cicatrix

cicatrix

на Пикабу
поставил 1374 плюса и 1375 минусов
отредактировал 22 поста
проголосовал за 33 редактирования
76К рейтинг 4266 подписчиков 8697 комментариев 52 поста 43 в горячем
3 награды
самый сохраняемый пост недели 5 лет на Пикабуболее 1000 подписчиков
286

Просто ещё один из вариантов апокалипсиса

Прошу прощения у подписчиков за столь долгий перерыв, но вот, нежданно-негаданно, выдалость свободное время.

Когда пророки трубят, что первый ангел вострубил, и грядёт апокалипсис, когда осведомлённые граждане называют точную дату, когда Земля налетит на небесную ось, добавлю немного жути и расскажу ещё об одном сценарии апокалипсиса, который потенциально может наступить в любую секунду.

Просто ещё один из вариантов апокалипсиса Астрофизика, Нейтронные звезды, Длиннопост

Речь идёт о страпельках. Это как капельки, только они странные. За этим милым названием скрываются весьма зловещие перспективы. Но обо всём по порядку.

Нейтронные звёзды представляют собой объекты нашей вселенной, обладающие наибольшей плотностью. Плотнее только чёрные дыры (если термин плотность вообще к ним можно применить). И внутри этих звёзд сокрыта, наверное, наиболее опасная субстанция, которую только можно встретить в нашей вселенной – странная материя. С ней неприминимы обычные законы природы, а она уничтожит всё, что вступит с ней в контакт.

Здесь нужно бы привести для начала весьма длинный и увлекательный рассказ о нейтронных звёздах, но на эту тему я раньше пилил отдельный пост, посему отсылаю к нему (Вскрываем трупы звёзд).

Здесь лишь вкратце скажу, что нейтронная звезда — это «труп» звезды обычной, которая была достаточно массивной, чтобы не окончить свои дни белым карликом, но не набрала массы, чтобы смочь в чёрную дыру. Когда такая звезда полностью сжигает своё топливо, термоядерные реакции внутри неё уже не могут уравновесить гигантскую массу, которая с колоссальной силой сжимает материю. Сжимает так сильно, что взаимное отталкивание электронов уже не может противостоять такому давлению, и их буквально вдавливает в ядра атомов, и протоны этих ядер превращаются в нейтроны. Принцип запрета Паули — последний рубеж, который надо преодолеть гравитации, чтобы превратить такую звезду в чёрную дыру, но если массы недостаточно, материя внутри такой звезды представляет собой плотно упакованные нейтроны, «прижатые» друг к другу, отсюда и название — нейтронная звезда.

Когда я говорю «плотно-прижатые», это даже не фигура речи. Наше солнце после смерти превратится в белого карлика, однако, если бы оно было чуть массивнее, то вся его материя сжалась бы до размеров порядка десятков километров (размером с небольшой город). По сути, ядро такой нейтронной звезды напоминает одно гигантское ядро атома.

Вот размеры для сравнения (у этого милого шарика масса больше, чем у нашего Солнца):

Просто ещё один из вариантов апокалипсиса Астрофизика, Нейтронные звезды, Длиннопост

В другом моём посте (Кварки — кирпичики материи) я уже рассказывал о кварках — строительном материале для привычной нам материи. Они не могут существовать по-одиночке, только в сцепке друг с другом, это называется умным словом «конфайнмент» (от англ. to confine – удерживать, ограничивать, держать взаперти). Если пытаться их растащить, то когда вы затратите достаточное количество энергии на это дело, из неё получатся новые кварки и конфайнмент будет сохранён.

Сейчас известно о 6 различных «ароматах» (flavour) кварков. Обычная материя состоит из протонов и нейтронов в составе которых обычные кварки «верхнего» (up) и «нижнего» (down) ароматов. Кварки с другими ароматами очень быстро распадаются в «нормальных условиях», однако внутри нейтронных звёзд условия какие угодно, только не нормальные. Это наиболее экстремальные условия, которые только можно найти в нашей вселенной, примерно такие же условия существовали в первые микросекунды большого взрыва (подробнее о теории большого взрыва здесь — Правды и кривды теории большого взрыва).

Так вот, согласно одной из теорий (интересующимся сюда: Quark Deconfinement in Rotating Neutron Stars) в подобных условиях, конфайнмент нарушается. Иными словами, нейтроны, образующие ядро, «плавятся» и образуют «кварковую материю» – огромный сгусток, состоящий целиком из разобщённых кварков. Такую звезду ещё называют кварковой звездой, хотя снаружи она может ничем не отличаться от обычной нейтронной звезды.

В этих условиях обычные верхние и нижние кварки могут стать странными (в буквальном смысле — приобрести «странный» (strange) аромат — превратиться в кварк второго поколения. Странные кварки гораздо тяжеление и, в определённом смысле, сильнее, чем их верхние и нижние собратья. Если их образуется много, то вместе они образуют «странную» материю (strange matter). При этом, подобное состояние можно описать как идеальное состояние материи — суперплотная, неразрушимая, стабильнее, чем любая другая материя во вселенной. И самое страшное — материя в подобном состоянии может существовать и вне ядра нейтронной звезды, а при контакте с любой материей — так же превращать её в странную. Обычные протоны и нейтроны растворятся в этом кварковом супе, а их энергия пойдёт на создание ещё большего количества странной материи, и единственным способом избавиться от этой заразы будет зашвырнуть её в чёрную дыру.

Просто ещё один из вариантов апокалипсиса Астрофизика, Нейтронные звезды, Длиннопост

Казалось бы — ну и что? Ну пусть внутри нейтронных звёзд похоронен подобный кошмар, он же надёжно упрятан внутри. Но, к сожалению, так случается, что нейтронные звёзды сталкиваются между собой или с чёрными дырами, и при столкновении могут высвобождаться колоссальные объёмы их внутренностей, в том числе и капельки странной материи или страпельки (strangelets). Страпельки могут быть очень малого размера, может быть даже субатомного, однако они обладают той же плотностью, что была внутри нейтронной звезды. Подобная страпелька может путешествовать в космосе после столкновения миллионы или даже миллиарды лет, пока случайно ей на пути не повстречается что-нибудь массивное — например планета. Если такая страпелька столкнётся с Землёй, она немедленно начнёт превращать всё, что встретилось ей на пути, в странную материю, и это будет продолжаться до тех пор, пока все протоны и нейтроны не будут поглощены, а сама Земля не превратится в относительно крупную страпельку, размером с астероид.

Даже если такая страпелька встретится со звездой, то последнию не минёт сия участь, и вся материя звезды так же превратится в странную. Масса такой звезды не изменится, но яркость существенно снизится, и планеты, вращающиеся по орбитам вокруг неё, замерзнут.

У нас нет никакого способа узнать о приближении такой страпельки заблаговременно, может быть, оно и к лучшему. Более того, некоторые астрофизики полагают, что подобные страпельки отнюдь не редки в нашей вселенной и вопрос встречи с одной из них — лишь вопрос времени. Чтобы оценить их распространённость достаточно сказать, что страпельки, которые возможно образовались ещё в ходе большого взыва, являются одним из кандидатов на роль тёмной материи в нашей вселенной (но это не точно!).

У нас нет никакой возможности помешать страпелькам поглотить нашу планету и всё живое, поэтому остаётся только надеяться, что, может быть, на сей раз, астрофизики что-то там напутали.

(пост подготовлен с использованием материалов Youtube-канала Kurzgesagt)

Показать полностью 2
386

Квантовое превосходство... журналистов над здравым смыслом

Квантовые компьютеры – следующее поколение вычислительной техники, квантовый технологический уклад, квантовое превосходство, квантовое всё! Сколько же чуши и бреда понаписали журналисты на тему квантовых компьютеров! Сколько учёных было изнасиловано!


Путаница в определениях


Для начала давайте вообще разберёмся в определении – что мы будем называть квантовым компьютером? Оказывается, здесь тоже не всё так однозначно. С одной стороны мы читаем про 5-кубитовый IBM-Q и Google с аж 53 кубитами, вот гугловский компьютер на фото:

Квантовое превосходство... журналистов над здравым смыслом Квантовый компьютер, IT, Мифы, Журналисты, Длиннопост

А с другой – вполне коммерческое решение под названием D-Wave, в котором насчитывается где более 1000 кубит.

Квантовое превосходство... журналистов над здравым смыслом Квантовый компьютер, IT, Мифы, Журналисты, Длиннопост

D-wave считается производителем «квантовым компьютером», однако даже в документах самого производителя он значится не как компьютер, а «квантовый отжигатель» (квантовым отжигом называют общий метод нахождения глобального минимума заданной функции среди решений-кандидатов). То есть, если и называть его компьютером, то уж во всяком случае – не компьютером общего назначения. Но зато в этой узкоспециализированной области он «уделывает» по скорости симуляции на обычном цифровом компьютере в сотни миллионов раз (ссылка).


Универсальный же квантовый компьютер должен позволять составлять алгоритмы произвольной сложности при помощи основных логических операций. Такие гиганты, как Microsoft, IBM и Google сейчас строят такие компьютеры. Вы даже можете с ними поиграться онлайн:


IBM Q Experience - https://www.ibm.com/quantum-computing/technology/experience/

Google Quantum Computing Playground - http://www.quantumplayground.net/#/home


Инженерные сложности


Наверное, самая большая проблема, которая стоит сейчас – декогеренция. Собственно, вся «фантастика» в квантовых компьютерах зависит от состояния квантовой спутанности (entanglement) кубитов. Как можно прочитать в тысяче и одной статье, написанных журналистами, насилующих учёных, кубит может одновременно удерживать все возможные состояния между нулём и единицей, находясь в суперпозиции. Но суперпозиция – хрупкая вещь, волновая функция системы коллапсирует даже от косого взгляда (буквально!), необратимо переходя в детерминированное состояние (условно 0 или 1).


Главная инженерная задача – изоляция кубитов от окружающей среды. Обычно это достигается крайне низкими, близкими к абсолютному нулю температурами и очень высоким вакуумом. Отсюда вытекает вторая проблема – проблема миниатюризации. Холодильники и вакуумные установки, необходимые для работы квантовых компьютеров, своими габаритами могут посоперничать с габаритами первых компьютеров образца 50-х годов 20 века.

Квантовое превосходство... журналистов над здравым смыслом Квантовый компьютер, IT, Мифы, Журналисты, Длиннопост

Если спутанную систему полностью изолировать от внешних воздействий, то она будет поддерживать своё состояние неограниченно долго. Но тогда мы не сможем, ни наблюдать, ни производить манипуляции с ней, и, тем более, использовать её для вычислений, поэтому инженерам и физикам приходится находить компромиссы – жертвовать частью информации (а именно это и происходит при коллапсе – часть информации превращается в тепло), чтобы воспользоваться тем, что осталось.


Соответственно, поскольку никто не может предсказать, когда произойдёт декогеренция, состояние логического кубита (задействованного в алгоритме) кодируется состоянием нескольких связанных физических кубитов. То есть, квантовый компьютер, где физически реализовано, скажем, 50 кубитов, на самом деле не сможет выполнить алгоритм, где должно быть использовано 50 логических кубитов, поэтому количество физических кубитов, как характеристика квантового компьютера, далеко не однозначно определяет его вычислительную мощность.


В силу того, что квантовый компьютер по своей квантовой природе не может быть полностью детерминистским, для проверки его состояния на каждом такте вычислений необходимо, чтобы к нему был подключён мощный классический компьютер. Кубиты живут недолго, и для проверки их состояния требуется обычная двоичная логика. А для обеспечения высокой скорости вычислений, естественно, что тактовые генераторы обоих сопряжённых компьютеров должны иметь одну и ту же частоту, что накладывает дополнительное ограничение на скорость, с которой практически может работать квантовый компьютер.


Кроме того, проблема декогеренции очень сильно влияет и на масштабируемость системы. Если состояние, скажем, двух фотонов или даже атомов физики научились удерживать на протяжении значительных периодов времени, то с ростом размеров системы экспоненциально растут и риски случайного внешнего взаимодействия. Именно поэтому мы и не можем наблюдать квантовые эффекты на макро-объектах, так как их декогеренция происходит практически мгновенно.


Ещё к чисто инженерным проблемам можно отнести проблему межкубитовых соединений. Квантовые биты должны быть соединены как между собой, так и иметь выходы для подключения внешнего оборудования, что в силу требований к рабочей температуре около абсолютного нуля сильно затрудняет и усложняет конструкцию. Разработка сложных алгоритмов требует всё большего числа кубит, что приводит к растущей стоимости исследований. Кстати, об алгоритмах и логике…


Логика


В квантовом мире всё квантовое. Алгоритмы тоже. Если алгоритм классический использует двоичную логику (см. Как заставить машину считать при помощи транзисторов?), то квантовый компьютер использует другой набор логических вентилей (да, «тёплые ламповые» OR, AND, NOT и XOR придётся забыть). С квантовыми вентилями, конечно, можно «сконструировать» аналоги, но смысла в этом большого нет, так как гораздо проще и дешевле для этих же целей использовать обычный цифровой компьютер.

Квантовое превосходство... журналистов над здравым смыслом Квантовый компьютер, IT, Мифы, Журналисты, Длиннопост

Рис: квантовые логические вентили


Хорошо, будем разрабатывать квантовые алгоритмы. Они же будут «круче» обычных? Возможно. Знаете, сколько сейчас в мире разработано квантовых алгоритмов? Всего около 50 (полный их список здесь). И если приглядеться, то все эти алгоритмы можно условно разделить на две категории: первая – это алгебра и теория чисел, вторая – аппроксимация и оптимизация.


Не так уж и густо. Разумеется, в будущем будут появляться новые квантовые алгоритмы, но надо понять, квантовый алгоритм нужен там, где обычный цифровой алгоритм будет работать слишком долго (самый классический пример – разложение числа на простые множители или факторизация – на сложности решения этой задачи построено несколько криптографических алгоритмов). С одной стороны, квантовые компьютеры в будущем смогут помочь в решении суперсложных задач, требующих колоссальных вычислительных мощностей на обычных цифровых компьютерах, но с другой – сфера их применения будет далеко не универсальной, и говорить о том, что квантовые компьютеры полностью вытеснят электронные, я бы поостерёгся.


Далее я перечислю некоторые мифы и заблуждения насчёт квантовых компьютеров:

В 1 кубите может храниться более 1 бита информации?

(Якобы, это следует из его суперпозиции). Это заблуждение. Из-за различий между квантовыми и классическими битами рост количества хранимых состояний с их количеством происходит по-разному. В квантовых вычислениях всегда будет разница между количеством информации, которая хранится в системе, и количеством информации, которую можно из неё извлечь. Если в «классическом» цифровом компьютере информацию в N бит можно в точности закодировать при помощи N классических бит, в квантовом компьютере это соответствие не соблюдается.


Наш соотечественник, Александр Холево ещё в 1973 году опубликовал свою теорему, описывающую предел (названный его именем - Предел Холево) информации, которую можно извлечь из квантовой системы, следствием которой вытекает принцип: один кубит может содержать не более одного бита полезной информации. Так что никаких чудес.


Квантовый компьютер может проверить все возможные решения сразу?

Обычно это говорят об уязвимости алгоритма шифрования RSA перед квантовым компьютером, но на самом деле каждый из известных нам квантовых алгоритмов, работает по-разному, но ни один из них не проверяет сразу всё сразу. Да, и пароли компьютер не подбирает – он находит всего лишь период функции f(x) = m^x (mod N). Если бы это было правдой, то проблема P = NP  была бы уже решена.


