cicatrix

cicatrix

На Пикабу
поставил 1510 плюсов и 1556 минусов
отредактировал 24 поста
проголосовал за 40 редактирований
Награды:
самый сохраняемый пост недели 5 лет на Пикабуболее 1000 подписчиков
96К рейтинг 4256 подписчиков 11К комментариев 57 постов 48 в горячем
692

Твоя ДНК уже внесена во все базы данных

С большой долей вероятности, даже если вы никогда не сдавали ДНК-тест, вас уже можно идентифицировать.

Твоя ДНК уже внесена во все базы данных Криминалистика, Генетика, Privacy, Длиннопост, ДНК, США, Расследование, Интересное

Начать этот пост хочу с истории, начавшейся полвека назад в городе Висейлия в штате Калифорния, где начал свою криминальную карьеру один из наиболее дерзких и опасных преступников того времени. Поначалу он вламывался в дома и похищал мелкие ценные вещи, наличность, ювелирные украшения. В общей сложности, за период с 1976 по 1979 годы он совершил более 100 краж со взломом. Полиция оказалась бессильна, преступник скрывал своё лицо, а описания, составленные свидетелями, были бесполезны.


В течение этого периода преступник колесил по всей Северной Калифорнии и, войдя во вкус, добавил к кражам ещё и изнасилования, терроризируя местное население. По местному телевидению регулярно передавали рекомендации запирать двери, так как преступник может всё ещё находиться поблизости.


В 1979 году он перемещается на юг Калифорнии и добавляет к своему «послужному списку» ещё и убийства. На его счету числится по меньшей мере 13 убийств и более 50 эпизодов сексуального насилия.


Следователи, базируясь на т.н. modus operandi (образ действий) преступника, пришли к выводу, что все эти преступления совершал один и тот же человек. На преступление он шёл в маске. Вламывался в дом и, угрожая пистолетом, обычно связывал мужчину, приказывал лежать и не двигаться. Затем он клал тарелки на спину жертвы и говорил, что если услышит звон тарелок, то убьёт всех обитателей дома. После этого, он тащил женщину в соседнюю комнату и насиловал её, после чего, не торопясь, обходил все помещения, собирая ценные вещи, иногда даже задерживался, чтобы перекусить на кухне, после чего уходил. В некоторых случаях, он, впрочем, всё-таки, убивал своих жертв.

Твоя ДНК уже внесена во все базы данных Криминалистика, Генетика, Privacy, Длиннопост, ДНК, США, Расследование, Интересное

Описание преступника со слов жертв.


Несмотря на большое количество криминальных эпизодов, никаких особых зацепок, которые бы могли помочь в его поимке, преступник не оставлял. Не оставлял он и отпечатков пальцев, так как всё время был в перчатках. У него было несколько прозвищ: Original Night Stalker, East Area Rapist, Visalia Ransacker, но самое известным стало The Golden State Killer (Убийца из Золотого штата).


Серию этих преступлений прекратилась лишь спустя 10 лет после её начала, в 1986 году. Преступник так и не был бы пойман, если бы не упорство следователя Пола Хоулса (Paul Holes).

Твоя ДНК уже внесена во все базы данных Криминалистика, Генетика, Privacy, Длиннопост, ДНК, США, Расследование, Интересное

Пол Хоулс в молодости


Он выслеживал преступника десятилетиями и в конечном счёте его усилия принесли успех. Но обо всём по порядку.


В 1990 году ФБР начало работу над тем, что впоследствии станет известно как National Genetic Database (Национальная генетическая база данных). В неё вносятся данные профилей ДНК лиц, осуждённых за какие-либо преступления. В каждой из наших клеток есть 23 пары хромосом, часть из них мы получаем от своей матери, а другую – от отца. В определённых местах данных хромосом имеются короткие повторяющие закономерности из цепочек азотистых оснований: аденин (А), гуанин (G), тимин (T) и цитозин (C). Такие последовательности (короткие тандемные повторы или микросателлиты) уникальны для каждого человека, именно на этом основан принцип идентификации по ДНК, так как шанс на то, что два разных человека имеют одинаковое количество таких повторов, исчезающе мал.


База данных ФБР сейчас насчитывает около 18 миллионов таких профилей. Содержала она так же и генетический профиль «Убийцы из золотого штата», так как метод идентификации личности по ДНК был впервые применён в 1986 году (и это, скорее всего, не случайно, что преступник прекратил свою «карьеру» именно в это время).


Однако, даже имея генетический профиль убийцы, следователи по-прежнему не имели ни малейшего понятия о его личности, так как для его нахождения необходимо было сравнить имеющийся профиль с теми, что уже были занесены в базу данных. Хоулс даже делал запросы в Интерпол в надежде, что преступник мог наследить в других странах, однако всё было безрезультатно.


На что никак не мог рассчитывать преступник, так это на то, насколько быстро начнут развиваться исследования в области генетики. В 2003 году, после «всего» 13 лет исследований был полностью расшифрован геном человека, и множество частных лабораторий стали предлагать генетическое профилирование на коммерческой основе как услугу, которая оказалась весьма востребованной у определённой части людей (например, для установления отцовства и вообще – родственных связей). Сначала десятки, затем сотни, затем миллионы людей стали сдавать свой генетический материал на анализ.


И так, уже в начале 2000 годов у следствия появилась надежда разоблачить, наконец, неуловимого убийцу, ведь велик был шанс на то, что хотя бы один из его родственников, пусть и дальних, воспользовался услугами таких компаний как FamilyFinder, 23andMe или Ancestry. Установив родственников можно было бы значительно сузить круг подозреваемых, а установив их передвижения и места нахождения в моменты совершения преступлений, можно было бы вычислить преступника.


Однако ответ был за закрытыми дверями корпоративной этики. Компании не торопились расставаться с секретами своих клиентов. У правоохранительных органов не было доступа к многомиллионным базам данных этих корпораций. Следствию помог другой независимый веб-ресурс с названием GEDmatch. Проведя исследования, детективы смогли найти родственника 4-й степени родства (имеющего с преступником одного общего прадеда), после чего скрупулёзно восстановили всё его генеалогическое древо, используя методы, в том числе, и традиционной генеалогии, такие как данные переписей населения и архивные документы, находящиеся в открытом доступе. Но и это оказалось задачей не из лёгких. Люди 19 века могли иметь по 15 детей, и ветку каждого из них необходимо было проследить и найти пересечения в 70-х годах 20 века с линией убийцы. Тем не менее, круг поисков удалось сузить примерно до 1000 подозреваемых. Следствию было известно, что преступник был рождён между 1940 и 1960 годом, его рост составлял 172 – 178 см и то, что он в 1976 году находился в Сакраменто, а в начале 80-х переехал в южную часть штата.


Так, круг сузился до 5 подозреваемых. Затем следователи отправились по месту жительства одного из них и сняли образец генетического материала с дверной ручки дома, в котором тот проживал. Подозрения подтвердились, когда данный образец совпал с образцом ДНК, собранным с салфетки, которую преступник выбросил на месте одного из своих преступлений.


Расследование, которое длилось чуть меньше 50 лет, было завершено с арестом 25 апреля 2018 года одного из самых известных преступников того времени – 72-летнего бывшего полицейского Джозефа Джеймса Деанджело.

