Великий климатический эксперимент

§ №11 2012

§ Рубрика: Экология

§

В деловых кругах, правительстве, технических службах прогнозы обычно составляются на пять-десять лет, самое большое — на 50. Климатологи в своих дискуссиях говорят о конце столетия. В действительности, двуокись углерода, выброшенная сегодня в атмосферу, будет неблагоприятно сказываться на жизни Земли сотни тысяч лет.
Как парниковые газы изменят далекое будущее? Никто с определенностью не может сказать, как ответит Земля, но климатологи, используя математические модели, построенные на базе знаний о климатических системах прошлого, а также сложных процессах, влияющих на климат, и основываясь на физических и химических законах, могут предсказать, как будет выглядеть наша планета.
Уже сегодня мы стали свидетелями того, как будущее, очерченное на многих из данных моделей, приобретает реальные очертания.
По прогнозам, потепление идет более ощутимо над сушей, чем над поверхностью океанов, больше вблизи полюсов, чем у экватора, сильнее зимой, чем летом, и ночью, чем днем. Долгие проливные дожди стали более распространенным явлением. В Арктике сократился снежно-ледниковый покров, а постоянно мерзлые грунты с высоким содержанием метана начали таять. Погода становится все более непредсказуемой, ураганной, приносящей дополнительное тепло.
Где пределы изменений, которые мы вызываем? Лучшим историческим примером может служить климат мелового периода, установившийся 100 млн лет назад, когда влажный горячий воздух окутывал динозавров, похожие на крокодилов существа плавали в водах Арктики, пышная растительность расцветала в насыщенном углекислым газом воздухе. Формирующийся ныне парниковый эффект даст последствия, которые будут длиться сотни тысяч лет или более. Но прежде всего он глубоко отразится на большей части всего живого на планете, особенно на нас.

Язык мозга

§ №12 2012

§ Рубрика: Нейронауки

§

Мозг человека воспринимает информацию за счет анализа временных характеристик потока импульсов по миллиарду нервных клеток.

Наш мозг мощнее Гугла и работает лучше всех роботов вместе взятых. Мы можем моментально перебирать в уме огромное число событий и эмоций. Мы способны немедленно узнавать родителей, супругов, детей, друзей или домашних животных, днем и ночью, из любого положения. Даже наиболее продвинутые компьютерные системы с трудом справляются с подобными задачами. Нам не сложно одновременно заниматься несколькими делами, например, доставать носовой платок и протирать лоб во время разговора. Робот же, способный справиться с такой простой комбинацией действий, еще не создан.

Как мозгу все это удается? Внутри нашей черепной коробки расположены сложные сети – триллионы связей между миллиардами клеток, практически как в Интернете. Одно из преимуществ нашего мозга– высокая энергетическая эффективность: на взаимодействие одной нервной клетки с другой мозг затрачивает в миллион раз меньше энергии, чем нужно компьютеру для осуществления такой же операции. Очевидно, важную роль в достижении столь высокой энергетической эффективности сыграла эволюция.

Однако экономный расход энергии не может объяснить всего, особенно учитывая, что в конструкции мозга имеется большое количество встроенных ограничений. Например, один нейрон коры больших полушарий, отвечая на сигнал, полученный от другого нейрона, генерирует импульс за тысячную долю секунды – черепашья скорость по сравнению с транзисторами компьютера, производящими переключение за миллиардную долю секунды. Надежность нейронной сети также довольно низкая: сигнал, идущий от одного коркового нейрона к другому, пройдет только с 20% вероятностью. Еще меньше шансов у него распространиться дальше, к следующему нейрону.

Нейробиологи еще не до конца понимают, как мозг выбирает значимую информацию из всех проходящих через него сигналов. Нам с коллегами, однако, удалось сделать большой шаг вперед: мы сконцентрировали внимание на том, как мозг успешно использует синхронизацию импульсов для кодирования информации и быстрого решения сложных вычислительных проблем. Дело в том, что группа импульсов, возникающих одновременно, может нести значительно больше информации, чем то же количество импульсов, появляющихся не синхронно.

