МЛЕЧНЫЙ ПУТЬ №2, 2018(24)

Павел АМНУЭЛЬ
НОВОСТИ «НАУКИ И ЖИЗНИ»

Современная наука развивается так быстро, и научные новости появляются так часто, что порой кажется, что события сменяются, как картинки в калейдоскопе, и уследить за ними невозможно. И при этом часто приходится читать о том, что современная наука ничего нового не открывает, все великие открытия уже сделаны до нас, а современные ученые только «накладывают глянец» на уже нарисованную картину мироздания. Как уживаются эти две взаимоисключающие точки зрения? Очень просто. Те, кто утверждает, что «наука закончилась», обычно читают только заголовки новостных материалов и не на тех сайтах, где реально можно найти правильную и точную информацию.

Интернет-сайт самого известного российского научно-популярного журнала «Наука и жизнь» (http://nkj.ru) дает возможность знакомиться с новостями науки – точнее: новостями всех современных наук, от абстрактной математики до самой гуманитарной филологии. Научные журналисты «Науки и жизни» не позволяют себе «облегчать» материал, излагают новости науки четко, но, в то же время популярно.

Вот подборка научных новостей (далеко не полная!) за несколько последних месяцев. Авторы этих материалов – опытные и знающие журналисты Алексей Понятов, Аня Грушина, Анастасия Пензина и Кирилл Стасевич.

Есть ли на Марсе признаки жизни?

Органика в марсианском грунте и колебания метана в марсианской атмосфере могут свидетельствовать о том, что на Марсе когда-то была жизнь, но делать такие выводы пока преждевременно.

Марсоход NASA «Curiosity Mars» на земном полигоне. Можно оценить его размер. На переднем плане бур.

Марсоход Curiosity обнаружил органические молекулы в осадочных марсианских породах, возраст которых достигает трех миллиардов лет, а также зарегистрировал сезонные колебания метана в атмосфере. Новым данным, полученным с помощью марсохода, посвящены две статьи в Science.

Curiosity, который начал работать еще в 2012 году, и раньше обнаруживал органику, однако прежде ее количества были настолько незначительны, что вполне могли объясняться загрязнением образцов. Теперь же содержание органического вещества в образцах оказалось в сто раз выше, чем раньше, а именно несколько десятков частей на миллион.

Новую органику марсоход обнаружил в четырех районах кратера Гейл, где он бурил осадочную породу под названием аргиллит, который представляет собой, грубо говоря, камнеподобную уплотненную глину.

Этот аргиллит сформировался миллиарды лет назад из ила, накопившегося на дне древнего озера. Поскольку ультрафиолетовое излучение Солнца и агрессивные химические соединения в марсианской почве разрушают любые соединения, оказавшиеся на поверхности, робот брал пробы с глубины в пять сантиметров. Затем марсоход помещал образцы горных пород в печь и нагревал их до 500 °С, чтобы высвободить органические молекулы. Полученные пары анализировались с помощью масс-спектрометра.

Среди идентифицированных молекул встречаются тиофены, бензол, толуол, пропан и бутен (возможно, что это не полный набор – многие органические молекулы могли разрушиться при высокой температуре).

То, что получилось, было похоже на результат термического разложения керогена – земного органического вещества, сходного по составу с нефтью, который входит в состав горючих сланцев. Земной кероген образовался из останков живых организмов: водорослей, пыльцы, спор. Однако органические молекулы могут возникать не только в результате деятельности живых организмов, но и в ходе небиологических, «неживых» реакций. Кроме того, они могут прилетать вместе с падающими на планету астероидами, метеоритами, кометами и просто космической пылью.

О том, откуда взялась марсианская органика, пока ничего не известно. Но то, что она сохранялась тут в течение миллиардов лет, вселяет надежды на новые находки – которые, возможно, появятся, если мы будем бурить глубже. Наличие органики не обязательно служит признаком наличия жизни, однако, по крайней мере, найденные органические вещества указывают на то, что когда-то в озере кратера Гейл были все необходимые для жизни компоненты.

Что до сезонных изменений в уровне метана, то его количество в марсианской атмосфере растет летом и уменьшается зимой. За атмосферным метаном наблюдали почти три марсианских года, что составляет около шести земных лет. До этого момента его измеряли нерегулярно и в разных местах, что не позволяло обнаружить какую-либо закономерность.

Причины таких сезонных колебаний пока не ясны. Исследователи полагают, что он, вероятнее всего, накапливается где-то под поверхностью, выходя наружу летом, когда повышается температура почвы. Метан получается в результате множества геологических процессов, он также выделяется при воздействии ультрафиолета на некоторые вещества, но также не исключено, что он может быть связан с какими-то биологическими процессами (например, его могут вырабатывать метаногенные бактерии).

В целом – повторим еще раз – ни органика, ни изменения в уровне метана вовсе не обязательно свидетельствуют о том, что на Марсе кто-то живет или жил когда-то давно.

Однако оба открытия – это хороший знак для будущих марсианских миссий. Как пошутил один из исследователей, новыми находками Марс как будто специально поддерживает в нас интерес, заставляя и дальше искать доказательства жизни.

По материалам пресс-релиза НАСА

Странники из ранней Солнечной системы

Некоторые космические объекты, «обитающие» на задворках Солнечной системы, могут рассказать о том, как она выглядела в молодости.

Астероид 2004 EW95, который, скорее всего, изначально принадлежал поясу астероидов между Марсом и Юпитером, а теперь «обитает» около Нептуна.