Твоя ДНК уже внесена во все базы данных Криминалистика, Генетика, Privacy, Длиннопост, ДНК, США, Расследование, Интересное

Деанджело на суде

Из-за истёкших сроков давности по законам штата Калифорния, обвинения по взломам и изнасилованиям предъявить ему уже нельзя, однако ему были предъявлены обвинения в 13 убийствах и 13 случаях похищения людей. На расследования, по утверждениям прокуроров, было потрачено в общей сложности порядка 20 миллионов долларов. 1 августа 2020 года 74-летний Джозеф Деанджело был приговорен к пожизненному лишению свободы без возможности условно-досрочного освобождения.


Казалось бы – хэппи энд истории, однако, данное расследование, а так же методы, которые применялись для поимки ДеАнджело, породили общественную дискуссию, которая не утихнет ещё долго. Суть проблемы – пресловутая privacy, на которую смели надеяться многие люди, сдающие образцы своей ДНК для каких-либо исследований. Проблема в том, даже если вы сами не сдавали свою ДНК, за вас это мог сделать ваш троюродный дядюшка. По оценкам некоторых экспертов, генетический материал, уже имеющийся в базах данных, позволяет установить почти 80% всего населения США. Каждый человек, сдающий ДНК-тест, «высвечивает», словно прожектором личности не только себя но и сотен других людей, состоящих с ним в родстве. Более того, эта ДНК так же будет в клетках людей, которые даже ещё не рождены – детей, внуков, племянников и пр. Только в 2021 году по всему миру более 30 миллионов людей сделали общий генетический тест и дальше ситуация будет только прогрессировать.


Так что, уважаемый читатель, смирись, что и двоя ДНК уже, скорее всего внесена в базу данных, а, если и нет, то скоро в ней окажется.


(При подготовке материала были использовано видео Youtube канала Дерека Мюллера Veritasium)

Показать полностью 4
358

Естественные единицы измерения и воксельная вселенная

Предупреждение: данный пост содержит некоторое количество формул, однако, они вполне доступны для понимания даже школьнику, ничего сложного, обещаю!


Аршин, локоть, спан, ярд, фут, лига, метр, километр – за время своего существования люди придумали огромное количество единиц измерения (в частности –длины), каждая из которых была вполне естественной для современников, которые их использовали. Во времена, предшествовавшие промышленной революции, однако, у людей возникла необходимость в некоей стандартизации единиц измерения. Благодаря усилиям множества людей, сейчас, спустя почти 300 лет, мы имеем международную систему СИ, в которой единицы длины, массы, времени и прочих физических характеристик точно определены и привязаны к естественным природным константам. Осталось лишь несколько стран, не использующих в быту метрическую систему. Самая известная из них – США. Отдельные американцы даже находят в этом повод для некоей гордости, однако, мало кто из них знает, что американская система стандартов уже давно определяет значения ярда, фунта и прочих величин через переводные коэффициенты с единиц измерения СИ.

Естественные единицы измерения и воксельная вселенная Физика, Квантовая физика, Макс Планк, Научпоп, Наука, Длиннопост

Система единиц измерения, используемая нами в повседневной жизни, вполне нас устраивает. Мы все имеем прекрасное представление о метре, килограмме, секунде. Тем не менее, людям, которые занимаются научными изысканиями, этого мало, так как зачастую они исследуют объекты либо слишком огромные, такие как галактики, либо слишком малые – такие как атомы. Действительно, хотя мы и можем выразить размеры любого объекта через метры, используя приставки, мы уже с трудом понимаем, чем, например, пикометр отличается от аттометра. Подавляющее большинство из нас даже не сможет сказать, что больше, а многие – вообще не слышали о таких приставках.

В 1899 году немецкий физик Макс Планк раздумывал, наверное, над чем-то подобным, потому и написал следующее:

Все до сих пор используемые системы единиц, в том числе так называемая абсолютная СГС-система, обязаны своим происхождением пока что случайному стечению обстоятельств, поскольку выбор единиц, лежащих в основе каждой системы, сделан не исходя из общей точки зрения, обязательно приемлемой для всех мест и времён, но исключительно исходя из потребностей нашей земной культуры…

Результатом его раздумий явилась работа, опубликованная в 1900 году, в которой он предложил систему единиц измерения…

…которые не зависели бы от выбора каких-либо тел или веществ и обязательно сохраняли бы своё значение для всех времен и для всех культур, в том числе и внеземных и нечеловеческих, и которые поэтому можно было бы ввести в качестве «естественных единиц измерений».

Естественные единицы измерения и воксельная вселенная Физика, Квантовая физика, Макс Планк, Научпоп, Наука, Длиннопост

Макс Планк - герой этого поста

Забегая вперёд, скажу, что данный труд впоследствии был использован в большей части теоретической физики, а большинство общепринятых в настоящее время единиц измерения выведены напрямую из системы измерений, названных в его честь: Планковскими единицами.

До чего же он додумался? Предлагаю вместе пройти по пути его рассуждений.

Представим, что у нас есть пара электронов на расстоянии r друг от друга:

Естественные единицы измерения и воксельная вселенная Физика, Квантовая физика, Макс Планк, Научпоп, Наука, Длиннопост

Что будет происходить, если бы мы начали сводить эту пару электронов всё ближе и ближе друг к другу?


1. Поскольку электроны обладают массой, между ними будет иметь место сила гравитационного притяжения, стремящаяся их сблизить.

2. Так же, мы знаем, что электроны имеют отрицательный электрический заряд, поэтому между ними будет иметь место электростатическая сила, расталкивающая их друг от друга.


Какая же из двух сил будет сильнее по мере их сближения (когда r → 0)? По закону всемирного тяготения, сила притяжения между двумя электронами будет выражена формулой:

Fg = G m₁ m₂ / r² – сила прямо пропорциональна произведению масс электронов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. В нашем эксперименте, m₁ и m₂ одинаковы и равны массе электрона, которую можно просто обозначить m, и переписать уравнение так:


Fg = G m² / r²


Сила электростатического расталкивания определяется по закону Кулона по такой формуле:

Fe = Q₁Q₂ / 4 πε₀ r² – эта сила прямо пропорциональна произведению двух зарядов и так же – обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. В данном случае, коэффициент пропорциональности задаётся ε₀ - электрическая постоянная (электрическая проницаемость вакуума). В нашем примере обе величины Q₁ и Q₂ равны e – заряду электрона, поэтому, формулу можно переписать так:


Fe = e² / 4 πε₀ r²


Посмотрим на отношение сил, чтобы понять, какая из них будет преобладать Fe / Fg = ? Запишем отношение:


Fe / Fg = e² / 4 πε₀ Gm²


Первое, что можно заметить, что сократилось, а это значит, что отношение двух сил никак не зависит от расстояния между двумя электронами и всегда будет одним и тем же (Хаха, нет! Но об этом позже). Зная значения всех элементов данного уравнения, подставив их и произведя расчёты, мы получим:


Fe / Fg = e² / 4 πε₀ Gm² ≈ 10⁴²


Иными словами, сила электростатического расталкивания превышает силу гравитации на 42 порядка! Чтобы полнее ощутить масштабы, запишу так:


Fe ≈ 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 * Fg.


Во столько раз гравитация слабее электромагнетизма, но именно гравитация была обнаружена первой. Почему? Потому что атомы, из которых состоит вещество, электрически нейтральны, положительный заряд протонов компенсируется отрицательным зарядом электронов. Из-за нейтральности атомов мы просто не замечали исключительно сильное электромагнитное взаимодействие. Гравитация – другое дело. Насколько можно судить сейчас, такой штуки как «отрицательная масса» не существует (во всяком случае, до сих пор никому не удалось обнаружить ничего похожего), поэтому два тела, обладающих массой, будут всегда испытывать взаимное притяжение.


