pronauku - News

Учені запропонували "відсутній закон" природи, що пояснює еволюцію геть всього у Всесвіті

Thu, 19 Oct 2023 02:11:00 +0000

Учені заявили про відкриття "закону природи, якого бракує", який може пояснити еволюцію всіх систем, що розвиваються у Всесвіті, включно із зорями, хімічними речовинами та життям.

Цей так званий "закон зростання функціональної інформації" передбачає, що всі явища, які еволюціонують, піддаються природним процесам, що віддають пріоритет таким важливим функціям, як стабільність і новизна, що дає змогу розвивати системи зі зростанням порядку та складністі. Цей унікальний підхід може допомогти пояснити, чому безліч космічних процесів еволюціонує з плином часу - від зір, які стають більш хімічно збагаченими за своїх попередниць, до форм життя на Землі, які біологічно складніші за своїх предків.

Наш Всесвіт досі залишається для нас загадкою, але вченим вдалося встановити кілька ключових спостережень за його властивостями. Наприклад, закони руху Ньютона описують взаємодію між об'єктами та фізичними силами, а закони термодинаміки розкривають поведінку температури, енергії, ентропії та інших фізичних величин у часі. Крім того, основою сучасних наук про життя є теорія еволюції Дарвіна, який ввів такі поняття, як природний відбір.

Тепер учені під керівництвом Майкла Вонга, астропланетолога з Наукового інституту Карнегі, запропонували новий закон природи, який покликаний пояснити еволюційні системи за допомогою виміру складності, званого функціональною інформацією. Дослідники розробили "потенційний "закон, якого бракує" шляхом пошуку еквівалентності між системами, що розвиваються", і "припустили, що всі системи, які розвиваються, - включно з життям, але не обмежуючись ним, - складаються з різноманітних компонентів, які можуть об'єднуватися у конфігураційні стани, а потім відбиратися для або проти них на основі функції", - ідеться у роботі, опублікованій на днях у журналі Proceedings of the National Academy of Sciences.

"Ми бачимо у Всесвіті стільки багатства й складності, стільки систем, що розвиваються, і все ж, схоже, в нас немає закону природи, який би адекватно описував причини існування цих систем", - зазначив Вонг у коментарі для ЗМІ.

Він вважає, що ця робота, якою він сильно пишається, "є зв'язком між наукою та філософією науки, яка, можливо, пропонує новий погляд на те, чому ми бачимо все те, що ми бачимо у Всесвіті".

Ідея про це дослідження виникла у Вонга та старшого автора роботи Роберта Гейзена, мінералога й астробіолога з Карнегі. Протягом багатьох років вони спільно міркували про можливість існування "відсутнього закону" природи, який міг би пояснити виникнення нових дивовижних конфігурацій у багатьох природних системах, таких як живі організми або зміни мінералів.

Вонг і Гейзен зібрали експертів з різних наукових дисциплін для вирішення цього питання шляхом пошуку універсальних характеристик природних систем, які еволюціонують з плином часу. Група виділила три ключові характеристики таких систем: статична сталість, динамічна сталість і генерація новизни.

Статична стійкість припускає, що системи, які еволюціонують, за визначенням мають бути досить стабільними, щоб зазнавати еволюційних змін протягом тривалого часу. Динамічна стійкість - це здатність виробляти безліч різних перестановок, чи то генетичні мутації, що визначають біологічну еволюцію, чи то різноманітні властивості, які проявляються в різних мінералах. Під генерацією новизни розуміється тиск добору, який сприяє системам, здатним винаходити абсолютно нові функції.

У сукупності ці характеристики малюють портрет систем, що еволюціонують, у яких із часом у рамках "асиметричного за часом" процесу збільшується функціональна інформація - міра зростання впорядкованості та складності.

Вонг вказав, що наразі єдиним законом природи, асиметричним за часом, який ми маємо, є другий закон термодинаміки, що описує, як замкнені системи рухаються до рівноваги в напрямку до дедалі вищої ентропії. Але, на його думку, один цей закон не може достатньою мірою пояснити багатство й складність, які спостерігаються у Всесвіті та в нашому повсякденному житті.

"Те, що ми пропонуємо, не суперечить цьому закону термодинаміки", - підкреслив він. "Пропонований нами закон працює в згоді з усіма іншими законами природи, які ми сформулювали до теперішнього часу, і додає до них щось нове".