Во время своей юности Солнечная система выглядела иначе, чем сейчас: планеты в «младенческом» состоянии постоянно сталкивались с облаками пыли и находились гораздо ближе к Солнцу, чем сегодня. Со временем газовые гиганты отодвинулись во внешнюю Солнечную систему. Как и когда именно это происходило, сложно сказать. Одно мы знаем наверняка: останься Юпитер близко к Солнцу, как часто бывает с газовыми гигантами. Земли могло бы и не быть.

Недавно астрофизики обнаружили необычный «осколок истории», который относится, по всей видимости, как раз к периоду перестройки планетного порядка в поясе Койпера – той области Солнечной системы, что заполнена преимущественно глыбами из замерзшего метанового льда, горных пород и металлов. Астероид 2004 EW95 оказался покрыт углеродом. Подобный объект был бы намного более уместен в поясе астероидов между Марсом и Юпитером. Тем не менее крутится он не там, а около Нептуна. Это первый подобный объект, найденный во внешней Солнечной системе. Скорее всего, он вылетел из внутренней системы подобно камню из пращи около 4.5 миллиардов лет назад, когда планеты только формировали свой нынешний облик.

Открытие совершил аспирант Том Секалл из Королевского Университета в Белфасте. Он и его коллеги исследовали данные с Очень Большого Телескопа (это не шутка, он так и называется – Very Large Telescope) в Европейской Южной Обсерватории и в результате обнаружили, что свет, прибывший с поверхности этого астероида, отличается от света с ледяных поверхностей соседних объектов. Астероид размером около 300 километров явно некогда был в контакте с жидкой водой. Сначала возникло подозрение, что тут какая-то ошибка, но оказалось, что поверхность 2004 EW95 и правда отличается. Видимо, астероид когда-то находился в более горячих условиях гораздо ближе к Солнцу. Более того, на нем есть оксиды железа и силикаты, которые никогда не обнаруживали на других объектах пояса Койпера. Все вместе говорит о том, что астероид вылетел из внутренней Солнечной системы еще в то время, когда Юпитер только отдалялся от Солнца.

«Это необычный свидетель ранней истории образования планетарной системы и Солнца», – говорит Томас Пуция, один из соавторов работы и сотрудник Католического университета в Чили. По его словам, путешествие Юпитера во внешнюю Солнечную систему – очень важный этап формирования системы с точки зрения жизни на Земле. В системах, где «горячие» Юпитеры остались близко к своим звездам, они часто мешали образованию меньших планет. Обнаружение объекта 2004 EW95 лишний раз убеждает нас в том, что многие объекты, которые миллиарды лет назад находились рядом с Солнцем, впоследствии двигались от него подальше. Подобные исследования помогают больше узнать о нашей земной колыбели и, возможно, учат нас еще сильнее ценить то, что у Земли, несмотря ни на что, все-таки появился шанс сформироваться и дать жизнь всем нам.

На экзопланетах есть гелий

Обнаружить гелий в составе атмосферы далекой экзопланеты удалось по спектрам в инфракрасном диапазоне.

Представление художника о планете WASP-107b, которая теряет атмосферу, образуя облако из гелия. (Engine House VFX).

Гелий повсеместно распространен во Вселенной. Каждая звезда начинает свою жизнь, создавая гелий из водорода в собственном ядре посредством термоядерного синтеза. Астрономы давно предполагали, что в атмосфере гигантских экзопланет содержится значительное количество гелия.

Однако до сих пор поиск этого элемента не давал результатов. Благодаря новым методам исследования данных космического телескопа Хаббл, группе британских и американских астрономов впервые удалось обнаружить гелий в составе атмосферы газового гиганта WASP-107b, который находится в 200 световых годах от Земли. Результаты опубликованы в журнале Nature.

Изучение атмосфер далеких планет – сложный процесс, сопровождающийся долгими ожиданиями. Астрономы ждут, пока планета пройдет между своей звездой и Землей. Изучая свет звезды, проходящий сквозь атмосферу планеты, они могут охарактеризовать ее состав.

Найти гелий в атмосфере экзопланеты WASP-107b удалось благодаря исследованиям с помощью телескопа Хаббл в инфракрасном диапазоне: был зарегистрирован узкий пик метастабильного состояния гелия на длине волны 10833 А. Это означает, что гелий выходит за пределы атмосферы планеты.

Планета WASP-107b размером не уступает Юпитеру, но ее масса в 8 раз меньше. При столь малой для таких размеров массе планета не способна удержать атмосферу, особенно при воздействии мощного ультрафиолетового излучения своей звезды. Дело в том, что WASP-107b находится очень близко к звезде, в восемь раз ближе, чем Меркурий к Солнцу.

Ультрафиолетовое излучение разрушает атмосферу планеты, создавая эффект кометовидного хвоста. Ускользающий гелий рассеивается на большие расстояния и как тонкое облако окружает экзопланету.

Акцент на инфракрасном спектре в исследовании очень важен. Поскольку инфракрасное излучение проходит через атмосферу и облака, для исследований можно использовать и наземные телескопы.

Астрономы предполагают, что при наличии подобных гелиевых облаков у более мелких планет изучать атмосферы далеких миров станет намного легче.

Хаббл – не единственный космический телескоп, который можно использовать для изучения атмосферы в инфракрасном диапазоне. Космический телескоп «Джеймс Вебб», который планируют запустить в мае 2020 года, также сможет провести аналогичные наблюдения.

По материалам Nature.

Новое открытие в истории ранней Вселенной

Астрономы заглянули в прошлое Вселенной и нашли древнее мегаслияние галактик. Открытие может изменить представления об эволюции Вселенной.