Упрощённая Ньютоновская модель позволила нам сделать вывод о том, что отношение сил электростатического расталкивания и гравитации вообще не зависят от расстояния между двумя электронами, но, к сожалению, реальный мир не всегда так прост, как наши математические модели. Как обычно, её величество квантовая механика всё портит.

Чем меньше становится расстояние между электронами тем сильнее проявляется роль принципа неопределённости Гейзенберга (подробнее можно почитать в этом моём посте) – чем точнее мы пытаемся определить положение электронов в пространстве, тем сильнее разброс в их импульсах, тем больше они «дрожат», а чем сильнее эта «дрожь», тем выше их энергия. В какой-то момент, эта энергия становится достаточной для того, чтобы создать новый электрон (принцип эквивалентности массы и энергии А. Эйнштейна, знаменитое уравнение E = mc²). На самом деле мы можем легко посчитать расстояние между электронами, при котором наступят подобные условия, скомбинировав уравнение Эйнштейна с неравенством принципа неопределённости Гейзенберга.


Запишем уравнение таким образом: если мы ограничиваем объект в определённой области пространства размера ∆x, неопределённость в импульсе такого объекта ∆p должна быть примерно больше ħ / ∆x:


∆p ≳ ħ / ∆x


(ħ – редуцированная Планковская константа – просто коэффициент преобразования между энергией фотона и его частотой. На данном этапе достаточно понимать, что это константа).


В нашем случае с двумя электронами ∆x = r – расстояние между ними (∆p ≳ ħ / r).

Если импульс объекта растёт, очевидно, что растёт и энергия данного объекта, поэтому мы можем выразить энергию в данном выражении, умножив обе части на скорость света (с):


∆E ≳ ħ c / r


Кто сомневается, может вспомнить, что импульс – это произведение массы на скорость, а произведение единиц импульса (кг•м/с) на скорость (м/с) даст вам выражение единицы энергии (Джоуля) по определению (1 Дж = 1 Н•м=1 кг•м²/с²).


Из этого соотношения мы видим, что при уменьшении r, ∆E будет увеличиваться. Эта как раз энергия той квантовомеханической «вибрации», которую мы упускали из виду, используя уравнения классической механики. Теперь, имея на руках это соотношение, мы можем «прикинуть», какому расстоянию между электронами будет соответствовать энергия, достаточная для создания массы электрона по уравнению Эйнштейна (∆E ~ mc²), где m – масса электрона. Иными словами, нам нужен ответ на вопрос, когда соблюдётся отношение:


r ≲ ħ / mc


Подставив известные значения констант и массы электрона, мы получим:


ħ / mc ≈ 10⁻¹³ м


Это расстояние меньше среднего размера атома, которое составляет примерно 10⁻¹⁰ м, но сильно больше размера ядерного ядра (10⁻¹⁵ м). Иными словами, полученная величина говорит нам о том, что если мы попытаемся сблизить два электрона на расстояние, меньшее 10⁻¹³ м, квантовая неопределённость в их энергии будет достаточной для создания нового электрона. То есть, на этом расстоянии уже нельзя пренебрегать ни квантовой механикой, ни теорией относительности.

Но что будет, если мы будем продолжать сближать электроны друг к другу? Мы уже убедились, что согласно Гейзенбергу, с уменьшением расстояния ∆x растёт энергия ∆E, а согласно Эйнштейну, это эквивалентно добавлению массы в нашу систему. А раз гравитация у нас взаимодействует с массой, то расти будет и Fg (гравитационное притяжение между электронами)? С ростом массы, соотношение сил электростатического расталкивания и гравитационного притяжения уже не будет оставаться неизменной величиной, посчитанной нами ранее (10⁴²).


И так, следующий вопрос, на который нам надо найти ответ – при какой расстоянии между электронами гравитационное притяжение станет сравнимым с электростатическими силами, расталкивающими заряды по закону Кулона?


Для этого, мы просто должны выяснить, при каком значении m, выполнится данное условие:

Fe / Fg = e² / 4 πε₀ Gm² ≈ 1


Преобразуем уравнение к следующему виду:

Естественные единицы измерения и воксельная вселенная Физика, Квантовая физика, Макс Планк, Научпоп, Наука, Длиннопост

Теперь, это значение массы можно преобразовать к энергии и подставить в выражение принципа неопределённости. После всех преобразований, получим:


r ≲ ħ / mc ≈ 10⁻³⁴ м


На этом расстоянии, гравитационное притяжение между электронами уравновесит силу их электростатического расталкивания, но что произойдёт, если мы продолжим уменьшать расстояние между электронами? Разумеется, гравитационное взаимодействие будет только увеличиваться, но будет ли это продолжаться всегда?


Оказывается, что нет. В дело снова вступит теория относительности и предъявит свой самый эффектный козырь – чёрную дыру. Здесь нужно чуть отвлечься от наших электронов и разобраться, какие условия вообще способствуют образованию чёрной дыры.

Давайте рассмотрим тело с малой массой m, расположенное на поверхности большего тела с массой M.

Естественные единицы измерения и воксельная вселенная Физика, Квантовая физика, Макс Планк, Научпоп, Наука, Длиннопост

Между этими двумя телами действует сила гравитационного притяжения, выраженная формулой:


F = G Mm / r²,


… и, чтобы оторвать малое тело от поверхности большого, мне необходимо совершить работу по преодолению этой силы. Если я удалю малое тело от большого на некоторое расстояние dr, я совершу работу:


dW = F dr = (GMm / r² ) dr


Но если мне потребуется понять, какую работу мне необходимо совершить, чтобы удалить малое тело на бесконечно большое расстояние, так как сила притяжения между двумя телами будет убывать обратно пропорционально квадрату расстояния между этими двумя телами – надо будет проинтегрировать:

Естественные единицы измерения и воксельная вселенная Физика, Квантовая физика, Макс Планк, Научпоп, Наука, Длиннопост

чтобы убедиться, что полная работа будет равняться:


W = GMm / r


По мере удаления m от M, тело будет набирать потенциальную энергию, и полная величина этой потенциальной энергии будет равняться полной проделанной работе.


Вооружившись этим знанием, я могу задаться вопросом, с какой скоростью мне надо подбросить m, чтобы оно вырвалось из области гравитационного притяжения M. Или, если перефразировать: какую скорость надо придать m, чтобы оно смогло удалиться на произвольно большое (бесконечное) расстояние от M?


Поскольку я только что посчитал, какая энергия необходима для этого, мне достаточно сообщить m такую же кинетическую энергию. Зная формулу кинетической энергии, получаю:


½ mv² = GMm/r


Решаем уравнение в отношении v (скорости) и получаем:

Естественные единицы измерения и воксельная вселенная Физика, Квантовая физика, Макс Планк, Научпоп, Наука, Длиннопост

в русскоязычной терминологии эта скорость получила название «Вторая космическая скорость» (скорость освобождения или скорость убегания). Для Земли эта скорость составляет приблизительно 11 км / с, а, например, для Юпитера – уже около 60 км / с.


Из формулы видно, что вторую космическую скорость определяют два фактора – масса тела и его радиус – большая скорость освобождения требуется не только при старте с массивного объекта, но и с более плотного (чем в меньший объём «упакована» масса, тем сложнее с неё улететь).


