Долгосрочные перспективы научно-технического прогресса

[AlexAV]

Кстати, к вопросу о КЭД - прочитал тут вот только что: https://nplus1.ru/material/2017/07/28/protonpuzzle
А с этим что делать?

Здесь есть следующий момент. В спектроскопическом эксперименте первичной измеряемой величиной является длинна волны переходов между уровнями, а радиус протона вычисляют из неё косвенными методами. При этом поправка из-за конечного радиуса протона к этим энергиям переходов ничтожно мала, поэтому даже если энергии переходов измеряются достаточно точно, то радиус протона определяется с достаточно большой погрешностью. Стандарт CODATA задаётся усреднением результатов различных авторов.

Так вот, если сравнивать результаты мюонных экспериментов не с этим результатом усреднения, а с точностью отдельных экспериментов по измерению радиуса протона другими методами, то получается следующая картина:



Т.е. строго говоря расхождения с собственно отдельными электронными экспериментами у мюонных на уровне 2-3 сигма. Большое абсолютное расхождение связано просто с тем, что сами эти методы не слишком точные при определение радиуса протона. Такое расхождение явно для того чтобы говорить о новой физике маловато. Вот недавно двухфотонный пик даже с большим расхождением был, потом испарился...

Соответственно это скорее указание на то, что нужно аккуратнее всё перемерить, причём прежде всего в электронных экспериментах, где погрешность сейчас достаточно велика. В результате или просто незначительно сдвинутся стандарты постоянной Ридберга и, как следствие для радиуса протона, и оба метода сойдутся (что наиболее вероятно) или действительно останутся различия, которые скорее всего будут свидетельствовать о существование динамического поля нарушающего лептонную универсальность (слабые указания на это есть и в других экспериментах, впрочем тоже не выходящие за пределы 2-3 сигм). 

С практической точки зрения оба варианта мало что поменяют, в первом варианте не поменяется вообще ничего, во втором - появится дополнительное слабо взаимодействующее с веществом динамическое поле и ещё одна или несколько слабо взаимодействующих частиц-переносчиков этого взаимодействия (повлиять на мюонный атом это поле может только если частицы сравнительно лёгкие, несколько кэВ, но слабо взаимодействующие, т.к. эффект в общем мал), собственно представляющее интерес только с точки зрения теории.

Добавление одного или нескольких новых динамических полей на масштабе много меньше электрослабого для стандартной модели собственно особой проблемой являться не должно.

[AlexAV]

Догадаться почему у него так горит от этих экспериментов нетрудно - по ряду предположений это вызвано квантовой гравитацией (а в большинстве ее теорий варп-двигатель не только возможен но и достаточно прост, что рушит все его рассуждения о парадоксе Ферми)

Это что угодно, но не квантовая гравитация. Нужно понимать, что ни одна аномалия, если это не ошибка измерения, никогда не проявляется одна. Т.е. должна быть масса явлений, которая также содержит похожие расхождения. Если этой массы нет — скорее всего речь идёт об ошибке измерения.

Если бы это было проявление квантовой гравитации, то оно было бы во всех процессах с характерной энергией более 10 кэВ. Аномалии в рассеяние частиц даже не на высоких, а на средних энергиях шли бы массами, причём чем выше энергия - тем хуже, а этого нет.

[AlexAV]

Кстати та жа группа, что измерила радиус протона в мюонном атоме пишет, что для результатов измерения радиуса атома He-3 и He-4 существенных отличий между данными электронных и мюонных экспериментов нет:
https://indico.phys.ethz.ch/getFile.py/access?resId=0&materialId=slides&confId=14
http://cordis.europa.eu/result/rcn/194694_es.html

Если это так - то вся новая физика здесь точно закрывается. Просто старые данные для атома водорода были недостаточно точны и всё. Ну не может быть, чтобы все эти дополнительные измерения c квантовой гравитацией и даже какое-то динамическое поле действовало бы для \mu P атома, но не оказывало бы существенного влияние на \mu He-3, имеющего куда меньший радиус и большую энергию связи. Т.е. по всей видимости самое вероятное объяснение (неточность в более ранних данных) - здесь самое верное.