Квантовые компьютеры производительнее обычных, скоро у всех будут только квантовые компьютеры?

Учитывая то, что квантовый компьютер может в теории эмулировать классический компьютер, действительно сложно придумать задачу, где классический компьютер окажется производительнее (если брать только вычислительную мощность). Тем не менее, как я уже показал, во-первых, квантовый компьютер не может функционировать без сопряжения с обычным компьютером, а во-вторых, для решения бытовых повседневных задач у электронного компьютера есть одно неоспоримое преимущество – он на несколько порядков дешевле и настолько же более энергоэффективен. Квантовый компьютер весьма прожорлив, когда дело доходит до электроэнергии и тепловыделения. Квантовый компьютер никогда не сможет соперничать с электронным в части энергоэффективности.


Кроме этого, электроника гораздо компактнее. В 1 кубометр объёма можно впихнуть гораздо более мощный электронный компьютер, чем квантовый.


Так что, квантовые компьютеры действительно будут распространяться всё шире, но использовать их будут лишь для некоторых задач, где вычисления на электронном компьютере потребуют либо огромных мощностей, либо огромного времени.


На квантовых компьютерах можно будет запускать программы, написанные для классических компьютеров?

В теории, да, на квантовом компьютере, как я уже написал, можно эмулировать компьютер классический, но зачем? Это дорого и крайне неэффективно по энергозатратам. Мощь квантовых компьютеров приходит с применением квантовых алгоритмов, а запускать обычную программу по-прежнему гораздо лучше будет на компьютере обычном.


Квантовые компьютеры разрушат кибербезопасность

И да, и нет. Действительно, есть один класс криптосистем, самым ярким представителем которых является алгоритм RSA, основан на постулируемой сложности разложения больших чисел на составляющие их множители из простых чисел (к слову, возвращаясь к проблеме P = NP, эта сложность ещё и не доказана толком). И вот как раз эту задачу квантовый компьютер способен решить очень быстро. В теории – квантовый компьютер со 100000 кубит найдёт 2048-битный ключ за пару секунд. Но во-первых, максимум, что мы имеем, это 53 кубита, а во-вторых, далеко не все криптоалгоритмы уязвимы.


По своей природе, ассиметричные криптоалгоритмы стали более уязвимы перед квантовыми компьютерами. Например, эллиптические кривые оказались так же под угрозой, но криптография на решётках (NTRU) или на основе алгебраического кодирования (McEliece) вполне надёжна.


Что же касается симметричных шифров (тот же AES), то они вполне надёжны даже в пост-квантовом мире.


Кроме того, квантовые компьютеры не только не положат конец криптографии, но и поднимут её на прежде недостижимый уровень, так, квантовое распределение ключей может полностью заменить протокол Диффи-Хэллмана и исключить даже теоретическую возможность прослушки.


Заключение


Безусловно, квантовые компьютеры ознаменуют новую веху в компьютерной технике. Они найдут своё практическое применение в химии, медицине, логистике, метеорологии, криптографии и ещё во многих прикладных областях, но они никогда не смогут до конца вытеснить компьютеры, работающие на обычной двоичной логике. Скорее, в будущем мы увидим гибриды – машины, работающие как обычные компьютеры, но оснащённые квантовыми чипами для решения тех задач, с которыми двоичному компьютеру будет сложно справляться.


Несмотря на заметный прогресс в этой области, особо надеяться на появление квантовых персоналок и смартфонов в ближайшие пару десятилетий я бы не стал.
Показать полностью 3
1224

Ложь, наглая ложь и статистика

Все, наверное, слышали эту фразу, приписываемую Марку Твену (впрочем, он сам утверждал, что она не его). Фраза не отдаёт должное такой замечательной дисциплине, как статистика. Статистика сама по себе не может лгать, ложью её либо по незнанию, либо намеренно, делают люди при толковании.


Люди воспринимают окружающую действительность через набор предрассудков, от которых никто по-настоящему не свободен. Предрассудки же эти основываются очень часто на ошибочных суждениях.


Начнём с шуточного вопроса: как, по-вашему, в среднем, на протяжении всей жизни больше сексуальных партнёров бывает у мужчин или у женщин?


Пример абстрактный, поэтому, несколько упростим задачу и рассмотрим только гетеросексуальные контакты. Если в поисках ответа провести опрос случайных прохожих, можно получить очень разные ответы, в зависимости от личного опыта и наблюдений респондента за своим окружением. Возможно, меня сочтут «Капитаном Очевидность», но всё же уточню момент, который, как выяснилось, не так уж и очевиден для некоторых: если мужчина имел сексуальный контакт с женщиной, то это автоматически значит, что и женщина имела сексуальный контакт с этим мужчиной – счёт 1:1.


Теперь посмотрим на тот факт, что женщин в целом на земле меньше, чем мужчин. Для наглядности, давайте представим себе «мир», в котором всего 4 женщины и 5 мужчин:

Ложь, наглая ложь и статистика Статистика, Теория вероятностей, Реклама, Маркетинг, Политика, Длиннопост

Думаю, теперь, глядя на эту диаграмму, очевидно, что вне зависимости от того, кто и сколько раз с кем-то переспал, общее количество сексуальных контактов у мужчин и у женщин должно совпадать. Но теперь, давайте разделим общее количество связей на количество мужчин:


7 / 5 = 1,4 – в среднем, один мужчина имеет 1,4 сексуальных партнёров.


Теперь ту же операцию проделаем с женской половиной:


7 / 4 = 1,75 – в среднем, у женщины 1,75 сексуальных партнёров, то есть на 25% больше, чем у мужчин. Ну а теперь, когда мы сделали это сенсационное открытие, представим заголовок:


Британские учёные: женщины занимаются сексом на 25% больше, чем мужчины!


Виновата в этом статистика? Нет! Британские учёные? Тоже нет!


Если задуматься, вовсе не обязательно было проводить опрос, в ходе которого, кстати, ещё и не исключено, что люди будут врать по такому деликатному поводу. Достаточно было разделить количество женщин на количество мужчин и получить ту же разницу в 25%.


Пример притянут за уши? Хорошо! А как вам скандал, начатый с публикации The Boston Globe так называемого «исследования», которое показало, что «…в среднем, представители меньшинств проводят больше занятий с представителями не меньшинств, чем наоборот…».


Причина просто в том, что они «меньшинства», то есть пример из реальной жизни в точности повторил тот абстрактный пример про секс чуть выше. Случилось то, что математически просто обязано было случиться.


Что ж, оставим эту ложь на совести журналистов из «The Boston Globe» и пойдём дальше.


Парадокс Берксона


Чтобы проиллюстрировать его, возьмём стереотип, будто красивые женщины всегда стервы. Стереотип родился, разумеется, не на пустом месте, а из «жизненных наблюдений». Чтобы доказать, что это всего лишь стереотип, построим график, где по горизонтальной оси будем отмечать степень привлекательности: от очень страшной до божественной красоты, а по вертикальной – характер: от милашки до стервы. Давайте будем честны, мы согласимся встречаться с женщиной только, если выполнится условие:


Характер + Внешность > X


Иными словами, наши кандидаты лежат в области, закрашенной красным, других мы просто проигнорируем.


Ложь, наглая ложь и статистика Статистика, Теория вероятностей, Реклама, Маркетинг, Политика, Длиннопост

Но это ещё не всё. Если мы встретим очень милую и очень красивую женщину, то, скорее всего, мы подумаем, что сами не очень-то и хороши для неё, и что сами не подходим под критерии её оценки, тем самым, мы искусственно «обрезаем» верхний правый угол нашей красной области:


Ложь, наглая ложь и статистика Статистика, Теория вероятностей, Реклама, Маркетинг, Политика, Длиннопост

Думаю, на графике уже видны корни данного стереотипа. Суть парадокса Берксона или «Ошибки Берксона» в том, что когда нам кажется, что между двумя событиями или факторами имеется корреляция (в рассмотренном случае зависимость между внешностью и характером), в действительности её может и не быть, так как мы сами исключили из «исследования» случаи, когда соблюдаются (или не соблюдаются) условия для обоих критериев.


Другой пример.

Представим себе больницу во время эпидемии гриппа. Сейчас мы станем «британскими учёными» и докажем, что грипп каким-то образом защищает нас от приступов аппендицита.


Исходим из следующих данных:

• 10% населения заражено гриппом

• В больнице доля заражённых разумеется больше: 30% пациентов поступило с гриппом

• 10% поступило с приступом аппендицита


Пациент с аппендицитом может, разумеется, заразиться ещё и гриппом, равно как и у больного гриппом может случиться приступ аппендицита. Наши вводные данные говорят нам, что больных, которых коснулись обе напасти, составляет 10% от 10%, то есть, 1% от всех пациентов:

Ложь, наглая ложь и статистика Статистика, Теория вероятностей, Реклама, Маркетинг, Политика, Длиннопост

Пациенты больницы: синие – грипп, красные – аппендицит, у одного пациента – и то, и другое.


Если случайным образом выбрать пациента, с 30% вероятностью, у него грипп, с 10% вероятностью – аппендицит.


Теперь давайте обследуем пациентов, не заражённых гриппом, и проверим, у скольких их них приступ аппендицита, то есть, обследуем мы только область, обведённую жёлтым:

Ложь, наглая ложь и статистика Статистика, Теория вероятностей, Реклама, Маркетинг, Политика, Длиннопост

Мы знаем следующее:

• У тридцати пациентов, больных гриппом, лишь у одного аппендицит

• Из 100 пациентов, аппендицит у 10 пациентов

• При этом аппендицит ещё у 9 пациентов из 72, не заражённых гриппом.


Произведём расчёт: у тех, кто не болеет гриппом, аппендицит у 12,9%. Это на 2,5% выше, чем 10% среди больных гриппом.


Ура! Получаем грант и пишем в пресс-релизе:

Британские учёные доказали, что грипп снижает риск приступов аппендицита на 2,5%!


Вам может показаться, что пример искусственный и притянут за уши? Однако, тем, кто сомневается, можно ознакомиться с делом несчастной Салли Кларк, потерявшей двух детей, умерших в результате синдрома внезапной детской смертности (СВДС), после чего против неё выдвинули обвинение в их убийстве. На суде выступал профессор-педиатр Рой Мидоу, давший показания о том, что вероятность наступления СВДС 1 к 8500, а вероятность наступления двух случаев – 1 к 72 миллионам. Только на основании этих статистических данных, 9 ноября 1999 года присяжные осудили Салли 10 голосами против 2, после чего она была приговорена к пожизненному заключению, после чего она с «репутацией» детоубийцы и дочери полицейского отправилась отбывать наказание. И лишь спустя 4 года, в 2003 её вторая апелляция возымела действие, когда приняли к сведению то, что в анализах крови и спиномозговой жидкости её второго сына присутствовала бактерия Staphylococuus aureus (Золотистый стафилококк).

Кларк выпустили на свободу, но её жизнь была окончательно сломлена и в 2007 году она скончалась от алкогольного отравления.


После этого случая в Великобритании были пересмотрены сотни дел, где в качестве доказательной базы использовались статистическим методы, а Королевское статистическое общество даже выпустило заявление, где выражалась озабоченность злоупотреблениями статистическими данными в судах.


Ошибка обвинителя состояла в предположении, что два события СВДС в одной семье являются независимыми, поэтому он просто возвёл 8500 в квадрат, получив цифру в ~73 млн. Пресса, далёкая от понимания происходящего растиражировала мнение, что «1 к 73 миллионам, что Салли Невиновна». Чтобы действительно оценить вероятность невиновности Салли, присяжные должны были сравнивать относительные вероятности разных версий смерти детей, а не только вероятность того, что она невиновна – наступление двух случаев СВДС – редкость, но статистически двойное детоубийство могло быть событием ещё более редким. Профессор математики Рэй Хилл, используя статистику СВДС по всей Великобритании, пришёл к выводу, что после первого случая СВДС, вероятность наступления второго возрастает в 5 – 10 раз. В своём исследовании, он пришёл к выводу, что в случае Салли, вероятность того, что она была убийцей составляла 1:9, в то время как вероятность повторного СВДС – 4,5:1. Если сравнить две вероятности, то, по сути, она могла быть невиновной в соотношении ½, а не 1/73000000.

Данный феномен называется «Заблуждение прокурора» (Prosecutor’s fallacy).


Систематическая ошибка выжившего


Эта реальная история времён второй мировой войны. Двигатели на самолётах были слабыми, поэтому бронировать самолёт целиком означало существенно сократить дальность полёта и боезапас. Поэтому венгерскому математику Абрахаму Вальду поставили задачу – найти оптимальную схему бронирования самолётов. В качестве исходных данных была предоставлена схема пробоин от снарядов, которые получили вернувшиеся из боя самолёты. Что-то вроде этого:

Ложь, наглая ложь и статистика Статистика, Теория вероятностей, Реклама, Маркетинг, Политика, Длиннопост

Вальд рассудил здраво, исследование показывает, что самолёт, получивший пробоины в данных местах, ещё может вернуться на базу. Самолёт, которому попали в двигатель или бензобак, выходит из строя и не возвращается. Поскольку попадания от вражеского огня на самом деле (в первом приближении) распределены равномерно, укреплять надо те места, которые у вернувшихся в массе наиболее «чистые».


К этой же ошибке можно отнести и расхожее мнение о доброте дельфинов, основанное на рассказах пловцов, которых животные толкали к берегу, но нет данных от тех, кого толкали в обратном направлении… или истории успеха известных людей, которые бросили учёбу в молодости, но всё равно добились успеха – никто не знает судьбы тех, кто поступил так же, но не стал ни богатым, ни знаменитым.


Очень часто можно слышать рассуждения о том, что «раньше было лучше». Говоря это, люди приводят в пример архитектуру прошлых лет, музыку, книги, фильмы и пр. Всё это – проявления всё той же систематической ошибки выжившего. До нас не дошли плохие здания, которые были разрушены со временем, как не дошли до нас ни всеми забытые плохие книги, фильмы и музыка.


Статистика в рекламе


Мы очень часто видим рекламу, в которой нам любезно сообщают, что «80% стоматологов рекомендуют нашу зубную пасту*» или нечто подобное (заметьте звёздочку после текста). Технически, реклама не врёт, если потратить время, докопаться до исследования, то можно будет увидеть нечто подобное:

Ложь, наглая ложь и статистика Статистика, Теория вероятностей, Реклама, Маркетинг, Политика, Длиннопост

Как показывает наше исследование, 80% стоматологов действительно порекомендовали зубную пасту «Бренд А» в опросе. Но что в рекламе не говорят, что «Бренд Б» так же порекомендовали 80% стоматологов. Говорит ли это что-нибудь о том, что паста А лучше других? Разумеется, нет!

Ещё глупее, если разобраться, выглядит реклама, говорящая, что волосы стали на 15% мягче, кожа – на 20% нежнее, и т. д.


Темпы роста и темпы прироста


Представим ситуацию, когда, например, в прошлом году уровень безработицы составлял 1% от количества занятых, а в этом году их число составило уже 2%. Два разных аналитика могут сказать два утверждения, однако подтексты будут абсолютно разными. Один скажет: «Уровень безработицы вырос на 100%!» и будет прав, так как, действительно если безработных было, скажем 100 тыс. человек, а теперь их стало 200 тыс., это означает 100% рост. Другой аналитик (на другом сайте или телеканале) напишет, что безработица поднялась на 1%, и тоже будет прав, так как был 1%, стало 2%. Если обыватель не будет вдаваться в детали, в первом случае он может подумать «Это катастрофа!», а во втором «1% – это не так уж и много».