Крім викладення основних положень нового закону, Вонг та його колеги припускають, що емпіричне підтвердження їхньої роботи можна знайти у надвеликих хімічних молекулах, у виникненні сучасних людських суспільств або, можливо, в технологіях штучного інтелекту. Щодо останнього, зі все більшою поширеністю штучного інтелекту, закон про те, як інформація впливає на фізичні системи, може виявитися важливим для розуміння того, як ці системи ШІ розвиватимуться, взаємодіятимуть з нами та як вони впливатимуть на суспільство.

Команда сподівається, що нове дослідження викличе дискусію в різних галузях про можливість існування нових всеосяжних законів, які керують системами, що еволюціонують. Хоча дослідники в основному розглядали зоряні, мінеральні та біологічні системи, вони припустили, що подібні форми еволюції можуть існувати в найрізноманітніших несподіваних контекстах нашого Всесвіту.

Також вони сподіваються залучити фахівців інших наукових дисциплін, щоб спробувати зрозуміти, як цей закон можна застосувати до інших систем, як природних, так і штучних.

За матеріалами OstanniPodii.com

Кільця Сатурна сяють на новому зображенні телескопа Вебба

Sun, 09 Jul 2023 14:39:00 +0000

Космічний телескоп "Джеймс Вебб" уперше спостерігав Сатурн, завершивши сімейний портрет обкільцьованих планет Сонячної системи майже через рік після публікації першого приголомшливого знімка.

Камера "Вебба", що працює в ближньому інфрачервоному діапазоні, зробила знімок Сатурна 25 червня. Вчені додали помаранчевий колір до монохромної фотографії, щоб отримати зображення, що було зрештою оприлюднено.

На знімку видно легендарні крижані кільця Сатурна, що сяють навколо диска газового гіганта, який у ближньому інфрачервоному діапазоні видається набагато темнішим через поглинання сонячного світла частинками метану, які знаходяться високо в атмосфері планети.

До речі: новини про цікаві відкриття, зроблені JWST.

Вебб направив своє 6,5-метрове дзеркало із золотим покриттям на Сатурн у рамках програми спостережень для перевірки здатності телескопа виявляти тьмяні супутники. Під час спостережень було зроблено кілька глибоких знімків Сатурна, які астрономи продовжують аналізувати для вивчення тьмяніших кілець планети та пошуку невідкритих супутників.

За даними НАСА, на орбіті навколо Сатурна розташовано 146 відомих супутників, розмір яких варіюється від більшого, ніж планета Меркурій, до розміру спортивної арени - більша кількість, ніж у будь-якої іншої планети Сонячної системи.

"Будь-які нововідкриті супутники можуть допомогти вченим скласти повнішу картину сучасної системи Сатурна, а також його минулого", - йдеться в повідомленні НАСА, опублікованому разом із новим знімком Сатурна.

Три супутники Сатурна видно зліва від планети на знімку "Вебба": Діона, Енцелад і Тетіс видно як точки світла.

Нещодавні спостереження Енцелада за допомогою спектрографа "Вебба" в ближньому інфрачервоному діапазоні показали струмінь водяної пари, який іде в космос більш ніж на 10 000 км, що у 20 разів більше за діаметр супутника. Вчені вважають Енцелад одним з найперспективніших місць у Сонячній системі для пошуку ознак життя, оскільки на ньому розташований водний океан під глобальним крижаним панциром.

Орбітальний апарат НАСА "Кассіні" неодноразово пролітав повз Енцелада до завершення своєї місії у 2017 році. Кассіні помітив схожі водяні шлейфи, що вириваються крізь тріщини в крижаному покриві Енцелада, і пролетів крізь струмені, щоб узяти проби частинок, які надходять із глибокого океану супутника.

Космічний апарат "Кассіні" зробив знімки Сатурна з вищою роздільною здатністю, ніж "Вебб", але після завершення місії "Кассіні" "Вебб" стане основним інструментом, який науковці використовуватимуть для продовження вивчення Енцелада й Сатурна принаймні протягом наступного десятиліття.

Наразі не існує місії для відвідування Енцелада. На 2027 рік заплановано запуск роботизованого апарату НАСА Dragonfly до Сатурна, але він зосередиться на вивченні Титана, найбільшого супутника Сатурна.

