​Новые исследования и изобретения учёных, физиков и химиков

Физики обратили время вспять

Международной группе физиков удалось обратить ход времени для пары взаимосвязанных частиц. Исследователи доказали, что для квантово взаимосвязанных кубитов (квантовых битов) спонтанно нарушается второй закон термодинамики, согласно которому в изолированных системах все процессы идут только в направлении увеличения энтропии.

Согласно второму закону термодинамики, время идет только в одном направлении, при котором в макроскопических системах возрастает беспорядок (энтропия). Например, тепло передается от нагретых холодным телам, но никогда не передается от холодных тел нагретым. Однонаправленность объясняется в рамках статистики, поскольку состояний беспорядка, в которых могут находиться тела, гораздо больше, чем упорядоченных. Обращение стрелы времени, то есть переход от беспорядка к порядку, таким образом, гораздо менее вероятно.

Однако в квантовых системах такой переход считается практически осуществимым. Показано, что для системы, состоящей из двух взаимосвязанных (скоррелированных) кубитов, представляющих собой частицы с полуцелым спином, стрела времени способна обращаться вспять. Ученые с помощью ядерного магнитного резонанса, при котором ядра атомов поглощают электромагнитную энергию, «нагрели» оба кубита до различных температур, изменяя энергию их спинов. После этого физики экспериментально отслеживали изменения их температуры и, таким образом, определили направление потока тепла.

В качестве кубитов были взяты ядра углерода-13 и водорода в растворе хлороформа. Раствор помещали внутрь сверхпроводящего магнита, который генерировал статическое электромагнитное поле, направленное в продольном направлении. Системой взаимосвязанных частиц манипулировали с помощью поперечных радиочастотных полей. Ученые проследили за процессом передачи энергии между ядрами в масштабе нескольких миллисекунд, что гораздо меньше, чем время, за которое скоррелированость нарушается.

Исследователи выяснили, что в условии, когда частицы не взаимосвязаны, стрела времени имеет обычное направление. Холодный кубит нагревался, а горячий остывал. В том случае, когда кубиты были скоррелированы, то есть квантово запутаны, тепло спонтанно перетекало в обратном направлении. По мнению ученых, такое явление должно происходить и в системах, состоящих из большего количества взаимосвязанных частиц.

Прорыв в химии — путь для создания новых материалов

Химики из Университета Манчестера обнаружили, что уран может выполнять реакции, которые раньше были присущи только для переходных металлов, таких как родий и палладий. И поскольку уран находится между различными типами реакционной способности лантаноидов и переходных металлов, он может сочетать в себе лучшее из свойств обоих групп, чтобы дать новые способы производства материалов и химических веществ.

Вообще-то уран является одним из тех элементов, о химических свойствах которых мы знаем наименее всего, хотя, по логике вещей, должны бы были знать больше, поскольку он связан с ядерным оружием и ядерной энергетикой (но пока человечество в основном, интересовали его физические свойства, в частности процесс деления). Новое открытие предполагает, что могут быть использованы и другие, химические свойства урана.

Это означает, что промышленность может теперь иметь возможность разрабатывать новые соединения, которые не могут быть произведены каким-либо другим способом.

По оценке одного из авторов открытия, профессора Стива Лиддла, это открытие приведёт к некоторым монументальным событиям, которые могут кардинально изменить нашу жизнь. Работы в области развития химии урана и её применения в технологии могут проложить путь для создания новых лекарств, а также создания действительно биодеградируемого твердого пластика.

Новое открытие сопоставимо по масштабам с открытием жидких кристаллов, которое произошло за 20 лет до этого, когда все вдруг разом поняли, что их можно использовать в современных компьютерных дисплеях.


Создана система искусственного интеллекта, способная изучать новые языки

В последние годы компьютеры стали гораздо более искусными в переводе с одного языка на другой благодаря применению нейронных сетей. Однако для обучения ИИ обычно требуется много контента, переведённого людьми для компьютеров.

Микель Артекс, учёный-компьютерщик из Университета Страны Басков (UPV) и автор одной из этих работ, сравнивает ситуацию с предоставлением кому-то разных книг на китайском языке и различных книг на арабском языке, без каких-либо одних и тех же текстов, перекрывающих друг друга. Человеку было бы очень трудно научиться переводить с китайского на арабский язык при таком сценарии, но компьютер может.

В типичном процессе машинного обучения система ИИ контролируется. Это значит, что когда ИИ пытается найти правильный ответ по любой заданной проблеме, человек скажет, правильно ли это или нет, и, по мере необходимости, ИИ будет вносить корректировки. +Вместо этого по новому методу ИИ изучают то, как слова связаны одинаковым образом на разных языках — например, слова «стол» и «стул» часто используются вместе, независимо от диалекта. Сопоставляя эти сочетания для каждого языка, а затем, сравнивая их, можно получить хорошее представление о том, какие термины связаны друг с другом.