Повышенные риски для здоровья


Когда мы слышим или читаем очередную статью, где написано «Учёные установили, {что-то} повышает риски заболеваний на {N}%», относиться к этому тоже надо с осторожностью. В этой связи показателен пример британской комиссии по безопасности лекарственных препаратов, которая в 1995 году выпустила пресс-релиз, в котором говорилось, что использование противозачаточных таблеток для женщин нового поколения повышает риски закупорки сосудов на 100% по сравнению с предыдущим препаратом.


В действительности же, исследование показывало, что если при использовании старых таблеток, лишь у одной женщины из 7000 развивались подобные симптомы, то с новыми таблетками таких женщин было уже две из 7000. И действительно, количество случаев выросло на 100%. Но если брать количество осложнений от общего количества обследованных, то рост составит всего 0,14%. Результатом этого пресс-релиза стало то, что десятки тысяч женщин отказались от приёма данного препарата, что, в свою очередь привело, к обвинениям данной комиссии в 13 тыс. случаев нежелательной беременности, особенно среди подростков.


Корреляция и причинно-следственная связь


Это не одно и то же. Пример – знаете ли вы то, что наличие вшей на вашей голове полезно для здоровья? Абсурд? Да, но в средневековье такое мнение было широко распространено. Дело в том, что люди с педикулёзом были, в целом, здоровы, а вот у больных людей вшей обычно не было. Это наблюдение позволило сделать неверный вывод о том, что вши положительно влияют на здоровье людей. В действительности же, эти насекомые оказались чувствительны к повышенной температуре человеческого тела и покидали носителя, у которого была лихорадка.


Дело в том, что корреляцию между двумя явлениями А и Б в статистике выявить довольно просто, но наличие корреляции ещё не доказывает причинно-следственной связи между двумя событиями, то есть, это не значит, что Б является следствием А.


Скорость вращения ветряного генератора коррелирует со скоростью ветра, но это не значит, что генератор является причиной возникновения ветра. Здесь причина и следствие перепутаны местами, это вам и ребёнок объяснит, однако, далеко не всегда ситуация настолько очевидна. Известное утверждение «жестокие компьютерные игры воспитывают в детях жестокость», – тому пример. Но что если предположить, что жестокие дети будут с большим удовольствием играть в жестокие игры?


Скрытые переменные


Ложь, наглая ложь и статистика Статистика, Теория вероятностей, Реклама, Маркетинг, Политика, Длиннопост

Хотел бы я, чтобы они пореже включали табличку насчёт ремней безопасности. Каждый раз, когда она включается, начинает трясти.


Давно известно, что если спать в ботинках, то с утра велика вероятность, что будет болеть голова, а если вы будете есть много мороженого, то рискуете получить сердечный приступ. Разумеется, это шутки, голова у вас болит с похмелья, потому что вы были слишком пьяны вчера вечером, чтобы снять обувь, а мороженое едят в основном летом, а при жаркой погоде повышается количество сердечных приступов.


Это шутки, конечно же, но вот исследование университета Пенсильвании, опубликованного в авторитетном и уважаемом журнале Nature в 1999 году показало, что сон при включённом свете вызывает развитие у детей миопии (близорукости). Но как выяснилось в более позднем исследовании университета Огайо, близорукие родители чаще оставляли на ночь включённый свет в детской, поэтому развитие близорукости у их детей связано не с включённым освещением, а с наследственными факторами.


Здесь мы имеем дело со скрытой переменной, когда между событиями А и Б причинно-следственная связь отсутствует, но есть скрытый от исследователя фактор В, являющийся причиной А и Б.


Таких примеров можно привести ещё много: выбросы углекислого газа в атмосферу вызывает ожирение, курящие студенты учатся хуже, чем некурящие.


Парадокс Симпсона


Ложь, наглая ложь и статистика Статистика, Теория вероятностей, Реклама, Маркетинг, Политика, Длиннопост

Суть парадокса: для каждой из групп (синяя и красная линия) по отдельности проявляется положительная тенденция, но при их объединение (пунктир) – тенденция становится отрицательной.


Здесь хочется рассказать о нашумевшей истории 1973 года, когда университет в Беркли обвинили в дискриминации абитуриентов по половому признаку. И действительно, из 8442 мужчин, подавших заявку, к обучению были допущены 44%, тогда как из 4321 девушек допуск получили только 35%. Уже в то время это были достаточно серьёзные обвинения (в наши дни шум вообще бы поднялся до небес). Однако, если более детально взглянуть на ту же статистику, выявится несколько иная закономерность:

Ложь, наглая ложь и статистика Статистика, Теория вероятностей, Реклама, Маркетинг, Политика, Длиннопост

Как видно, по большей части факультетов доля допущенных к обучению женщин была даже больше, чем мужчин. Позднее, исследователи опубликовали работу, где наглядно было показано, что среди женщин наблюдалась тенденция подавать заявки на факультеты с большим конкурсом (например, факультет английского языка), в то время, как абитуриенты мужского пола чаще подавали заявки на факультеты с более низким конкурсом (инженерный и химический факультеты).


Визуальное представление и инфографика


Не секрет, что технологии манипуляции общественным мнением активно развиваются. Вот пример:

В 2019 году относительно существующего сейчас среднего размера пенсии в России (более 14 тыс. рублей) сумма повышения соответствует прибавке на 7,05% (при годовой инфляции 4,3%). Предполагается, что такой темп «в два раза выше инфляции» будет сохранен и в последующие годы, благодаря чему к 2024 году средний размер пенсионного обеспечения россиян составит 20 тыс. руб. (увеличение на 35% относительно 2018 года).

Посмотрите на левую и правую диаграммы. Они правдиво показывают одни и те же данные, однако, путём «правильного» подбора масштабов вертикальной шкалы можно добиться совершенно разного визуального впечатления.


Ложь, наглая ложь и статистика Статистика, Теория вероятностей, Реклама, Маркетинг, Политика, Длиннопост

Чтобы не быть голословным, приведу пример, где подобная инфографика буквально решала вопросы жизни и смерти – дело Терри Шайво. Вкратце, женщина находилась в больнице в вегетативном состоянии, и решался вопрос об её отключении от системы жизнеобеспечения. Родители же были против и прибегли к апелляции к общественному мнению, что впоследствии привело к серьёзным политическим дебатам в отношении вопроса о принудительном отключении подобных больных от системы питания. История довольно драматичная, но нам интересен результат опроса, проведённый CNN, а так же форма представления результатов:

Ложь, наглая ложь и статистика Статистика, Теория вероятностей, Реклама, Маркетинг, Политика, Длиннопост

Поскольку шкала начинается на 53, создаётся впечатление, что согласных отключить Терри от аппарата среди демократов во много раз больше. Согласитесь, если бы была приведена такая диаграмма, то впечатление бы не было столь сильным:

Ложь, наглая ложь и статистика Статистика, Теория вероятностей, Реклама, Маркетинг, Политика, Длиннопост

Подобные приёмы нашли широкое применение не только в политике, но и при составлении всевозможных рейтингов, хит-парадов, чартов и прочих маркетинговых инструментов.


Послесловие


Статистика – замечательная дисциплина, позволяющая анализировать данные, находить закономерности и связи, достоверно предсказывать развитие сложных систем, однако, как и любой другой инструмент, его обращение во благо или во зло находится на совести применяющего его человека. А сама наука тут не причём.

Показать полностью 12
6044

Как два байта переслать?

Что может быть проще пересылки текстового сообщения «Hello!» с одного компьютера на другой? Да ничего сложного! Сейчас всё придумаем, а заодно заново изобретём велосипед.


Как два байта переслать? Osi, Телекоммуникации, IT, Интернет, Длиннопост

Физический уровень


Для передачи воспользуемся обычным куском медной проволоки. Закодируем послание в двоичный код и будем подавать напряжение, когда надо будет передать единицу, и отключать, когда передаём ноль. На приёмнике сигнала, соответственно, будем расшифровывать сигнал по такому же принципу.


Предварительно договоримся, что каждому символу мы сопоставим определённое число, а затем передавать представление этого числа в двоичной форме.

Как два байта переслать? Osi, Телекоммуникации, IT, Интернет, Длиннопост

На выходе из приёмника у нас получится вот такой вот график напряжения:

Как два байта переслать? Osi, Телекоммуникации, IT, Интернет, Длиннопост

Теперь осталось просто взять и расшифровать этот сигнал на приёмнике. Включив передачу, мы обнаружили, что реальный мир быстро разрушил наши теоретические построения. Приёмник получил вовсе не то, что мы ожидали:

Как два байта переслать? Osi, Телекоммуникации, IT, Интернет, Длиннопост

Оказалось, что на приёмное устройство включилось несколько позднее передающего, а кроме того, генераторы тактовой частоты у приёмника и передатчика несколько различаются. Хоть на них и написано 100 МГц, выяснилось, что приёмник работает с частотой 101,3 МГц, а передатчик – с частотой 100,9 МГц.


Разумеется, можно было бы оснастить два устройства высокоточными атомными часами, или использовать для синхронизации сигналы GPS (см. Маршрут построен), но это сильно дороже, чем мы рассчитывали. Вот, если бы нам удалось передать приёмнику тактовый сигнал передатчика. Подумав немного, мы решили добиться этого, закодировав сигнал, разделив каждый такт на 2 части. Ноль мы кодируем падением потенциала, а единицу – ростом:

Как два байта переслать? Osi, Телекоммуникации, IT, Интернет, Длиннопост

Ура, нам удалось передать короткий текст с одного компьютера на другой! (А заодно мы заново изобрели Манчестерское кодирование, которое применяется в настоящее время в технологии Ethernet. Если вы зачистите пару проводов в сетевом кабеле и подключите их к осциллографу, вы увидите на экране картинку, очень похожую на эту:

Как два байта переслать? Osi, Телекоммуникации, IT, Интернет, Длиннопост

Существуют и другие виды физического кодирования сигнала, но, чтобы описать их все, мне не хватит ни времени, ни места в посте).


Кстати об Ethernet-кабеле (Витой паре) – хотя внутри него находятся 8 проводов, для передачи сигнала со скоростью до 100 Мбит /с достаточно всего четырёх из них. Все восемь требуются лишь для передачи со скоростью свыше 1 Гбит/с.


Канальный уровень


Мы построили физический канал связи, но все наши проблемы пока не решены. Пока мы передавали короткие наборы данных, всё было прекрасно. Но на длинных пакетах данных очень часто возникала проблема «сдвига фазы». Приёмник просто не знает, где кончается одно сообщение, и начинается другое:

Как два байта переслать? Osi, Телекоммуникации, IT, Интернет, Длиннопост

Нам нужен какой-то способ разделять разные блоки данных между собой, назовём их кадры (или фрейм, frame) чтобы приёмник мог точно знать, где заканчивается один пакет, и начинается другой. Поскольку всё, что мы можем передавать – это нули и единицы, договоримся о специальном символе-разделителе, например, такой последовательности: 01111110. Теперь, перед началом пакета мы всегда будем посылать эту последовательность, а приёмник будет знать, что получает новый кадр. Тут возникает вопрос, а как поступить, если в передаваемых данных так же встретится подобная комбинация бит? Давайте тогда договоримся, что если внутри кадра нам требуется передать более 5 последовательных единиц подряд, то вместо 111111 мы будем передавать 1111101 – то есть, вставлять нолик после каждых 5 единиц. Приёмник, с другой стороны, так же будет настроен на то, чтобы игнорировать этот ноль. Чтобы не терять синхронизацию, во время простоя приёмник будет постоянно передавать последовательность-разделитель во время установленного соединения.


Когда же требуется установить новое соединение и установить синхронизацию по частоте будем пользоваться следующим соглашением – сначала несколько наносекунд молчания, длительность должна соответствовать как минимум длительности передачи 96 бит (12 блоков по 8 бит или октетов). Это нужно для того, чтобы точно удостовериться, что данные в настоящий момент не передаются. Затем будет посылаться преамбула – 56 бит повторяющихся пар нулей и единиц: 10101010101010101010101010101010101010101010101010101010 – так приёмник сможет точно измерить длительность, с которой будут передаваться биты. Затем мы передадим уже знакомую последовательность начал кадра: 01111110, после чего – наше сообщение.


Мы более-менее успешно справлялись только с одним видом соединения – от одной точки к другой (или по-английски Point-to-Point). А соглашение и правила, по которым мы условились осуществлять передачу, давайте назовём ПРОТОКОЛ. Но тут мы решили организовать компьютерную сеть, состоящую из нескольких компьютеров. Можно, конечно, оснастить каждую пару компьютеров отдельным каналом связи, но проще будет подумать, какие необходимо внести изменения в наш протокол, чтобы можно было бы передавать сообщение по одному физическому каналу на любой из подключённых к нему приёмников.


Для начала необходимо как-то идентифицировать компьютеры в нашей сети. К счастью, каждое приёмо-передающее устройство имеет нечто вроде уникального 6-значного (48 бит) серийного номера, который обычно записывается в шестнадцатеричном виде через двоеточие, например e0:62:0f:1a:02:2d, иначе он называется MAC-адрес (от Media Access Controlуправление доступом к среде).


То есть внутри нашего кадра мы теперь будем сначала передавать MAC-адрес приёмного устройства на компьютере-получателе, затем свой адрес (чтобы нам могли ответить), затем укажем подсказку, какие данные внутри, затем – сами данные, после чего – их контрольную сумму (её посчитаем по алгоритму CRC-32, о котором, может быть, я расскажу в другой раз. Тема интересная).


Наш кадр (Ethernet frame) приобретает следующий вид:

Как два байта переслать? Osi, Телекоммуникации, IT, Интернет, Длиннопост

Ура, мы заново изобрели протокол Ethernet, одну из разновидностей протокола HLDC (High-Level Data Link Control).


Что передать в качестве типа данных? Давайте пока передадим 0001000 00000000 (0x800), а потом к этому вернёмся.


Тут стоит сказать, что есть одна разновидность HLDC под названием Point-to-Point protocol или сокращённо PPP, которая чуть отличается от вышеприведённой схемы. Поскольку, как следует из названия, он используется для связи вида «точка-к-точке», в поле адрес получателя всегда вносится 11111111 (FF), а в адрес получателя – всегда 00000011 (3). Почему? Так повелось исторически.


Сетевой уровень


И так, теперь, получая по локальной сети кадр данных, приёмник может проверить, а ему ли предназначается данное сообщение. Он сверит MAC-адрес, указанный в кадре со своим MAC-адресом, и, если данные предназначаются не ему – попросту проигнорирует его. Есть, правда, и способ передачи данных на все компьютеры, подключённые к нашей сети. Для этого, в качестве адреса получателя мы должны указать FF:FF:FF:FF:FF:FF – все единицы в двоичном представлении. В этом случае сообщение получит каждое подключённое устройство.


Примечание для параноиков: несмотря на это, при помощи небольших ухищрений данные, предназначенные другой машине, можно просмотреть из любой другой точки сети, эта техника называется «сниффинг», а программы, предназначенные для этого – снифферы или по-умному – анализатор пакетов. Один из наиболее известных и бесплатных Wireshark.


