В рамках программы RTA , DARPA хочет на несколько порядков ускорить процесс исследований, каким образом болезни или химические вещества поражают человека. Вместо нескольких месяцев или лет исследований, DARPA хочет позволить исследователям в течение 30 дней оценить воздействия угрозы на человеческие клетки, создавая карту молекулярного механизма, посредством которого возбудитель изменяет клеточные процессы. Это дало бы исследователям основу для разработки медицинских контрмер и смягчения угроз.
Насколько это полезно прямо сейчас? В краткосрочной перспективе это означает эффективную борьбу с пандемиями. Потребовались годы работы и много денег, чтобы выяснить, что вирус птичьего гриппа H5N1 стал гораздо более заразен из-за одной аминокислоты, находящейся в определенном положении. Это позволило вирусу жить в лёгких млекопитающих, и распространяться между людьми через кашель и чихание. Зная этот секрет заранее – мы смогли бы предотвратить многие смерти.
Четыре проекта DARPA, которые могут значить больше, чем Интернет
Оборонное агентство DARPA, которое может похвастаться бюджетом почти в 3 миллиарда долларов, финансирует разработку более 250 программ. Все они имеют значение для национальной безопасности, но многие из них могут иметь коммерческий успех и изменить гражданскую жизнь самым радикальным образом.
1. Атомная GPS
Система GPS, в разработке которой DARPA играло важную роль, является отличным инструментом, но её поддержка в качестве спутниковой системы становится всё более дорогостоящим делом. Текущие ежегодные расходы на GPS достигли 223 миллионов долларов — что является одной из причин, почему ВВС США недавно сократили свои закупки.
DARPA не имеет программы замены GPS, однако финансирует разработку систем «комбинированной атомной навигации» (С-SCAN) и Quantum Assisted Sensing (QuASAR): использование атомной физики для лучшей навигации. Если у вас есть возможность измерить ускорение магнитного поля Земли и положение отдельных охлаждённых атомов, вы можете отслеживать местоположение без спутника. Этот метод может быть в 1000 раз точнее, чем любая система, существующая в настоящее время.
Самым главным преимуществом гражданской квантовой GPS может быть конфиденциальность. Ваш телефон не будет больше получать сигналы из космоса, чтобы сказать вам, где вы находитесь – а вы будете знать своё местоположение с атомной точностью.
2. Терагерцовая электроника и мета-материалы
Между микроволновой и инфракрасной частями электромагнитного спектра лежит диапазон терагерцовых волн. Пока для учёных это неизведанная страна, но если они сумеют выяснить, как его использовать, мы сможем создать огромное количество устройств, не конкурирующих друг с другом за доступ к пространству спектра.
Терагерцовая электроника может найти применение в производстве так называемых мета-материалов — несуществующих в природе, но обладающих рядом ценных качеств, вплоть до невидимости.
Что касается гражданского применения, терагерцовое излучение — в отличие от рентгеновского — является неинвазивным, одежда из мета-материалов со встроенными датчиками позволит гораздо быстрее и точнее обнаруживать химические изменения в организме, которые могли бы указать на изменения и в здоровье.
3. Антивирусная защита для Интернета вещей
Компания CISCO прогнозирует, что к 2020 году мир будут населять 50 млрд. взаимосвязанных устройств, от бытовой техники до улиц, систем коммуникации, контроля и управления. Все, что находится в физической и цифровой взаимосвязи, в настоящее время называется «Интернет вещей».
Программа HACMS, которую DARPA объявило в 2012 году, пытается залатать уязвимости в системе безопасности, которые могут пронизывать мир Интернет-вещей. Агентство хочет добиться того, чтобы военно-транспортные средства, медицинское оборудование и даже беспилотники нельзя было взломать извне.
Многие эксперты считают, что без улучшения безопасности, мир Интернет-вещей никогда не достигнет своего полного потенциала.
Может ли человеческая цивилизация существовать вечно?
Задача, в общем-то, состоит в том, чтобы изменить социальную перспективу на долгосрочную, в которой центральную роль в судьбе планеты играет человечество — вместо краткосрочной цели реагирования на непосредственные кризисы.
На ежегодной встрече Американского геофизического союза астробиолог Библиотеки Конгресса Дэвид Х. Гринспун сказал: «Для нашей цивилизации комфортное проживание на планете в течение длительного времени означает стать миром меняющихся технологий».