Изображения группы сливающихся галактик, полученных на телескопах APEX, ALMA и SPT (South Pole Telescope) (ESO/ALMA).

Сразу две международные группы астрономов Европейской Южной обсерватории (Чили) с помощью высокоточных радиотелескопов ALMA и APEX заглянули в самые глубины наблюдаемого космоса, где находятся объекты времен зарождения Вселенной, и стали свидетелями массового столкновения галактик.

Оно представляет собой раннюю стадию формирования самой большой структуры во Вселенной – галактического скопления. Полученные данные свидетельствуют о том, что этот процесс занимает значительно меньше времени, чем предполагалось. Кроме того, обилие в этой области межзвездной пыли, участвующей в образовании звезд, дает новое понимание того, как развиваются галактики и другие структуры во Вселенной. Об этом исследователи рассказали в статьях, опубликованных в журналах «Nature» и «Astrophysical Journal».

Обнаруженное скопление удалено от нас на 12.4 миллиардов световых лет. Это значит, что свет из этой области начал свое путешествие к Земле, когда Вселенной было всего около 1.4 миллиарда лет (Считается, что возраст видимой Вселенной – 13.8 миллиардов лет). Ранее астрофизики считали, что формирование гигантских скоплений галактик происходило примерно через три миллиарда лет после Большого Взрыва. Благодаря новым исследованиям удалось узнать, что эти процессы начались гораздо раньше – примерно через 1.5 миллиарда лет после рождения Вселенной. Как подобное скопление могло образоваться так быстро, пока остается загадкой.

Согласно заявлению исследователей, наблюдаемое скопление четырнадцати галактик, которое называется SPT2349-56, – это, по сути, фабрика новых звезд. До этого астрономы еще никогда не наблюдали такого высокого уровня звездообразования в молодой Вселенной. Каждый год здесь рождаются тысячи звезд, в то время как в нашей Галактике Млечного Пути – только одна звезда в год.

Обнаружение подобного кластера галактик уже само по себе впечатляет. Во Вселенной подобные объекты – очень редкое явление. А тот факт, что его формирование началось настолько рано – это поистине вызов нашему сегодняшнему пониманию того, как формируются различные структуры во Вселенной.

Еще одним неожиданным результатом стало обнаружение в скоплении большого количества межзвездной пыли. Время жизни межзвездной пыли считается относительно коротким, так как она вступает в реакцию с газом и быстро им поглощается. Поэтому обнаружение одновременно значительного количества межзвездной пыли и вспышек новых звезд озадачивает и ставит перед астрономами новые вопросы.

Это открытие дает прекрасную возможность изучить, каким образом массивные галактики собирались вместе, создавая огромные галактические скопления. Возможно, отдельные галактики в подобных скоплениях удерживаются вместе с помощью неуловимой темной материи. В самом начале существования Вселенной она могла участвовать в образовании галактических кластеров, содержащих до тысячи галактик.

Это исследование стало возможно благодаря работе новейших радиотелескопов Atacama Large Millimeter Array (ALMA, Атакамская большая [антенная] решетка миллиметрового диапазона) и Atacama Path finder Experiment (APEX, Атакамский эксперимент по поиску пути), расположенных в пустыне Атакама (Чили). Использование подобных сверхточных радиотелескопов − шанс заглянуть в прошлое, назад во времени и пространстве.

Наша галактика, Солнечная система, Земля и мы сами – отдаленный на 13 миллиардов лет продукт первого поколения звезд и галактик. Изучая ранние области Вселенной, мы тем самым исследуем наше собственное происхождение. Возможно, изучение открытой области поможет также выяснить природу темной материи и отыскать ответы на вопросы о расширении Вселенной и скрытой массе.

По материалам пресс релиза ESO

Пульс на Марсе

Агентство NASA запустило новую миссию на Марс, которая называется InSight. Задача этой миссии – собрать информацию о геологической истории и тектонической активности на нашем красном соседе.

Как должен выглядеть InSight на поверхности Марса.

InSight запустили 5 мая 2018 года с базы Ванденберг в 04:05 по времени Тихоокеанского побережья (14:05 мск) при помощи ракеты-носителя Atlas V 401. Сначала станция выведена на полярную орбиту вокруг Земли, а затем, после включения двигателей, выйдет на траекторию полета к Марсу. Вместе с основным аппаратом к Марсу запустили два кубсата MarCO-A и MarCO-B.

26 ноября 2018 года InSight совершит посадку на поверхность Марса на нагорье Элизий.

В случае успеха MarCO-A и MarCO-B будут помогать InSight передавать информацию на Землю и отслеживать посадку на Марс, выполняя функцию «черных ящиков». Полет продлится около полугода – ракета должна пролететь около 485 миллионов километров. Посадка InSight на Марс запланирована на 26 ноября на Elysium Planitia, недалеко от Curiosity.

Самые близкие к Солнцу планеты Солнечной Системы похожи своим составом. Все они появились в процессе так называемой аккреции, когда крупные куски породы сталкивались вместе, налипая друг на друга как снежный ком 4.5 миллиарда лет назад. Под воздействием гравитации и энергии столкновений будущие планеты сначала расплавились, а потом начали постепенно остывать и дифференцироваться, образуя слои: кора из легких элементов снаружи, мантия и ядро из железа и никеля внутри.

