Разработано в ФИАН

01.07.2010



Солнечный проект ушел в тень

Программа работы единственного российского научного спутника «Коронас-Фотон» завершена официально. Такое решение принято по итогам заседания государственной комиссии, выяснявшей причины прекращения работы аппарата – солнечная обсерватория вышла из строя в декабре 2009 года.

«Коронас-Фотон» – первый за десятилетие российский научный спутник – был выведен на орбиту 30 января 2009 года. На борту спутника находился комплекс научных инструментов для исследования Солнца. Центральным среди них была космическая рентгеновская обсерватория «Тесис», разработанная в Физическом институте имени Лебедева (ФИАН).

Первые неполадки на борту спутника обнаружились осенью 2009 года. К 1 декабря по причине нехватки энергообеспечения была отключена вся научная аппаратура. На связь с Землей спутник перестал выходить 11 декабря прошлого года. Таким образом, общая продолжительность целевой работы «Коронас-Фотон» составила 278 дней: с 26 февраля (день включения научной аппаратуры) до 30 ноября 2009 года (день последнего получения научной информации). Согласно заключению госкомиссии, причиной выхода аппарата из строя стала поломка системы электропитания.

Стоит отметить, что «Коронас-Фотон» был создан на базе платформы «Метеор», разработанной 30 лет назад. Гарантийный срок работы аппарата составлял три года. Современный уровень разработок предполагает 10−15 лет работы космических аппаратов.

«Роскосмос» выражает готовность продолжить программу спутниковых исследований Солнца, однако решение о дальнейших научных исследованиях должно для начала принять бюро Совета по космосу Российской академии наук. Секция «Солнечная система» Совета по космосу РАН рекомендовала ранее включить проект новой солнечной обсерватории в Федеральную космическую программу. Для будущей обсерватории было предложено название «Солярис», предполагаемый запуск – 2015 год.

Эксперт Online

***

Построена физическая модель явления незатухающих токов в мезоскопических кольцах

Стремительная миниатюризация объектов исследований и разработок делает актуальным изучение явления незатухающих токов в мезоскопических кольцах. Результаты исследования, которое проводится в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН), могут быть использованы при создании систем мезо- и наноразмеров.

Мезоскопическое кольцо - кольцо размером порядка микрометра, изготовленное из нормального (не сверх-) проводника. Поместим этот объект в магнитное поле таким образом, чтобы оно проходило сквозь кольцо, но чтобы в самом металле, где могут двигаться электроны, магнитного поля не было. В этом случае при низкой температуре в кольце самопроизвольно возникает незатухающий ток.
Будь электроны классическими объектами - "шариками с зарядом", никакой ток в такой системе не потек бы, ведь ни электрического, ни магнитного поля внутри металла нет. Но поведение электронов описывается квантовой механикой. Существует эффект Ааронова-Бома, благодаря которому электрон интерферирует сам с собой, обойдя это кольцо. В связи с этим и возникает такое явление - незатухающий ток. Он зависит от пронизывающего кольцо магнитного потока и является его периодической функцией, период которой - квант магнитного потока.
Появление незатухающих токов в мезоскопических кольцах - чисто квантовое явление. Предсказано оно было еще в 30-е годы, но серьезный интерес к нему экспериментаторы проявили в 80-е, а в 90-х такие системы уже научились делать "в железе". Вспоминает руководитель отдела высокотемпературной сверхпроводимости и наноструктур ФИАН доктор физико-математических наук Владимир Пудалов: "Идея о том, что могут быть незатухающие токи в колечках из нормального металла, в которых бежит электронная волна, высказывалась еще в 60-е годы в Институте ядерной физики в Ленинграде. Кольцо должно быть такого маленького размера, что фаза волны не сбивается. Электрон не меняет фазу и не теряет энергию. Более того, в те же годы в Институте физических проблем в Москве провели эксперимент - сумели напылить колечко, под микроскопом наложили контакты, поместили под постоянное магнитное поле и обнаружили квантование сопротивления в зависимости от магнитного поля, согласующееся с незатухающими токами".