Далеко не все согласны, что в долгосрочной перспективе можно предотвратить гибель нашей цивилизации или Земли в целом. Астрофизики ещё в 60-х годах прошлого столетия оценивали время жизни технически развитой цивилизации в 5 тысяч лет (И. Шкловский «Вселенная, жизнь, разум»), а нынешние предрекают и того более страшные исходы.
Современная Земля была сформирована в результате стихийных бедствий, таких, как падение гигантского астероида, уничтожившего динозавров, или биологических сил, вроде взрывного роста цианобактерий, который и создал богатую кислородом атмосферу планеты.
Гринспун продолжает: «Нынешняя эпоха стала эпохой Антропоцена, когда люди, став геологической силой, в корне изменяют планету.
Теперь цивилизация стоит на перепутье, и в конечном итоге глобальное потепление и другие явления, беспрепятственно изменяющие Землю, приведут к вымиранию человечества.
Лишь человек по настоящему Разумный может преодолеть эти проблемы — сейчас у людей есть шанс, которого не было ни у одной цивилизации в прошлом. Мы находимся в точке бифуркации, и наша история может быть ограничена периодом в несколько тысяч лет, а может длиться сотни тысяч или даже миллионы лет.
Если даже небольшая часть людей пройдёт сквозь узкое горлышко бифуркации в жизни цивилизации, у них будет шанс стать квази-бессмертными. Для этого надо отойти от краткосрочного, регионального мировоззрения, отрицающего влияние человека на Землю».
Цивилизация стоит перед узким местом в своей истории, согласился Сет Шостак, старший астроном из Института SETI в Маунтин-Вью, Калифорния: «В конце концов, мы должны будем либо стабилизировать численность населения и повторно использовать всё, что только возможно, или нам нужно сделать что-то ещё – например, отправиться в космос для добычи ресурсов».
Однако сам Шостак выражает сомнение в подобных способах решения проблем: «Лондон был охвачен миазмами токсичных газов из-за угольного отопления домов в 1870 , и никто не мог придумать решения проблемы. Но переход на другие источники тепла её решил сам по себе.
Мы часто не видим того, что находится у нас буквально за углом»
«Теория конструктора» объединяет классический и квантовый мир
Физик Дэвид Дойч из Оксфордского университета поставил перед собой амбициозную задачу: объединить все физические теории в одну единую, создав набор мета-законов, определяющих, что может происходить во Вселенной, а что запрещено.
В недавно опубликованной статье Дэвид Дойч объявил о первом успехе своей «теории конструктора»: объединение квантовой и классической теории распространения информации.
В настоящее время в компьютерных технологиях используется классическая теория информации, разработанная американским математиком Клодом Шенноном. Одновременно физики разрабатывают квантовые компьютеры, использующие законы субатомного мира для ускоренного выполнения поставленных задач.
Принципы информационной теории Шеннона не применимы к обработке информации квантовыми машинами. До сих пор в физике нет ясного определения самого понятия «квантовой информации» и ее связи с классической.
Именно поэтому до сих пор алгоритмы для квантовых компьютеров разрабатывались методом проб и ошибок, ведь квантовой теории информации, на основе которой следовало составлять программы нового типа, до сих пор не существует.
Согласно теории конструктора Дойча, основные фундаментальные компоненты физической реальности представляют собой «конструкторы», выполняющие специфические задания.
Каждый конструктор имеет свой собственный набор правил, определяющий его возможности. Например, электрический чайник можно представить как конструктор, выполняющий задание «подогреть воду».
Язык теории конструктора позволяет описывать наиболее фундаментальные принципы, которым должны следовать все дочерние теории. Возьмем, например, закон сохранения энергии: задача «создание энергии» для любого конструктора ограничивается невозможностью делать энергию из ничего.
Кьяра Марлетто, Оксфордский университет
В своем определении информации Дойч и Марлетто заостряют внимание на одном задании, которое возможно в классической системе, но не допускается в квантовой: способность делать копии. Еще в 1980-х физики доказали невозможность создания идентичной копии неизвестного квантового состояния.