Перші наукові знімки від "Вебба" були опубліковані майже рік тому, що свідчить про перспективність місії вартістю 10 мільярдів доларів, яка дасть змогу зазирнути у Всесвіт глибше, ніж будь-коли раніше. Спостереження в Сонячній системі - це лише частина наукового портфоліо "Вебба", поряд з такими науковими темами, як вивчення формування перших галактик після Великого вибуху та пошук планет навколо інших зірок, які можуть містити інгредієнти для життя.

Раніше наукові групи "Вебба" вже представили дивовижні краєвиди інших планет Сонячної системи - Юпітера, Нептуна та Урану - поряд з першими спостереженнями Марса.

Перебуваючи на відстані понад мільйон кілометрів від Землі, "Вебб" не може спостерігати Місяць, Меркурій або Венеру, оскільки вони занадто яскраві або іншими словами перебувають надто близько до Сонця.

Цій планеті потрібно 10 000 років, щоб зробити один оберт навколо своїх сонць

Wed, 29 Mar 2023 16:40:00 +0000

Планета під назвою VHS 1256 b розташована на відстані близько 40 світлових років від Землі та приблизно в чотири рази далі від своїх зірок, ніж Плутон від нашого Сонця.

Космічний телескоп Джеймса Вебба не збирається розчаровувати, і тепер він побачив планету, яка обертається навколо не однієї, а двох зірок протягом 10 000 років.

За допомогою телескопа виявлено, що планета має силікатні хмари, а її атмосфера постійно піднімається, перемішується та рухається протягом 22-годинного дня. Також було виявлено, що атмосфера піднімає гарячіший матеріал догори та штовхає холодніший матеріал донизу, спричиняючи настільки різкі зміни яскравості, що, як зазначають науковці, це найбільш мінливий об'єкт із планетарною масою, відомий на сьогодні.

Оскільки VHS 1256 b перебуває так далеко від своїх зірок, це робить її чудовою ціллю для "Вебба", оскільки світло планети не змішується зі світлом її зірок, зазначила Бріттані Майлз з Університету Арізони, яка керувала спостереженнями.

Аналіз даних "Вебба" також показав, що вище в її атмосфері, де клубочаться силікатні хмари, температура сягає пекучих 830 градусів Цельсія. Найпотужніша у світі обсерваторія виявила як більші, так і дрібніші зерна силікатного пилу, які показав спектр.

Планета має низьку гравітацію порівняно з більш масивними коричневими карликами, що означає, що її силікатні хмари можуть з'являтися і залишатися вище в її атмосфері, де їх може виявити Вебб. "Дрібні силікатні зерна в атмосфері планети можуть бути схожі на крихітні частинки диму. Більші зерна можуть бути схожі на дуже гарячі, дуже дрібні частинки піску", - додала співавтор дослідження Бет Біллер з Единбурзького університету.

VHS 1256 b - молода планета віком лише 150 мільйонів років, і дослідники підозрюють, що вона й надалі змінюватиметься й охолоджуватиметься протягом мільярдів років. "Ми ідентифікували силікати, але для кращого розуміння того, які розміри та форми зерен відповідають конкретним типам хмар, буде потрібно багато додаткової роботи. Це не останнє слово про цю планету - це початок масштабної роботи з моделювання, щоб відповідати складним даним Вебба", - додала Майлз.

Астрономи проаналізували дані, відомі як спектри, зібрані двома приладами на борту "Вебба" - Спектрографом ближнього інфрачервоного діапазону (NIRSpec) і Приладом середнього інфрачервоного діапазону (MIRI). Планету спостерігали безпосередньо, оскільки вона знаходиться дуже далеко від своїх зірок.

"Це величезна віддача від дуже скромної кількості часу роботи телескопа. Усього кілька годин спостережень - і ми маємо, як нам здається, нескінченний потенціал для додаткових відкриттів", - підкреслила Біллер.

За матеріалами https://ostannipodii.com/a/202303/vebb-viyaviv-zakrucheni-pischani-hmari-na-viddaleniy-planeti-100029070/

Вчені розгадують таємницю стріли часу

Tue, 23 Aug 2022 01:14:00 +0000

Потік часу від минулого до майбутнього є однією з головних особливостей нашого сприйняття світу. Але як саме це явище, відоме як стріла часу, виникає внаслідок мікроскопічних взаємодій між частинками та клітинами?

Цю загадку намагаються розгадати дослідники з Ініціативи теоретичних наук Центру підготовки випускників CUNY (ITS). Отримані результати можуть мати важливі наслідки для цілого ряду дисциплін, включаючи фізику, неврологію та біологію.