Явлением незатухающих токов заинтересовались не только экспериментаторы, но и физики-теоретики. Один из инструментов теоретика - построение модели. Простейшая модель, которую можно себе представить, это невзаимодействующие электроны, сидящие в этом кусочке металла. Такие модели можно обсчитать, и это уже сделано. Но в реальности, что и подтверждают эксперименты, система гораздо сложнее. Самое простое возможное объяснение этого - в кольце есть беспорядок, обусловленный примесями в металле. Незатухающий ток изменяется от образца к образцу. Он бездиссипативный, то есть тепло не выделяется, и вечный двигатель на этом построить нельзя. Ток постоянный - это свойство основного состояния системы, но в разных образцах - разный. Параметры типичного тока (это характерный ток, который может течь в колечке с конкретными параметрами) были вычислены еще в 80-е годы. Но в экспериментах наблюдаемый эффект оказался на два порядка больше расчетного (хотя обычно бывает наоборот). И даже направление тока в кольце оказалось противоположным тому, что предсказывает теория. Эксперименты показали, что простейшая модель не согласуется с реальностью. Причиной может служить межэлектронное взаимодействие в кольце.

Говорит сотрудник Отделения теоретической физики ФИАН Андрей Семенов: "Общий эффект электрон-электронного взаимодействия состоит вот в чем. Когда электрон движется, его волновая функция за счет этого взаимодействия приобретает дополнительную фазу. Если же траектория электрона достаточно велика, он забывает фазу, которая была изначально, и уже не может интерферировать. А незатухающий ток в кольце полностью зависит от интерференции. Межэлектронные взаимодействия, таким образом, существенно усложняют картину".

Квантовая механика описывает амплитуду вероятности перехода из одной точки в другую. Если система классическая, она движется по одной траектории, определяемой классическими уравнениями движения. Если же система квантовая, она движется по всем траекториям сразу.

"Мы строим модель, в которой можно грамотно учесть электрон-электронные взаимодействия, понять все связанные с ним эффекты... Что ключевое в этой системе? Беспорядок, взаимодействие или еще что-то? Можно выделить одно физическое явление - влияние межэлектронного взаимодействия на электрон. Вот этим я и занимаюсь - рассматриваю систему, в которой пока для простоты выделяем частицу на кольце. Мы наблюдаем только за одним электроном. А все окружающие - создают поле, которое на него действует. Он движется и чувствует поле, создаваемое остальными электронами. В такой модели можно учитывать, как это поле влияет на его движение и его интерференцию с самим собой. Это физическая модель, которую можно обсчитать и привязать к реальности", - рассказывает Андрей Семенов по итогам своего выступления на одном из фиановских семинаров.

Цель исследования - сформулировать новую постановку задачи для экспериментаторов. Ведь без теории, корректно описывающей то, что видит экспериментатор, практическое использование явления невозможно.

***

Что объединяет Интернет, человеческий мозг и транспортную систему?

В Секторе математической физики Физического института им. П.Н. Лебедева (ФИАН) занялись разработкой алгоритма быстрого и надежного сравнения сетей различной природы. Знание процессов взаимодействия элементов сети, ее свойств, характеристик важно не только для использования в практических целях, но и для понимания мироустройства. О сути работы рассказывает ведущий научный сотрудник ФИАН, доктор физ.-мат. наук Сергей Нечаев.

Многие физические, химические и биологические процессы в природе связаны между собой. Если каждый процесс представить точкой, то связи между этими точками образуют сеть, а из-за того, что один процесс может влиять на другой, соответствующая связь имеет направление. В мире существуют сети разной природы - Интернет, транспортные сети, сети электрификации, генетические, социальные сети, и т.д. Человек, как правило, не задумывается о статистических свойствах какой-либо сети, когда использует ее. Например, туриста мало заботит то, как устроена сеть мировых морских перевозок. Для него важно только вовремя попасть из одного места в другое. Тем не менее, для нормального функционирования всей сети в целом, необходимо знать ее статистические характеристики, например, для того, чтобы оптимизировать перевозку большого числа пассажиров одновременно.