Но что, если у нас несколько сетей? Собственно, само слово «Интернет» это подразумевает. Если всё очень сильно упростить, то интернет – это совокупность локальных сетей, подключённых к крупным магистральным «хабам» (маршрутизаторам, хостам), с прямым соединением:


Как два байта переслать? Osi, Телекоммуникации, IT, Интернет, Длиннопост

Допустим, нам необходимо передать наше «Hello!» с компьютера А на компьютер В:

Как два байта переслать? Osi, Телекоммуникации, IT, Интернет, Длиннопост

Даже, если мы и знаем MAC-адрес компьютера В (а это в большинстве случаев не так), то при отправке пакета данных с компьютера А, внутри этой сети нет компьютера B, и, соответственно, адресат наше сообщение не получит. Получается, нам необходим какой-то иной адрес, который будет универсальным для любой сети, подключённой к Интернету. При помощи этого адреса, хабы смогут пробрасывать сообщение между различными локальными сетями, зная, к какому именно хабу подключена сеть, где находится компьютер адресата.


Совершенно ясно, что нам необходим новый протокол, который мы так и назовём: Интернет протокол (IP – Internet protocol), а адрес компьютера по этому соглашению – IP-адрес.


В настоящее время чаще всего используется схема адресации версии 4 (IPv4), где адрес состоит из 32 бит (4 октетов), которые записывают в виде десятичных цифр вида 192.168.0.1 или 127.0.0.1. Как нетрудно посчитать, такая схема может максимально адресовать 4 294 967 295 устройств, поэтому сейчас активно внедряется версия 6 (IPv6), в котором на адрес отведено аж 128 бит, вместо 32, чего с лихвой должно хватить на пару ближайших столетий.


Когда на хаб, соединённый сетью А передаются данные для сети B, используя данную адресацию, можно построить требуемый маршрут для передачи. Для этого на каждом из таких компьютеров имеется таблица адресов (таблица маршрутизации или routing table) и номер интерфейса (условно - сетевого адаптера) по которому следует передавать данные на нужный адрес.

Как два байта переслать? Osi, Телекоммуникации, IT, Интернет, Длиннопост

Но даже с IP версии 4, поддерживать на каждом хабе адресную таблицу, состоящую из 4 млрд. записей непрактично и вовсе невозможно, когда речь идёт об IPv6. Вместо этого, в адресной таблице (таблице маршрутизации) можно указывать целые группы адресов.


Например, компьютер в сети B имеет IP адрес 47.58.3.83. На хабе «Афина» (названия условны) в таблице маршрутизации указано: пакеты на 47.58/16 отправлять по интерфейсу 2 (на «Аид»).

Сокращение /16 означает любой адрес назначения, где первые 16 бит соответствуют 47.58. Таблица маршрутизации может содержать и уточнение, например 47.58.3/24 → 3 (на «Зевс»). В данном случае пакет будет направлен на хаб «Зевс», потому что чем больше степень уточнения (24 бит вместо 16), тем более высокий приоритет имеет запись.


Но таблицы маршрутизации не решают проблему, как компьютеру в одной локальной сети передать информацию на компьютер в другой сети. Собственно, мы подходим к тому, что внутрь Ethernet кадра, описанного выше, мы должны вложить IP пакет, где будет указано, на IP адрес необходимо доставить информацию.


И ещё – как узнать, какой именно из компьютеров в нашей локальной сети подключён к какому-либо из хабов, то есть, является «шлюзом» (Gateway) в интернет? Если открыть на компьютере свойства сетевого подключения, мы увидим картину, похожую на эту:

Как два байта переслать? Osi, Телекоммуникации, IT, Интернет, Длиннопост

Как видно, адрес «шлюза» (Default gateway) обычно настраивается при подключении (Примечание: современные локальные сети могут конфигурировать подключение без участие пользователя). Так же здесь мы можем увидеть загадочное 255.255.255.0 – маску подсети. Она говорит нам о том, что у всех устройств в нашей локальной сети адреса первых 24 бит совпадают. Почему 24 бит? Достаточно посмотреть на эту «маску» в двоичном представлении: 11111111 11111111 11111111 00000000. Единицей промаркированы совпадающие биты в адресах. С такой маской в одной сети может одновременно находиться до 256 устройств. В крупных сетях маска может быть иной.


Эта конфигурация сети говорит о том, что на любой адрес, начинающийся с 192.168.0 можно пересылать сообщения по локальной сети, а информацию, предназначенную для других получателей – отправлять на «шлюз». Но возникает вопрос, адрес «шлюза» – это 4 ничего не значащих для нас цифры, ведь, чтобы отправить что-либо по сети Ethernet, нам необходим MAC адрес для этого устройства. Как водится в сетевом мире, и на это имеется свой протокол, который называется ARP – Address Resolution Protocol (протокол определения адреса).

Как два байта переслать? Osi, Телекоммуникации, IT, Интернет, Длиннопост

Простыми словами, в процессе отправки этого запроса по всем компьютерам в нашей сети, мы спрашиваем: «Эй, у кого тут адрес 192.168.0.1?». Шлюз примет это сообщение и ответит аналогичным пакетом, в котором будет указан код операции 2 (ответ) и заполненное поле, где будет указан его MAC-адрес.


На стороне получателя при получении информации извне, шлюз формирует точно такой же запрос, на который отвечает устройство-получатель, сообщая свой MAC-адрес.


Примечание: в жизни всё обычно несколько сложнее, так как IP-адреса внутри локальной сети не являются глобально-уникальными, и в функции шлюза так же входит обязанность по их преобразованию (трансляции). Данная техника имеет название NAT (Network Address Translation).


Теперь, имея физический адрес нашего шлюза и IP-адрес нашего получателя, мы, наконец, можем отправить информацию с текстовым сообщением «Hello!».


Для этого, в уже знакомый нам Ethernet фрейм мы вкладываем IP-пакет. Его структуру можно лицезреть ниже на рисунке (показана структура пакета версии 4). Заголовок пакета состоит из нескольких «слов», длиной 2 байта (32 бит):

Как два байта переслать? Osi, Телекоммуникации, IT, Интернет, Длиннопост

Отдельно здесь хочу уделить внимание полю TTL (время жизни) и зачем оно нужно. Если посмотреть на диаграмму с маршрутизаторами чуть выше, не всегда можно надеяться на то, что таблицы маршрутизации на всём пути следования настроены как надо. Предположим, IP-пакет, отправленный с «Афины» на «Аида», но тот, вместо того, чтобы передать его «Посейдону», передал его на «Гермес», который, в свою очередь, имеет правило маршрутизации, предписывающее передавать пакеты обратно на «Афину». Получается своеобразная «петля», и пакет бы передавался так вечно, если бы не «время жизни». С ним, пройдя определённое количество маршрутизаторов, пакет будет благополучно уничтожен (не дойдя до адресата).


Теперь же, заполнив этот «бланк электронного отправления», мы можем приступить непосредственно к установлению связи с компьютером в другой сети, зная, что маршрутизаторы на пути следования этого пакета данных смогут доставить его получателю.


Транспортный уровень


Если вы невнимательно читали, я напомню, что внутрь одного PPP-фрейма может влезть максимум 1500 октетов (байт). Соответственно, если объём передаваемых данных больше этого значения, нам необходимо будет разбить их на несколько фрагментов и упаковать их каждый – в свой IP-пакет. Здесь нас подстерегает ещё несколько проблем.


Мы не знаем, по каким именно маршрутам будут пересылаться наши пакеты, мы не знаем, все ли из них будут доставлены (это называется потеря пакетов или packet loss), и нам никто не гарантировал того, что получены они будут именно в том порядке, что отправлялись.


Данные проблемы могут возникнуть из-за физических повреждений на линиях связи, их перегрузкой, когда с множества компьютеров передаются большие объёмы данных, и маршрутизаторы вынуждены отбрасывать пакеты с низким приоритетом, обновлениями таблиц маршрутизации на пути следования пакетов, отказом оборудования и ещё тысячей и одной других причин.


Ещё одну проблему представляет ситуация, когда между двумя компьютерами одновременно ведётся два или более «разговоров» (например, пересылается файл и осуществляется видеозвонок).


Соответственно, нам нужен механизм (да, угадали – ещё один протокол), который бы позволял нам узнавать, был ли доставлен пакет и повторно отправлять их, если это вдруг произошло, а также определять какой из пакетов к какому из «разговоров» (или соединений) относится.


На помощь приходит Протокол управления передачей или TCP (Transmission Control Protocol), который призван решить все перечисленные проблемы, обеспечивая гарантированную передачу данных по ненадёжным каналам связи.


Пользователям достаточно знать, что, когда устанавливается TCP-соединение, между двумя устройствами как бы пробрасывается «труба», и любой поток данных, вошедших с одного конца, рано или поздно появится на другом, без потерь, искажений и в нужной последовательности (разумеется, если не произойдёт разрыва соединения, но и в этом случае отправитель будет знать, что данные не доставлены получателю).


Примечание: внутри IP пакета вовсе не обязательно должен находиться TCP пакет. Есть и другие протоколы транспортного уровня (UDP, ICMP, но описывать их все будет очень долго).


Проблема идентификации соединения («разговора») решается как обычно в компьютерном мире их нумерацией. При соединении с каким-либо компьютером, мы указываем протоколу TCP номер порта – произвольное 16-битное число, при помощи которого протокол будет определять, к какому именно соединению относится тот или иной пакет. Можно пользоваться любым незанятым портом, однако некоторые номера, всё же, используются под конкретные нужды конкретными протоколами более высокого уровня (да, да, там «наверху» ещё много протоколов). Так, например, всем известный протокол http (с которым работает веб-браузер) использует по умолчанию порт 80, древний протокол Telnet – порт 23, SSH – 22, и т. д.


Далее, протокол TCP разбивает передаваемые данные на фрагменты, так, чтобы «впихнуть» их в IP-пакеты, которые, в свою очередь, будут «упакованы» в Ethernet-фреймы. Но перед этим, фрагменты нумеруются по порядку, и каждому из фрагментов присваивается свой номер.


«Разговор» двух машин по протоколу TCP может быть двунаправленным, то есть, обе машины могут как посылать, так и принимать данные. При получении каждого нового пакета, машина генерирует ответ-подтверждение, которое так же нумеруется. Так обе стороны точно знают, какие данные были переданы, а какие – ещё нет.


Кроме этого, дополнительно в TCP-протоколе предусмотрены 9 однобитовых флагов, позволяющие более точно регулировать процесс обмена данными. Для экономии места я опишу только часть:

SYN – Бит синхронизации, этот флаг устанавливается только на первом пакете.

ACK – Бит подтверждения – у всех пакетов после первого SYN, должен устанавливаться данный флаг.

RST – сброс соединения

FIN – последний пакет.


Общая структура заголовка TCP пакета показана на диаграмме. Обратите внимание, что порядок бит – обратный (младшие биты слева). Так, например, число 100 (0x64) должно быть указано в обратном порядке: 00100110.

Как два байта переслать? Osi, Телекоммуникации, IT, Интернет, Длиннопост

Начало сеанса TCP, также называемый «рукопожатие» (handshake), проходит так:


1. Клиент, который намеревается установить соединение, посылает серверу сегмент с номером последовательности и флагом SYN. Примечание – в целях безопасности (во избежание злонамеренной подмены номера пакета по пути следования, номер последовательности генерируется случайным образом).


2. Сервер, при готовности принять соединение, запоминает его номер последовательности и посылает клиенту сегмент со своим сгенерированным номером последовательности и установленными флагами SYN и ACK (синхронизация и подтверждение). Если сервер не готов к соединению, отправляется флаг RST.


3. Клиент, получив подтверждение, запоминает номер последовательности сервера и так же посылает пакет с флагом ACK.


Трёхэтапного согласования на практике обычно достаточно для перевода соединения в состояние «установлено» (established). После этого как клиент, так и сервер, могут начинать передачу данных друг другу. Получение каждого пакета подтверждается пакетом с флагом ACK, а так же номер подтверждения – то есть, первоначальный номер последовательности плюс количество полученных байт. Если приходит пакет с номером более ожидаемого, он «буферизируется» – запоминается в специально-выделенной области памяти, которая называется «буфером» в ожидании своей очереди.


Для того, чтобы передающая сторона не отправляла данные интенсивнее, чем их может обработать приёмник, TCP содержит средства управления потоком. Для этого используется поле «окно». В сегментах, направляемых от приёмника передающей стороне, в поле «окно» указывается текущий размер приёмного буфера. Передающая сторона сохраняет размер окна и отправляет данных не более, чем указал приёмник. Если приёмник указал нулевой размер окна, то передача данных в направлении этого узла не происходит, пока приёмник не сообщит о большем размере окна.


Когда требуется завершить соединение, его закрытие так же происходит в три этапа.


1. Посылка серверу от клиента флага FIN на завершение соединения.

2. Сервер посылает клиенту флаги ответа ACK , FIN, что соединение закрыто.

3. После получения этих флагов клиент закрывает соединение и в подтверждение отправляет серверу ACK , что соединение закрыто.


Как мы убедились, наши «два байта», которые мы хотели переслать, были в действительности упакованы в своеобразную «матрёшку»:

Как два байта переслать? Osi, Телекоммуникации, IT, Интернет, Длиннопост

И это ещё только вершина айсберга. В этом посте весьма поверхностно описаны всего 3 из 7 уровней сетевой модели OSI (Open Systems Interconnections) – де-факто стандарта, связующего огромное количество разнообразных протоколов, которые используются в настоящее время в телекоммуникационных системах. Чтобы описать их все (со всеми протоколами), потребуется издать весьма толстую книгу, написанную сухим техническим текстом без «разжёвывания», поэтому, да простят меня сисадмины и специалисты по телекоммуникациям, если я не сказал чего-то важного, по их мнению.


Как видите, простая поговорка «Просто, как два байта переслать» имеет весьма непростой подтекст.

Показать полностью 13
857

Сумма углов треугольника > 180 градусов и конечность вселенной.

Почитал этот пост. Пишет уважаемая Вера Круз так, что мало что понятно, поэтому решил чуть разжевать, о чём вообще всё это.


Возьмём двумерную поверхность. Она может быть плоской, может не быть:

Сумма углов треугольника > 180 градусов и конечность вселенной. Космос, Астрофизика, Космические исследования, Esa, Длиннопост

Так вот, с пространством всё то же самое, только в трёх измерениях.


Как измерить кривизну? Как показано на рисунке - измерением суммы углов треугольника.


До сих пор считалось, что вселенная плоская (на рисунке соответствует ситуации, когда Ω = 1).


Чуточку эльфийского:

В соответствии с уравнениями ОТО, структура пространства-времени зависит от наличия материи и энергии. На малых масштабах пространство кажется "плоским" (как поверхность Земли). На больших масштабах пространство деформируется под гравитационным воздействием материи. Так как материя и энергия эквивалентны, согласно тому же Эйнштейну, этот же эффект будет наблюдаться в присутствии любого вида энергии, а не только материи. Величина деформации (изгиба) зависит от количества энергии на единицу объёма (плотности энергии).


В общем, всё это связано первым уравнением Фридмана:

Сумма углов треугольника > 180 градусов и конечность вселенной. Космос, Астрофизика, Космические исследования, Esa, Длиннопост

H - скорость расширения нашей вселенной (параметр Хаббла)

ρ - общая плотность энергии

G - гравитационная постоянная

с - скорость света

а - "размеры" вселенной

ну и k - степень "кривизны" нашей вселенной.


