Что интересного происходит в науке Голосов: 1 Адрес блога: http://igorivanov.blogspot.com/ Добавлен: 2008-05-17 13:57:21 блограйдером Lurk

Триллион кадров в секунду

2011-12-21 05:40:00 (читать в оригинале)

На днях по СМИ и блогам прошла новость про сверхскоростную чудо-камеру, созданную в MIT, которая может снимать видео со скоростью триллион кадров в секунду. Вот страничка на сайте MIT про эту разработку, где можно найти кучу видеороликов и дальнейшие ссылки на литературу. Поскольку я немножко разбирался с быстропротекающими процессами, когда готовился вот к этой лекции, мне есть что сказать по этому поводу.

Если одним предложением, то разработка действительно интересная, но на мой взгляд, авторы её распиарили совершенно нечестным образом. В результате подавляющее большинство людей, услышав про эту камеру, представят себе совсем не то, чем она на самом деле является. На самом деле, это устройство не позволяет заснять с заявленной скоростью отдельный быстропротекающий процесс. Вот некоторые пояснения.пикосекунды. Но для современной физики это огромный промежуток времени. Уже давно влегкую изучают и фемтосекундные явления, а не так давно уже забрались и в аттосекундный диапазон. А в ядерной физике и физиче частиц с помощью косвенных методов можно изучать процессы, длящиеся еще на несколько порядков меньше.

Так что есть огромное разнообразие процессов, которые слишком быстротечны для этой камеры. Просто они протекают на микроскопических масштабах, на уровне атомов или ядер. Так что в своем заявлении авторы на самом деле имели в виду только макроскопически процессы.

3. Теперь насчет того, как работает это устройство. Я пересказывать в деталях не буду, на сайте группы всё объяснено. Я лишь кратко обрисую принцип работы.

Основой устройства является стрик-камера. Это устройство, которое не просто посылает изображение на экран, а очень быстро поворачивает его на экране, в результате чего на экране возникает временная развертка быстропротекающего процесса (вот простенький апплет, иллюстрирующий работу стрик-камеры). Однако для того, чтобы изображение не накладывалось на себя, приходится снимать только одномерную полоску. Поэтому на двумерном экране (на CCD матрице) одно направление — это реальное пространственное измерение, а второе направление — время.

Вообще, стрик-камеры — это совершенно стандартная технология, она используется уже не одно десятилетие, а сами камеры выпускаются промышленно. Временное разрешение у топовых стрик-камер обычного типа тоже заметно лучше, в фемтосекундном диапазоне. А в последнее десятилетие активно разрабатывается и используется технология «аттосекундной стрик-камеры». Собственно, тот эксперимент, про который я рассказывал в аттосекундом диапазоне, тоже можно назвать стрик-камерной технологией.

Единственное новшество, которое внесли изобретатели из MIT, состоит в том, что они получают разветку во времени не одно-, а двумерного изображения. Т.е. они показывают не светящуюся полоску, а нормальные снимки. Правда, снимают-то они все равно одномерные полоски, но только эти полоски раз за разом смещаются вниз по изображению (они просто поворачивают зеркальце). Поэтому реальный кадр, а тем более те видики, которые они показывают, получаются не непосредственно в устройстве, а лишь после многократного повторения эксперимента и после компьютерной обработки огромного числа полосок. Это вычисленные, а не снятые кадры.

4. Является ли это устройство видеокамерой?
Из пояснения должно стать понятно, что это устройство не может заснять однократный процесс. Для того, чтобы получить в нем видеоролик, требуется повторять один и тот же эксперимент раз за разом, и надеяться, что он всегда будет развиваться одинаково. Кстати, для того, чтобы получить то видео со световым импульсом, распространяющемся в бутылке, авторам потребовался час работы!