"В 2004 году группа биофизиков из Израиля проанализировала свойства различных сетей с точки зрения распределения их "мотивов". "Мотивы" - это группы связей между небольшим количеством, как правило, тремя или четырьмя, элементов сети. Оказалось, что после достаточно простой стандартизации все сети в мире можно разделить на 4 категории по распределению "мотивов". Эти категории были названы "суперсемействами". В первую категорию попали сети связей между генами, так называемые транскрипционные сети: один ген влияет на другой, изображая это влияние направленной связью, получаем сеть. Вторая категория - это сети синаптических контактов между нейронами и их взаимного влияния друг на друга. Третья категория - это Интернет, социальные и транспортные сети. В последнюю, четвертую, категорию попали лингвистические сети, определяющие смысловые связи между словами в различных языках", - рассказывает Сергей Нечаев.

Все эти сети - сети естественной природы. Других сетей, не принадлежащих к какому-нибудь из перечисленных четырех "суперсемейств", в природе не обнаружено. Почему так происходит, и как создать искусственную сеть, попадающую в заранее выбранное суперсемейство, - вопросы до сих пор открытые.

"Занимаясь проблемами низкотемпературной динамики белка, - продолжает Нечаев, - вместе с коллегами из Института Химической Физики им. Н.Н. Семенова РАН (ИХФ РАН) и студентом 5-ого курса МФТИ, мы изучали свойства так называемых случайных блочно-иерархических матриц, которые использовались для описания сети контактов в белковой молекуле при низких температурах. Структура таких матриц напоминает организацию сети с четко выраженной иерархией взаимодействия, когда одни блоки вложены в другие, другие в третьи и т.д. Например, Интернет - сеть, где есть квартиры, дома, кварталы, города и т.п. Мы решили исследовать нашу блочно-иерархическую сеть на распределение "мотивов" точно так же, как это делали исследователи из Израиля. Оказалось, что мы удивительным образом попали в класс сетей, совпадающих с сетями синаптических контактов между нейронами".

Это был первый пример искусственной сети, попадающей в один из классов, известных в природе. Теперь предстоит понять, насколько жестко связана блочно-иерархическая структура такой сети с распределением мотивов.
Во многих реальных сетях вероятность связи какого-то элемента с другими имеет зависимость, которая убывает как степенная функция. Такие сети получили название безмасштабных, в частности, к ним относится Интернет. Как любая степенная функция безмасштабные сети не имеют характерного масштаба, поэтому нельзя четко определить, где именно кончается сеть.

"Оказалось, что свойство безмасштабности проявляется в разных статистических свойствах сетей. Мы исследовали спектральные свойства матриц контактов блочно-иерархических сетей. Для этого мы вычисляли собственные значения матрицы контактов и исследовали их распределение", - делится Сергей Нечаев.

В настоящее время сотрудники Сектора математической физики ФИАН занимаются разработкой алгоритмов быстрого и надежного сравнения различных сетей, а также выделением характеристик, по которым эти сети можно сравнивать. Эта работа может прояснить причины возникновения четырех суперсемейств с математической точки зрения.
Что дальше и зачем это нужно? Знание общих принципов построения и функционирования сетей уже заставило по-новому взглянуть на многие прикладные задачи в самых различных научных областях, например, повышение безопасности сети Интернет, борьбу с распространением эпидемий в обществе и т.д. Знание о том, как связаны между собой элементы сети, позволит установить, насколько она устойчива по отношению к внешним возмущениям. Иными словами, если разрушить ряд сетевых связей, сохранятся ли при этом свойства сети в целом? Этот класс вопросов очень важен, например, для функционирования генетических сетей, в которых работа одного гена определяет работу другого. В одних случаях разрыв непосредственной связи между генами может блокировать их совместную работу, а в других - нет. Все эти процессы требуют детального изучения.

В Секторе математической физики Физического института им. П.Н. Лебедева (ФИАН) занялись разработкой алгоритма быстрого и надежного сравнения сетей различной природы. Знание процессов взаимодействия элементов сети, ее свойств, характеристик важно не только для использования в практических целях, но и для понимания мироустройства. О сути работы рассказывает ведущий научный сотрудник ФИАН, доктор физ.-мат. наук Сергей Нечаев.

Многие физические, химические и биологические процессы в природе связаны между собой. Если каждый процесс представить точкой, то связи между этими точками образуют сеть, а из-за того, что один процесс может влиять на другой, соответствующая связь имеет направление. В мире существуют сети разной природы - Интернет, транспортные сети, сети электрификации, генетические, социальные сети, и т.д. Человек, как правило, не задумывается о статистических свойствах какой-либо сети, когда использует ее. Например, туриста мало заботит то, как устроена сеть мировых морских перевозок. Для него важно только вовремя попасть из одного места в другое. Тем не менее, для нормального функционирования всей сети в целом, необходимо знать ее статистические характеристики, например, для того, чтобы оптимизировать перевозку большого числа пассажиров одновременно.