Космологи часто делают "хак", чтобы упростить это уравнение, определяя "критическую плотность" энергии. Для заданного значения H, она определяется как плотность, требуемая для плоской вселенной (то есть, k = 0), то есть, уравнение переписывается так:

Сумма углов треугольника > 180 градусов и конечность вселенной. Космос, Астрофизика, Космические исследования, Esa, Длиннопост

Значения G и H мы устанавливаем экспериментальным путём, наблюдая разлёт далёких галактик. Соответственно, можем измерить и критическую плотность энергии (то, что слева от знака равенства).


Действительная же плотность энергии может отличаться от критической, соответственно, если мы разделим одно на другое, получим их отношение. Это отношение и обозначено на верхнем рисунке буквой "омега" (Ω).


Соответственно, если Ω равна единице (а именно так наблюдения говорили нам до сих пор), то вселенная "плоская". Если Ω < 1, то кривизна вселенной отрицательная, она имеет вид "гиперседла" (трёхмерный аналог двумерной поверхности, изображённой на втором сверху рисунке). Ну и если Ω > 1 - то кривизна положительная, и вселенная замкнута (первый рисунок).


До сих пор все наши наблюдения (в том числе измерение суммы углов треугольников) давали нам 180 градусов, что соответствовало Ω = 1 и плоской вселенной.


Новые данные с телескопа Planck, опубликованные ESA могут свидетельствовать, я повторяю - ВСЕГО ЛИШЬ МОГУТ СВИДЕТЕЛЬСТВОВАТЬ о том, что вселенная, таки, конечна и омега > 1.


Почему это важно? Во-первых, это совсем чуточку переворачивает нафиг половину известной космологии (постоянная Хаббла больше не постоянная). Во-вторых, итоговая судьба вселенной может быть теперь пересмотрена. В третьих, если действительно кривизна пространства положительна, то мы теперь сможем оценить размеры не только видимой части вселенной, но и её размеры целиком.


Для нас же с вами это мало что меняет, кроме ещё одного интересного факта о том мире, в котором мы живём.


Что же за пределами нашего пузыря? Есть мнение, что там мультивселенная (Multiverse), и таких пузырей на самом деле очень много, и каждый миг (если вообще временные понятия здесь применимы), там рождается ещё бесчисленное множество вселенных.

Показать полностью 2
582

Земля не резиновая или мифы о перенаселении.

Мой прошлый пост о колонизации Венеры неожиданно для меня вызвал бурное обсуждение, где, помимо проблем непосредственно колонизации, очень часто фигурировало мнение о том, что не стоит пытаться колонизировать другие планеты, пока на Земле ещё полно неосвоенных мест. Оппоненты же заявляли, что на Земле уже сейчас наблюдается нехватка ресурсов на всех.


Моё личное мнение, которое я никому не навязываю, заключается в том, что колонизация космоса человечеству необходима, скорее, из соображений социологии, чем из-за реальной потребности в каких-либо ресурсах. Я опубликовал в разное время целую серию постов о том, какие проблемы подстерегают человечество на пути освоения космического пространства, начиная с выхода на орбиту, проблем жизнеобеспечения, и заканчивая строительством космических поселений и астроинженерных сооружений. Данный пост я хочу посвятить нашей родной планете, и в нём я постараюсь рассмотреть вопрос о том, сколько же людей на самом деле может прокормить матушка-Земля.


Сразу говорю, что данный пост не претендует на роль сколько-нибудь серьёзного изыскания по теме. Скорее всего, соображения, изложенные здесь вызовут у кого-то возражения и желание поспорить, что, собственно, не возбраняется в комментариях.


Тем не менее, почти все свои аргументы я постарался подкрепить пруфами, так что приветствуется только аргументированная критика.

Земля не резиновая или мифы о перенаселении. Будущее, Энергетика, Перенаселение, Земля, Длиннопост

В 1968 году греческий архитектор Константинос Доксидиадис в своей работе «Экуменополис 2100 года» описал развитие непрерывной всепланетарной агломерации, «планетарного города», конечной стадии процесса урбанизации планеты.


Наверное, самым известным представителем подобного города-планеты в массовой культуре является планета Coruscant из вселенной «Звёздных войн». Среди примеров можно так же вспомнить Ойкуменополис из «Победителя невозможного» Евгения Велтистова или столицу Империи Трентор из цикла «Основание» Айзека Азимова.


Сам термин Экуменополис (или Ойкуменополис) происходит, как несложно догадаться, из греческого языка, где οἰκουμένη — Вселенная, обитаемый мир и πόλις — город. Думаю, концепция понятна – город, занимающий всю поверхность планеты, включая океаны и полярные регионы.


Азимов описывал свой Трентор с «громадным» населением в 40 миллиардов человек. Соседние планеты не занимались более ничем, кроме выращивания еды для снабжения этого города-планеты, однако, если попытаться разобраться, то подобная концепция в корне не верна, как и многие другие концепции ретро-футуризма.


Давайте попытаемся разобраться, сколько в действительности людей может поместиться на нашей планете. Начнём с площади поверхности, которая составляет 510 миллионов квадратных километров. Если мы выделим по 1000 м² площади на каждого жителя (на которой должны разместиться его дом, рабочее пространство, средства обеспечения пищей, водой, энергией, место под хранение запасов, зона рекреации, и при этом размещаться всё это будет на одном уровне, наша планета сможет поддерживать население приблизительно в полтриллиона человек (500 млрд). Если же размещение будет в несколько этажей, то эта цифра может увеличиться на порядок – до квадриллиона человек, при этом, добавляя этажи, либо сокращая личное пространство, мы могли бы увеличивать эту цифру и дальше. Азимов ошибался как минимум на один порядок, и более близкими в данном случае выглядит Корусант из «Звёздных войн» или Терра из «Вархаммера», с населением в 1-2 триллиона человек.


Подождите! Не начинайте пока писать гневный комментарий! Мы только начинаем разбираться.

Земля не резиновая или мифы о перенаселении. Будущее, Энергетика, Перенаселение, Земля, Длиннопост

На самом деле квадриллион людей на Земле не разместить, и дело даже не в ресурсах или энергии, проблема в том, что каждый человек представляет собой нагреватель мощностью примерно в 100 Ватт. И квадриллион людей в сумме будут выделять 10¹⁷ Вт тепловой энергии (100 Петаватт), что суммарно сравнимо по мощности с объёмом энергии, которую планета получает от Солнца. И если мы планируем прокормить всех этих людей, данную цифру надо ещё как минимум увеличить примерно в 100 раз, даже в случае супер-эффективного способа производства продуктов питания, который смог бы конвертировать электричество и свет в пищевые калории с «фантастической» эффективностью в целый 1%! Для того, чтобы отдать такое тепло в космос посредством излучения, температура планеты должна будет увеличиться в три раза.


Следует так же учитывать, что доставка необходимых грузов из космоса (если предположить, что всё производство вынесено за пределы планеты), так же не обойдётся без выделения тепла, так как кинетическая энергия объекта, попадающего на поверхность нашей планеты, должна будет каким-то образом гаситься, то есть – превращаться в тепло.


По сути, тепло является единственным естественным ограничителем для увеличения численности населения планеты, если бы мы владели термоядерной энергетикой.


Теперь, давайте остановимся подробнее на ресурсах, которые нам нужны, а именно: воздух, вода, пища.


Воздух


Точнее – кислород. Является возобновляемым ресурсом, по сути, вдыхая кислород, мы связываем его с атомом углерода из нашего собственного тела, затем выдыхаем углекислый газ (CO₂). В среднем, человек вдыхает в сутки примерно 11 тыс. литров воздуха, при этом сжигается не весь кислород, а лишь примерно 550 литров (ссылка).


Помимо атмосферы, кислород содержится ещё и в земной коре, 40% массы которой приходится на кислород. Но предположим, что иных источников, кроме регенерации кислорода из углекислого газа у нас нет (наиболее энергозатратный процесс), поэтому мы воспользуемся «дедовским» способом и будем восстанавливать углерод при высокой температуре (http://carbon.atomistry.com/decomposition_carbon_dioxide.html). Массовая доля кислорода в углекислоте составляет ~73%, соответственно, нам необходимо получить 785 грамм кислорода (550 литров), что потребует нагрева 1075 г углекислого газа до температуры ~3500 °С, на что потребуется 3,17 Мегаджоуля энергии в день на человека. Здесь, впрочем, стоит отметить недавно открытый способ восстановления углерода при помощи ультрафиолета, который потенциально может оказаться дешевле (https://phys.org/news/2014-10-oxygen-molecules-carbon-dioxide.html). Добавим эту цифру в наш энергетический бюджет и пойдём дальше.


Вода


Является полностью восполнимым ресурсом, однако, регенерация и очистка воды так же требуют энергии. Вода нам необходима не только для питья, но и для гигиенических процедур. Ежедневно человек потребляет до 250 литров воды. Не располагая точными сведениями по всем возможным процессам очистки, я для наших прикидок взял минимальную энергию, необходимую на опреснение 100 литров (0,1 м³) океанской воды в день. В зависимости от используемого метода, это составит 0,25 – 7,2 МДж в день на человека.


Пища


В среднем, человек должен потреблять пищи, эквивалентом около 2500 калорий энергии ежедневно. При этом, допустим, соотношение растительной и животной пищи оптимально должно находиться в пропорции 70:30 (https://planet-today.ru/novosti/nauka/item/6165-uchenye-nazvali-luchshee-sootnoshenie-rastitelnoy-i-zhivotnoy-pischi-v-ratsione), что потребует нам, соответственно 1750 калорий растительной и 750 – животной пищи. На этом ресурсе представлены текущие затраты энергии на производство некоторых видов пищевых продуктов.

Земля не резиновая или мифы о перенаселении. Будущее, Энергетика, Перенаселение, Земля, Длиннопост

Я позволил себе некоторую вольность и, основываясь на данных цифрах, усреднил показатели, получив потребность в 2,62 кг растительной и 0,4 кг животной пищи в день на человека, что эквивалентно, соответственно, энергии в 21,82 МДж и 31,72 МДж. Здесь следует отметить, что оценка затрат на производство продуктов питания проведена исходя из современных методик ведения сельского хозяйства и, соответственно, не учитывает передовых достижений в области вертикальных ферм, гидропоники, аэропоники и мяса из пробирки.


Так же следует отметить, что мясопроизводящий скот требует под пастбища в настоящее время до 80% возделываемых земель, но при этом производит менее 20% мирового потребления калорий.


Что касается площади, необходимой для выращивания необходимых культур, то примерно получается такая картина (http://www.waldeneffect.org/blog/Calories_per_acre_for_various_foods):

Земля не резиновая или мифы о перенаселении. Будущее, Энергетика, Перенаселение, Земля, Длиннопост

В среднем, для обеспечения нужд одного человека требуется посевная площадь порядка 255 м² или (для четырёхуровневой вертикальной фермы) квадрат 8×8 м, что вполне вписывается в отведённый в начале этого поста «лимит» в 1000 м². При освоении производства «мяса из пробирки», размер технологического оборудования так же, вряд ли будет превышать заданные габариты.


Здесь так же стоит отметить, что энергозатраты на производство растительной пищи дополнительно можно сократить, используя для этого светодиоды, испускающие излучение только в требуемом для фотосинтеза диапазоне.


Но, даже не прибегая к каким-либо новым технологиям, используя лишь существующие и проверенные методы, мы получаем максимально-возможные энергетические требования на 1 человека в размере ~ 60 МДж в день (16,67 КВт*ч) или 6084,55 КВт*ч в год.


Энергия.


Как, я надеюсь, уже понятно, энергия является основным сдерживающим фактором роста населения планеты. Существует много людей, считающих, что энергоресурсов на Земле не хватит не то, чтобы на триллион человек, но и уже не хватает даже для текущих 8 миллиардов. И они правы в контексте современной нефтебензиновой экономики, завязанной на извлечение энергии из ископаемых углеводородов. Но по мере исчерпания ископаемого топлива, мне слабо верится, что человечество вернётся к паровым двигателям и лошадкам.


Начнём с текущего производства электроэнергии (http://world.bymap.org/ElectricityProduction.html). По состоянию на конец 2014 года, мировая выработка электроэнергии составляла 3171 КВт*ч на человека в год, что в 2 раза меньше цифры, требуемой для обеспечения полной автономности каждого отдельного человека. Здесь я напомню, что в наших расчётах учтена энергия на полную регенерацию кислорода и воды, чего мы, разумеется, сейчас не делаем, а так же энергия на производство пищи. Однако, не стоит так же забывать, что доля возобновляемых источников энергии не превышает сейчас в лучшем случае и 25%, так что нам необходимо обеспечить выработку энергии из возобновляемых источников минимум в 7 раз больше, чем есть сейчас.


Так что, энергии на всех не хватает? Давайте посмотрим, где её можно взять. Начать с того, что в случае освоения термоядерной энергии, энергетический вопрос можно считать окончательно закрытым (см. Как термоядерный синтез решит почти все наши проблемы), но, поскольку термоядерная энергия вот уже более полувека остаётся энергией «завтрашнего дня», давайте посмотрим на альтернативы.


С самого начала следует оценить потенциал возобновляемых источников энергии. В тематической работе «The Potentials of Renewable Energy» международного комитета по возобновляемым источникам энергии приводятся следующие цифры:

Земля не резиновая или мифы о перенаселении. Будущее, Энергетика, Перенаселение, Земля, Длиннопост

Как видно из таблицы, возобновляемых ресурсов планеты даже при текущем техническом потенциале нам хватит, чтобы поднять выработку энергии в тысячи, а теории – в миллионы раз больше, чем мы это делаем сейчас.


И уж конечно, если этих источников нам, по какой-то причине, не хватит, на помощь приходит наш основной источник практически неисчерпаемой энергии – Солнце. Идея по передаче солнечной энергии из космоса на землю занимает умы людей уже давно (первая публикация на эту тему датирована 1968 годом, первый патент – 1973).

Земля не резиновая или мифы о перенаселении. Будущее, Энергетика, Перенаселение, Земля, Длиннопост

Система предполагает наличие аппарата-излучателя, находящегося на геостационарной орбите. Предполагается преобразовывать солнечную энергию в форму, удобную для передачи (СВЧ, лазерное излучение), и передавать на поверхность в «концентрированном» виде.


Эффективность солнечных батарей с тех пор значительно возросла, а стоимость вывода грузов на орбиту – снизилась до такого уровня, что Национальное космическое общество США в 2007 году представило доклад, в котором рассматриваются различные аспекты данного вида энергетики.


При отсутствии загазованности атмосферы или облаков, на Землю падает примерно 35% энергии от той, которая попала в атмосферу. Кроме того, правильно выбрав траекторию орбиты, можно получать энергию около 96 % времени. Таким образом, фотоэлектрические панели на геостационарной орбите Земли (на высоте 36000 км) будут получать в среднем в восемь раз больше света, чем те же панели на поверхности Земли и даже больше, когда космический аппарат будет ближе к Солнцу чем Земля. С другой стороны, недостатком космической энергетики и по сей день является её высокая стоимость. Средства, затраченные на вывод на орбиту системы общей массой 3 млн т. окупятся только в течение 20 лет, и это если принимать в расчёт удельную стоимость доставки грузов с Земли на рабочую орбиту 100 $/кг. Нынешняя же стоимость вывода грузов на орбиту намного больше.