И следующий вопрос, которым может озадачиться пытливый ум – а что случится, если объект будет настолько плотным, что вторая космическая скорость для него сравняется со скоростью света? Такие объекты получили название «чёрная дыра», так как даже свет не может покинуть их окрестности. Уже зная формулу, мы можем просто подставить в уравнение скорость света и решить его для любой массы (плотности), а преобразовав его для r – получим уравнение радиуса, внутрь которого необходимо «упаковать» массу M, чтобы образовалась чёрная дыра:


Rs = 2GM / c²


Эту величину называют «Радиусом Шварцшильда», в честь немецкого физика Карла Шварцшильда, который впервые решил уравнения Эйнштейна для такого случая и, тем самым, предсказал существование чёрных дыр.


Так какое отношение это всё имеет к нашим электронам? Самое непосредственное. Мы уменьшаем расстояние между ними, масса системы растёт, а размеры уменьшаются. Рано или поздно мы «упакуем» их достаточно плотно, так, чтобы в этой области пространства сформировалась чёрная дыра. А, имея необходимые формулы, мы можем вычислить, когда это произойдёт.


Во-первых, мы можем оценить, сколько гравитационной массы содержится в системе из двух электронов на расстоянии r друг от друга (r ~ ħ / mc). И так же, мы только что посчитали, как радиус Шварцшильда связан с гравитационной массой (r ~ Gm/c²). Объединив эти два уравнения, мы увидим, что m сократится, а всё, что останется можно записать следующим образом:


Естественные единицы измерения и воксельная вселенная Физика, Квантовая физика, Макс Планк, Научпоп, Наука, Длиннопост

Что примечательно, если внимательно приглядеться к этой формуле, можно заметить, что она целиком состоит из констант и никак не содержит никаких других параметров. Мы можем взять не только электроны, но и любые иные два объекта, и если мы уменьшим расстояние между ними до 10⁻³⁵ м, в данном объёме неизбежно возникнет чёрная дыра и на этом этапе мы больше не сможем извлечь никакой дополнительной информации из системы. Даже если вы захотите «вкачать» в систему ещё больше энергии, это приведёт лишь к росту этой чёрной дыры.


Мы подошли к фундаментальному пределу, точнее которого мы физически не в состоянии ничего измерить. Данный предел, по фамилии его первооткрывателя носит название Планковская длина. Это граница, где заканчиваются даже наши теоретические возможности познания пространства. Примечательно, что на данном пределе и квантовая механика и теория относительности становятся одинаково важны.

Тут человек, знающий историю научных открытий, может спросить – но ведь Планк опубликовал свои труды раньше, чем Эйнштейн опубликовал свою теорию относительности, да и до открытия принципа неопределённости было ещё далеко!


Поэтому сейчас мы пройдём по пути, пусть менее наглядному, но доступному Максу Планку в самом конце 19 века.


В наших выкладках можно увидеть постоянное использование 3 разных констант из трёх областей физики. Мы использовали постоянную Планка-Дирака (E = ħω) , основную константу квантовой механики; так же – скорость света (E = mc²), основную константу общей и специальной теории относительности, а так же Ньютоновскую универсальную гравитационную константу (F = G (m1m2 / r²). Здесь можно задаться вопросом – каковы фундаментальные, базовые единицы измерения для этих трёх констант?


Все возможные единицы измерения являются производными от 7 базовых:


Расстояние – метр, м

Время – секунда, с

Масса – килограмм, кг

Электрический ток – Ампер, А

Количество вещества – моль

Интенсивность света – канделла, Кд

Температура – кельвин, К

(четыре последних нас сейчас не интересуют, они приведены просто для комплекта)


Любая другая величина выражается через использование этих семи. Например, скорость выражается как расстояние, преодолённое за время (метры в секунду, м/с), ускорение будет выражено как изменение скорости за единицу времени (метры в секунду за секунду или м/с²)


Как же выражаются используемые константы скорости света, гравитационной постоянной и постоянной самого Планка?


Скорость света (с) – это просто – м/с.


Постоянная Планка-Дирака (ħ) уже сложнее – исходя из определения, видно, что она имеет в себе единицы энергии, разделённые на частоту ħ = E / ω, где в числителе мы имеем энергию (Джоуль – это сила * расстояние, или 1 Дж = 1 Н•м=1 кг•м²/с²), а в знаменателе – частоту ([ω] = [2πf]) = Гц (раз в секунду или с⁻¹). Совместив единицы, мы получаем единицы измерения постоянной Планка (ħ): кг*м²/с.


Ну и гравитационная постоянная (G) выражается следующим образом:


Раз F = Gm1m2/r², то G = F r² / m1m2, то есть кг * м³ * c⁻² / кг² или м³ / кг * c²


Теперь, зададимся вопросом, а можем ли мы при помощи этих констант выразить длину?


Именно этот вопрос задал себе Макс Планк более 100 лет назад. Можно ли при помощи этих трёх фундаментальных констант создать новую единицу измерения длины? Трюк, который он придумал – записывать их как произведение G в какой-то степени α, ħ в какой-то степени β и с в какой-то степени γ:


Естественные единицы измерения и воксельная вселенная Физика, Квантовая физика, Макс Планк, Научпоп, Наука, Длиннопост

Тогда его задача сводилась к определению степеней α, β и γ, таким, чтобы комбинации:

[c] = м с⁻¹

[ħ] = кг м² с⁻¹

[G] = кг⁻¹ м³ с⁻²

сводились бы просто к метрам.

Естественные единицы измерения и воксельная вселенная Физика, Квантовая физика, Макс Планк, Научпоп, Наука, Длиннопост

Упрощаем:

Естественные единицы измерения и воксельная вселенная Физика, Квантовая физика, Макс Планк, Научпоп, Наука, Длиннопост

Теперь, запишем левую часть уравнения в более подходящей форме:

Естественные единицы измерения и воксельная вселенная Физика, Квантовая физика, Макс Планк, Научпоп, Наука, Длиннопост

Ну и теперь нам нужно просто сопоставить степени в левой и правой части уравнения, получив следующую систему:

0 = β – α

1 = 3 α + 2 β + γ

0 = –2α -β – γ


Первое уравнение говорит нам, что α = β, зная это , получаем:

1 = 3 α + 2 β + γ → 1 = 5 α + γ

0 = –2α -β – γ → 3 α = – γ


Следовательно, имеем α = 1/2 , β = 1/2, γ = – 3/2

Подставив значения степеней в формулу, мы обнаружим, что мы получили то же самое уравнение, что и раньше:

Естественные единицы измерения и воксельная вселенная Физика, Квантовая физика, Макс Планк, Научпоп, Наука, Длиннопост

Планк не остановился на этом. Мы так же можем посчитать, а сколько массы нужно упаковать в этот объём, чтобы получить чёрную дыру. Нам всего только надо преобразовать полученное уравнение:


Естественные единицы измерения и воксельная вселенная Физика, Квантовая физика, Макс Планк, Научпоп, Наука, Длиннопост

Эта величина получила название «Планковская масса».


Есть так же «Планковское время» – строго говоря, время, за которое свет проходит расстояние равное «Планковской длине» (5,3 * 10⁻⁴⁴ с), но у этой величины есть и другое значение. Помимо того, что это – кратчайший интервал времени, который в принципе имеет физический смысл, это так же и кратчайший интервал, дальше которого мы никогда не сможем проникнуть в исследовании условий большого взрыва. Период с момента возникновения нашей Вселенной до 5,3 * 10⁻⁴⁴ с так и называется – Планковская эпоха.


Концепция самого времени теряет физический смысл на интервалах, меньше планковского времени!


Очень часто можно слышать вопрос «А что было до Большого взрыва?». Правда в том, что время не существовало как концепция на протяжении всей Планковской эпохи, как и не существовало никаких «до» (см. пост Правды и кривды теории Большого взрыва.).