Необходимость повторять эксперимент огромное количество раз сужает тот набор вещей, которые можно так увидеть. Вы, например, не увидите, как разлетаются отдельные кусочки вещества, как на снимках настоящей камерой с миллионом кадров в секунду. Просто потому, что каждый раз ошметки будут вылетать в разные стороны, вы лишь увидите размазанное распыление вещества в целом. (Это словно фотография не отдельного человека, а усредненное фото миллиона отдельных лиц.)


В общем, я подчеркну — никакой способности «видеть» развитие единичного процесса во времени эта камера не дает, увы. Поэтому и видеокамерой ее можно называть только с большой натяжкой. И значит сравнивать с настоящими камерами, которые выдают непрерывный поток кадров (нынешний рекорд — 6 млн. кадров в секунду) просто нельзя, это совсем разные приборы.

Но в конце я еще раз подчеркну: несмотря на мою критику пиара, сам по себе устройство получилось интересное, изображения оно выдает симпатичные, и наверняка пригодится в разных областях. Но только это не видеокамера, которая снимает быстропротекающий процесс с заявленной скоростью.

---

Дополнение про нейтринную новость

2011-09-27 02:47:00 (читать в оригинале)

По поводу этих сверхсветовых нейтрино — есть еще несколько моментов, которые я хочу отметить в дополнение к новости на «Элементах». Они в основном касаются обработки данных. Сложные вопросы, связанные с инструментальными погрешностями измерений времени и расстояний, которые тут, по-видимому, самые важные, я недостаточно понимаю, тут мне надо самому поразбираться.
новости, то видно, что на фронтах находится примерно несколько сотен нейтринных отсчетов. Вот они в основном и определяют то, как надо оптимально совмещать сигналы.

Тут может показаться странным, что при такой небольшой статистике реально «работающих» нейтрино, они умудрились так хорошо измерить сдвижку. Ширина одного бина на том графике 150 нс, ширина бина на «перебиненом» графике ниже — 50 нс, а они умудряются установить погрешность в одну седьмую часть бина! Это на самом деле не очень удивительно как раз из-за резкого фронта: смещение на один бин резко измеряет хи-квадрат фита, как это видно из картинки.

Передний и задний фронты: фит для нулевого смещения (вверху) и для смещения 60,7 нс (внизу). В первом случае это отвечало бы нейтрино, двигающимся, в пределах погрешностей, со световой скоростью.

Усреднение по сеансам

Однако тут есть такой вопрос. Если посмотреть на типичный профиль протонного сгустка (рис. 2 в новости), то там видны сильные и характерные флуктуации. В усредненной картинке их нет, значит эти пики меняются от сеанса к сеансу и в среднем сглаживаются. Но сглаживание пиков — это как раз плохо, поскольку куча нейтринных данных на плато почти что выкидываются из анализа. Было бы гораздо лучше удерживать информацию о форме протонного пучка в каждом сеансе. Тогда в дополнение к переднему и заднему фронтам имелись бы и резкие фронты внутри трапецивидного сигнала, которые бы заметно улучшили статистическую точность. Но эта информация почему-то выкинута.

Слепой анализ

В физике частиц часто применяют «слепой анализ», которые позволяет избежать предвзятого отношения самих физиков, делающих анализ, к его (ожидаемым) результатам. Перед тем, как какая-то группа будет обрабатывать данные и, например, искать там какой-то сигнал, кто-то другой берет реальные данные и искусственно сдвигает их шкалу (например, по энергии) на какую-то фиксированную величину (например, по энергии). Группе, которая затем проводит весь анализ, эта сдвижка не сообщается. Т.е. они должны находить в данных именно то, что там есть, а не пытаться углядеть что-то там, где они хотят увидеть сигнал. И только после того, как весь анализ проделан и все числа получены, «открывается правда» — группе сообщается сдвижка. Тогда они просто сдвигают все свои данные и наконец-то узнают, как их результаты ложатся на истинную шкалу.