Вторая проблема создания ОЭС — большие потери энергии при передаче. При передаче энергии на поверхность Земли будет потеряны, по крайней мере, 40-50% полученной спутником энергии.


Ну и главным недостатком данной технологии, на мой взгляд, является то, что подобная энергетическая установка, по сути, является весьма эффективным оружием массового поражения, что в условиях современной политической ситуации будет являться главным стопором в её развитии.


Тем не менее, надеюсь, этим постом, я смог если и не развенчать миф о скором исчерпании ресурсов Земли и её перенаселённости, то, хотя бы, серьёзно расшатать позиции его сторонников.

Показать полностью 6
6232

Колонизация Венеры или как выжить в аду

Когда люди говорят о колонизации Солнечной системы, неизменно подразумевается, что первым кандидатом для колонизации должен быть Марс. Однако, у нас есть ещё одна соседка, которая почему-то не получает столько внимания, хотя, во многих отношениях она может стать даже предпочтительнее Марса. Я говорю о Венере. Забавно, но примерно до 60-х годов 20 века, именно Венера, а не Марс была основным кандидатом для колонизации.

Колонизация Венеры или как выжить в аду Космос, Колонизация планет, Венера, Будущее, Длиннопост, Терраформирование

Для начала, давайте сравним, куда проще долететь. Если брать классическую Гомановскую траекторию, то Венеры можно достичь примерно за 100 дней, в то время, как до Марса придётся лететь порядка 260 дней, то есть, Марс в 2,5 раза дальше. Кроме того, стартовое окно до Венеры открывается один раз в 584 дня, а до Марса – раз в 780 дней. Иными словами, до Венеры летать можно быстрее и чаще. Путешествие туда и обратно на Венеру будет на 30-50% короче, чем на Марс. Это значит, необходимо брать с собой меньше топлива, меньше еды, меньше воздуха. Это значит меньшее воздействие космических лучей.


С точки зрения размера, Венера – почти близнец Земле. Её диаметр составляет почти 95% диаметра Земли (12 тыс. км). Марс же значительно меньше – его диаметр всего 6,7 тыс. км. Сила тяжести на Венере почти земная (8,87 м/с²), в то время как на Марсе всего 3,72 м/с².

Колонизация Венеры или как выжить в аду Космос, Колонизация планет, Венера, Будущее, Длиннопост, Терраформирование

Сравнение размеров Марса, Земли и Венеры


В рассказах о колонизации Марса, от проблемы его низкой гравитации отмахиваются, не уделяя её должного внимания, однако, даже те скудные данные о воздействии низкой гравитации на организм человека, которыми мы располагаем, позволяют говорить о том, что потеря костной массы в таких условиях может идти в 10 быстрее, чем при остеопорозе.


Венера расположена значительно ближе к Солнцу, что означает, что с одной солнечной панели можно получить в 4 раза больше энергии, чем на Марсе.


На Венере очень плотная атмосфера, которая представляет собой броню, гораздо лучше защищающую от космических лучей и метеоритов.


Но эта же атмосфера и представляет собой большую проблему. Венера – невезучая сестра-близнец Земли, где глобальное потепления и парниковый эффект вышли из-под контроля. Когда говоришь о климате на Венере, на ум просятся слова вроде «ад» или «инферно». Венера – самая горячая планета Солнечной системы. Когда-то Венера была холоднее и даже имела воду, но близость к Солнцу оказалась губительной. Всё дело в углекислом газе (CO₂) и солнечном свете. Наибольшая интенсивность солнечного излучения приходится на длину волну 600 нм. Углекислый газ не очень хорошо поглощает такое излучения и оно спокойно проходит сквозь атмосферу, достигая поверхности планеты. Поверхность от этого нагревается и испускает излучение обратно уже в инфракрасном диапазоне. А вот его уже углекислый газ прекрасно поглощает, в результате чего атмосфера разогревается. Как результат – разогрев поверхности до 457 °C, только при такой температуре возможно уравновесить количество полученной от Солнца энергии с количеством энергии, излучаемой обратно в космос. При такой температуре уже плавится свинец и цинк.


Разумеется, вся вода, которая и была на Венере, разложилась на кислород и водород, а, поскольку водород очень лёгкий, он и улетучился из атмосферы быстрее всего. Сама атмосфера при такой температуре имеет давление у поверхности в 91,7 раз, превышающее земное (эквивалентно погружению под воду на глубину примерно 1 км). При таком давлении, углекислый газ в атмосфере, строго говоря, уже не газ, а сверхкритическая жидкость. Над поверхностью планеты плывут облака, из которых идут дожди из серной кислоты, а из под поверхности практически непрерывно происходят извержения лавы. Венера первая по количеству действующих вулканов в Солнечной системе. «Райское местечко», не правда ли?!

Колонизация Венеры или как выжить в аду Космос, Колонизация планет, Венера, Будущее, Длиннопост, Терраформирование

Поверхность Венеры в воображении художника…


Казалось бы, человек не сможет находиться на Венере хоть сколько-нибудь долгое время, даже в скафандре (рекорд длительности нахождения на поверхности даже для автоматических станций принадлежит аппарату «Венера-13», который смог проработать на поверхности целых 127 минут, прежде чем вышел из строя). Колонизировать Венеру нельзя!


Или можно?

Колонизация Венеры или как выжить в аду Космос, Колонизация планет, Венера, Будущее, Длиннопост, Терраформирование

… и в реальности (фотография, сделанная аппаратом «Венера-13»).


Наверное, основная проблема с Венерой заключается в том, что мы не находим интересным колонизировать место, куда нельзя воткнуть флаг. Но если на поверхности Венеры творится сущий ад, то, может быть, стоит посмотреть, что происходит на высоте примерно 50 км над поверхностью? А происходит там следующее – температура падает до 50-60 °C, но, что ещё более важно, давление там в точности такое же, как и на земле – ровно 1 атмосфера. Иными словами, для того, чтобы находиться там, человеку, возможно, и потребуется какой-нибудь теплоизоляционный костюм и простая кислородная маска, но ни в коем случае не космический скафандр, который потребовался бы нам на поверхности Марса, к примеру, или в открытом космосе. Да, есть ещё небольшой дискомфорт от тумана из серной кислоты, но с этим тоже можно справиться.


Да, это по-прежнему, суровые условия, однако, если подумать, это наиболее приближённые к Земным условия по сравнению со всеми остальными местами Солнечной системы. Так, может быть, стоит построить города в венерианских облаках? Специалисты из NASA даже разработали подробный концепт подобного поселения (H.A.V.O.C.).


Подробное описание проекта https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20160006329.pdf

Колонизация Венеры или как выжить в аду Космос, Колонизация планет, Венера, Будущее, Длиннопост, Терраформирование

На высоте 50-55 км над поверхностью атмосфера Венеры всё ещё практически целиком состоит из углекислого газа, который имеет молекулярную массу 44, что всё ещё тяжелее практически любого остального газа (для сравнения, кислород имеет молекулярную массу 32, азот – 28, гелий – 4, водород – 2), а это значит, что любой более лёгкий газ может обеспечить подъёмную силу для аэростатов и дирижаблей. Да, это значит, что баллон, наполненный даже обычным земным воздухом, сможет свободно парить в атмосфере Венеры, а баллоны, наполненные водородом и гелием будут даже эффективнее, чем на Земле. При этом, из-за практически полного отсутствия кислорода в атмосфере, водород можно использовать, не опасаясь пожаров.

Колонизация Венеры или как выжить в аду Космос, Колонизация планет, Венера, Будущее, Длиннопост, Терраформирование

Серная кислота, присутствующая в атмосфере Венеры, будучи крайне неприятным на первый взгляд веществом, в то же время является весьма ценным ресурсом, так как при разложении может обеспечить вас водой, а равно – кислородом и водородом, которые можно использовать как для дыхания, так и для наполнения баллонов.


Освещённость на такой высоте будет близка к земным показателям, однако тот факт, что Венера имеет ретроградное вращение вокруг своей оси делает длительность суток на Венере равные по продолжительности 243 земных. Иными словами, год на Венере короче, чем Сутки (225 дней). Столь медленная смена дня и ночи, возможно, даже к лучшему, так как это позволяет сравнительно легко поддерживать движение, оставаясь всё время на освещённой стороне, что позволит получать больше солнечной энергии на выращивание растений, синтез удобрений (азота в атмосфере всего 3%, но количественно его больше, чем в атмосфере Земли из-за большой плотности). Напомню, что эффективность солнечных панелей на Венере в 1,98 раза выше, чем на Земле.


Когда мы говорим о дирижаблях и воздушных шарах, на ум приходят весьма «хлипкие» конструкции из истории земного воздухоплавания, однако, современные лёгкие и прочные материалы, такие как графен, могут позволить создавать весьма крупные и прочные летающие конструкции. При этом, материалы можно извлекать прямо из атмосферы Венеры, так как чего-чего, а углерода в ней предостаточно.


Кроме того, подобные материалы потенциально могут выдержать адские условия у поверхности планеты, поэтому их можно применять для изготовления тросов, при помощи которых можно либо закреплять летающие конструкции, либо даже перемещаться.


Изобилие солнечного света и плотная атмосфера Венеры позволяет так же сооружать крылатые пропеллерные летательные аппараты на электрической тяге, способные находиться в полёте практически неограниченное время, чего нельзя, к сожалению, добиться на Марсе, где с полётами из-за низкой плотности атмосферы всё обстоит гораздо сложнее.

Колонизация Венеры или как выжить в аду Космос, Колонизация планет, Венера, Будущее, Длиннопост, Терраформирование

Не стоит и говорить о том, что использование подобных летательных аппаратов значительно удешевляет подъём на орбиту и спуск с неё.


Как видите, Венера может предоставить все условия для проживания, пусть не на поверхности, а на высоте 50-60 км, но, в то же время, условия нахождения колонистов на Венере во многих отношениях даже лучше, чем они предполагаются на Марсе.


Но когда мы говорим о колонизации, мы говорим не только о выживании во враждебных условиях, мы говорим ещё и о терраформировании – трансформации планеты до условий, близких к земным. И если, когда мы говорим про Марс, мы говорим о том, что в первую очередь надо подогреть и уплотнить атмосферу, ради чего предлагается сбрасывать на поверхность водородные бомбы или даже естественные его спутники, то в случае Венеры задача ровно обратная – планету надо охладить.

Колонизация Венеры или как выжить в аду Космос, Колонизация планет, Венера, Будущее, Длиннопост, Терраформирование

Терраформированная Венера в представлении художника


По сложности исполнения, что то, что другое находится на пределах возможностей человечества, но, в то же время, вменяемых проектов по трансформации Марса с гарантией результата, пока никто не предложил, охлаждение Венеры представляет собой, пусть и сложную, но выполнимую задачу с инженерной точки зрения. Поскольку основным фактором, разогревающим Венеру, является солнечный свет, решение, напрашивается само собой – надо поместить планету «в тенёк», то есть – соорудить экран, блокирующий часть солнечного света.


В 1991 году британский учёный Пол Бёрч (Paul Birch) опубликовал исследование «Terraforming Venus Quickly», где предлагается натянуть перед Венерой солнечный экран, что приведёт к охлаждению планеты и снижению атмосферного давления, сначала до ~30 °C и ~74 атмосфер (критическая точка двуокиси углерода), а затем до – 56 °C и давления ~5 атмосфер (тройная точка двуокиси углерода). Ниже этой точки углекислый газ переходит из газообразного состояния в твёрдое и оседает на поверхности в виде сухого льда. Этот сухой лёд можно будет либо утилизировать, либо транспортировать на Марс (уже для нужд его терраформирования). На весь процесс по расчётам Бёрча уйдёт сравнительно немного времени: от 80 до 200 лет, что действительно очень мало, когда мы говорим о процессах терраформирования планет.


Дополнительно, при помощи солнечного зеркала, расположенного на полярной орбите можно добиться даже имитации 24 часовой смены дня и ночи.


Подобное зеркало или экран можно разместить в точке L1, и на его изготовление, в принципе, уйдёт не так много материала, как может показаться на первый взгляд, так как тончайшего листа фольги или графена будет достаточно, чтобы заблокировать солнечное излучение. Разумеется, это зеркало не должно быть ни сплошным, ни монолитным. Множество «маленьких» (100 × 100 м) зеркал справится с этой задачей даже лучше, так как каждый элемент подобного сооружения можно конфигурировать индивидуально.

Колонизация Венеры или как выжить в аду Космос, Колонизация планет, Венера, Будущее, Длиннопост, Терраформирование

Один из элементов «венерианского тента».


Большей проблемой терраформирования Венеры является практически полное отсутствие воды. Хотя воду для жизни небольшой колонии можно получить из серной кислоты, для трансформации Венеры воды потребуется гораздо больше (минимально-необходимое количество – примерно 2% от объёма воды на Земле или 30 млн. км³). Возить такое огромное количество воды, разумеется, накладно (впрочем, когда мы говорим о терраформировании, дешёвых путей нет), поэтому предлагается «импортировать» не воду, а только водород, а воду «изготавливать» уже на месте, благо, кислорода во внутренней солнечной системе предостаточно.


Более быстрый путь – сбросить на Венеру один из спутников Сатурна. Да, при этом, даже предлагается конкретный способ и конкретный кандидат – Гиперион, состоящий преимущественно изо льда. Для его перемещения при помощи тех же зеркал планируется сфокусировать солнечный свет в нужной точке его поверхности так, чтобы растопленный светом лёд формировал реактивную струю, что примерно за 30 лет приведёт его орбиту вокруг Сатурна к более эллиптической форме и приблизит его к другому спутнику Сатурна – Титану. Затем, планируется использовать Титан для гравитационного манёвра по ускорению Гипериона в сторону Венеры. Если всё рассчитать правильно, столкновение Гипериона с Венерой не только обеспечит её необходимой водой, но и сможет ускорить вращение самой Венеры вокруг своей оси, тем самым, укорачивая период смены дня и ночи на ней.


Проекты, подобные этому, кажутся сейчас фантастикой, но, если вдуматься, то трансформация Венеры требует гораздо меньше времени и усилий, чем аналогичные проекты в отношении Марса, при этом, условия на Венере могут быть даже лучше, чем на Марсе.

Показать полностью 8
166

Время, термодинамика и мозг Больцмана

Время – концепция, с которой мы все знакомимся, наверное, ещё до того, как научимся ползать, если не раньше. Однако, если попытаться дать определение понятию «время», мы столкнёмся с некоторыми трудностями. Это настолько фундаментальное понятие, что дать определение ему очень сложно. Обратимся к учёным. И так, время это:


– то, что измеряют часы (Альберт Эйнштейн, физик).

– то, что препятствует событиям происходить одновременно (Джон Уилер, физик)

– линейный континуум мгновений (Адольф Грюнбаум, философ)

– определённый период, в течение которого что-то происходит (медицинский справочник)

– континуум, лишённый пространственных измерений (Британская энциклопедия)

– форма протекания физических и психических процессов, условие возможности изменения (Википедия)


Время не является чем-то, что можно увидеть или потрогать. Время – не просто измерение, характеристика или концепция, у времени, если подумать, есть множество аспектов, разных для разных людей. Единой и общепризнанной теории времени в настоящее время не существует. Физика рассматривает время как априорную характеристику мира, которая ничем не определяется.