Эти системы могут использоваться для перевода полных предложений, а не только отдельных слов, используя две дополнительные стратегии обучения. Обратный перевод предполагает, что предложение, написанное на одном языке, грубо переводится на другой, а затем обратно на исходный язык, при несовпадении ИИ настраивает свои протоколы иначе. Шумоподавление — процесс, аналогичный такому же процессу в радиотехнике, но уже со словами, которые удаляются или добавляются в предложение. Синхронизация этих методов помогают машине лучше понять, как работает язык. +Обе системы — одна из которых разработана в UPV, а другая — компьютерным учёным из Facebook Гийомом Ламплером, пока ещё не получили оценку экспертов, но обе показали многообещающие результаты при предварительном тестировании.

Для оценки их способности переводить текст с английского языка на французский и наоборот, были предложены к переводу примерно 30 миллионов предложений. Оба ИИ сумели получить 15 баллов. ИИ Google Translate, который использует контролируемое машинное обучение, имеет оценку 40 баллов, в то время как переводчики-люди могут набирать до 50 баллов.

Оба исследователя согласны с тем, что каждый из них может улучшить свою систему самообучаемого ИИ, опираясь на работу другого. ИИ можно было бы сделать более способными, введя несколько тысяч параллельных предложений в их учебную программу, что сократило бы время, необходимое для освоения языка.


Учёные изобрели материал, способный переводить свет в новые состояния

Открытия в области поведения света продолжаются. В 2015 году учёные получили первую фотографию состояния света, в котором он ведет себя одновременно и как частица, и как волна. А сосем не так давно, всего лишь 25 лет назад, у фотонов был обнаружен орбитальный момент.

Это угловой момент, основанный на форме его волнового фронта, а не на ориентации. Новый материал с метаповерхностью использует его вместе со вторым типом углового момента, называемого спиновым моментом (также более известным как круговая поляризация). +Можно провести аналогии между орбитальным угловым моментом и круговой поляризацией, сравнивая их с движением планет: круговая поляризация — это направление, в котором планета вращается вокруг своей оси, а орбитальный момент описывает, как планета вращается вокруг Солнца.

Раньше было установлено, что один и тот же луч света может проявлять оба типа момента импульса, и что их соединение и использование поляризации для управления оптико-амплитудной модуляцией (ОАМ) могут приводить к лучам с новыми сложными формами. +Некоторые метаповерхности представляют собой более эффективные и более компактные версии существующих оптических устройств, но такие произвольные преобразования между спинами и орбитами не могут быть выполнены никакими другими оптическими устройствами.

Орбитальный момент фотонов уже имеет несколько предполагаемых применений, таких как высокоскоростная передача данных и кодирование сообщений. Исследователи даже выяснили, как передавать ОАМ отдельных фотонов, используя их запутывание.

Другие предлагаемые практические приложения нового материала включают в себя манипулирование микроскопическими объектами и применение в системах визуализации.


Ученые создали водородное топливо

Вероятно, среди всех источников чистой энергии, самым чистым все же является водород. Сжигание водорода в топливных элементах приводит к образованию единственного побочного продукта – воды. В некотором смысле, это топливо является поистине возобновляемым. Тем не менее, производство водородных топливных элементов в промышленном масштабе – не такая уж простая задача. Прежде всего, это объясняется тем, что для производства топливных элементов требуются довольно сложные, и, до недавнего времени, весьма дорогие материалы.

Новое исследование, объединившее работы ученых из США и России, привело к созданию синтетического материала, который может эффективно производить водород, пригодный для использования в качестве топлива. Все, что им понадобилось – это солнечный свет и некоторые липиды.

Группа ученых, работающих в Национальной лаборатории Арагона в штате Иллинойс, вместе с коллегами из Московского физико-технического института (МФТИ) разработала альтернативный способ получения водородного топлива. В основе их открытия лежит получение водорода из воды за счет использования комбинации солнечного света и светочувствительных липидов. Результаты совместного исследования были опубликованы в журнале ACS Nano.

В результате этого нового исследования был разработан более эффективный и экономичный способ получения водородного топлива. Можно выделить водород из воды за счет солнечной энергии, используя специальные соединения, такие как диоксид титана, в качестве фотокатализаторов. Исследователи из США и России ввели светочувствительный белок в нанодиски, изготовленные из круговых фрагментов клеточной мембраны, состоящей из двухслойной липидной структуры, для имитации мембраны естественной клетки, называемой бактериородопсином.

Чтобы вызвать процесс фотокатализа, они растворяли эти нанодиски в воде вместе с диоксидом титана. Кроме того, в смесь была добавлена платина, чтобы сделать реакцию более эффективной. В их системе использовался зеленый и белый свет, причем последний производил в 74 раза больше водорода. Однако, в обоих случаях, эмиссия водорода продолжалась с почти постоянной скоростью в течение приблизительно двух-трех часов. «Наши лаборатории, работающие с мембранными белками, в частности с нанодисками, главным образом сосредоточены на биофизических и медицинских проблемах, – заявил в пресс-релизе Владимир Чупин из МФТИ, который специализируется на исследованиях в области борьбы со старением. – Однако, недавнее совместное исследование с американскими коллегами показало, что за счет объединения биологических и технических материалов, нанодиски могут быть использованы для получения водородного топлива».

из СМИ, фото из интернета

+1
19:18
69
Нет комментариев. Ваш будет первым!