В этом анализе тоже был использован аналогичный прием. Группа специально вначале взяла старые значения всех длин и времен, чтобы получить гарантированно большое расхождение. Поэтому весь статанализ был проделан без знания того, где должна была бы проходить граница между световым и сверхсветовым. А все длины и расстояния были перемеряны тоже без знания, что именно там показывают данные. И лишь в самом конце одно совместили с другим, выянив, насколько именно надо сдвинуть шкалу времени. Получились эти 988 нс, которые на 60 нс не дотягивали до сигнала.

Насколько я понимаю, в правильной процедуре слепого анализа должна быть какая-то проверка правильности. Т.е. если в процессе анализа что-то сделано неправильно, это сразу проявится после возврата на истинную шкалу. Но тут ситуация совсем не такая. Я не вижу никакой возможности проверить по самим данным, была ли какая-то ошибка в статобработке или в измерениях расстояний/времен. Наоборот, если бы была сделана ошибка, это было бы воспринято как положительный сигнал — ведь они делали весь анализ, надеясь на отличие от скорости света. Я, конечно, не экспериментатор, но по-моему это какая-то странная реализация слепого метода.

200 физиков полгода проверяли-перепроверяли...

Это тоже одна из фраз, которую повторяют в СМИ. Я еще раз подчеркну: анализ обычно делает лишь одна небольшая группа, а все остальные члены коллаборации могут лишь комментировать (и то, реально комментирует лишь небольшая доля). В данной ситуации, на самом деле, всё было еще сложнее, поскольку, очевидно, ни к какому консенсусу относительно данных все члены коллаборации придти не смогли. Поэтому только сейчас начинается тот этап, когда все члены коллаборации могут проверять и перепроверять данные и методы их обработки. И надо еще посмотреть, к чему приведет это внутреннее рецензирование.

Теоретики такие теоретики

Ну и ожидаемо теоретики ринулись в бой. В понедельник уже вышло два препринта с обсужданиями этих результатов: один и два. Полистайте их, если интересно, как вообще сейчас теоретики будут обсудать эти данные. Подчеркну — обе эти статьи были посланы в архив препринтов в тот же день, когда появилась статья OPERA. Мое предсказание, что во вторник в архиве появятся еще три теоретических статьи по этому поводу :)

---

Эксперимент OPERA

2011-09-23 12:52:00 (читать в оригинале)

Новость на «Элементах»: Эксперимент OPERA сообщает о наблюдении сверхсветовой скорости нейтрино.

Если в двух словах, то оптимизм преждевремен.

---

Психоделика хиггсовского бозона

2011-08-24 05:16:00 (читать в оригинале)

Как наверно многие знают, Большой адронный коллайдер сейчас добивает хиггсовский бозон. В связи с этим регулярно появляются новые доклады и срочные недо-статьи под названием «physics analysis summary» (интересный жанр публикаций, я о таком раньше не знал). Так вот, просматривая одну такую свежую недо-статью коллаборации CMS, я увидел график, которым не могу не поделиться:

Поиск хиггсовского бозона на детекторе CMS в канале два легких лептона + два тау-лептоны.

Этот график меня прямо поразил какой-то своей психоделической символичностью. Разбираться в деталях, что там изображено, не надо — это просто результаты поиска хиггсовского бозона в одном из каналов распада.

Главное тут другое. На этой картине словно изображена битва физиков с природой. Всякие цветные гистограммы с кучей подробностей и вариантов развития событий — это то, что теоретики сосчитали, а потом модельеры промоделировали; они характеризуют те мелкие подробности, в которых мы знаем или хотим узнать окружающий мир. Но на это всё наложена грубая, правдивая, природная реальность — одна экспериментальная точка, показывающая одно-единственное зарегистрированное в этом канале событие, которое вольготно расположилось со своими усами посреди графика. И что это событие означает — есть ли хиггс, нет ли хиггса, фон ли это и если да, то какой — мы, глядя на эту одну-единственную точку, никогда не узнаем, несмотря на всё наше детальное моделирование.