Объекты и материя, с которой мы взаимодействуем в повседневной жизни, совершенно определённо не проявляют симметрию во времени (протекающие процессы имеют естественный временной порядок, и мы можем чётко проследить направление времени). Мы прекрасно можем интуитивно определить, в каком порядке были сделаны снимки этого яйца:

Время, термодинамика и мозг Больцмана Физика, Наука, Термодинамика, Время, Длиннопост, Больцмановский мозг

Но объекты на микроскопическом уровне почти всегда обладают такой симметричностью. Проще говоря, если бы нам довелось смотреть видеозапись макро-процесса (разбивающийся стакан, к примеру) в обратном направлении, мы смогли бы в большинстве случаев распознать, что смотрим запись «задом-наперёд», однако, в микро-мире (взаимодействие молекул, атомов, элементарных частиц), однозначно сказать, в каком направлении протекает процесс на записи мы не сможем. В какой-то степени аналогией может служить запись упругого столкновения двух бильярдных шаров, отскакивающих после удара друг от друга.


Почти все фундаментальные физические законы, по которым развивается наша вселенная, не требуют указания направления времени. Они полностью симметричны относительно времени (это называется T-симметрия). Есть лишь одно исключение – второе начало термодинамики.


Мы говорим о времени, при чём здесь термодинамика?


В 1824 году французкий офицер Сади Карно опубликовал свою первую и единственную книгу под названием «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». Это был, в сущности, анализ существовавших в то время паровых машин, КПД которых в то время не превышал 2%, а так же рассматривалась модель идеальной тепловой машины. В процессе своих умозаключений, Карно пришёл к выводу, что какое бы вещество ни использовалось в паровой машине в качестве рабочего тела, её КПД будет зависеть исключительно от разницы температур, в пределах которой работает машина.


Позднее, Немец Рудольф Клаузиус в 1850 году сделал дополнительное эмпирическое наблюдение: «Теплота не может переходить самопроизвольно от более холодного тела к более тёплому». Собственно, следствием этого наблюдения и является второе начало термодинамики. Ведь температура – это мера кинетической энергии молекул вещества, чем быстрее они движутся, тем более высоким будут показания термометра. Для наглядности возьмём бильярд, но допустим, что трение шаров о поверхность стола нулевое, а столкновения шаров – абсолютно упругие. Если на таком бильярде разбить пирамиду, то один быстрый биток передаст так или иначе свою энергию остальным шарам и они будут продолжать столкновения друг с другом и стенками до тех пор, пока скорости (импульсы) всех шаров не станут одинаковыми относительно друг друга.


И даже на уровне интуиции понятно, что в силу закона сохранения импульса, скорость ни у одного из шаров не может быть больше первоначальной скорости битка.

Время, термодинамика и мозг Больцмана Физика, Наука, Термодинамика, Время, Длиннопост, Больцмановский мозг

Если бы шары были молекулами идеального газа, то мы бы сказали, что система достигла термодинамического равновесия – то есть внутри этой системы невозможно дальнейшая передача энергии (при любом соударении, импульсы шаров не изменятся), соответственно, никакой работы эта система производить не может.


Чтобы иметь возможность количественно охарактеризовать степень близости системы к подобному состоянию, Клаузиус ввёл понятие «Энтропия», как меру количества микросостояний, в которые может перейти система. Если определённое состояние А системы может быть достигнуто большим числом способов, чем другое состояние Б, то и вероятность перехода системы в состояние А больше, чем вероятность перехода в состояние Б.


Чтобы было проще, давайте посмотрим на пару игральных костей. Данная система может иметь 11 различных макросостояний (сумма чисел на гранях от 2 до 12) и 36 микросостояний (индивидуальные значения каждой грани – 6 * 6). Есть лишь одно микросостояние, когда на костях выпадет 2, и 6 различных микросостояний, когда на костях выпадет 7. Соответственно, вероятность выпадения семёрки гораздо выше:

Время, термодинамика и мозг Больцмана Физика, Наука, Термодинамика, Время, Длиннопост, Больцмановский мозг

Чем больше микросостояний (комбинаций возможных значений) у заданного макросостояния, тем выше энтропия, и наоборот. Если мы постоянно бросаем кубики, то система с большей вероятностью будет переходит в состояние с максимально возможной энтропией. Если же вместо 2 кубиков мы возьмём триллионы молекул газа, то вероятность перехода этой системы к хоть сколько-нибудь упорядоченному состоянию будет стремиться к нулю (однако, никогда не будет нулевой – это важно, но об этом чуть позже!)


При попытке сравнить энтропию с мерой беспорядка можно попасть во множество не совсем очевидных ловушек, так как следует осторожно подходить к определению беспорядка и всегда помнить, что энтропия измеряет не беспорядок, а количество микросостояний. Возьмём два стакана – один наполнен осколками льда, второй – просто водой.

Время, термодинамика и мозг Больцмана Физика, Наука, Термодинамика, Время, Длиннопост, Больцмановский мозг

Количество молекул воды в обоих стаканах примерно одинаковое, но беспорядочно-смешанные осколки льда кажутся нам более беспорядочными, чем ровный слой воды во втором стакане, однако, лёд накладывает ограничение на количество способов распределения молекул в стакане, а в воде таких ограничений нет, соответственно, энтропия больше у воды, чем у льда.


Наконец, в 1872 году австрийский физик Людвиг Больцман вывел и доказал свою знаменитую H-Теорему: «При временной эволюции к равновесному состоянию, энтропия внешне замкнутой системы возрастает и остаётся неизменной при достижении равновесного состояния».


Стрела времени


Вернёмся ко времени. Время, как нам кажется, имеет направление. Мы живём в настоящем, наше прошлое находится позади нас, оно «фиксировано» и неизменно, доступно нашей памяти или письменным документам. Перед нами – будущее, которое мы можем предсказывать с переменным успехом, основываясь на нашем опыте и наблюдениях, но без всяких гарантий.


Большинство событий, свидетелями которых мы становимся, необратимы. Можно смешать сметану и борщ, но нет никакой возможности снова разделить их. Можно разбить вазу, но обратить процесс так, чтобы она снова стала целой – невозможно. Время кажется ассиметричным, и именно это наблюдение послужило отправным пунктом для концепции «стрелы времени», того, что даёт нам впечатление продвижения вперёд во времени мгновение за мгновением.


Идею стрелы времени рассмотрел и разработал британский астроном Сэр Артур Эддингтон в 1927 году. Интересовало его то, что та же самая «стрела времени» должна быть применима и к любой внеземной цивилизации на другом конце вселенной, поэтому восприятие направленности времени не имеет ничего общего с нашей физиологией или психологией.


Однако те, кто знаком с основными положениями теории относительности, знают, что реальность нашей вселенной может быть описана 4-мерным пространством-временем, и время на самом деле никуда не «течёт», оно просто «есть». Таким образом, восприятие стрелы времени в нашей повседневной жизни является не более чем иллюзией нашего сознания. По всей видимости, именно так наш мозг воспринимает нарушение Т-симметрии в макромире.


Во всех макро-процессах существует выделенное направление, в котором процессы идут сами собой от более упорядоченного состояния к менее упорядоченному. Чем больше порядок системы, тем сложнее восстановить его из беспорядка (тем больше требуется энергии).

Время, термодинамика и мозг Больцмана Физика, Наука, Термодинамика, Время, Длиннопост, Больцмановский мозг

У кого-то может возникнуть возражение – ведь, совершая работу по упорядочиванию какой-либо структуры, я тем самым уменьшаю энтропию. Данное возражение обычно возникает у тех, кто не делает разницы между открытой и закрытой системой. Открытая система свободно обменивается энергией с окружающей средой, что позволяет локально уменьшить энтропию за счёт ещё большего увеличения её во внешней среде (помните, что КПД больше 100% невозможен). По этой причине, например, вода может замерзать, образовывая сложные, упорядоченные кристаллы с более низкой энтропией. Но это происходит потому, что тепловая энергия передаётся окружающему воздуху, увеличивая его энтропию. Увеличение энтропии воздуха будет всегда больше, чем уменьшение энтропии воды.


Из второго начала термодинамики следует и неутешительный прогноз для всего, из чего состоит наша Вселенная. Если она является закрытой системой, то рано или поздно её ждёт состояние максимальной энтропии – полного термодинамического равновесия, в условиях которого уже не сможет протекать никакой процесс обмена энергией – тепловая смерть.


Хаос и флуктуации


Очень часто можно слышать термин «Второй закон термодинамики». Лично мне больше нравится термин «второе начало», так как, строго говоря, никакой это не закон, а всего лишь статистическое наблюдение, не более того. С вероятностной точки зрения даже самое маловероятное событие вполне возможно, а если при этом мы будем наблюдать систему неограниченно-долгое время, то любая вероятность, даже самая мизерная, будет стремиться к единице.


Статистический характер второго закона термодинамики указывает на то, что увеличение энтропии отражает наиболее вероятный путь изменений. Согласно формулировке самого Больцмана, «никакое неоднородное распределение, сколь бы маловероятно оно ни было, не является строго невозможным».


Для реальных систем, состоящих из большого числа частиц, очень высокая вероятность направления протекания какого-либо процесса практически означает его достоверность.


Однако и в таких системах всегда наблюдается в отдельных участках некоторые небольшие отклонения свойств от средних значений – колебания концентрации в растворах, плотности, давления, температуры и т.д. Такие случайные отклонения называются флуктуациями.


Наблюдаемая необратимость процессов в природе связана со стремлением систем к переходу в наиболее вероятное состояние, однако, в принципе, пусть с исчезающе малой долей вероятности, энтропия системы может и уменьшиться, а это значит, что ваза теоретически может спонтанно собраться в единое целое из осколков, а сметана с борщом случайно разделятся на два слоя. Если бы мы стали свидетелем подобного, то, скорее всего, мы бы это восприняли как движение во времени вспять, назад в прошлое.


Начало начал, происхождение вселенной


Зная всё это, невольно задаёшься вопросом, а каким образом наблюдаемая нами Вселенная «всего» каких-то 13,5 млрд. лет назад представляла собой систему с крайне низкой энтропией (состояние большого взрыва, когда вся она умещалась в одной бесконечно малой точке с бесконечно большой плотностью). Что это, тоже флуктуация?


В спорах вокруг попыток объяснить происхождение Вселенной было сломано немало копий. Здесь особенно сильно проявляют себя креационисты, заявляющие, что, коль скоро вероятность подобной флуктуации не просто низка, а настолько стремится к нулю, что человеческому воображению не за что зацепиться, чтобы сравнить эту исчезающе-малую вероятность хоть с чем-либо, то вполне логично напрашивается вывод о том, что наша вселенная была создана вследствие вмешательства какого-то внешнего агента (или, как они говорят «Создателя»).


Впрочем, есть среди креационистов и подвид, получающий меньше насмешек в свой адрес, однако, их позиция выглядит, в целом, нисколько не лучше, но и не хуже позиций классических креационистов. По их мнению, мы живём в некоей компьютерной симуляции (думаю, многие смотрели «Матрицу»). С моей точки зрения, автор данной симуляции является для нашей вселенной богом-творцом в понимании почти всех классических религий.


Есть, однако, и альтернативные теории. Например, теория о мультивселенной. гипотетическое множество всех возможных реально существующих параллельных вселенных (включая ту, в которой мы находимся). Популярной данная теория стала благодаря американскому физику Хью Эверетту, который сделал попытку интерпретировать квантовую механику наличием бесконечного множества различных параллельных миров.

Время, термодинамика и мозг Больцмана Физика, Наука, Термодинамика, Время, Длиннопост, Больцмановский мозг

Строго говоря, время – метрика лишь нашей вселенной, её пространства-времени. Мы не знаем ничего о том, что находится за её пределами. Космолог Макс Тегмарк высказал предположение, что любому математически непротиворечивому набору физических законов соответствует независимая, но реально существующая вселенная. Это предположение, хотя и не поддаётся экспериментальной проверке, привлекательно тем, что снимает вопрос, почему наблюдаемые физические законы и значения фундаментальных физических постоянных именно такие (см. тонкая настройка Вселенной).


Если предположить, что в мультивселенной, которая может существовать вне времени, происходит неограниченное количество флуктуаций, каждая из которых порождает собственную вселенную, то нет ничего странного в том, что рано или поздно кубики выпали так, что создалась именно наша вселенная, именно с такими физическими законами, где именно так эволюционирует материя.


Российский астрофизик Николая Кардашёв (автор «Шкалы Кардашёва») предполагает, что, если гипотеза Мультивселенной верна, то наиболее развитые цивилизации покинули нашу Вселенную и переселились в другие, более подходящие для них.


Больцмановский мозг


Время, термодинамика и мозг Больцмана Физика, Наука, Термодинамика, Время, Длиннопост, Больцмановский мозг

Есть и другая возможность объяснения, довольно жуткая. Задумайтесь вот о чём, если мы допускаем, что рождение нашей вселенной – гигантская флуктуация (мой поклон братьям Стругацким), то образование одной только Солнечной системы при флуктуации вероятнее, чем образование целой Вселенной. А образование одного человека-наблюдателя вероятнее, чем образование целой Солнечной системы. А ещё вероятнее образование одного только мозга, чем целого человека. И в принципе, всё, что вы воспринимаете как объективную реальность, вся ваша память, чувства, планы, переживания, ваши представления об окружающем мире могут быть всего лишь плодом вашей же фантазии, а в действительности вы – лишь случайно сформировавшийся мозг.


Вообще, в попытках объяснить природу возникновения вселенной, мы не можем выйти за классические критерии научного метода, а именно – фальсифицируемости той или иной теории. Поскольку нет способов опровергнуть ни одну из этих теорий, все они, строго говоря, не научны. А уж во что верить – выбирайте сами.

Показать полностью 6
229

Странная аномалия в созвездии Весов - инопланетяне?

Предыстория


В 2015 году телескоп Кепплер обнаружил периодическое изменение блеска звезды KIC 8462852 в созвездии Лебедя, которая получила ещё название Звезда Табби. Собственно, в этом явлении не было бы ничего необычного, кроме того, что подобное падение яркости не характерно для звёзд этого типа.


Её светимость падала на величину до 22 процентов, причём такие падения наблюдались на протяжении различных промежутков времени (от 5 до 80 дней), что привело к появлению большого количества гипотез от проблем с телескопом до инопланетян.


Астроном Брэдли Шефер после изучения исторических снимков этой области неба, делавшихся с 1890 по 1989 года, заметил, что за это время яркость звезды уменьшилась на 20 %. Чтобы исключить возможность ошибок, Шеффер лично отправился в Гарвард, чтобы изучить оригиналы снимков. По мнению Шефера, кометная гипотеза для объяснения наблюдаемых эффектов уже не годится. По его расчётам, для такого затемнения перед звездой должно было пролететь не менее 648 000 комет, каждая диаметром от 200 км, что является совершенно невероятным.


24 апреля 2017 года началось очередное падение яркости KIC 8462852 (первое с 2013 года). Наблюдение звезды велось десятками телескопов. После этого звезда стала возвращаться к своей обычной яркости. 19 и 20 мая 2017 года снижение яркости составляло 3 %.


Мерцание KIC 8462852 может указывать на попытку строительства астроинженерного сооружения типа сферы Дайсона (я про них писал в посте "Как укротить звезду") или другого набора гигантских объектов (например, коллекторов света), которые высокоразвитая внеземная цивилизация построила для аккумулирования энергии своей звезды, что сразу взбудоражило общественное мнение.


