error nor "chance" and serendipity can be behind the gains in technology and empirical science attributed to them. By definition chance cannot lead to long term gains (it would no longer be chance); trial and error cannot be unconditionally effective: errors cause planes to crash, buildings to collapse, and knowledge to regress.

NASSIM NICHOLAS TALEB, essayist and former mathematical trader, is Distinguished Professor of Risk Engineering at NYU’s Polytechnic Institute. He is the author the international bestseller The Black Swan and the recently published Antifragile: Things That Gain from Disorder. (US: Random House; UK: Penguin Press)

Nassim Nicholas Taleb's Edge Bio

---

UNDERSTANDING IS A POOR SUBSTITUTE FOR CONVEXITY (ANTIFRAGILITY)

Something central, very central, is missing in historical accounts of scientific and technological discovery. The discourse and controversies focus on the role of luck as opposed to teleological programs (from telos, "aim"), that is, ones that rely on pre-set direction from formal science. This is a faux-debate: luck cannot lead to formal research policies; one cannot systematize, formalize, and program randomness. The driver is neither luck nor direction, but must be in the asymmetry (or convexity) of payoffs, a simple mathematical property that has lied hidden from the discourse, and the understanding of which can lead to precise research principles and protocols.

MISSING THE ASYMMETRY

The luck versus knowledge story is as follows. Ironically, we have vastly more evidence for results linked to luck than to those coming from the teleological, outside physics—even after discounting for the sensationalism. In some opaque and nonlinear fields, like medicine or engineering, the teleological exceptions are in the minority, such as a small number of designer drugs. This makes us live in the contradiction that we largely got here to where we are thanks to undirected chance, but we build research programs going forward based on direction and narratives. And, what is worse, we are fully conscious of the inconsistency.

The point we will be making here is that logically, neither trial and error nor "chance" and serendipity can be behind the gains in technology and empirical science attributed to them. By definition chance cannot lead to long term gains (it would no longer be chance); trial and error cannot be unconditionally effective: errors cause planes to crash, buildings to collapse, and knowledge to regress.

The beneficial properties have to reside in the type of exposure, that is, the payoff function and not in the "luck" part: there needs to be a significant asymmetry between the gains (as they need to be large) and the errors (small or harmless), and it is from such asymmetry that luck and trial and error can produce results. The general mathematical property of this asymmetry is convexity (which is explained in Figure 1); functions with larger gains than losses are nonlinear-convex and resemble financial options. Critically, convex payoffs benefit from uncertainty and disorder. The nonlinear properties of the payoff function, that is, convexity, allow us to formulate rational and rigorous research policies, and ones that allow the harvesting of randomness.

_{Figure 1- More Gain than Pain from a Random Event. The performance curves outward, hence looks "convex". Anywhere where such asymmetry prevails, we can call it convex, otherwise we are in a concave position. The implication is that you are harmed much less by an error (or a variation) than you can benefit from it, you would welcome uncertainty in the long run.}

OPAQUE SYSTEMS AND OPTIONALITY

Further, it is in complex systems, ones in which we have little visibility of the chains of cause-consequences, that tinkering, bricolage, or similar variations of trial and error have been shown to vastly outperform the teleological—it is nature's modus operandi. But tinkering needs to be convex; it is imperative. Take the most opaque of all, cooking, which relies entirely on the heuristics of trial and error, as it has not been possible for us to design a dish directly from chemical equations or reverse-engineer a taste from nutritional labels. We take hummus, add an ingredient, say a spice, taste to see if there is an improvement from the complex interaction, and retain if we like the addition or discard the rest. Critically we have the option, not the obligation to keep the result, which allows us to retain the upper bound and be unaffected by adverse outcomes.