[AlexAV]

Научно-технический прогресс за последние 20 тысяч лет неуклонно шел по экспоненте,

Присоединяюсь к вопросу. Как вы это измерили? Т.е. какой именно чётко определяемый количественный параметр растёт по экспоненте?

ни малейших признаков замедления даже не предвидится.

Назовите хотя бы одно открытие за последние 50 лет в области фундаментальной физики уровня и практического значения скажем открытия второго начала Карно и Томсоном, электромагнитной индукции Фарадеем, токов смещения Максвеллом, формулировки квантовой механики Гейзенбергом, Шрёдингером и прочими.

В 19-м - первой половине 20-го века таких фундаментальных, переворачивающих наши представления о природе, а всего через несколько десятилетий и технику, открытий множество. За последние 50 лет - вообще ничего. Одного этого факта достаточно для обоснования замедления прогресса.

[AlexAV]

Псевдокристаллы и сверхпроводимость "промежуточного рода".

Всё же по масштабу и значению до той же электродинамики Максвелла сильно не дотягивает. Я бы их сравнил в этом плане скорее с открытием эффекта Холла или рентгеновских лучей (а количество открытий такого масштаба в 19-м - начале 20-го века вообще, вероятно, измеряется сотнями), т.е. важное достижение, но всё же не некий фундаментальный переворот в наших представлениях.

[AlexAV]

Поэтому мы не знаем что из открытого в последние 50 лет пригодится практически, возможно кварки никогда практически не пригодятся а возможно через пару сотен лет кварковые компьютеры станут таким же обычным делом как сегодня сотовые телефоны.

У нас есть вполне рабочая (хотя и очень математически сложная) теория кварков - КХД. И исходя из неё мы можем уже сейчас очертить круг того, что здесь возможно и того, что точно невозможно. И исходя из неё как-то такое применение выглядит очень сомнительным.

Однако здесь ещё существенно, что типичный нормальные период для 19-го - начала 20-го века от открытия до внедрения редко превосходил несколько десятилетий. Если прогресс, как Вы утверждаете, идёт по экспоненте, то этот период должен уменьшаться, но никак не расти. Т.е. отсутствие практической отдачи от фундаментальных открытий 50-х - 70-х уже хотя бы поэтому нужно считать доказательством замедления прогресса.

И ещё один момент. Даже в физике частиц главные достижения сделаны до конца 70-х и связаны с созданием КХД создана к середине 70-х и, чуть раньше, теории Вайнберга-Глэшоу-Салама. Затем эксперимент только преимущественно подтверждал их (из более поздних существенных дополнений - пожалуй только осцилляции нейтрино). Т.е. выбраться за область их применимости не удаётся. И, возможно, не удастся вообще никогда. Т.е. даже здесь никакого экспоненциального прогресса не наблюдается, скорее застой.

Так всё же на основание чего Вы утверждаете, что в последние 50 лет прогресс идёт быстрее, чем в промежутке 1800 - 1950 годов (а это неизбежно следует из утверждения об экспоненциальном характере прогресса)?

[AlexAV]

тогда вы(и иже с вами) нужны?

Технических задач осталось ещё немало. Ну а инженерные, т.е. применение некоторого комплекса знаний для решения конкретной прикладной задачи, будут всегда. А отсюда и потребность в прикладной науке будет всегда.

Собственно за примерами ходить далеко не надо. В теплотехнике каких-то фундаментальных достижений уже нет лет 100, а специалист способный рассчитать теплообменник востребован народным хозяйством куда более специалиста в физике элементарных частиц.

Собственно в нашем институте скажем на 90% процентов скорее задачами такого сорта и занимаются. Теплофизика, ударные волны, электрохимия и т.д.

[AlexAV]

https://ru.wikipedia.org/wiki/Преон

Результаты экспериментов на LHC позволяют с высокой точностью отбросить преонную модель, как не соответствующую нашей реальности. Т.е. все они согласуются с тем, что кварки и лептоны - точечные истинно элементарные частицы, не имеющие внутренней структуры.