Свою нову роботу вони опублікували в журналі Physical Review Letters (препринтhttps://arxiv.org/abs/2112.14721v1).

По суті, стріла часу випливає з другого закону термодинаміки: принципу, згідно з яким мікроскопічні структури фізичних систем мають тенденцію до збільшення випадковості, переходячи від порядку до безладдя. Чим невпорядкованішою стає система, тим важче їй знайти шлях назад до впорядкованого стану, і тим сильніша стріла часу. Коротше кажучи, тенденція Всесвіту до безладдя є фундаментальною причиною того, чому ми відчуваємо, що час протікає в одному напрямку.

“Перед нашою командою стояли два питання: якщо ми розглянемо конкретну систему, чи зможемо ми кількісно оцінити силу її стріли часу, і чи зможемо ми зрозуміти, як вона виникає від мікромасштабу, де взаємодіють клітини та нейрони, до всієї системи?” - сказав Крістофер Лінн, перший автор статті та постдокторант програми ITS. “Наші результати дають перший крок до розуміння того, як стріла часу, яку ми відчуваємо у повсякденному житті, виникає з цих мікроскопічніших деталей”.

Щоб почати відповідати на ці питання, дослідники вивчили, як можна розкласти стрілу часу, спостерігаючи за конкретними частинами системи та взаємодією між ними. Частинами, наприклад, можуть бути нейрони, що функціонують у сітківці ока. Розглядаючи один момент часу, вони показали, що стріла часу може бути розкладена на різні частини: ті, що створюються частинами, що працюють окремо, парами, трійками чи складнішими конфігураціями.

Озброївшись цим способом розкладання стріли часу, дослідники проаналізували поточні експерименти з реакції нейронів у сітківці ока саламандри на різні відеозаписи. В одному фільмі один об'єкт безладно переміщався екраном, а в іншому зображалася вся складність сцен, що зустрічаються в природі. В обох фільмах дослідники виявили, що стріла часу виникає в результаті простих взаємодій між парами нейронів, а не більшими складними групами. Дивно, але команда також помітила, що сітківка ока показує сильнішу стрілу часу під час перегляду випадкового руху, ніж природної сцени. За словами Лінна, цей останній висновок порушує питання про те, як наше внутрішнє сприйняття стріли часу узгоджується із зовнішнім світом.

“Ці результати можуть становити особливий інтерес для дослідників у галузі неврології”, - говорить Лінн. “Вони можуть, зокрема, привести до відповідей на питання про те, чи функціонує стріла часу по-іншому в мозку, який є нейроатиповим”.

“Розкладання Крісом локальної незворотності — також відомої як стріла часу — є елегантною, загальною схемою, яка може забезпечити нову перспективу для вивчення багатьох високорозмірних нерівноважних систем”, - зазначив професор фізики та біології у Вищому центрі та очільник дослідження Девід Шваб.

Циркадні годинники забезпечують рослинним клітинам час їхнього життя

Sun, 14 Aug 2022 17:19:00 +0000

Кажуть, що час — це все, і це не може бути вірнішим для прогресії клітинного циклу та диференціації. Тепер дослідники з Японії виявили, що циркадні годинники мають вирішальне значення для правильного розвитку рослин.

У дослідженні, опублікованому в журналі Cell Reports, вчені з Нарського інституту науки і технології (NAIST) виявили, що циркадні годинники відіграють напрямну роль у диференціації рослинних клітин.

Циркадні годинники беруть участь як у прогресії клітинного циклу, так і в переході клітинної долі. Участь циркадного годинника в процесі диференціації була показана у багатьох багатоклітинних організмів, проте, як циркадний годинник рослин регулює диференціацію клітин, залишається неясним.

“З'ясування того, як циркадні годинники беруть участь у диференціації клітин, важливе для розуміння основ визначення клітинної долі. Однак це було важко досліджувати на рослинах, оскільки ізолювати окремі клітини рослин складно, а поточні аналітичні методи ґрунтуються на аналізі "псевдочасу", який не точно відображає нормальні циркадні ритми”, - пояснює Мотому Ендо, старший автор дослідження.

Щоб вирішити ці проблеми, дослідники використовували крихітні скляні трубки для виділення окремих клітин з рослин, що розвиваються, і проаналізували експресію різних генів, пов'язаних з циркадними ритмами та клітинною диференціацією в кожній клітині. Потім вони розробили новий алгоритм під назвою PeakMatch для реконструкції патернів експресії генів у реальному часі з наборів даних щодо окремих клітин.