This "optionality" is what is behind the convexity of research outcomes. An option allows its user to get more upside than downside as he can select among the results what fits him and forget about the rest (he has the option, not the obligation). Hence our understanding of optionality can be extended to research programs — this discussion is motivated by the fact that the author spent most of his adult life as an option trader. If we translate François Jacob's idea into these terms, evolution is a convex function of stressors and errors —genetic mutations come at no cost and are retained only if they are an improvement. So are the ancestral heuristics and rules of thumbs embedded in society; formed like recipes by continuously taking the upper-bound of "what works". But unlike nature where choices are made in an automatic way via survival, human optionality requires the exercise of rational choice to ratchet up to something better than what precedes it —and, alas, humans have mental biases and cultural hindrances that nature doesn't have. Optionality frees us from the straightjacket of direction, predictions, plans, and narratives. (To use a metaphor from information theory, if you are going to a vacation resort offering you more options, you can predict your activities by asking a smaller number of questions ahead of time.)

While getting a better recipe for hummus will not change the world, some results offer abnormally large benefits from discovery; consider penicillin or chemotherapy or potential clean technologies and similar high impact events ("Black Swans"). The discovery of the first antimicrobial drugs came at the heel of hundreds of systematic (convex) trials in the 1920s by such people as Domagk whose research program consisted in trying out dyes without much understanding of the biological process behind the results. And unlike an explicit financial option for which the buyer pays a fee to a seller, hence tend to trade in a way to prevent undue profits, benefits from research are not zero-sum.

THINGS LOVE UNCERTAINTY

What allows us to map a research funding and investment methodology is a collection of mathematical properties that we have known heuristically since at least the 1700s and explicitly since around 1900 (with the results of Johan Jensen and Louis Bachelier). These properties identify the inevitability of gains from convexity and the counterintuitive benefit of uncertainty ^{ii iii}. Let us call the "convexity bias" the difference between the results of trial and error in which gains and harm are equal (linear), and one in which gains and harm are asymmetric ( to repeat, a convex payoff function). The central and useful properties are that a) The more convex the payoff function, expressed in difference between potential benefits and harm, the larger the bias. b) The more volatile the environment, the larger the bias. This last property is missed as humans have a propensity to hate uncertainty.

Antifragile is the name this author gave (for lack of a better one) to the broad class of phenomena endowed with such a convexity bias, as they gain from the "disorder cluster", namely volatility, uncertainty, disturbances, randomness, and stressors. The antifragile is the exact opposite of the fragile which can be defined as hating disorder. A coffee cup is fragile because it wants tranquility and a low volatility environment, the antifragile wants the opposite: high volatility increases its welfare. This latter attribute, gaining from uncertainty, favors optionality over the teleological in an opaque system, as it can be shown that the teleological is hurt under increased uncertainty. The point can be made clear with the following. When you inject uncertainty and errors into airplane ride (the fragile or concave case) the result is worsened, as errors invariably lead to plane delays and increased costs —not counting a potential plane crash. The same with bank portfolios and fragile constructs. But it you inject uncertainty into a convex exposure such as some types of research, the result improves, since uncertainty increases the upside but not the downside. This differential maps the way. The convexity bias, unlike serendipity et al., can be defined, formalized, identified, even on the occasion measured scientifically, and can lead to a formal policy of decision making under uncertainty, and classify strategies based on their ex ante predicted efficiency and projected success, as we will do next with the following 7 rules.

_{Figure 2 The Antifragility Edge (Convexity Bias). A random simulation shows the difference between a) the process with convex trial and error (antifragile) b) a process of pure knowledge devoid of convex tinkering (knowledge based), c) the process of nonconvex trial and error; where errors are equal in harm and gains (pure chance). As we can see there are domains in which rational and convex tinkering dwarfs the effect of pure knowledge ^iv.}

SEVEN RULES OF ANTIFRAGILITY (CONVEXITY) IN RESEARCH

Next I outline the rules. In parentheses are fancier words that link the idea to option theory.

1) Convexity is easier to attain than knowledge (in the technical jargon, the "long-gamma" property): As we saw in Figure 2, under some level of uncertainty, we benefit more from improving the payoff function than from knowledge about what exactly we are looking for. Convexity can be increased by lowering costs per unit of trial (to improve the downside).