Теперь, уткнувшись в столь фундаментальный барьер, мы можем только гадать, является ли пространство-время непрерывным на любом интервале, мы лишь не можем ничего измерить на расстояниях, меньших Планковских, либо пространство-время дискретно, имеет «воксели» – мельчайшие кирпичики, и тогда самым наглядным аналогом подобной реальности станет популярная игра Minecraft, а пространства-времени в меньшем масштабе попросту не существует.

Показать полностью 14
317

Как работает зеркало?

Мало кто задумывался о том, как работает обычное зеркало. Ну да, в нём можно увидеть своё отражение, а ещё пускать солнечные зайчики, благодаря своей способности отражать свет. Мало кто из людей задумывается о механизмах, благодаря которым «работает» зеркало, и ещё меньше догадываются о том, насколько удивительным может оказаться столь обыденный предмет, если разобраться. Лично для меня эта «кроличья нора» оказалась неожиданно глубокой.


Что такое отражение?


Свет вообще-то отражают почти все материальные объекты в нашем мире (кроме, разве что, чёрных дыр). Мы говорим «я вижу предмет», что означает «на сетчатку моего глаза попал отражённый этим предметом свет». В то же время, не все предметы обладают свойством зеркала. Мы так и разделяем два типа отражений — зеркальное и диффузное (рассеивающее). В чём разница? Это мы проходим ещё в школе, где нам показывают примерно такую картинку:

Как работает зеркало? Физика, Оптика, Зеркало, Отражение, Длиннопост, Гифка

С объяснением вроде того, что угол падения равен углу отражения, с неровных поверхностей свет отражается под разными углами и рассеивается, зато вот с гладких поверхностей все лучи света отражаются под одним и тем же углом. Это правило вытекает из принципа, который сформулировал ещё Христиан Гюйгенс в конце 17 века, и дополнил Огюстен Френель в начале 19. Каждая точка фронта (поверхности, достигнутой волной) является вторичным (то есть новым) источником сферических волн (принцип Гюйгенса-Френеля).

Как работает зеркало? Физика, Оптика, Зеркало, Отражение, Длиннопост, Гифка

То же в анимации:

Как работает зеркало? Физика, Оптика, Зеркало, Отражение, Длиннопост, Гифка

Но почему вот, например, относительно гладкий лист бумаги нам видится белым, а весьма шершавый кусок железосодержащей породы обладает, как мы говорим «характерным металлическим блеском». И почему существуют прозрачные материалы, которые пропускают свет сквозь себя практически без изменений?

Как работает зеркало? Физика, Оптика, Зеркало, Отражение, Длиннопост, Гифка

Металлический блеск


Опустимся ещё глубже. Предметы состоят из атомов, так, наверное, это «одни атомы отражают, а другие пропускают сквозь себя лучи света»? (Физики, не спешите кидать в меня камни, я исправлюсь, обещаю!). При этом, какие-то лучи будут отражаться от внешних атомов, а какие-то будут проникать между ними и попадать в атомы, лежащие в более глубоких слоях:

Как работает зеркало? Физика, Оптика, Зеркало, Отражение, Длиннопост, Гифка

При этом, может сложиться так, что лучи света будут отражаться даже внутрь материала. И да, я ещё пока не упоминал волновую природу света. Абсолютно любой материал, без исключения, будь то зеркало, камень или стекло разделит падающий луч света на 2 неравные части — одна часть будет отражена, а вторая будет направлена внутрь материала. При этом, вторая часть может быть как поглощена данным материалом, так и пройти сквозь него практически без изменений.

Как работает зеркало? Физика, Оптика, Зеркало, Отражение, Длиннопост, Гифка

Для стекла, лишь малая толика света будет отражена, большая же часть пройдёт сквозь него. Для зеркала всё с точностью «до наоборот». То, насколько глубоко в материал проникнет свет, зависит, в основном, от 4 вещей: магнитной проницаемости материала, его диэлектрической проницаемости, частоты падающего излучения и, наиболее важного фактора — удельного электрического сопротивления материала. Так, например, в стекле (электрический изолятор) интенсивность светового пучка упадёт ниже 1% от первоначального примерно через 750 метров. Для серебряной амальгамы (отлично проводящей электрический ток) эта глубина составит всего около 7 нанометров (несколько десятков атомов). Комбинируя данные параметры можно создать и более экзотические материалы (о метаматериалах я писал в этом посте).


Интересующимся — формула:

Как работает зеркало? Физика, Оптика, Зеркало, Отражение, Длиннопост, Гифка

Но тогда почему не все изоляторы прозрачны? Есть ещё один фактор, но для этого, надо нырнуть ещё глубже. Вспоминаем, что фотон — это волна, а не мячик, который может отскочить от поверхности. Фотон движется прямолинейно и не может изменить своей траектории относительно геодезических линий пространства(времени). Фотон никуда не отражается. Любой материальный объект (включая зеркало) может лишь поглотить падающий фотон, либо пропустить его сквозь себя.


Так что же происходит на самом деле? Давайте вспомним, как происходит взаимодействие атомов с квантами электромагнитного излучения (подробно разжёвано здесь). Каждый электрон в атоме находится в состоянии, которое можно описать 4 квантовыми числами, а если проще — имеет определённую энергию. Чем больше энергия, тем дальше от ядра она позволяет ему находиться, но есть одно условие — электрон не может находиться на произвольном расстоянии от ядра, как в здании с лифтом — нельзя находиться на этаже 3 ½, можно либо на 3, либо на 4, но не между ними. «Этажи» называются орбиталями и переход с одной на другую осуществляется мгновенно, без каких-либо промежуточных стадий. Если фотон с совершенно определённой энергией встретится с электроном, он будет поглощён, а его энергия позволит электрону подпрыгнуть на этаж выше. Про такой электрон говорят, что он возбуждён. Рано или поздно, возбуждённый атом «успокоится» и вернётся в исходное состояние, а, поскольку для этого необходимо будет отдать энергию, он отдаст её в виде нового фотона, у которого будет точно такая же энергия (частота) как и у поглощённого фотона. Но если энергии фотона будет недостаточно для того, чтобы электрон перескочил на следующую орбиту, то он просто пролетит мимо, а электрон останется на свой орбите. Также электрон останется на орбите и в случае, если фотон имеет слишком большую энергию. Для перехода электрона на другой уровень фотон должен обладать совершенно определенном количеством энергии.

Как работает зеркало? Физика, Оптика, Зеркало, Отражение, Длиннопост, Гифка

Поглощение и эмиссия фотонов


Определённые материалы прозрачны для определённой частоты излучения (как, например, стекло) из-за того, что энергии фотонов видимого диапазона недостаточно, чтобы возбудить электроны в атомах стекла, поэтому фотоны спокойно проходят сквозь них. При этом, один и тот же материал может быть прозрачным в одном диапазоне и непрозрачным в другом — так, например, стекло очень хорошо поглощает ультрафиолет.


Но данный механизм отвечает лишь за нагрев материала, на который попадает свет, так как перевыпущенный фотон будет, скорее всего, поглощён соседним атомом, через какое-то время, снова перевыпущен, и так дальше. Так светится нагретый металл, например. Исключением из этого правила может быть лишь такие явления как флуоресценция или фосфоресценция, когда интенсивность свечения материала значительно превышает интенсивность теплового излучения.