“Використовуючи цей потужний підхід, ми змогли показати, що профіль експресії генів годинника змінюється до клітинної диференціації. Зокрема, в ранніх клітинах, що диференціюються, індукція гена годинника LUX ARRYTHMO безпосередньо спрямована на гени, що беруть участь у прогресії клітинного циклу, щоб регулювати диференціацію клітин”, - розповів Ендо.

Подальше дослідження показало, що масштабні зміни профілю циркадного годинника в недиференційованих клітинах індукують експресію гена годинника LUX, який безпосередньо запускає диференціацію клітин.

“У сукупності наші результати показують, що циркадні годинники рослин відіграють напрямну роль у диференціації клітин. Важливо відзначити, що наше дослідження також забезпечує підхід до аналізу тимчасових рядів із роздільною здатністю в одну клітинку”, - вказав Ендо.

Оскільки розвиток циркадних ритмів під час клітинної диференціації спостерігається як у тварин, так і у рослин, висновок про те, що гени годинника безпосередньо регулюють визначення клітинної долі та поділ клітин, може допомогти зрозуміти, як контролюється клітинна диференціація в багатоклітинних організмах. Нещодавно розроблений алгоритм PeakMatch може бути застосований до всіх видів одноклітинних транскриптомів інших організмів, стверджують дослідники.

Телескоп Вебба показав приголомшливе нове фото галактики Колесо Воза

Sun, 07 Aug 2022 07:32:00 +0000

Космічний телескоп Джеймса Вебба продовжує надавати найчіткіші зображення Всесвіту. Цього разу — новий погляд на галактику Колесов Воза.

Це вже добре відомий об’єкт, розташований на відстані близько 500 мільйонів світлових років від нас, а також велика дивина: на відміну від більшості інших галактик, які, як правило, відносно цілісні, ця галактика має кілька виразних, розділених структур , Зовнішній вигляд яких і дав назву незвичайному об'єкту.

Подібно до візкового колеса або колеса огляду, галактика має виразне зовнішнє кільце, що випромінює світло, набагато більш щільну область усередині нього та яскраву "ступицю" — центр, який знаходиться як би на півдорозі між нечіткою, безформною еліптичною галактикою та структурованою спіраллю.

Попередні аналізи показали, що ця дивна та надзвичайно складна структура, швидше за все, є результатом бурхливої взаємодії з іншою, меншою галактикою: високошвидкісне зіткнення, яке викликало буквально брижі галактичної речовини, що розширюється назовні від місця зіткнення.

Саме це, на думку вчених, є джерелом великого кільця, а також меншого, менш чітко окресленого кільця, яке можна побачити навколо галактичного центру.

Галактики не тільки розтягуються на частини цікавим чином, але й поштовхи міжзоряного газу, що виникають при цьому, можуть викликати інтенсивні хвилі зіркоутворення, оскільки газ стискається, змушуючи масивні скупчення колапсувати під власною гравітацією, утворюючи зачатки зірок.

Ця активність, найбільш помітна в інфрачервоному діапазоні довжин хвиль, у якому Вебб спостерігає Всесвіт, значною мірою проявляється у галактиці Колесо Воза.

Зовнішнє кільце вирує зореутворенням та надновими, оскільки кільце розширюється в газі міжгалактичного середовища.

Внутрішній центр галактики також зайнятий роботою — заповнений скупченнями молодих, гарячих, масивних зірок.

Але галактика Колесо Воза дуже заповнена пилом, що ускладнює проникнення в неї деяких довжин хвиль, а саме оптичних, в яких Хаббл досяг успіху.

Інфрачервоні та ближні інфрачервоні можливості та приголомшливий дозвіл Вебба дозволили йому пробитися крізь пил, відкривши небачені раніше деталі в цій галактиці. Він отримав її знімки за допомогою двох своїх приладів — NIRcam та MIRI.

Очікується, що майбутній аналіз цих даних дозволить дізнатися більше про цю приголомшливу галактику та її шалену еволюцію.

Також на знімку видно ще три галактики; разом ці чотири галактики відомі як група Група Колеса Воза. Жодна з цих галактик не є галактикою, з якою зазнало зіткнення Колесо Воза близько 440 мільйонів років тому — хоча вони демонструють свідчення інтенсивної взаємодії між собою.