Предполагается, что исследования в этом направлении не только помогут понять, как устроен самый сложный мыслительный аппарат во вселенной, но и приведут к созданию совершенно нового типа компьютеров. Ученым уже удалось сконструировать «нейроморфную» электронную схему, имитирующую особенности нервной сети. На сегодняшний день мы можем создать устройство с миллионом электронных нейронов, но уже запланированы системы значительно большего масштаба. В будущем мы сможем производить нейроморфные компьютеры, которые работают намного быстрее современных, но потребляют значительно меньше энергии (см. Квабена Боахен «Нейроморфные микрочипы», В мире науки № 8, 2005 C. 36-44).

 

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ:

§ Менее полутора килограммов нервной ткани внутри черепа способны чувствовать, думать и действовать, как не способен ни один компьютер. Мозг достигает таких высот мышления в частности за счет точного временного распределения сигналов, которые пробегают через триллионы синапсов, образованных миллиардами клеток мозга.

§ Когда мы смотрим на цветочный горшок, определенные группы нейронов разряжаются почти одновременно, что вызывает активацию той части мозга, где регистрируется конкретный объект в определенный момент времени.

§ Если мы узнаем, каким образом временные характеристики импульсов используются в качестве кода, то это позволит лучше понять наше поведение и создать новые компьютеры и другие электронные приборы, работающие значительно эффективнее обычных цифровых устройств.

Наконец-то бозон Хиггса!

§ №12 2012

§ Рубрика: Наконец-то бозон Хиггса!

§

Поздним вечером 14 июня 2012 г. группа аспирантов и кандидатов наук, работающих на Большом адронном коллайдере (БАК), начала изучение только что полученных данных.
Эта огромная установка, расположенная в Европейском центре ядерных исследований (CERN) недалеко от Женевы, после затянувшейся почти на всю зиму спячки всего за несколько месяцев выдала огромное количество данных. Но более чем 6 тыс. физиков, работающих на двух самых больших детекторах БАК, остерегались неумышленной предвзятости при их анализе. Они договорились не сообщать друг другу о своих результатах, выполняя то, что они назвали «слепым анализом», до середины июня, когда в результате неимоверно напряженной ночной работы будет обнародовано все сразу.
Много молодых ученых провели всю ту ночь за распутыванием только что представленных нитей доказательства.
Хотя БАК — это гигантский коллайдер, на котором проводится сразу несколько экспериментов, только перед двумя самыми большими — ATLAS и CMS — стояла задача обнаружения бозона Хиггса, давно разыскиваемой частицы, что позволит завершить Стандартную модель физики элементарных частиц, теоретическое описание субатомного мира. Каждый из этих огромных детекторов регистрирует осколки, разлетающиеся в результате столкновения внутри него протонов.
Независимое детальное изучение этих осколков может открыть новые скоротечные явления, включая, возможно, и неуловимый бозон Хиггса. Однако детекторы должны тщательно отслеживать следы частиц и то, куда ушла энергия столкновений, и в то же время постоянно блокировать фоновые низкоэнергетические частицы, чтобы в них не утонули потенциально интересные сигналы.
Это все равно что пить из пожарного рукава, одновременно пытаясь в потоке воды выловить зубами несколько крупинок золота.
К счастью ученые знали, что они ищут. После устранения последствий катастрофы при запуске (всего через девять дней после того, как БАК вступил в строй в 2008 г., короткое замыкание обмоток двух электромагнитов привело к их разогреву и расплавлению, а мощный электрический разряд продырявил их кожух, выбросив тонны гелия и сорвав с фундамента большое количество сверхпроводящих магнитов) в течение 2011 г. Большой адронный коллайдер выдал горы данных, достаточных для того, чтобы обнаружить первые признаки бозона Хиггса.