P.S. Существование или не существование преонов не имеет никакого значения для того чтобы сделать сделать вывод, что "кварковый компьютер" - чушь. Попросту по той причине, что чтобы записать бит информации в состояниях кварков - вам необходимо перевести кварк в возбуждённое состояние. Единственный способ это осуществить - перевести протон (или нейтрон) в один из резонансов. Минимальная энергия, которая для этого нужна - 294 МэВ, живут такие состояния до спонтанного распада - 6·10⁻²⁴ с (о вопросе как это вообще сделать способом кроме столкновения протона с частицей высокой энергии - я даже не говорю ). Никаких более низкоэнергетических и долгоживущих возбуждённых состояний у стабильных адронов (протонов и нейтронов) - нет. На этом обсуждение можно заканчивать. Чушь, она и есть чушь.

[AlexAV]

Все наоборот, они как раз косвенно ее подтверждают

Нет, это не правда. Не придумывайте. Никаких свидетельств наличия у кварков и лептонов на LHC не обнаружено.

[AlexAV]

А вот что - нахождение переходного звена между кварками и лептонами может снять фундаментальные ограничения на область задач квантовых компьютеров (на данный момент они решают лишь весьма узкое их число), ну или по крайней мере сильно расширить это число.

Каким это образом. Наличие или отсутствие этих самых преонов (как и любых иных экзотических частиц) никак не влияет на аксиоматику КМ, а именно эта аксиоматика и накладывает эти ограничения.

[AlexAV]

возможна ли Теория Всего

Не знаю. Вопрос на самом деле тесно переплетён с вопросом справедлив ли физический тезис Чёрча — Тьюринга. Если да - возможна. Если нет - уже очень не факт.

Однако в любом случае такая теория по большей части не особа и нужна. Для практической деятельности нам не нужна теория, которая описывает все, нам нужна теория, которая описывает доступные нам области пространства и параметров с достаточной для технических приложений точностью. А такая теория у нас по сути есть.

на базе чего?

У нас нет ни одного примера нарушения аксиоматики КМ, равно как и ни одного примера нарушения ОТО. Соответственно на этот вопрос сейчас невозможно аргументированно ответить. Логически понятно, что что-то из двух (или оба сразу) имеют ограниченную область применения за границей которой не работают. А что именно - может показать только эксперимент, которого нет. Пока не будет прямых экспериментальных свидетельств нарушения одной из них - рассуждения на этот счёт бессмысленны. Если же такие нарушения будут найдены - по их характеру и станет понятно какой из вариантов для их объяснения является предпочтительным.

Возможно кстати это мы и вообще никогда не узнаем (попросту из-за того, что до этой области вообще невозможно добраться экспериментально или при наблюдение астрофизических событий). Хотя может быть здесь что-то даст гравитационно-волновая астрономия... Но если не даст и она, если даже при столкновение чёрных дыр не достигаются условия, где законы ОТО или КМ нарушаются, то скорее всего попасть в эту область в нашей метагалактике вообще не возможно. Это останется навечно неразрешимой загадкой (впрочем совершенно несущественной для нашей практической деятельности).

[AlexAV]

Так что к любому утверждению про коллайдер можете добавлять приписку "при такой-то энергии столкновений"

Согласен, поправка справедлива. Тем не менее нужно констатировать, что на настоящий момент нет никаких свидетельств в пользу данной гипотезы.

[AlexAV]

Очень оптимистично (или пессиместично). Один только пример, у нас до сих пор нет теории растворов. Со времен Борна изменения чисто косметические.

Хорошей аналитической теории действительно нет. Но вот весьма эффективные численные методы описания появились. Молекулярная динамика при наличии достаточных вычислительных мощностей тут даёт достаточно хорошие результаты. Тут вообще произвольные свойства растворов можно описывать, а точность ограничена только качеством потенциалов, которые по большей части упираются тоже главным образом в доступные вычислительные мощности. Теоретически, при неограниченных вычислительных мощностях, МКХФ + МД-модель могут дать описание любого раствора с практически любой наперёд заданной точностью. Хотя на практике доступные вычислительные мощности тут возможности, конечно, сильно ограничивают. Но это техническая проблема, а не фундаментальная.