"В 2004 году группа биофизиков из Израиля проанализировала свойства различных сетей с точки зрения распределения их "мотивов". "Мотивы" - это группы связей между небольшим количеством, как правило, тремя или четырьмя, элементов сети. Оказалось, что после достаточно простой стандартизации все сети в мире можно разделить на 4 категории по распределению "мотивов". Эти категории были названы "суперсемействами". В первую категорию попали сети связей между генами, так называемые транскрипционные сети: один ген влияет на другой, изображая это влияние направленной связью, получаем сеть. Вторая категория - это сети синаптических контактов между нейронами и их взаимного влияния друг на друга. Третья категория - это Интернет, социальные и транспортные сети. В последнюю, четвертую, категорию попали лингвистические сети, определяющие смысловые связи между словами в различных языках", - рассказывает Сергей Нечаев.

Все эти сети - сети естественной природы. Других сетей, не принадлежащих к какому-нибудь из перечисленных четырех "суперсемейств", в природе не обнаружено. Почему так происходит, и как создать искусственную сеть, попадающую в заранее выбранное суперсемейство, - вопросы до сих пор открытые.

"Занимаясь проблемами низкотемпературной динамики белка, - продолжает Нечаев, - вместе с коллегами из Института Химической Физики им. Н.Н. Семенова РАН (ИХФ РАН) и студентом 5-ого курса МФТИ, мы изучали свойства так называемых случайных блочно-иерархических матриц, которые использовались для описания сети контактов в белковой молекуле при низких температурах. Структура таких матриц напоминает организацию сети с четко выраженной иерархией взаимодействия, когда одни блоки вложены в другие, другие в третьи и т.д. Например, Интернет - сеть, где есть квартиры, дома, кварталы, города и т.п. Мы решили исследовать нашу блочно-иерархическую сеть на распределение "мотивов" точно так же, как это делали исследователи из Израиля. Оказалось, что мы удивительным образом попали в класс сетей, совпадающих с сетями синаптических контактов между нейронами".

Это был первый пример искусственной сети, попадающей в один из классов, известных в природе. Теперь предстоит понять, насколько жестко связана блочно-иерархическая структура такой сети с распределением мотивов.
Во многих реальных сетях вероятность связи какого-то элемента с другими имеет зависимость, которая убывает как степенная функция. Такие сети получили название безмасштабных, в частности, к ним относится Интернет. Как любая степенная функция безмасштабные сети не имеют характерного масштаба, поэтому нельзя четко определить, где именно кончается сеть.

"Оказалось, что свойство безмасштабности проявляется в разных статистических свойствах сетей. Мы исследовали спектральные свойства матриц контактов блочно-иерархических сетей. Для этого мы вычисляли собственные значения матрицы контактов и исследовали их распределение", - делится Сергей Нечаев.

В настоящее время сотрудники Сектора математической физики ФИАН занимаются разработкой алгоритмов быстрого и надежного сравнения различных сетей, а также выделением характеристик, по которым эти сети можно сравнивать. Эта работа может прояснить причины возникновения четырех суперсемейств с математической точки зрения.
Что дальше и зачем это нужно? Знание общих принципов построения и функционирования сетей уже заставило по-новому взглянуть на многие прикладные задачи в самых различных научных областях, например, повышение безопасности сети Интернет, борьбу с распространением эпидемий в обществе и т.д. Знание о том, как связаны между собой элементы сети, позволит установить, насколько она устойчива по отношению к внешним возмущениям. Иными словами, если разрушить ряд сетевых связей, сохранятся ли при этом свойства сети в целом? Этот класс вопросов очень важен, например, для функционирования генетических сетей, в которых работа одного гена определяет работу другого. В одних случаях разрыв непосредственной связи между генами может блокировать их совместную работу, а в других - нет. Все эти процессы требуют детального изучения.

По материалам АНИ " ФИАН-информ "

©РАН 2019