Мы знаем довольно много о том, что находится внутри нашей планеты. Что касается Марса, то пока что нам удалось лишь «поскрести» поверхность. «Внутренности» красной планеты отличаются от Земли уже тем, что, насколько мы знаем, у Марса практически отсутствует тектоническая активность, а это значит, что его кора не изменилась со времени образования планеты. Более подробные знания о ней смогут дать информацию о том, какой должна была быть кора нашей планеты до того, как она разделилась на отдельные тектонические плиты с весьма активной динамикой.

Но как мы можем узнать такие подробности? Миссия InSight идет по стопам предыдущих подобных аппаратов, которые летали на Марс (например, миссия Viking), но с обновленным экспериментальным «багажом», который собирали исследователи из США, Германии, Франции, Швейцарии, Бельгии, Австрии, Канады, Польши и Великобритании.

Во-первых, с помощью сейсмометра SEIS аппарат будет наблюдать за сейсмической активностью на Марсе, можно сказать, слушать пульс планеты. Этот чрезвычайно чувствительный прибор будет собирать данные о марсотрясениях, падениях метеоритов и сейсмической активности, вызванной ветрами и пылевым бурями. Для этого он дополнительно оборудован датчиками ветра, давления, температуры и магнитного поля. Аналогично тому, как меняется звук, проходя через различные материалы, сейсмические волны изменяются по мере прохождения через различные материалы коры. Поэтому с помощью SEIS мы сможем узнать больше о ее составе и структуре.

Второй прибор на борту InSight – это зонд HP³ для измерения теплового потока и физических свойств. Он пробурит 5-метровую скважину в поверхности Марса, чтобы следить за изменениями температуры под поверхностью планеты. Это первая скважина такой глубины на Марсе. Измерения определят, как быстро изменяется температура с глубиной: энергия, заложенная при формировании планеты, медленно покидает недра, и, в зависимости от состава коры, это происходит быстро или медленно (в планетарном масштабе, конечно же). На основе данных, которые соберут SEIS и HP³, мы сможем определить, сформированы Земля и Марс из одного и того же материала, или нет.

Третий прибор называется RISE, он будет отслеживать отклонения Марса от орбиты с точностью до сантиметров. Дело в том, что каждая планета немного «колышется» по отношению к своей орбите. Причиной этому служит гравитационное воздействие других комет и космических объектов. Мы знаем, что период таких колыханий Земли составляет 18 лет, а на Марсе – всего один марсовый год (примерно 2 земных).

RISE будет регулярно обмениваться сигналами с Землей, и зная, насколько изменилась частота принятого сигнала за счет эффекта Допплера, можно рассчитать, насколько Марс отклонился от своей орбиты (частота сигнала зависит от скорости объекта, принимающего этот сигнал. Типичный пример эффекта Допплера: когда машина с сиреной проезжает мимо вас, частота звука меняется по мере приближения и удаления машины).

С помощью этой информации можно будет определить размер, состав и физическое состояние ядра планеты, ведь в зависимости того, жидкое оно или твердое, Марс должен по-разному реагировать на гравитационные «приветы» своих соседей (так же как яйцо вкрутую и яйцо всмятку будут крутиться по-разному).

В результате миссии мы должны узнать много нового о внутреннем устройстве Марса и о самом процессе формирования планет. Скорее всего, скоро нам придется снова перепечатывать детские энциклопедии и учебники.

Звуковой чип для квантового компьютера

Физики предлагают использовать в квантовом компьютере акустические колебания и утверждают, что это сделает его компактнее и надежнее.

В работах по созданию квантовых компьютеров традиционно используется микроволновое электромагнитное излучение (фотоны). Однако не так давно появилось альтернативное направление, на основе акустических волн (фононов). Несмотря на то, что квантовоакустический подход пока развит значительно слабее микроволнового, у него есть преимущества, которые могут пригодиться в будущем.

Физики из МФТИ, МИСиС, МГПУ и Лондонского университета разработали квантовую систему, в которой кубит (наименьший элемент для хранения информации в квантовом компьютере) взаимодействует с акустическими волнами в резонаторе. Их исследование демонстрирует, что явления и эффекты квантовой оптики работают на акустике, и позволяет использовать в будущем подобные устройства для разработки квантовых компьютеров. Статья с результатами опубликована в Physical Review Letters.

Авторы работы изучали взаимодействие трансмона – одного из видов сверхпроводящих кубитов – с поверхностными акустическими волнами в резонаторе. Эти волны подобны волнам на поверхности моря, но возникают они на поверхности твердого тела.

Собранный чип представляет собой пьезоэлектрическую подложку из кварца, на которую напылена алюминиевая схема из трансмона, резонатора (два зеркала, отражающие волны), излучателя и приемника. Все эти устройства состоят из больших массивов узких металлических полос. Конструкцию поместили в криостат, охлажденный до нескольких десятков милликельвин, то есть до температуры, близкой к абсолютному нулю.

Пьезоэлектрик – материал, преобразующий электромагнитное воздействие в механическое и наоборот. Источник порождает на пьезоэлектрике поверхностную акустическую волну, которая бежит между зеркалами резонатора, отражаясь от них. Резонатор поддерживает и усиливает волны определенных длин. Внутри резонатора находится трансмон с двумя энергетическими уровнями. Между этими уровнями может происходить переход, то есть трансмон ведет себя как искусственный атом.

Кубит взаимодействует с волнами в резонаторе. Он может переходить в возбужденное или основное состояние, поглощая из резонатора энергию или излучая в него энергию с частотой, равной частоте перехода кубита. При этом резонансная частота самого резонатора изменяется в зависимости от состояния кубита. Измеряя характеристики резонатора, можно производить чтение информации с кубита.