2) A "1/N" strategy is almost always best with convex strategies (the dispersion property): following point (1) and reducing the costs per attempt, compensate by multiplying the number of trials and allocating 1/N of the potential investment across N investments, and make N as large as possible. This allows us to minimize the probability of missing rather than maximize profits should one have a win, as the latter teleological strategy lowers the probability of a win. A large exposure to a single trial has lower expected return than a portfolio of small trials.

Further, research payoffs have "fat tails", with results in the "tails" of the distribution dominating the properties; the bulk of the gains come from the rare event, "Black Swan": 1 in 1000 trials can lead to 50% of the total contributions—similar to size of companies (50% of capitalization often comes from 1 in 1000 companies), bestsellers (think Harry Potter), or wealth. And critically we don't know the winner ahead of time.

_{Figure 3-Fat Tails: Small Probability, High Impact Payoffs: The horizontal line can be the payoff over time, or cross-sectional over many simultaneous trials.}

3) Serial optionality (the cliquet property). A rigid business plan gets one locked into a preset invariant policy, like a highway without exits —hence devoid of optionality. One needs the ability to change opportunistically and "reset" the option for a new option, by ratcheting up, and getting locked up in a higher state. To translate into practical terms, plans need to 1) stay flexible with frequent ways out, and, counter to intuition 2) be very short term, in order to properly capture the long term. Mathematically, five sequential one-year options are vastly more valuable than a single five-year option.

This explains why matters such as strategic planning have never born fruit in empirical reality: planning has a side effect to restrict optionality. It also explains why top-down centralized decisions tend to fail.

4) Nonnarrative Research (the optionality property). Technologists in California "harvesting Black Swans" tend to invest with agents rather than plans and narratives that look good on paper, and agents who know how to use the option by opportunistically switching and ratcheting up —typically people try six or seven technological ventures before getting to destination. Note the failure in "strategic planning" to compete with convexity.

5) Theory is born from (convex) practice more often than the reverse (the nonteleological property). Textbooks tend to show technology flowing from science, when it is more often the opposite case, dubbed the "lecturing birds on how to fly" effect ^{v vi.} In such developments as the industrial revolution (and more generally outside linear domains such as physics), there is very little historical evidence for the contribution of fundamental research compared to that of tinkering by hobbyists. ^vii Figure 2 shows, more technically how in a random process characterized by "skills" and "luck", and some opacity, antifragility —the convexity bias— can be shown to severely outperform "skills". And convexity is missed in histories of technologies, replaced with ex post narratives.

6) Premium for simplicity (the less-is-more property). It took at least five millennia between the invention of the wheel and the innovation of putting wheels under suitcases. It is sometimes the simplest technologies that are ignored. In practice there is no premium for complexification; in academia there is. Looking for rationalizations, narratives and theories invites for complexity. In an opaque operation to figure out ex ante what knowledge is required to navigate is impossible.

7) Better cataloguing of negative results (the via negativa property). Optionality works by negative information, reducing the space of what we do by knowledge of what does not work. For that we need to pay for negative results.

Some of the critics of these ideas —over the past two decades— have been countering that this proposal resembles buying "lottery tickets". Lottery tickets are patently overpriced, reflecting the "long shot bias" by which agents, according to economists, overpay for long odds. This comparison, it turns out is fallacious, as the effect of the long shot bias is limited to artificial setups: lotteries are sterilized randomness, constructed and sold by humans, and have a known upper bound. This author calls such a problem the "ludic fallacy". Research has explosive payoffs, with unknown upper bound —a "free option", literally. And we have evidence (from the performance of banks) that in the real world, betting against long shots does not pay, which makes research a form of reverse-bankingvⁱⁱⁱ .

