Журнал «Компьютерра» №42 от 15 ноября 2005 года - Журнал Компьютерра

Странными, извилистыми путями порою движется научный прогресс. Серьезные проблемы внезапно возникают там, где их, казалось бы, не должно быть, а теория для их объяснения находится уж совсем в неожиданном месте.

Большой конфуз случился на рубеже тысячелетий с новым лондонским пешеходным мостом Millennium Bridge через Темзу. Замечательный мост в центре города шириной 4 и длиной 320 метров был создан в тесном сотрудничестве инженеров и дизайнеров. Он вобрал в себя последние достижения технической мысли, был построен по новой, оригинальной технологии и удовлетворял самым жестким требованиям безопасности. Millennium Bridge стоил 32 млн. долларов и рекламировался как «клинок света» и «абсолютная демонстрация наших возможностей в начале двадцать первого века».

Но в день открытия 10 июня 2000 года, когда тысячи людей решили прогуляться по мосту, он начал раскачиваться. Сначала слегка, затем все сильнее, и наконец поперечные колебания достигли такой амплитуды, что пешеходы были вынуждены балансировать как на скользком льду. Конечно, «клинок света» пришлось немедленно закрыть.

Явление было необычным. Еще в школьном курсе физики описывается, что идущие в ногу войска способны раскачать и обрушить неверно построенный мост. Но пешеходы, конечно, гуляли не в ногу, да и колебания моста происходили не в вертикальной, а в горизонтальной плоскости, достигая амплитуды в семь сантиметров.

Были проведены специальные исследования, и инженерное решение проблемы нашлось достаточно быстро. Millennium Bridge оснастили демпферами, гасящими колебания, и дополнительными массами, отодвигающими резонансные частоты моста от характерной частоты шагов. Это обошлось еще в 9 млн. долларов, и в 2002 году мост был благополучно открыт. О конфузе тысячелетия написаны десятки статей. Но ясного понимания того, как толпе людей, чьи шаги воздействуют на мост совершенно случайно, удается вызвать опасные колебания моста, все же не было. И как избежать подобных конфузов в будущем?

Решение проблемы нашлось спустя пять лет и недавно было опубликовано в журнале Nature. Оказывается, в математической биологии уже есть простые модели, описывающие синхронизацию в системах из независимых осцилляторов вроде нейронов или светлячков в тропическом лесу. Модель учитывает как случайное слабое воздействие каждого пешехода на мост, так и обратное влияние моста на пешеходов. Они неотделимы друг от друга. Грубо говоря, когда мост начинает раскачиваться, это заставляет пешеходов для поддержания равновесия подстраивать шаги в такт с колебаниями. И достаточно большая разрозненная толпа постепенно начинает идти в ногу, причем на резонансной частоте моста, что еще больше усиливает колебания. С этим пороговым явлением самоорганизации можно бороться путем выбора достаточного демпфирования и приемлемых собственных частот колебаний сооружения. Ученым удалось вывести простые формулы, пригодные для инженерных оценок.

Как бы то ни было, а «мосту тысячелетия», призванному символизировать высшие достижения инженерной мысли, все же удалось, пусть и благодаря конфузу, вписать новые страницы в учебники инженеров XXI века. - Г.А.

Дырявые тормоза

Удивительное устройство удалось изготовить в Уотсоновском исследовательском центре корпорации IBM. Выращенный на обычном кремниевом чипе переключаемый фотонный кристалл способен в триста раз замедлить свет и предназначен для оптических маршрутизаторов и «быстрой» оптической памяти будущего.

За последнее десятилетие уже несколько научных групп продемонстрировали, что распространение светового импульса может быть сильно замедленно и даже совсем остановлено в специально приготовленной среде. Эти эксперименты сразу привлекли внимание грандов компьютерной индустрии. Умение «тормозить» свет было бы весьма полезно для построения чисто оптических маршрутизаторов или фотонных компьютеров. К сожалению, первые эксперименты проводились в экзотических средах вроде охлажденных до сверхнизких температур атомов в магнитных ловушках, что делало их практически бесполезными. Позже замедление света удавалось получать в различных твердотельных устройствах, но и там эффект наблюдался лишь в узкой частотной области вблизи резонансной частоты поглощения среды. Это ограничивало пропускную способность и информационную емкость замедлителей, как правило, требовало использования дополнительных лазеров, охлаждения или другого громоздкого оборудования.