Скорость распространения акустических волн в 100 тыс. раз меньше скорости света, следовательно, и длины получающихся волн во столько же раз меньше. Размер резонатора должен «подходить» под длину волны. На практике он должен быть значительно больше ее. А чем больше резонатор, тем больше в нем оказывается дефектов, которые всегда присутствуют на поверхности кристалла. Эти дефекты приводят к короткому времени жизни состояния кубита, что мешает производить масштабные квантовые вычисления и тормозит создание квантового компьютера. В микроволновой квантовой системе длина волны будет составлять в лучшем случае около одного сантиметра. В случае с акустикой длина волны составляет около 1 микрометра (1 мкм = 10^-6 м), что позволяет делать высокодобротные резонаторы размером 300 мкм. В данной работе длина волны равна 0.98 мкм.

Из-за большой длины волны в микроволновый электромагнитный резонатор сложно поместить даже два кубита, которые бы взаимодействовали с ним на разных частотах. Поэтому в микроволновом случае для каждого кубита приходится делать отдельный резонатор.

В акустике можно сделать несколько кубитов, немного отличающихся по частоте перехода, и разместить их в одном механическом резонаторе. Поэтому квантовый чип на звуковых волнах должен быть гораздо компактнее тех, что производят сейчас. К тому же акустические устройства не чувствительны к электромагнитному шуму, что может решить проблему чувствительности к нему микроволновых квантово-вычислительных систем.

Ранее никто не связывал кубит с резонатором на поверхностных акустических волнах в квантовом режиме. Были отдельно изучены резонаторы такого типа, но без кубита, и отдельно кубиты с поверхностно акустическими волнами, но бегущими, не в резонаторе. На объемных резонаторах квантовый режим был показан, но дело дальше не пошло, возможно, из-за сложности производства. В данной работе исследователи использовали однослойную структуру, которую проще изготовить с помощью имеющихся технологий.

Исследование было выполнено в лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ.

По материалам пресс релиза МФТИ

Графен раскрывает секреты

Разгадка причин Оже-рекомбинации электронов и дырок в графене делает возможной создание лазеров на его основе.

Кристаллическая структура графена представляет собой двумерную гексагональную кристаллическую решетку. Носителями заряда в полупроводнике служат электроны и дырки. Встретившись, они взаимно уничтожают друг друга, что физики называют рекомбинацией. Электрон при этом теряет энергию, судьба которой может быть различной.

Рекомбинация электрона и дырки с излучением света составляет принцип работы полупроводникового лазера, основного прибора современной оптоэлектроники. Но излучение – не единственный возможный исход. Часто освобождающаяся энергия идет на раскачку соседних атомов, или подхватывается пролетающим мимо электроном. Последний процесс называется Оже-рекомбинацией. Он назван в честь французского физика Пьера Оже, исследовавшего эти процессы.

Разработчики лазеров стремятся усилить излучение света при столкновении электрона и дырки и ослабить все другие процессы, в том числе и Оже-рекомбинацию, которая губительна для полупроводниковых лазеров, так как забирает себе энергию, которая могла бы стать светом.

Физики из МФТИ и университета Тохоку (Япония) объяснили парадоксальное явление Оже-рекомбинации в графене, которое в этом двумерном материале с одной стороны считалось запрещенным фундаментальными физическими законами сохранения импульса и энергии, а с другой упорно наблюдалось в экспериментах. Теоретическое обоснование этого процесса представляло до недавнего времени одну из сложнейших загадок физики твердого тела. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review B.

В 1928 году Поль Дирак теоретически предсказал, что у электрона существует двойник, не отличающийся ничем, кроме знака электрического заряда. Эту частицу, названную позитроном, вскоре открыли экспериментально. Спустя несколько лет физики осознали, что носители заряда в полупроводниках – кремнии, германии, арсениде галлия и многих других — ведут себя подобно электронам и позитронам. Электроны и дырки тоже могут взаимно уничтожаться с высвобождением избытка энергии.

Математически законы сохранения выглядят схожим образом для электрон-дырочных пар в графене и для электрон-позитронных пар в теории Дирака. Запрет рекомбинации электрона и позитрона с передачей энергии третьей частице был известен очень давно. Это означало, что Оже-рекомбинация в графене тоже должна быть запрещена законами сохранения импульса и энергии.

Однако в графене эксперименты упорно демонстрировали быстрое взаимное исчезновение частиц и античастиц, электронов и дырок. По всем внешним проявлениям это исчезновение шло по сценарию Оже. Более того, время исчезновения пар в эксперименте составляло менее пикосекунды, и это в сотни раз быстрее, чем в используемых сейчас оптоэлектронных материалах. Эксперименты предрекали огромные трудности в реализации лазера на основе графена, которую предложил один из авторов работы, выпускник МФТИ, Виктор Рыжий.

Исследователи из лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ(руководитель Дмитрий Свинцов) и Тохоку выяснили, что запрещенное классическими законами сохранения Оже-рекомбинация электронов и дырок в графене разрешается в квантовом мире благодаря соотношению неопределенностей «время – энергия». Согласно ему, закон сохранения можно нарушить на величину, обратно пропорциональную времени свободного пробега частицы. А время свободного пробега электрона в графене очень мало, поскольку электроны представляют собой плотную «кашу».

Привычные законы сохранения разрешают Оже-рекомбинацию, только если все три частицы — участницы процесса движутся строго в одну сторону. Вероятность такого события стремится к нулю. Используя мощные методы квантовой физики, учитывающие неопределенность энергии частицы, авторы решили проблему. Вероятность процесса оказалась конечной и достаточной для экспериментального наблюдения, причем полученные результаты показали хорошее согласие с экспериментальными данными.