Нерегулярна спіраль зліва зверху, ймовірно, була колись зруйнована; вона також демонструє феєрверк. Акуратніша спіраль прямо під нею, проте, має слабкий приливний хвіст — довгий потік матеріалу, що витягується гравітаційною взаємодією з масивним об'єктом.

Насправді набагато рідше трапляється, щоб галактика не мала будь-яких зіткнень у своєму далекому минулому. Достатньо запитати наш власний Чумацький Шлях.

Вчені розкрили всю небезпеку найбільшого у світі вулкана, що діє

Wed, 03 Aug 2022 15:37:00 +0000

Мауна-Лоа — найбільший щитовий вулкан на Землі (принаймні над водою), що діє принаймні останні 700 000 років і домінує над ландшафтом Гавайських островів. Наукові дані розкривають більше інформації про те, чого може бути достатньо для початку майбутніх вивержень.

Дивлячись на зрушення в ґрунті, що відстежуються за допомогою GPS і супутникових даних, дослідники у 2021 змогли змоделювати потік магми всередині вулкана, а також з'ясувати, що може викликати наступне велике виверження Мауна-Лоа, а що ні.

У графі "швидше за все": сильний землетрус. Цей висновок ґрунтується на вимірюваннях припливу магми, які проводилися з 2014 року, спрямованого топографічною напругою навколишньої породи.

"Землетрус магнітудою 6 і більше балів міг би зняти напругу, викликану припливом магми по субгоризонтальному розлому під західним флангом вулкана", - сказав в прес-релізі Бхуван Варугу з Університету Майамі. "Цей землетрус може спровокувати виверження".

Науковці визначили, що 0,11 квадратних кілометрів нової магми перетекли в нове місце в камері вулкана між 2014 і 2020 роками, змінюючи напрямок залежно від тиску, що на неї чиниться.

Подібні зміни магматичного тіла раніше не вимірювалися. Разом з поверхневими потоками лави та зсувами ґрунту вздовж розлому, на якому розташований вулкан, інтрузії магми змінюють форму вулкана – та ймовірність його виверження.

Вулканологи вже знають, що активність флангів та виверження тісно пов'язані на Мауна-Лоа, а це означає, що зміни на цих флангах, спричинені інтрузіями магми, можуть суттєво змінити поведінку вулкана.

"Землетрус може змінити перебіг подій", - пояснює морський геолог Фальк Амелунг з Університету Майамі.

"Він випустив б гази з магми, які можна порівняти зі струшуванням пляшки з газованим напоєм, створивши додатковий тиск і плавучість, достатні для руйнування породи над магмою".

Згідно з отриманими даними, Мауна-Лоа вже відчуває "досить велике" топографічне навантаження.

Подальше проникнення магми збільшить ймовірність землетрусу й виверження, але може й знадобитися: відсутність руху під західним флангом вулкана змушує дослідників вважати, що саме тут може статися землетрус.

Недавні виверження підкреслюють, наскільки важливим може бути попереднє попередження: У 1950 році лава від виверження Мауна-Лоа досягла узбережжя всього за три години. Виверження 1950 року та іншого великого виверження 1984 року передували сильні землетруси.

Прогнозування термінів вивержень — неймовірно складне завдання, до якого залучено безліч змінних та оцінок, але ретельні стратегії картування магми, подібні до тієї, про яку йдеться в новому дослідженні, можуть надати безцінні дані для майбутнього моделювання.

"Це цікава проблема", - сказав Амелунг. "Ми можемо пояснити, як і чому магматичне тіло змінилося за останні шість років. Ми продовжуватимемо спостереження, і це зрештою призведе до створення більш досконалих моделей для прогнозування місця наступного виверження".

Дослідження було опубліковано у журналі Scientific Reports.

Поляризація світла створює мистецтво, пояснює математичні поняття

Sat, 23 Jul 2022 05:15:00 +0000

Поляризація світла лежить в основі безлічі останніх технологічних інновацій, включаючи 3D-кіно та РК-дисплеї. У РК-дисплеях крихітні електронно-керовані рідкокристалічні елементи розміщені між поляризаторами. Якщо замість цього між поляризаторами помістити інші прозорі плівки, що змінюють поляризацію, наприклад, целофанову подарункову упаковку або пакувальну стрічку, можна спостерігати масив фільтрованих поляризацією кольорів.