Оксфордские физики определяют область классической информации как среду, в которой можно точно копировать состояния. Из этого определения можно получить систему задач, возможных для данной среды, которая в идеале должна соответствовать Шенноновской теории информации.
Специалисты считают, что у теории конструктора могут быть большие перспективы и не только в области информации. Вполне возможно, что когда-нибудь удастся создать набор законов, объединяющий воедино также квантовую теорию с гравитационной, создав тем самым вожделенную физиками квантовую теорию гравитации.
Ученые из России стали лауреатами премии Кавли в области астрофизики
Российские ученые Алексей Старобинский и Андрей Линде стали лауреатами престижной премии Кавли за «новаторскую теорию космической инфляции». Лауреатам причитается $1 млн.
Научную премию имени Фреда Кавли в области астрофизики разделили россияне Андрей Линде, Алексей Старобинский и американский ученый Алан Гут, «ставшие первопроходцами в теории космической инфляции, коренным образом изменившей наше представление о Вселенной». Об этом говорится в сообщении Норвежской академии наук.
Премия Кавли – научная премия, учреждённая норвежским филантропом Фредом Кавли в 2007 году. Премия вручается один раз в два года, начиная с 2008 года, за выдающиеся достижения в астрофизике, нанотехнологиях и неврологии. Лауреаты награждаются медалью и премией в $1 млн. Кавли объясняет выбор наук так: «Я решил поддержать три области науки: одна занимается самым большим, другая – самым маленьким, третья – самым сложным». Он позиционирует свою премию как альтернативу Нобелевской премии, критикуя последнюю за консервативность.
Идея об ускоренном расширении Вселенной (космической инфляции) на ранней стадии Большого взрыва является существенно расширенной версией стандартной модели горячей Вселенной. Усовершенствованная модель подразумевает существование инфляционной стадии, в течение которой за очень малый промежуток времени размеры Вселенной увеличились на 50 порядков. В результате фазового перехода (или нескольких фазовых переходов), которым сопровождался этот процесс, произошло разделение сильного и электрослабого взаимодействий.
При помощи инфляционной модели Вселенной можно разрешить, к примеру, проблемы горизонта и плоскостности. Правда, что касается асимметрии вещества и антивещества, то они, в рамках теории инфляции, так и не получили объяснения.
В 2012 году Андрей Линде и Алан Гут получили Приз по фундаментальной физике, учрежденный российским миллионером Юрием Мильнером, а в 2013 году Алексей Старобинский стал лауреатом Премии Грубера.
Состоит ли наш мир из струн? Мы не можем понять, как квантовая механика и общая теория относительности могут объединиться, если они еще не сделали этого до сих пор. Потому что если одна из сторон права, другая не будет работать как нужно.
Эйнштейн сказал, что пространство-время гладко и равномерно, и только большие вещи могут искажать его. Квантовая механика говорит, что мельчайшие частицы вселенной постоянно и непредсказуемо флуктуируют и меняются.
Если квантовая механика верна и все находится в постоянном движении, гравитация не будет работать так, как предсказывал Эйнштейн. Пространство-время будет находиться в постоянном противоречии со всем вокруг и будет вести себя соответствующим образом. Кроме того, квантовая механика говорит, что вы не сможете установить порядок с полной уверенностью. Вы будете предсказывать вероятности.
С другой стороны, если ОТО верна, материя не флуктуирует так дико и постоянно. В какой-то момент у вас будет возможность знать, где находится материя и куда движется. Но это противоречит квантовой механике.
Но не переживайте, ученые и физики все еще пытаются найти способ примирить два враждующих лагеря. Одним из фаворитов является теория струн, в которой говорится, что вместо частицы действует точка, на самом деле являющаяся струной. Это означает, что она может волноваться и двигаться, и скручиваться и многое другое. Также она может передавать гравитацию на квантовом уровне. Это дает возможность нащупать ходы для объединения квантмеха с ОТО. Но имейте в виду, что теория струн никогда не была подтверждена ни одним экспериментов — и много дебатов разворачивается на тему, может ли она в принципе подтвердиться.
Если такой монументальный эксперимент и будет, то, скорее всего, на ускорителе частиц. Там могут быть обнаружены суперпартнеры. Суперпартнеры — это часть теории струн, которая говорит о том, что у каждой частицы есть суперсимметричная частица-партнер, которая нестабильна и обладает другим спином (к примеру, электрон и селектрон или гравитон и гравитино). К счастью для нас, в 2010 году мы нашли подтверждения того, что существует бозон Хиггса, а он работает в пользу теории струн.