Важно, что исследование не только объясняет возможность «запрещенного» процесса Оже-рекомбинации, но и указывает условия, при которых он будет слабым. Это делает возможным создание лазеров на основе графена. Первые экспериментальные свидетельства лазерной генерации уже получены в университете Тохоку (Япония). Кроме того, при быстром «сгорании» электроны и дырки нагреваются до сверхвысоких температур, а в лазерах можно использовать носители с малой энергией, которые, согласно расчетам, живут дольше, а значит, лазерная генерация будет более эффективна.

Не менее важно, что развитый метод расчета времени «сгорания» электронов и дырок не ограничен графеном. Он применим к целому семейству так называемых «дираковских материалов», в которых поведение носителей заряда подобно электронам и позитронам из теории Дирака. По предварительным расчетам, много большего времени жизни носителей можно достичь в квантовых ямах из теллурида кадмия-ртути, где законы сохранения для Оже-рекомбинации получаются даже «более строгими».

По материалам пресс-релиза МФТИ.

Пчелы понимают ноль

Учась сравнивать «больше» и «меньше», пчелы могут представить себе ситуацию, когда один – это больше, чем ничего.

Пчела сравнивает листы с кругами, где больше, где меньше. (Фото: Scarlett R. Howard / RMIT University)

Многие животные понимают, что такое «больше» и что такое «меньше», и им даже не обязательно показывать для этого разное количество еды – животные вполне могут сравнить количество каких-то абстрактных кубиков или точек. Но что если предметов становится все меньше, меньше и меньше, и так до тех пор, пока они не исчезнут совсем? Представить, что такое «ноль», сравнить наличие с отсутствием – это задача более сложная, чем сравнить «меньше» и «больше».

Тем не менее некоторые животные справляются и с ней: например, ноль вполне по плечу обезьянам (в том числе и нечеловекообразным) и попугаям жако. Можно было бы ожидать, что концепция ноля будет доступна только таким признанным умникам, как приматы и попугаи, но исследователи из Королевского Мельбурнского технологического института внезапно выяснили, что ноль могут понимать и пчелы.

Про пчел известно, что они могут считать до пяти, и сначала Скарлет Хауард (Scarlett R. Howard) и ее коллеги учили пчел просто выбирать между «больше» и «меньше»: насекомые должны были приземляться рядом с листами бумаги, на которых было разное число черных кругов разного размера. Если пчела выбирала правильный вариант, она получала сладкое угощение; в результате насекомые довольно быстро научились правильно сравнивать между собой листы с различным количеством кругов.

Но потом эксперимент изменили: на листах бумаги был либо один кружок, либо никаких кружков вообще. И пчелы вполне поняли, что отсутствие кружков – это меньше, чем хотя бы один имеющийся круг, и верно выбирали, куда им сесть, в 63% случаев. С одной стороны, 63% правильных ответов – не очень много, с другой стороны, животным, которые вообще не понимают смысл ноля, даже такая доля правильных ответов недоступна.

В целом представление о полном отсутствии чего-то, несмотря на всю свою абстрактность, может очень даже пригодиться в жизни; например, полезно было бы понимать, что значит полное отсутствие еды (то есть нужно идти ее искать в какое-то другое место) или полное отсутствие хищников (значит, можно почувствовать себя в безопасности и расслабиться). Так что даже удивительно, что не все животные понимают это самое полное отсутствие.

В то же время, как пишет портал The Scientist, некоторые специалисты сомневаются в корректности сделанных выводов. Например, Клинт Перри (Clint J. Perry) из Лондонского университета королевы Марии – Перри много занимается поведением шмелей, и мы уже как-то рассказывали о его экспериментах по повышению оптимизма у шмелей и о шмелях, играющих в футбол, – так вот, Клинт Перри полагает, что пчелы в данном случае сравнивали листы бумаги по соотношению черного и белого, а вовсе не по количеству кругов-точек.

Со своей стороны, авторы работы отвечают, что полностью чистый лист пчелы раньше не видели, им приходилось осмыслять его прямо в ходе эксперимента. Поскольку их учили получать угощение, когда они выбирали круги на бумаге, то и в последнем варианте можно было бы ожидать, что они предпочтут один-единственный круг белому листу – потому что круг (или круги) связаны у них с наградой. Тем не менее в большинстве случаев насекомые выбирали именно «ничто».

Видимо, спор о понимании пчелами нуля еще будет какое-то время продолжаться – во всяком случае, до тех пор, пока исследователи не сумеют считать электрические импульсы в их мозге и сопоставить активность мозга с поведением.

Впрочем, даже если пчелы действительно окажутся такими умными, тут не будет ничего удивительного: мы неоднократно рассказывали о том, как довольно сложное поведение обнаруживали у животных, про которых никто не мог бы подумать, что они на это способны. Тут можно вспомнить про утят с абстрактным мышлением и тех же шмелей, которые не только способны выучиваться каким-то странным вещам (вроде вышеупомянутого футбола), но и могут перенимать навыки у своих товарищей.

Человеческому мозгу помогли увеличиться три гена

Гены, появившиеся у древних людей, заставляют стволовые клетки в развивающемся мозге дольше делиться, тем самым увеличивая число будущих нейронов.

Человеческий мозг больше, чем мозг любого другого животного, включая даже наших ближайших эволюционных родственников шимпанзе. (На всякий случай уточним, что имеются в виду не абсолютные размеры, а величина мозга по сравнению со всем телом.) Очевидно, чтобы мозг стал таким большим, должны были произойти какие-то изменения в генах. Действительно, время от времени появляются сообщения о том, что биологи нашли очередной «ген большого мозга», и таких генов накопилось уже порядочно.