У новій роботі, опублікованій в журналі American Journal of Physics, досліджується виникнення таких кольорів, як ними можна керувати, і чому незначні зміни кута огляду, орієнтації зразка та порядку шарів плівок між поляризатори можуть мати драматичний вплив на спостережувані кольори.

У дослідженні особлива увага приділяється наочним прикладам понять, пов'язаних з подвійними променезаломленнями, таких як додавання, віднімання та порядок операцій. Наприклад, некомутативний характер подвійно-променезаломлювального додавання зазвичай ілюструється за допомогою формальної матричної математики. Однак у цьому випадку дослідники використовують колірну візуалізацію.

“Я використовую візуальну мову кольору, щоб проілюструвати тонку фізику, яка часто демонструється лише математично”, - каже автор дослідження Аарон Слєпков з Трентського університету в Канаді.

Частково його надихнула робота художниці Остін Вуд Комароу, яка зробила кар'єру на застосуванні техніки фарбування з поляризаційним фільтром у образотворчому мистецтві. Остін вигадала термін "polage", або поляризація колажу, для позначення свого мистецтва.

Остін створила широкий спектр робіт, використовуючи складне нашарування розрізаного целофану та інших подвійно-променезаломлювальних полімерних плівок, що перемежуються з шарами плівкових поляризаторів. Її роботи варіюються від невеликих самостійних творів, що розміщуються на полиці, до масштабних інсталяцій у таких установах, як Діснеївський центр Epcot у 1981 році та Інститут наукової освіти Gyeongsangnam-do у Чинджу, Південна Корея, у 2017 році.

“У цій роботі я прояснюю зв'язок між поляризаційною фільтрацією та спостережуваними кольорами. Я демонструю, як різні аспекти подвійного променезаломлення у звичайних побутових плівках надають можливості та виклики для їх використання у мистецтві”, - сказав Слєпков.

Для створення кольору з поляризаційною фільтрацією достатньо мати двопроменевий зразок, поміщений між поляризаторами, які утворюють поляризаційні ворота. Багато предметів домашнього вжитку можуть забезпечити калейдоскопічну різноманітність кольорів та візерунків.

Прозорі пластикові столові прилади, наприклад, являють собою класичну демонстрацію, де локалізована деформація в структурі полімеру призводить до диференціального подвійного променезаломлення, що спостерігається через поляризаційні ворота. Аналогічним чином, дещо безладно складена кухонна упаковка, плівка для подарункових кошиків та багатошарова клейка стрічка можуть утворювати хитромудрі зображення, що нагадують вітражі.

“Маніпуляції з двох-променезаломлювальними плівками з метою створення кольорових зображень захопливі та інтелектуально стимулюють. Багато з тонкощів фізики поляризації, двопроменезаломлення, уповільнення та теорії кольору можна спостерігати в цьому доступному, але великому занятті”, - вказав Слєпков.

Реалізовано безперервний часовий кристал

Sun, 12 Jun 2022 01:25:00 +0000

Дослідникам з Інституту лазерної фізики Гамбурзького університету вперше вдалося реалізувати часовий кристал, який спонтанно порушує симетрію переведення безперервного часу.

Ідея кристала часу перегукується з нобелівським лауреатом Франком Вільчеком, який вперше запропонував це явище. Подібно до того, як вода спонтанно перетворюється на лід поблизу точки замерзання, порушуючи цим перекладну симетрію системи, перекладна симетрія часу в динамічній системі багатьох тіл спонтанно порушується при утворенні кристала часу.

Останніми роками дослідники вже спостерігали дискретні чи флокетівські кристали часу у періодично керованих закритих й відкритих квантових системах. "Однак у всіх попередніх експериментах симетрія перекладу безперервного часу порушувалася періодичним приводом", - говорить д-р Ханс Кесслер з групи професора Андреаса Хеммеріха в Кластері передового досвіду CUI: Передова візуалізація матерії. "Перед нами стояло завдання реалізувати систему, яка спонтанно порушує симетрію безперервної часової трансляції.

У своєму експерименті вчені використали конденсат Бозе-Ейнштейна усередині оптичного резонатора з високою точністю. Використовуючи незалежний від часу насос, вони спостерігали фазу граничного циклу, яка характеризується періодичними осциляціями, що виникають, внутрішньопорожнинного числа фотонів, що супроводжуються циклічною зміною атомної щільності.