Спин также может помочь нам в экспериментах с квантовой запутанностью. В небольших масштабах она работает на ура, но ученые очень хотят отправить фотоны в космос и обратно, чтобы измерить, как это работает на большом расстоянии.
Мы также можем взять черные дыры и с их помощью создать «теорию всего». В черной дыре хранятся как крупные вещи (звезды), так и мелкие (частицы с квантово-механическим объяснением). Если мы сможем определить, что происходит, когда большое становится маленьким, мы просто примирим квантовую механику и общую теорию
Ну да, не совсем. На самом деле, только большие вещи создают пространство-временные искривления. Солнце, например. Что это означает? Меньшие планеты «падают» на Солнце. И это приводит нас к гравитации. В самом деле, общая теория относительности означает не только то, что Эйнштейн похлопал Ньютона по спине и сказал «да, сэр, гравитация это круто!». Напротив, Эйнштейн дал нам причину для гравитации — искривление пространства-времени, которое вызывает гравитацию и заставляет вселенную быть такой, какая она есть.
В чем же проблема? Эйнштейн показал нам умопомрачительную картину работы вселенной, квантовая механика показала нам, как работают частицы на атомном и субатомном уровне. К сожалению, одно не объясняет другое. Значит, должна быть большая теория, которая объединит их… или нет.
Чаще всего вопросы, которые задают в течение дня, поставлены довольно конкретно. Вы обедали? Который час? Слышали новую песню Джастина Бибера? Но когда мы начинаем задумываться о куда более серьезных вопросах — например, могут ли быть объединены квантовая механика и общая теория относительность — наша самоуверенность падает. Что делает квантмех с планетами? Только в ОТО энергия эквивалентна массе, умноженной на квадрат скорости света? Погодите, массе или движению? Или минуты. Это минуты, разве нет?
Не переживайте. Хотя на этот вопрос крайне сложно ответить, сам вопрос прост, как поиск смысла в попсовой песне. Прежде чем мы начнем решать неразрешимую вселенную, давайте разберем компоненты.
Для начала возьмем квантовую механику. С нее хорошо начать, потому что она изучает нечто крайне малое — вещество и излучение на атомных и субатомных уровнях. Когда ученые начали понимать атомы, стало понятно, что старая физика нуждается в поправках. Потому что когда ученые смотрели на атомы, они вели себя не так, как вселенная. К примеру, электроны не вращаются вокруг ядра подобно планете, вращающейся вокруг солнца — если бы это было так, они бы уже упали на ядро.
Стало очевидно, что классическая физика не работает на атомных масштабах. Квантовая механика возникла от необходимости понять, почему маленькие явления случаются не так, как большие в науке. В результате этого мы выяснили, что фотон может выступать в качестве частицы (которая несет массу и энергию) и волны (которая несет только энергию). Это стало прорывом. Фотон может быть в двух формах одновременно. А это значит, что самые маленькие части Вселенной ведут себя непредсказуемо.
Все относительно Теперь мы понимаем, что квантовая механика существенно подорвала наше понимание вселенной (особенно на мелких масштабах). Частицы, к примеру, могут быть волнами. Ко всеобщему удовольствию появился и принцип неопределенности квантовой механики, который подсказывает, что мы не можем знать одновременно положение частицы и скорость ее движения.
Эйнштейну это крайне не понравилось. Сама идея того, что мы не можем определить, где частица или что она делает, должна быть очень тревожной для физика, который пытается определить, как работает вселенная — что и делал Эйнштейн, работая над общей теорией относительности.
И опять: не переживайте. У общей теории относительности было две больших идеи: одна о пространстве и времени, другая о гравитации. Как мы видим, пространство и время находятся в фоновом режиме. Они фиксированы. Они существуют хронологически (и отчасти монолитны). В общей теории относительности пространство и время представляют собой одно целое, так называемое пространство-время. Но если пространство-время и может быть большим и единым, оно не находится в фоновом режиме. В теории общей относительности на пространство-время может влиять материя. Это означает, что вы и существующая материя меняете пространство и время.