Как работает зеркало? Физика, Оптика, Зеркало, Отражение, Длиннопост, Гифка

Флуоресценция уранового стекла в ультрафиолете


Для объяснения физики отражения нам, оказывается, вовсе не нужна квантовая механика, всё объясняется вполне классическим эффектом. Свет является электромагнитной волной, а сам атом имеет два электрических заряда — положительный в ядре и отрицательный в электронах. Что мы знаем о зарядах в магнитном поле? Они движутся под действием силы Лоренца. Атом начинает вибрировать с той же частотой, что и попадающий в него свет. А поскольку вибрация — это движение с ускорением, вспомним, что делает электрический заряд, движущийся с ускорением? Он начинает испускать фотоны. Именно эти фотоны и формируют отражённую электромагнитную волну.


При этом, разумеется, каждому отдельному атому и фотонам, которые ими испускаются, глубоко наплевать на правило «угол падения равен углу отражения». Излучение испускается во всех направлениях сразу. Только согласно принципу Гюйгенса-Френеля мы получаем в зеркале отражённое изображение.


На формирование отражения влияет множество факторов — расстояние между атомами, интервалы времени между поглощением и перевыпуском фотонов, резонансные частоты и многое другое. Чтобы не заморачиваться со всеми этими параметрами, люди объединили их влияние в один параметр — индекс рефракции. Его посчитали для всех известных материалов и занесли в таблицы и теперь при расчётах, связанных с оптическими системами, мы можем просто забыть об атомах и молекулах, достаточно знать лишь тип материала. Разумеется, каждый материал имеет индивидуальные характеристики поглощения и отражения для света разных частот, именно эта особенность материалов отвечает за наше восприятие цвета.


Подводя итог — свет на самом деле не отражается от зеркала. Зеркало поглощает падающий на него свет и испускает новый, точно такой же.

Показать полностью 9
161

Неисчерпаемый, чистый, безопасный источник дешевой энергии?

Прочитал пост (Китай и его "искусственное солнце" - Science Box ) об очередных успехах китайцев в этом деле, стал было писать комментарий, но потом решил сделать пост, так как сказать нужно многое.

Неисчерпаемый, чистый, безопасный источник дешевой энергии? Наука, Термоядерный синтез, Энергетика, Длиннопост

Когда-то я тоже был большим энтузиастом термоядерной энергетики (желающие разделить мой восторг, смогут это сделать, прочитав вот этот мой старый пост), однако позднее я наткнулся на статью Дэниэла Джессби, человека, 25 лет посвятившего исследованиям в области термоядерного синтеза (ссылка), и это сильно поубавило во мне энтузиазма.


Несколько вводных:

Для обеспечения термоядерного синтеза необходимы температуры порядка нескольких сотен миллионов градусов. Разумеется, никакой материал не сможет выдерживать подобные температуры, поэтому дейтериево-тритиевую плазму, в которой будут проходить реакции синтеза, необходимо удерживать в вакууме, подвешенной в магнитном поле, которая обеспечивается работой очень мощных сверхпроводящих электромагнитов.

Это называется магнитным удержанием, подобный принцип используется в ТОКАМАКах, так же, этот принцип будет использован в строящемся экспериментальном реакторе ITER


Есть и другой принцип получения управляемого синтеза, путём концентрации супермощных лазеров на крохотной мишени (на установке NIF в США, но в среде независимых исследователей постепенно растут сомнения в перспективности данного способа, о чём свидетельствует данная статья в журнале Science )


Реакции синтеза нам известны столько же, сколько и реакции деления, однако, если первая электроэнергия от реакции деления была получена спустя всего 10 лет после открытия, а спустя 12 лет заработала первая атомная электростанция, термоядерная энергия так и остаётся «технологией завтрашнего дня» и по прошествии более 80 лет с той поры.


Обеспечить сам синтез, в принципе, несложно. Вот, например, один американский школьник даже собрал у себя дома термоядерный реактор (см. 13-летний американец собрал дома термоядерный реактор). Проблема состоит в том, чтобы получить от реакции больший выход энергии, чем было на неё затрачено.

Неисчерпаемый, чистый, безопасный источник дешевой энергии? Наука, Термоядерный синтез, Энергетика, Длиннопост

Вот это тоже термоядерный реактор


Прочитайте ещё раз заголовок данного поста. В нём каждое слово не совсем верно (или совсем неверно), но лучше по порядку.


Неисчерпаемый?


Когда люди говорят о «неисчерпаемом топливе» применительно к термоядерному синтезу, обычно подразумевают дейтерий. Его действительно довольно много (156 частей на миллион в воде или порядка 4¹⁶ кг только на Земле). А что насчёт трития? В настоящее время единственной страной, производящей тритий в более-менее значимых объёмах, является Канада. Объём этот… 2,5 — 3,5 кг в год. Для запуска одного ITER потребуется 3 кг — то есть практически весь годовой объём мирового рынка трития. Гипотетический тритиевый реактор потреблял бы 56 кг трития на производство 1 ГВт·года электроэнергии, тогда как всемирные запасы трития на 2006 год составляли всего 21 кг (источник).


Проект DEMO — демонстрационная термоядерная электростанция, которую планируется построить после ITER (который уже официально признан исключительно исследовательской установкой) будет ежедневно потреблять по данным с их же сайта до 300 г трития, чтобы выработать 800 МВт электроэнергии.


Не всё, разумеется, так безрадостно, и установки эти строят далеко не глупые люди. После реакции слияния, большая часть выделенной энергии уносится вместе с нейтроном. Ёмкость, внутри которой происходит реакция, окружена слоем лития, который поглощает этот нейтрон и распадается до трития с выделением альфа-частицы.

Неисчерпаемый, чистый, безопасный источник дешевой энергии? Наука, Термоядерный синтез, Энергетика, Длиннопост

В теории запасы трития могут восполняться за счёт этой реакции, но на практике в реакции синтеза прореагирует менее 10% всего трития, который будет добавлен в плазму. Оставшийся тритий необходимо будет собрать с внутренних поверхностей камеры реактора и повторно внести. И такой цикл необходимо произвести от 10 до 20 раз, чтобы весь тритий поучаствовал в синтезе. И даже потери в 1% будут означать, что восполнить при помощи самого реактора столько же трития, сколько было потрачено, невозможно.

Практически же, например, в опытах, проводимых на установке ДЖЭТ, безвозвратные потери трития составили порядка 10%.


Чистый?


Ядра трития будут попадать как в детали самого реактора, так и в воду, которая будет их охлаждать, а тритий — радиоактивен. Соответственно, здесь уже необходимы меры для предотвращения радиоактивного загрязнения окружающей среды. Вторая (и гораздо большая) проблема — нейтроны, выделением которых сопровождается почти любая реакция синтеза. Быстрые нейтроны с энергией порядка 14 МэВ будут уносить почти всю энергию синтеза, а поскольку они электрически нейтральны, магнитное поле их не задержит.


Постоянная бомбардировка нейтронами конструкций реактора делает их не только радиоактивными (см.  Наведённая радиоактивность), но и вызывает их эрозию, уменьшая их прочность и прочие эксплуатационные характеристики, уменьшает срок их службы, а главное — требует решения вопроса об их дальнейшей утилизации. Тот же ДЖЕТ, произвёл порядка 3 тыс. кубометров радиоактивных отходов. Для ITER количество радиоактивных отходов оценивается в 30 тыс. тонн, при этом даже через 100 лет порядка 6 тыс. тонн из них всё ещё будут представлять опасность. Стоимость их утилизации оценивается в сумму свыше 300 млн. долларов США (источник), что подводит нас к следующему заблуждению…


Безопасный?