Такая вот проза жизни :)

---

И о погоде... на Титане

2011-08-15 03:38:00 (читать в оригинале)

На Титане, спутнике Сатурна, есть погода. Температура на поверхности составляет 90 К (у полюсов) до 95 К (на экваторе) и практически не зависит от долготы (см. pdf презентации с графиками). Там есть довольно плотная атмосфера, дуют ветра, много метановых облаков, и даже идут дожди, тоже метановые (среднегодовое кол-во осадков в среднем по планете Титану — несколько см). А также там есть сезонные изменения — в общем атмосфера достаточно богатая для того, чтобы говорить о метеорологии и климате Титана.

Вообще, сезоны на Титане меняются медленно: один местный год составляет почти 30 земных лет. Настоящие метеорологические наблюдения там начались в 2004 году, когда в систему Сатурна прилетела космическая станция Cassini, и с тех пор протикала лишь четверть полного сезонного цикла. Однако уже этого достаточно, чтоб заметить сезонные изменения в атмосфере Титана. (К слову, в оптическом диапазоне почти ничего не увидишь, поскольку тропосфера скрыта под слоем «органического тумана», Titan haze. Поэтому рассматривать поверхность и облака надо в специальном окне прозрачности в инфракрасной области.)

Описание изменений по результатам наблюдения Cassini приводятся в статье, опубликованной в GRL полгода назад (pdf статьи доступен на сайте NASA). Вкратце: в 2004 году в южном полушарии было лето, и оно там сопровождалось большими облачными образованиями. Это было, в общем, ожидаемо — обычные облака, возникающие за счет конвекции при нагреве поверхности. В августе 2009 года Титан перешел через равноденствие, и теперь в северном полушарии весна, в южном — осень.

И вот тут появились изменения в атмосфере, которые были не совсем понятными. В сентябре-октябре 2010 года были замечены крупные облачные образования в экваториальных широтах. Во время пролета мимо Титана в сентябре 2010 года Cassini увидел вот это (белая стрелка показывает направление вращения Титана):

Поверхность Титана в ИК диапазоне по наблюдениям Cassini 27 сентября 2010 года: белым цветом показаны метановые облака, разные градации серого — топографические детали. Север сверху. Изображение из статьи Seasonal changes in Titan's meteorology.

Шутка. Белая стрелка — это облака. Т.е. в экваториальной зоне возникло мощное облачное образование размером свыше тысячи км, по форме напоминающее стрелку. Три недели спустя эту стрелку уже видно не было, но все равно в экваториальной области остался большой след из облаков.

Вот эта стрелка задала планетологам (или как правильно их называть?) задачку — как такое могло образоваться. Оказалось, оно может образоваться спонтанно, и современные трехмерные модели глобальной циркуляции на Титане даже могут ее в общих чертах воспроизвести. В свежей статье в Nature Geophysics (pdf препринта можно найти в гугле) показаны результаты моделирования, которые воспроизводят, ну может не прямо стрелку, но такую шевроно-подобную загогулину. Ключевую роль в их возникновении играют планетарные волны, колебания атмосферы размером с весь Титан. Возникающие из-за них течения в атмосфере, сталкиваясь лоб в лоб, приводят к образованию таких уголков мощной облачности размерами в тысячу км и больше.

Впрочем, сами авторы моделирования говорят, что там не всё гладко. Это моделирование предсказывает, что такие мощные облака порождают и мощные ливни, которые должны бы заметно изменять топографию местности за счет метановых рек и эрозии. Топографические изменения после «стрелки 2010 года» действительно были, но далеко не такие сильные. Значит, модель сильно переоценивает связь облаков с осадками, и надо работать дальше.

Но вообще хорошо, что появился еще один объект для проверки и отлаживания моделей глобальной циркуляции, и прикольно наблюдать, какие Титан дает загадки и как их пытаются разгадать.