На днях в журнале Cell вышло сразу две статьи с описанием трех генов, благодаря которым человеческий мозг смог перерасти мозг других человекообразных приматов. Однако в отличие от большинства работ, посвященных «генам большого мозга», в новых статьях рассказывается еще и о том, как такие гены работают. В обеих статьях речь идет о генетическом семействе NOTCH2NL. Исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Крузе выясняли, какие гены управляют развитием коры мозга у человека и макак резуса (опыты ставили на стволовых клетках, которых заставляли превращаться в нейроны коры, формируя так называемый мозговой органоид). В эмбриональном развитии большую роль играют гены NOTCH, которые кодируют сигнальные белки, от которых, в свою очередь, зависит взаимодействия эмбриональных клеток друг с другом. Оказалось, что сигнальные пути NOTCH в человеческих клетках и обезьяньих работают по-разному, и различия здесь обусловлены тем, что у человека работает другие варианты генов NOTCH – те самые NOTCH2NL.

Раньше считалось, что NOTCH2NL – это один ген, когда-то давно отделившийся от семейства NOTCH. Теперь же выяснилось, что NOTCH2NL – не один ген, а три, которые сидят рядом на первой хромосоме. У обезьян есть NOTCH2NL-подобные гены, но они у них нефункциональны. С другой стороны, известно, что работающие версии NOTCH2NL появлялись в геномах других видов людей – у неандертальцев и денисовцев. В конечном счете удалось восстановить следующую картину: около 14 млн лет назад, у общего предка людей, горилл и шимпанзе ген NOTCH2 удвоился – это обычный случай, когда при копировании ДНК какой-то ее кусок копируется лишний раз. Но в случае с NOTCH2 вторая копия оказалась дефектной, неполной. Именно такой дефектный NOTCH2 есть у горилл с шимпанзе.

Потом, спустя 11 млн лет, у предков людей к неработающей копии NOTCH2 добавился необходимый кусок – так появился работающий ген NOTCH2NL. Спустя какое-то время рядом с ним появились еще две его копии, и число генов NOTCH2NL стало равно трем. Когда гены NOTCH2NL пересаживали мышам, кора мозга у животных развивалась сильнее, чем обычно, а когда NOTCH2NL выключали в человеческих стволовых клетках, которые должны были превращаться в нейроны коры, то такие стволовые клетки давали меньше зрелых нейронов.

Другая команда исследователей из Института мозга при Левенском католическом университете изучала активность генов в развивающемся мозге человека между седьмой и двадцать первой неделями беременности. В результате удалось найти 35 генов, принадлежащих 24 генетическим семействам, которые работали только у людей. Гены из девяти семейств внедрили мышиным эмбрионам. Один из генов был NOTCH2NLB из семейства NOTCH2NL, и оказалось, что он удерживает нервные стволовые клетки в стволовом состоянии, не давая им превращаться в зрелые нейроны. Пока стволовая клетка остается стволовой, она продолжает делиться – таким образом, ген NOTCH2NLB увеличивал будущее число нейронов. Те же результаты с увеличением числа нейронов получились и в экспериментах с человеческими эмбриональными клетками.

Тут надо отметить, что такой механизм увеличения мозга – за счет повышенной активности стволовых клеток – обсуждают уже давно. Мы, например, как-то рассказывали про другую работу, выполненную специалистами из Калифорнийского университета в Сан-Франциско: они выяснили, что в нашем мозге во время эмбрионального развития есть особые стволовые клетки, которые делятся намного активнее, чем их эволюционные предшественники у других животных. Но сейчас, повторим, удалось показать нечто иное, а именно как связаны гены, молекулярные сигнальные пути и активность стволовых клеток, формирующих мозг. В перспективе же предстоит выяснить, отличаются ли по функциям три копии NOTCH2NL или же они все работают одинаково, и как они взаимодействуют с другими генами, помогающими сделать наш мозг таким большим.

Эмоции кажутся нам более убедительными, чем разумные доводы

Стараясь убедить другого человека в чем-либо, мы пользуемся очень эмоциональным словарем – даже если знаем, что этот другой человек руководствуется исключительно разумом.

Пытаясь убедить в чем-то другого человека, мы апеллируем не столько к разуму, сколько к эмоциям.

Когда мы хотим кого-то в чем-то убедить, какую стратегию мы выберем: будем взывать к разуму собеседника или же давить на эмоции? Психологи из Северо-Западного университета утверждают, что по преимуществу люди выбирают именно эмоциональную стратегию, и это прямо отражается в том, какие слова они используют в разговоре.

В исследовании участвовали без малого 1300 человек. Всем им показывали фото какой-то вещи из интернет-магазина и просили сделать к ней описание – оно должно было быть исключительно положительным, но в одном случае следовало придерживаться нейтральной интонации, просто перечисляя плюсы товара, а в другом случае требовалось сочинить настоящий панегирик, чтобы тот, кто его прочтет, немедленно это купил. Дальше оставалось только проанализировать написанные сочинения на предмет словоупотребления: сколько там слов с тем или иным оттенком и насколько много эмоционально насыщенной лексики.

Слов с положительным значением, которые в большей степени относились к самому товару – вроде «превосходный», «прекрасный» и т. д. – оказалось примерно поровну и в описательных, и в продающих текстах. Отличие было в другом: когда требовалось именно что убедить другого купить некую вещь, в тексте появлялись такие слова, как «волнующий», «захватывающий», «увлекающий» и т. д., то есть явно более эмоционально окрашенные, обращающиеся к чувствам того, кто это будет читать.