Теперь, собственно, история


Постепенно страсти углеглись, так как "It is never aliens" (Это никогда не инопланетяне), да и институт SETI, долго вслушиваясь в радиодиапазон, идущий от звезды, не обнаружил никаких упорядоченных сигналов. Но вот месяц назад, была обнаружена ещё одна звезда, которая ведёт себя ещё более странно.


В своей работе The Random Transiter – EPIC 249706694/HD 139139, опубликованной месяц назад ряд астрономов обратили внимание на ещё одну странную звезду (а точнее - систему из двух звёзд), известную как HD 139139, расположенную в созвездии Весов. Редкость и необычность этой системы обуславливается уже тем, что она принадлежит к 0,5% звёзд, из окрестностей которых можно наблюдать прохождение нашей планеты на фоне Солнца.


Но и это было бы не так интересно, как то, что данная звезда тоже изменяет свой блеск. Но, в отличие от звезды Табби, делает она это нерегулярно и очень странно:

Странная аномалия в созвездии Весов - инопланетяне? Космос, Астрономия, Космические исследования, Наука, Длиннопост

На графике показана наблюдаемая светимость HD 139139 - за период наблюдений в 87 дней, спады яркости происходили 28 раз, и что самое загадочное - они происходили нерегулярно, то есть это явление не могло быть вызвано планетой обращающейся вокруг этой двойной системы (либо вокруг одной из звёзд).


Альтернативой было бы предположить, что в данной системе присутствует 28 очень близких друг другу по размеру планет, движущихся практически по одной и той же орбите, вероятность чего исчезающе мала.


Ещё была сделана попытка объяснить феномен разрушением планеты, однако, и эту гипотезу довольно быстро отмели, так как разрушение планеты должно было выглядеть примерно так:

Странная аномалия в созвездии Весов - инопланетяне? Космос, Астрономия, Космические исследования, Наука, Длиннопост

Затем была попытка объяснить наблюдаемое снижение яркости особо-крупными тёмными пятнами на поверхности одной из звёзд. Но тогда мы должны были бы наблюдать подобные явления и на других двойных системах схожего типа, коих в наблдюдаемой области космоса не мало.


Разумеется, в опубликованной работе нет ни слова про возможные астросооружения, так как It is never aliens, но я уверен, в ближайшем будущем, журналисты обязательно подробно нам расскажут о том, что именно там строят зелёные человечки.


В опубликованной работе не делается никаких конкретных выводов. Астрономы признаются, что не смогли найти убедительного объяснения наблюдаемым явлениям, а целью работы было привлечь больше внимания со стороны сообщества астрофизиков, чтобы попытаться найти ответ.


Ссылка на публикацию: https://arxiv.org/pdf/1906.11268.pdf


P. S.

Ну конечно же, это инопланетяне! :)

Показать полностью 2
1973

Как делают микропроцессоры

Продолжение

Часть 1 (О полупроводниках вообще и о диодах)

Часть 2 (Транзисторы)

Часть 3 (Как заставить машину считать при помощи транзистора)


...потому как на бумаге всё просто, но блин, как они это всё запихнули в чип размером с ноготь?!

(один из комментариев к предыдущему посту)
Ну что же, вот об этом сейчас и пойдёт речь.

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

Увеличенное изображение неразрезанных кристаллов процессоров Intel Core I7.


Действительно, разбираясь в том, как работают транзисторы, нельзя обойти вниманием вопрос миниатюризации. На современных чипах размером с тетрадную клетку располагаются несколько миллиардов транзисторов, размер каждого из которых колеблется в пределах нескольких нанометров (одна миллиардная часть метра). Создание подобных монстров - задача, с которой в наше время люди справляются только при помощи средств компьютерного проектирования.


Чтобы дать представление о том, насколько сложна структура современного микропроцессора, предлагаю взглянуть на самую простую схему самого простого, самого первого коммерческого микропроцессора фирмы Intel 4004.

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

Кристалл этого 4-битного микропроцессора имел площадь 12 мм², размер каждого из 2300 транзисторов был «огромным» по современным меркам (10 мкм), транзисторы на современных кристаллах имеют размер примерно в тысячу раз меньше!

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

А вот, что представлял собой кристалл этого процессора:

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

Создание микропроцессора начинается с процесса его проектирования. Задача конструкторов создать и предварительно протестировать схему микропроцессора. Выпуск новой схемы занимает труд десятков, если не сотен инженеров, и занимает месяцы подготовки. Когда процесс проектирования будет закончен, необходимо изготовить фотошаблон для нового чипа. Для того чтобы оценить важность данного процесса и цену ошибки, достаточно сказать, что нажатие кнопки PRINT в данном случае «стоит» от 600 тыс. до 1 млн. долларов США, а для набора шаблонов стоимость может исчисляться уже десятками миллионов долларов.


Создание фотошаблона (для современных многослойных схем микропроцессоров речь идёт уже о наборах фотошаблонов) – наверное, наиболее важный (после проектирования) процесс в технологии изготовления микропроцессоров.
Фотошаблон обычно представляет собой кусок стекла, с напылением из хрома, на который нанесено «негативное» изображение интегральной схемы. Оно обычно в несколько раз больше тех размеров, которые впоследствии примет изготовленный микрочип, но исключительная сложность современных процессоров и огромное количество транзисторов всё равно позволяют разглядеть отдельные детали только при помощи довольно мощного микроскопа.

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

Готовый фотошаблон очень тщательно (буквально каждую дорожку) проверяют на предмет дефектов. Для этих целей служат как специальные машины, но используется и труд людей, проверяющих шаблон при помощи микроскопов. Работа с шаблонами производится в т. н. «чистой комнате», где содержание пыли и посторонних примесей сведено до минимума – люди ходят в специальных костюмах – любая пылинка на шаблоне произведёт эффект деревянного бревна, упавшего на карточный домик.


Когда фотошаблон изготовлен, приходит время его «печати» на том, что впоследствии станет микропроцессором. Процесс (вернее, целое семейство технологических процессов) называется фотолитография и по своим базовым принципам очень похож на процесс печати фотографий с негатива).


Начинается всё с обычного кварцевого песка.


Песок проходит целую серию процессов по очистке и химических реакций, целью которых является получение чистейшего кремния. Для экономии места позвольте мне опустить технические детали процесса очистки.


Только после этого бывший песок разогревается до 1420 градусов Цельсия, что всего на 6 градусов выше его точки плавления. Для этого используется графитовый нагреватель. Выбор материала, как и в случае с кварцем тигля, обусловлен тем, что графит не реагирует с кремнием и, следовательно, не может загрязнить материал будущего процессора.


В нагретый тигель опускается тонкий затравочный кристалл кремния, размером и формой напоминающий карандаш. Он должен запустить процесс кристаллизации. Дальнейшее можно воспроизвести в домашних условиях с раствором соли, сахара, лимонной кислоты или, например, медного купороса. Остывающий раствор начинает кристаллизироваться вокруг затравочной точки, образуя идеальную молекулярную решётку. Так выращивают кристаллы соли, так растёт и кристалл кремния.

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

Затравочный кристалл кремния постепенно поднимают из тигля, со скоростью примерно полтора миллиметра в минуту, и с ним из раствора поднимается растущий монокристалл. Рост кристалла происходит медленно и на один тигель уходит в среднем 26 часов, так что производство работает круглосуточно.


За это время образуется цельный цилиндрический кристалл диаметром 300 миллиметров, длиной до 1-2 метров и весом около 100 килограммов. Если взглянуть на него под сильным увеличением, взгляду откроется строгая структура — идеальная кристаллическая решётка из атомов кремния, совершенно однородная по всему объёму.


Кристалл настолько прочен, что его вес может выдержать нить диаметром всего 3 миллиметра. Так что, готовую заготовку для процессоров вытягивают из тигля за тот самый затравочный кристалл.


После химического и рентгеноскопического исследования для проверки чистоты кристалла и правильности молекулярной решётки, заготовку помещают в установку для резки. Проволочная пила с алмазным напылением нарезает кристалл на блины (или вафли от англ. wafer) толщиной примерно в 1 мм.

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

Когда такой гигант процессоростроения, как Intel только начинал производить чипы, он использовал «вафли» диаметром всего 2 дюйма. Теперь, для удешевления процесса, используются «вафли» диаметром 12 дюймов (~300 мм).


Какой бы тонкой и гладкой ни была пила, всё равно заготовка будет иметь сколы, микроповреждения и царапины, поэтому каждую пластину дополнительно полируют. Но и этого оказывается недостаточно, поэтому окончательная полировка производится уже химическими реагентами.


Следующим этапом является нанесение на вафли фоторезиста – полимерного светочувствительного материала. По своим химическим свойствам фоторезист очень похож на материал, который наносился на фото- и киноплёнки в ещё сравнительно недалёком прошлом. Разница в том, что на старых плёнках фоторезист изменял свои химические свойства под действием видимого света, сейчас же используется ультрафиолетовое излучение.Наиболее широко распространённый метод нанесения фоторезистов на поверхность — это центрифугирование. Этот метод позволяет создавать однородную плёнку фоторезиста и контролировать её толщину скоростью вращения пластины (порядка нескольких тысяч оборотов в минуту).


Теперь приходит время для непосредственного экспонирования – подготовленный фотошаблон помещается под ультрафиолетовый лазер, и, сильно уменьшенное изображение с фотошаблона проецируется на слой фоторезиста, на машине под названием «степпер» (от англ. step – шаг) – на одну «вафлю» проецируется множество копий одной и той же маски:

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

Почему ультрафиолет? Всё дело в длине волны. Получение чёткой проекции микроскопического объекта зависит от длины волны излучения и разрешающей силы оптической системы. В современной промышленности используют глубокий ультрафиолет эксимерного лазера с длиной волны 193 нм. Но и этого оказывается недостаточным для изготовления транзисторов по тех. процессу ниже 50 нм (когда говорят о техпроцессе, имеют в виду линейные размеры одного транзистора). Фотолитография на глубоком ультрафиолете использует уже не линзы, а многослойные зеркала, где каждый слой даёт слегка отличающуюся от предыдущей интерференционную картину, а комбинированное отражение всех слоёв позволяет получить изображение меньшее, чем длина волны используемого излучения. Тем, кто интересуется темой более подробно, в англоязычной версии Википедии есть великолепная статья на эту тему.

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

Но двинемся дальше. Те области на вафле, покрытой фоторезистом, куда попал ультрафиолет, могут быть смыты специальным химическим составом (например Гидроксидом тетраметиламмония), таким образом на нашей заготовке проявится «отпечаток» будущего микропроцессора. Но работа на этом только начинается.
После травления, на кремниевой подложке образуются бороздки, повторяющие рисунок первого слоя микропроцессора:

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

На следующем этапе происходит легирование основы. О том, зачем нужно легирование, можно ознакомиться в первой части данной серии. На данном шаге участки подложки обогащаются ионами, в результате чего кремний меняет свои физические свойства, позволяя процессору управлять потоками электрического тока. Ионизированные ядра атомов легирующего вещества разгоняются в электрическом поле до огромных скоростей и внедряются в незащищённые слоем фоторезиста области подложки.


После легирования заготовка покрывается оксидной плёнкой (в данном технологическом процессе используется термин High-K, характеризующий материал с диэлектрической проницаемостью большей, чем у диоксида кремния). Название происходит от диэлектрической константы материала, обозначаемой греческой буквой κ – каппа. В более старых технологических процессах использовался, собственно сам диоксид кремния. Он был хорош до поры, его слой можно было выращивать путём высокотемпературного окисления на самом кремниевом слое, однако, с уменьшением площади транзистора, уменьшалась и площадь затвора, а следственно – его ёмкость. Чтобы увеличить ёмкость можно уменьшать слой диэлектрика под затвором, но если его толщина уменьшается менее 3 нм, начинают проявляться квантовомеханические свойства электронов, которые попросту туннелируют через этот смехотворный барьер, создавая ток утечки, и, чем тоньше слой, тем сильнее проявляется этот эффект. Изготовление подзатворного диэлектрика из материала с высокой диэлектрической проницаемостью позволяет увеличить его толщину, одновременно увеличивая ёмкость затвора, обеспечивая снижение тока утечки на несколько порядков по сравнению с более тонким диэлектриком из диоксида кремния. При производстве современных чипов используются силикат или оксид гафния. На картинке слева – транзистор, обработанный слоем фоторезиста, справа – состояние после смывки облучённого фоторезиста.

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

Ненужный нам теперь слой диэлектрика так же смывается химическим путём:

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

На данном этапе транзисторы на схеме уже готовы, но они не соединены друг с другом. Следующие два этапа – нанесение изолирующего слоя, где в местах, где расположены терминалы транзисторов уже знакомым нам образом вытравливаются отверстия. После этого, вафлю помещают в раствор сульфата меди и гальванизируют. В ходе этого процесса, медь покрывает всю поверхность заготовки:

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

Излишек меди убирается шлифовкой, после чего транзисторы соединяются между собой:

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

Порядок соединения зависит от архитектуры процессора и определяется на стадии проектирования. Хотя чип и может выглядеть «плоским», соединения могут достигать «этажности» до 30 слоёв.
На заключительной фазе, нашу «вафлю» нарезают, получая, тем самым, отдельные чипы, после чего останется только поместить их в защитный корпус:

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

Соединение миллиардов транзисторов невероятно сложная задача, от их качества зависит в конечном итоге производительность процессора, поэтому каждый чип проходит этап тестирования (причём, часть тестов проводится ещё до «нарезки») где определяются его выходные характеристики. Поскольку работа идёт с невероятным уровнем миниатюризации, ошибки и дефекты при изготовлении практически неизбежны.


Но наличие дефекта ещё не означает, что процессор не может работать. Коррекции ошибок уделяется особое внимание ещё на стадии проектирования, поэтому в схему нередко заложена некоторая избыточность. Часть бракованных чипов, например, может работать на более низких частотах, поэтому далеко не всегда два процессора, изготовленные на одной «вафле», будут иметь одинаковую маркировку.

Как делают микропроцессоры Микропроцессор, Транзистор, Технологии, Длиннопост

О законе Мура.


Ещё в 1965 году, американский инженер, один из основателей компании Intel, Гордон Мур, в одной из своих работ сделал наблюдение, которое впоследствии назвали «Законом Мура». Он гласил, что количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца (причём, изначально речь шла о 12 месяцев).


И действительно, если проследить эволюцию микропроцессоров, данный закон более-менее соблюдался почти 40 лет, до начала 2010-х годов, пока инженеры не «упёрлись» в физические пределы, во-первых, разрешающей возможности оптики для процесса фотолитографии, во-вторых – в минимально-необходимое расстояние между двумя терминалами транзисторов, где туннельный эффект ещё можно игнорировать. Чтобы ощутить, насколько мал транзистор, изготовленный по тех. процессу 14 нм, достаточно узнать, что это всего лишь 70 атомов (диаметр ядра атома кремния около 0,2 нм).


Хотя, инженеры продолжают добиваться поразительных успехов в данной области, например, в 2012 году, исследовательская команда в университете Нового Южного Уэльса объявила о первом транзисторе, состоящем из единственного атома, несложно предположить, что конец закона Мура не за горами, и тех. процесс в 7 нм, возможно, будет последним в погоне за миниатюризацией.

Показать полностью 15
Отличная работа, все прочитано!