Как уже стало понятно, человеку лучше не находиться вблизи работающего термоядерного реактора, все работы по ремонту и обслуживанию должны будут выполняться либо роботами, либо системами с дистанционным управлением, но и это не самое сложное. Основной проблемой являются магниты. Чтобы выдержать ток требуемой силы для формирования магнитного поля, способного удержать разогретую до сотен миллионов градусов плазму, они должны быть сверхпроводящими. Но такой магнит может непредсказуемо потерять состояние сверхпроводимости в процессе, который называется quench (а по-русски: Внезапная потеря сверхпроводимости). В результате резко подскакивает напряжение, магнит сильно нагревается. Такой нагрев может спровоцировать потерю сверхпроводимости и у соседних магнитов. А ведь эти магниты удерживают плазменный шнур, раскалённый до сотен миллионов градусов! Так что всегда будет оставаться риск «катастрофического разрушения конструкции», проще говоря — взрыва, сопровождающегося выбросом радиоактивных материалов.


Зная это, можно не сомневаться, что со стороны регулирующих органов в разных странах будут выдвинуты очень жёсткие требования по обеспечению дополнительных мер безопасности, а это значит — дополнительные затраты, а главное — крушение мифа о том, что термоядерная электростанция не потребует столь жёстких требований по безопасности, которые сейчас предъявляются к атомной энергетике.

Неисчерпаемый, чистый, безопасный источник дешевой энергии? Наука, Термоядерный синтез, Энергетика, Длиннопост

Биологический щит реактора ITER


Дешевый источник энергии?


В случае возникновения ситуации с потерей проводимости магнита, реактор должен быть остановлен, магнит должен быть извлечён, нагрет до комнатной температуры, отремонтирован, затем охлаждён обратно до сверхпроводимого состояния и установлен обратно. Процесс может быть довольно длительным, и всё это время реактор будет простаивать, не производя энергии.

Для удаления продуктов реакции из плазмы (в основном, гелий) используется устройство под названием дивертор. Из-за контакта с гелием, они тоже подвергаются усиленной эрозии, и это ещё одно дорогостоящее устройство, которое будет требовать регулярной замены.

Неисчерпаемый, чистый, безопасный источник дешевой энергии? Наука, Термоядерный синтез, Энергетика, Длиннопост

Дивертор


Давайте пофантазируем и представим, что мы преодолели все трудности. Электромагниты не теряют сверхпроводимости, камера реактора не подвергается эрозии и не становится радиоактивной, мы производим достаточно трития, чтобы восполнить все потери и нашли подходящий материал для изготовления диверторов… Перед нами всё равно встанет проблема энергопотребления.


Криостаты работают на жидком гелии при температуре 4.5 К, внутри камеры реактора необходимо поддерживать жёсткий вакуум, а так же прокачивать большое количество воды для охлаждения. Мы ещё даже не запустили реактор, а уже затратили огромное количество энергии. В случае с ITER на обеспечение вспомогательных систем реактора потребуется по разным оценкам от 75 до 110 МВт электрической энергии (источник). Когда начнётся непосредственно синтез, потребуется ещё больше. Потребуется нагреть плазму и включить магниты для её удержания.


Планируемое энерговыделение для ITER составляет порядка 500 МВт, многих эта цифра вводит в заблуждение, потому что речь здесь идёт не об электрической, а о тепловой энергии, которую ещё потом предстоит преобразовать с неизбежными потерями. Конверсия тепловой энергии в электрическую в лучшем случае удаётся при «всего» 60% потерь, что оставляет нам лишь 200 МВт выработанной электроэнергии, что гораздо ниже мощности, которую реактор будет потреблять (порядка 300 МВт), поэтому ни о каком положительном выходе энергии для ITER речь не идёт, даже в теории.


ITER останется лишь исследовательским реактором. К 2027 году на нём планируется начать первые эксперименты, а дейтериево-тритиевый синтез — к 2035 году.


Первая попытка производства электроэнергии будет предпринята на проекте DEMO  с мощностью порядка 2 ГВт. Реализация проекта ожидается к середине 2040-х годов. Так что, наиболее оптимистичным сроком получения первого коммерческого электричества от термоядерной энергии можно считать 2060-е.


Даже если все технологии были бы доступны нам сегодня, если бы мы уже решили все проблемы, использование термоядерного синтеза для производства электроэнергии всё равно не получит массового распространения из-за крайне высокой стоимости первоначальных инвестиций.


Даже атомную энергетику, сегодня могут позволить себе далеко не все, а термоядерная станция, требующая специальных материалов, суперпроводящих магнитов, криогенных и вакуумных систем, будет стоить на порядок или даже на несколько порядков дороже.


Огромные затраты и сроки окупаемости проектов связанных с термоядерной энергетикой ставят под сомнение сам вопрос о том, будет ли когда-нибудь коммерчески успешно реализован хоть один из них. Одной из главных задач, стоящих перед энергетикой сегодня является сокращение выбросов углекислоты, и с этой задачей термоядерный синтез справился бы неплохо, но уже сейчас всё больше стран внедряют программы перехода на уровень нулевых выбросов и уже к 2040 многие из этих программ будут реализованы (источник). Альтернативные и возобновляемые источники энергии получают всё большее распространение, а стоимость энергии из возобновляемых источников падает год от года гораздо стремительнее, чем можно было ожидать.

Неисчерпаемый, чистый, безопасный источник дешевой энергии? Наука, Термоядерный синтез, Энергетика, Длиннопост

Но даже если возобновляемыми источниками и не удастся перекрыть всё возрастающие потребности человечества, с этим легко должна справиться гораздо более «простая» и «дешевая» ядерная энергетика.


Вполне возможно, что к моменту, когда мы действительно научимся строить термоядерные электростанции, проблема, которую мы пытаемся решить при их помощи, уже исчезнет.

Показать полностью 6
4711

Как не спалить закладку полиции?

В 2014 году мексиканские военные провели ряд операций, в ходе которых была обнаружена скрытая сотовая сеть, охватывающая своим покрытием все 31 штатов и даже северную часть Гватемалы. Масштабы сети поражают – только в ходе одной операции были обнаружены 167 передающих антенн, 155 ретрансляторов (с башнями высотой до 90 м), 71 компьютер, 166 солнечных панелей, аккумуляторов и электростанций, питающих оборудование в дикой местности, 3000 портативных радиостанций.

Как не спалить закладку полиции? Мексика, Мафия, Технологии, Длиннопост
Как не спалить закладку полиции? Мексика, Мафия, Технологии, Длиннопост

Она была огромна… Это была одна из самых сложных радио-сетей, с которой мы когда-либо сталкивались.

Данная сеть принадлежала и управлялась силами одного из самых могущественных и влиятельных наркокартелей того времени – Los Zetas. Los Zetas действует и сегодня, и вполне вероятно, что с тех пор они не только восстановили свою сеть, но и расширилии её.


Строительство сети началось ещё в 2006 году, когда Los Zetas были ещё частью La Compañía – боевым крылом другого наркокартеля, первоначально в штатах, непосредственно примыкающих к Мексиканскому заливу. Целью было построение инфраструктуры коммуникаций в реальном времени для сбора разведданных и координации действий боевых подразделений.


Работы велись под руководством радио-специалиста Хосе-Луиса Дель Торо Эстрада (так же известного под позывным El Técnico — техник). Эстрада, агент La Compañía, был скромным владельцем магазина радиодеталей в МакАллене, штат Техас, а по совместительству — де-факто технический директор всего телекоммуникационного проекта Los Zetas. Его команда включала экспертов по установке радиовышек и антенн, а так же имела своё собственное научно-исследовательское подразделение.