И лишь теперь специалистам IBM удалось создать замедлитель света, пригодный для массового производства. Он представляет собой изготовленную с помощью обычной фотолитографии кремниевую пластину толщиной 0,22, длиной 250 и шириной 3 микрона. В этой пластине в шахматном порядке вытравлены отверстия диаметром 109 нанометров с шагом 437 нанометров. В результате получился оптический волновод - фотонный кристалл, хорошо пропускающий свет в области полутора микрон - на длинах волн дальней оптоволоконной связи. На чипе рядом с кристаллом расположен микронагреватель. При нагреве показатель преломления кремния слегка меняется, а свойства кристалла таковы, что это приводит к уменьшению групповой скорости света в три сотни раз. Переключение происходит за 100 наносекунд и требует от нагревателя всего два милливатта.

Новое устройство, в принципе, уже сегодня можно использовать для синхронизации потоков данных, замедляя один из них. К сожалению, скорость переключения в 10 мегагерц пока еще слишком мала для современных оптических сетей. Да и требуемая точность изготовления кристалла в 1 нанометр находится на грани возможного. Однако первые успехи весьма обнадеживают и дальнейшее развитие технологии уже может рассчитывать на коммерческий успех. - Г.А.

Свет о темном месте

Новую информацию о центре нашей галактики удалось добыть группе китайских и американских радиоастрономов. Они утверждают, что там сосредоточена масса в сто тысяч раз большая, чем предполагалось на основе предыдущих наблюдений. Это сильный аргумент в защиту гипотезы о наличии в центре Млечного пути сверхмассивной черной дыры.

Согласно современной астрономической вере, которая, впрочем, подтверждается некоторыми расчетами, в центре каждой галактики расположена сверхтяжелая черная дыра. Однако до сих пор никому не удавалось получить сколько-нибудь надежных доказательств этой гипотезы. Вот почему необычайно компактный радиоисточник Sagittarius A*, открытый в созвездии Стрельца еще в 1974 году, постоянно привлекает внимание астрономов. Он хороший кандидат в центры нашего Млечного пути, а поскольку центр родной галактики гораздо ближе остальных, то и шансов разобраться с ним как следует намного больше.

Пять лет назад астрономы подвели итоги наблюдений с помощью сети из десяти связанных между собой быстрыми цифровыми каналами радиотелескопов, которые образуют массив Very Large Baseline Array. Эти телескопы разбросаны по всей территории США (включая острова) и расстояние между ними достигает восьми тысяч километров. Тогда наблюдения велись на длине волны 7 мм и позволили заключить, что размеры радиоисточника не превышают двух астрономических единиц (1 а. е. = расстоянию от Земли до Солнца).

Новые наблюдения велись уже на длине волны 3,5 мм, что позволило вдвое увеличить их разрешение, а размеры радиоисточника сократились до одной астрономической единицы. Соответственно увеличились оценки его массы, рассчитанной на основе наблюдений за движением соседних звезд. Уменьшение размеров источника резко снизило вероятность того, что там вместо черной дыры находится массивный компактный кластер из нейтронных звезд.

Однако пока все еще трудно окончательно утверждать, что в созвездии Стрельца расположена черная дыра. Радиоволны излучает не сама черная дыра, а засасываемый ею горячий межзвездный газ. В центре радиоисточника должна быть черная тень, размер которой определяется горизонтом событий черной дыры. На горизонте событий пространство так искривлено гравитационным полем черной дыры, что свет уже не может выйти за его пределы. А вокруг черной тени должен наблюдаться яркий ободок из лучей света, отклоненных черной дырой. Вот когда все это удастся увидеть, то сомнения отпадут. Но к сожалению, это все равно, что разглядеть теннисный мячик на поверхности луны - такая точность астрономам пока недоступна.

Однако ученые не унывают. В ближайшие годы планируется перестроить радиотелескопы и провести измерения на длинах волн менее миллиметра. По оптимистичным оценкам, уже в ближайшие пять-десять лет будут получены надежные доказательства наличия черной дыры в центре нашей галактики. А в долгосрочной перспективе, выведенные на околоземную орбиту рентгеновские интерферометры с беспрецедентным разрешением окончательно закроют наболевший вопрос. - Г.А.