В статье в Psychological Science говорится, что переход на более эмоциональный язык происходил автоматически. Когда участников эксперимента просили одновременно с написанием отзыва удерживать в уме последовательность из восьми цифр, они все равно использовали более эмоциональную лексику, хотя эти самые восемь цифр должны были их отвлекать, не давая обдумывать, какое слово лучше употребить в том или ином случае.

В целом слова с большей эмоциональной нагрузкой быстрее приходили на ум, когда человека просили быть поубедительнее, и даже когда его просили представить перед собой исключительно разумную аудиторию, которая пренебрегает эмоциями, лексика убеждающих текстов все равно оказывалась эмоциональной.

Стоит подчеркнуть, что авторы работы оценивали не реальную убедительную силу эмоций, но то, насколько убедительными они нам кажутся. Вообще известно, что с собеседником, который полагается на разумные аргументы, эмоции обычно приводят к обратному результату – то есть собеседник вас просто не услышит. Тем не менее связь между убедительностью и эмоциональностью в нашем сознании, очевидно, очень и очень сильна.

Впрочем, как говорят сами авторы на портале Association for Psychological Science, прежде чем делать слишком широкие обобщения, нужно поставить похожие эксперименты, но в других социальных контекстах. Ведь можно предположить, что в неформальной обстановке эмоции будут казаться более убедительными, нежели во время официальной встречи, кроме того, выбор более или менее эмоциональной лексики может зависеть от того, говорим ли мы устно или письменно.

АРХЕОЛОГИЯ

Доисторических гигантских зверей истребили люди

По мере расселения на новые земли древние люди истребляли в первую очередь тех животных, которые были крупнее других.

Споры о том, почему вымерли гигантские млекопитающие, по-видимому, прекратятся еще не скоро.

С доисторическими зверями, жившими в плейстоцене (то есть примерно между 2.6 млн и 12 тыс. лет назад), связана одна загадка: крупные животные, те, кого мы называем мегафауной – мамонты, гигантские ленивцы, саблезубые кошки и пр. – вымерли быстрее мелких. Изначально это обнаружили в Австралии, на территории которой около 35 тыс. лет назад число млекопитающих-гигантов стало стремительно сокращаться.

На самом деле быстрое вымирание мегафауны происходило и в других местах. И причиной тому, как говорится в недавней статье в Science, были люди. Фелиса Смит (Felisa A. Smith) из Университета Нью-Мексико и ее коллеги из других научных центров США утверждают, что исчезновение наиболее крупных зверей происходило и в Африке. Homo sapiens как вид сформировался около 200 тыс. лет назад, а самые крупные африканские млекопитающие 125 тыс. лет были уже на 50% меньше тех, что обитали на других континентах. Потом человек покинул Африку и начал расселяться на другие земли. Про миграции древних людей сейчас известно уже довольно много, и, как уверяют авторы работы, если сопоставить эти миграции с тем, чьи кости мы находим в том или ином месте, то мы опять-таки убедимся, что там, где появлялись люди, крупных зверей становилось все меньше и меньше. Те, кто пережил приход людей, были весьма невелики.

Конечно, вряд ли стоит подозревать древних Homo в какой-то особенной неприязни к крупным животным. Просто для пропитания их убивать было выгоднее: грубо говоря, одним кроликом вы накормите одного-двух человек, крупного же зверя хватит на целую деревню. Конечно, на больших животных охотиться может быть довольно непросто, но люди уже тогда отличались умом и сообразительностью, и действовали сообща, а не в одиночку. Чтобы нанести невосполнимый урон мегафауне, необязательно было даже охотиться на всех подряд, достаточно было взяться только за несколько крупных видов, которые служили пищей для других гигантов, вымерших бы в результате от бескормицы.

Это не первая работа, в которой доисторических людей обвиняют в исчезновении доисторических гигантских зверей. Несколько лет назад мы писали о довольно похожей статье в Proceedings of the Royal Society B, в которой также сравнивали расселение людей и изменения в биоразнообразии.

В новой работе сделан акцент на соотношении мелких и крупных зверей, кроме того, авторы статьи в Science подчеркивают, что перекос в пользу мелких начался довольно давно, и последние 65 млн лет среди млекопитающих явно доминируют виды с небольшим телом – то есть влияние человека на эволюцию зверей действительно трудно переоценить.

Более того, крупные звери продолжают исчезать и сейчас, и, как полагают исследователи, через 200 лет из млекопитающих не останется никого крупнее коровы. Большие звери – обычно травоядные, и потому они во многом определяют облик растительных сообществ; можно предположить, что с исчезновением крупных травоядных в экосистемах по всей земле ждут значительные изменения.

Впрочем, здесь нельзя не упомянуть об альтернативной гипотезе, которая связывает вымирание мегафауны с резкими климатическими изменениями. С одной стороны, из-за таких изменений, вероятно, вымерли бы не только крупные, но и мелкие звери – а они, как-никак, пережили гигантов. Да и были ли сами эти изменения?

В 2015 году мы писали о том, что, по некоторым данным, в то время, когда вымирали мамонты, климат был вполне устойчив. С другой стороны, известно, что островные мамонты и гигантские ленивцы из Анд вымирали без участия людей; что же до климата, то причиной вымирания могли стать непродолжительные, но резкие климатические встряски. То есть споры о том, почему вымерли гигантские млекопитающие, по-видимому, прекратятся еще не скоро.