Вони виявили, що тимчасова фаза осциляцій набуває випадкових значень між 0 і 2π, як і очікувалося для спонтанно порушеної безперервної симетрії. Визначивши область стабільності у відповідному просторі параметрів та показавши збереження коливань граничного циклу навіть у присутності сильних тимчасових збурень, дослідники продемонстрували стійкість динамічної фази.

Про своє спостереження вони повідомляють у журналі Science.

Для вивчення життєвого циклу предків галактичних скупчень створено симуляції-"машини часу"

Wed, 08 Jun 2022 06:58:00 +0000

Вперше дослідники створили симуляції, які безпосередньо відтворюють повний життєвий цикл деяких з найбільших скупчень галактик, що спостерігалися у далекому Всесвіті 11 мільярдів років тому

Про це розповідають у Токійському університеті.

Космологічні симуляції мають вирішальне значення для визначення того, як Всесвіт набув тієї форми, яку він має сьогодні. Але багато з них, як правило, не відповідають тому, що астрономи спостерігають через телескопи. Більшість з них розроблені так, щоб відповідати реальному Всесвіту лише у статистичному сенсі. З іншого боку, обмежені космологічні симуляції призначені для прямого відтворення структур, які ми спостерігаємо. Однак більшість поточних симуляцій такого роду застосовувалися для нашого локального Всесвіту, тобто поблизу Землі, але ніколи для спостережень далекого Всесвіту.

Група дослідників під керівництвом наукового співробітника та першого автора проєкту Метіна Ата й асистента професора проєкту Кхі-Ган Лі з Інституту фізики та математики Всесвіту імені Кавлі зацікавилася далекими структурами, такими як масивні протокластери галактик, які є предками сучасних галактичних скупчень до того, як вони змогли зібратися під дією своєї гравітації. Дослідники виявили, що поточні дослідження далеких протокластерів іноді були занадто спрощеними, тобто проводилися за допомогою простих моделей, а не симуляцій.

"Ми хотіли спробувати розробити повну симуляцію реального далекого Всесвіту, щоб побачити, як зароджувалися структури та чим вони закінчилися", - каже Ата.

Їхнім результатом стало COSTCO (COnstrained Simulations of The COsmos Field - Обмежені симуляції космічного поля).

Лі сказав, що розробка симуляції була схожа на створення машини часу. Оскільки світло з далекого Всесвіту досягає Землі лише зараз, галактики, які телескопи спостерігають сьогодні, є знімком минулого.

"Це все одно, що знайти стару чорно-білу фотографію свого дідуся та створити відеозапис його життя", - сказав він.

У цьому сенсі дослідники зробили знімки "молодих" дідуся та бабусі галактик у Всесвіті, а потім перемотали їх вік уперед, щоб вивчити, як формуються скупчення галактик.

Світло від галактик, які використовували дослідники, пролетіло відстань у 11 мільярдів світлових років, щоб досягти нас.

Найскладнішим було врахувати великомасштабне оточення.

"Це те, що дуже важливо для долі цих структур, незалежно від того, ізольовані вони чи пов'язані з більшою структурою. Якщо не враховувати навколишнє середовище, то ви отрамаєте зовсім інші відповіді. Ми змогли послідовно врахувати великомасштабне середовище, тому що у нас є повна симуляція, і тому наш прогноз є більш стабільним", - сказав Ата.

Іншою важливою причиною, чому дослідники створили ці симуляції, була перевірка стандартної моделі космології, яка використовується для опису фізики Всесвіту. Передбачивши остаточну масу та остаточний розподіл структур у даному просторі, дослідники могли б виявити раніше не виявлені невідповідності у нашому поточному розумінні Всесвіту.

Використовуючи свої симуляції дослідники змогли знайти докази існування трьох вже опублікованих галактичних протокластерів та спростувати одну структуру. Крім того, вони змогли визначити ще п'ять структур, які послідовно формувалися у їхніх симуляціях. До них входить протосуперкластер Гіперіон, найбільший та ранніший протосуперкластер, відомий на сьогоднішній день, який у 5 000 разів перевищує масу нашої галактики Чумацький Шлях, який, як з'ясували дослідники, розпадеться у велику нитку довжиною 300 мільйонів світлових років.

Їхня робота вже застосовується в інших проєктах, включаючи вивчення космологічного середовища галактик, ліній поглинання далеких квазарів та ін.

Подробиці дослідження були опубліковані у журналі Nature Astronomy 2 червня.