---

ⁱ Jacob, F. , 1977, Evolution and tinkering. Science, 196(4295):1161–1166.
ⁱⁱ  Bachelier, L. ,1900, Theorie de la spéculation, Gauthiers Villard.
ⁱⁱⁱ Jensen, J.L.W.V., 1906, “Sur les fonctions convexes et les inégalités entre les valeurs moyennes.” Acta Mathematica 30.
^iv Take F[x] = Max[x,0], where x is the outcome of trial and error and F is the payoff. ∫ F(x) p(x) dx ≥ F(∫ x p(x)) , by Jensen's inequality. The difference between the two sides is the convexity bias, which increases with uncertainty.
^v Taleb, N., and Douady, R., 2013, "Mathematical Definition and Mapping of (Anti)Fragility",f.. Quantitative Finance
^vi Mokyr, Joel, 2002, The Gifts of Athena: Historical Origins of the Knowledge Economy. Princeton, N.J.: Princeton University Press.
^vii Kealey, T., 1996, The Economic Laws of Scientific Research. London: Macmillan.
^viii Briys, E., Nock,R. ,& Magdalou, B., 2012, Convexity and Conflation Biases as Bregman Divergences: A note on Taleb's Antifragile.
 

http://www.edge.org/conversation/understanding-is-a-poor-substitute-for-convexity-antifragility

Лоуренс Краусс. Вселенная из ничего.

Оригинал взят у в Лоуренс Краусс. Вселенная из ничего.

"Безбожник, думает он додумался о понимании существования мира, наивный."-из комментария на ютубе

CONSTRUCTOR THEORY

A Conversation with  DAVID DEUTSCH



"There's a notorious problem with defining information within physics, namely that on the one hand information is purely abstract, and the original theory of computation as developed by Alan Turing and others regarded computers and the information they manipulate purely abstractly as mathematical objects. Many mathematicians to this day don't realize that information is physical and that there is no such thing as an abstract computer. Only a physical object can compute thing"



DAVID DEUTSCH is a Physicist at the University of Oxford. His research in quantum physics has been influential and highly acclaimed. His papers on quantum computation laid the foundations for that field, breaking new ground in the theory of computation as well as physics, and have triggered an explosion of research efforts worldwide. He is the recipient of the $100,000 Edge of Computation Prize, and he is the author of THE BEGINNING OF INFINITY and THE FABRIC OF REALITY.



CONSTRUCTOR THEORY


Some considerable time ago we were discussing my idea, new at the time, for constructor theory, which was and is an idea I had for generalizing the quantum theory of computation to cover not just computation but all physical processes. I guessed and still guess that this is going to provide a new mode of description of physical systems and laws of physics. It will also have new laws of its own which will be deeper than the deepest existing theories, such as quantum theory and relativity. At the time, I was very enthusiastic about this, and what intervened between then and now is that writing a book took much longer than I expected. But now I'm back to it, and we're working on constructor theory and, if anything, I would say it's fulfilling its promise more than I expected and sooner than I expected.



One of the first rather unexpected yields of this theory has been a new foundation for information theory. There's a notorious problem with defining information within physics, namely that on the one hand information is purely abstract, and the original theory of computation as developed by Alan Turing and others regarded computers and the information they manipulate purely abstractly as mathematical objects. Many mathematicians to this day don't realize that information is physical and that there is no such thing as an abstract computer. Only a physical object can compute things.



On the other hand, physicists have always known that in order to do the work that the theory of information does within physics, such as informing the theory of statistical mechanics, and thereby, thermodynamics (the second law of thermodynamics), information has to be a physical quantity. And yet, information is independent of the physical object that it resides in.



I'm speaking to you now: Information starts as some kind of electrochemical signals in my brain, and then it gets converted into other signals in my nerves and then into sound waves and then into the vibrations of a microphone, mechanical vibrations, then into electricity and so on, and presumably will eventually go on the Internet. This something has been instantiated in radically different physical objects that obey different laws of physics. Yet in order to describe this process you have to refer to the thing that has remained unchanged throughout the process, which is only the information rather than any obviously physical thing like energy or momentum.



The way to get this substrate independence of information is to refer it to a level of physics that is below and more fundamental than things like laws of motion, that we have been used thinking of as near the lowest, most fundamental level of physics. Constructor theory is that deeper level of physics, physical laws and physical systems, more fundamental than the existing prevailing conception of what physics is (namely particles and waves and space and time and an initial state and laws of motion that describe the evolution of that initial state). … MORE:   http://www.edge.org/conversation/constructor-theory