Как не спалить закладку полиции? Мексика, Мафия, Технологии, Длиннопост

Магазинчик Хосе Луиса Эстрады в Техасе


Эстрада и члены его команды были арестованы в 2008, однако, строительство сети продолжилось, заставив картель сменить тактику. К этому моменту функционировала уже сеть ретрансляторов по всему северо-востоку Мексики, которые работали под управлением специализированной компьютерной системы и софта собственной разработки.


За период с 2008 по 2012 годы Los Zetas было похищено как минимум 36 инженеров в области радиокоммуникаций.. Ни за одного из них не был назначен выкуп, они просто исчезли. Среди похищенных был как минимум 1 сотрудник IBM, а так же несколько инженеров в области коммуникаций из фирмы, принадлежащей крупнейшей мексиканской строительной компании. Ни один из похищенных специалистов так и не был найден.


Судя по ежегодным затратам, Los Zetas возлагали на сеть большие надежды. По оценкам мексиканского министерства юстиции, ежегодно её содержание обходилось картелю в сумму в десятки миллионов долларов.


Из документов по делу Эстрады можно примерно предположить, как принимались решения в процессе строительства сети. Из его показаний следует, что он или его помощники излагали руководству картеля технические требования по обустройству сети в том или ином районе, руководство отсылало приказы местным боссам (plaza bosses), оставляя на их усмотрение то, каким именно способом будет добыто необходимое оборудование и проведены соответствующие работы, скорее всего, под некоторым присмотром со стороны людей Эстрады. Боссы на местах, ответственные за определённые коридоры наркотраффика, не только отвечали за приобретение всего, от радиомачт до переносных радиостанций, но и за замену и ремонт того оборудования, которое выходило из строя или уничтожалось правоохранителями.


В силу этих обстоятельств для устройства сегментов сети в разных местах использовались весьма разношёрстные технологии. Особенно разнились подходы в городской и сельской местности. В условиях городской застройки Эстрада и его люди занимались поиском неиспользуемых радиочастот. После этого необходимое оборудование устанавливалось на крышах зданий. Зачастую, уже имеющееся на месте коммуникационное оборудование (особенно вышки с ретрансляторами компаний вроде Nextel) незаконно «угонялось», и перенастраивалось на работу с новыми частотами.


В изолированных районах сеть проектировалась на передачу радиосигналов на дальние расстояния. Агенты Los Zetas возводили собственные вышки, подстраиваясь под местный ландшафт, на возвышенностях, чтобы обеспечить надёжную передачу сигнала в гористой и лесистой местности. Один раз они даже установили вышку на вершине вулкана. Вышки так же маскировали, чтобы сделать их менее заметными. Энергией в труднодоступных местах оборудование снабжалось при помощи солнечных панелей и аккумуляторов.

Как не спалить закладку полиции? Мексика, Мафия, Технологии, Длиннопост

В городе Веракруз, линия из полутора десятков радиовышек имела радиус покрытия порядка 200 км, позволяя Los Zetas контролировать всё, что движется в этом районе.


По мере роста сети и усложнения её топологии картель так же обустроил несколько центров управления, оснащённых мощными компьютерными системами. Стоимость оборудования только в одном из таких центров в городе Торреон оценивалась в 350 тыс. долларов США. Его задачи не ограничивались лишь управлением местным сегментом сети, это был ещё и центр сбора развединформации, который осуществлялся в основном посредством прослушивания радиочастот, используемых военными и полицией.


По состоянию на 2011 год, компьютерные системы, контролирующие сеть, уже позволяли направлять определённые сообщения по разным маршрутам, специально выбирая одни ретрансляторы и игнорируя другие.

Как не спалить закладку полиции? Мексика, Мафия, Технологии, Длиннопост

Одна из коммуникационных вышек Los Zetas высотой 90 м.


О мощности и пропускной способности сети можно судить по свидетельству женщины из г. Тамаулипас, имевшую связь с одним из нерядовых членов Los Zetas. По её словам, города вроде Нуэво Ларедо были поделены на секторы, каждый из которых покрывал всего несколько улиц. На каждом из таких секторов постоянно работало порядка 20 halcones (соколы). Ими могли быть водители такси, рабочие, подростки, проститутки, даже коррумпированные сотрудники полиции. Каждый из них получал «зарплату» порядка 10 тыс. песо (750 долларов США), и у каждого из них имелась портативная радиостанция, посредством которой он сообщал различную информацию о перемещении полиции, военных, конкурирующих наркодельцов и пр. разведданные. Сообщение принимала местная антенна, и далее информация могла передаваться через ретрансляционную сеть в любую точку страны в считанные секунды.


В масштабах даже одного города речь идёт уже о сотнях бдительных осведомителей, которые видят и слышат всё, что происходит у них на территории. «Вы видите их иногда на каждом углу, даже на окраинах на выездах из города».


Даже в этом масштабе речь идёт о сотнях и тысячах текстовых сообщений, сотовых звонков и радиосообщений каждый день. Неужели одной преступной организации достаточно ресурсов для обработки такого массива данных? Если верить специалистам, расследующим дело Эстрады, ответ на этот вопрос «да». В Нуэво Ларедо (родном городе Los Zetas), они настолько глубоко интегрировались с местной полицией, что использовали местные полицейские колл-центры С4 (мексиканский аналог нашего 112) под свои нужды.


Закат?


В марте 2015 года был арестован последний неоспоримый лидер Los Zetas Алехандро «Омар» Тревиньо Моралес (так же известный как Z-42), вслед за чем деятельность и влияние Los Zetas значительно снизились, однако, сеть, которую построил тихий техасский владелец радиомагазина, возможно, по-прежнему функционирует и развивается.


Современные наркокартели уже давно не похожи на карикатурных banditos из фильмов. Это мощные полувоенные организации, обладающие огромными ресурсами и связями, больше напоминающие отдельные государства. О могуществе тех же  Los Zetas говорит хотя бы эпизод их ответа на угрозы хакерской группы Anonymous. После того, как пресс-служба Los Zetas в свойственной ей манере пообещала вычислить местонахождение каждого хакера, кто осмелился шантажировать Los Zetas, и "разобраться с ними" (то есть подвергнуть мучительной и унизительной смерти), в социальных сетях появилось несколько виртуальных групп с призывом оставить наркокартель в покое, а самые известные "революционеры" движения Anonymous поспешили заявить, что не имеют никаких претензий к преступной организации (http://navoine.info/los-zetas.html).


Список используемых материалов:

https://henley-putnam.national.edu/wp-content/uploads/2016/1...

https://www.ulyces.co/damon-tabor/radio-cartel-mexique-los-z...

https://www.popsci.com/article/technology/radio-tecnico-how-...

https://www.smh.com.au/technology/mexican-cartels-build-radi...

https://www.theverge.com/2014/3/28/5558656/how-a-radio-exper...

http://wirelessestimator.com/articles/2020/tower-techs-put-t...

https://www.scribd.com/document/19076232/Jose-Luis-Del-Toro-...

https://www.nytimes.com/2012/06/17/magazine/how-a-mexican-dr...

https://www.vice.com/en/article/ex57qn/the-los-zetas-drug-ca...

https://smallwarsjournal.com/blog/mexican-cartel-operational...

Показать полностью 4
291

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, Страпелька

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, Страпелька

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, Страпелька

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 3
395

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 4
1232

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 13
6051

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 15
858

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 3
Отличная работа, все прочитано!