При описании чисто термодинамики хорошо себя показывают методы Монте-Карло, но опять же нужны хорошие потенциалы межмолекулярного взаимодействия, которые в принципе можно получить из квантовой химии, но тут также как в случае молекулярной динамики всё упирается в доступные вычислительные мощности.

Т.е. принципиально способы предсказания свойств растворов сейчас есть. И потенциально они их описывают с любой наперёд заданной точностью. Однако, есть определенны сложности с их использованием из-за крайне высокой вычислительной сложности этих методов. Но это уже не барьер понимания, а барьер сложности.

[AlexAV]

Давайте попробуем рассчитать свойства NaCl в воде. Фигу.

Молекулярной динамикой щелочно-галогенидные растворы в воде замечательно моделируются, вот тут точно никаких особых проблем нет. И более сложные растворы, вроде смеси органических веществ, органические ионы- вода и т.д. - тоже. Чуть сложнее с когда есть комплексообразование, химические реакции в растворе, ионы и соединения переходных металлов. Там всё несколько сложнее, но опять для связки квантовая химия +МД и это тоже сейчас проблема вычислительной сложности, а не принципиальная.

Принципиальные проблемы тут остались главным образом с описанием работы сложных биологических молекулярных машин. На их работу очень существенным образом влияют процессы квантовой декогенеции, т.е. они функционируют где-то на стыке квантовой и классической механики, где нужно использовать квантовую механику открытых систем, а вычислительные методы учёта квантовой декогеренции в квантовохимических расчётах сейчас не разработаны.

Описание же простых растворов для современной квантовой химии + молекулярной динамики - это на текущей момент скорее проблема вычислительная, а не принципиальная.

[AlexAV]

В этой теме почти нет расчётов природных для практического использования. (С точностью до kT).

С полуэмпирическими потенциалами есть. Точность 2 кДж/моль при хорошем подборе потенциалов в МД вполне достижима (правда сложность тут составляет то, что при использовании полуэмпирических потенциалов эта точность часто бывает сложнопрогнозируемой). Чисто ab initio методы просто упираются в то, что методы квантовой химии, дающие химическую точность на столько вычислительно тяжёлые, что сейчас просто нет суперкомпьютера, который бы позволял выполнять такие вычисления для сколько-нибудь сложных систем.

P.S. В качестве пример: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0378381219302808 . Там правда не термодинамика, а вязкость при высоких давлениях, но точность, получаемая на кончике пера вполне удовлетворительная и интересная для инженерных вопросов. Так что нет, сейчас описание жидкостей численными местами с какой-то осмысленной точностью возможна. Проблемы тут есть, но больше связанные с недостатком вычислительных мощностей. 

[AlexAV]

Ошибки в сотни килокалорий это никаких проблем?

Откуда вы взяли ошибку в сотни килокалорий в современных МД-моделях? Для хорошо подобранных потенциалов там несколько килоджоулей на моль  обычно ошибка, никак не сотни.

Вот в качестве примера результат расчёта химического потенциала NaCl в воде:


Точки - некоторые MD-модели, чёрная линия - эксперимент. Несколько килоджоулей тут ошибка даже при использовании SPC/E воды (от которой исходно прецессионных результатов ожидать сложно).

Ну и где тут Ваше расхождение в сотни кДж/моль?

Не знаю зачем вы так запали именно на этот пункт.

Молекулярная динамика - это область моей прямой профессиональной деятельности и основное направление нашей лаборатории. Так что профессиональная деформация. Сложно спокойно читать, когда по столь тебе близкой теме пишут что-то совсем странное.   

[AlexAV]

. Проблема не в вычислительной мощности, но в отсутствии теории.

В области молекулярного моделирования растворов сейчас особых проблем с теорий нет (я имею ввиду, конечно же не интерпретацию расчётов, а само построение моделей). Там сейчас всё упирается чисто в вычислительные мощности. В части классической МД - так точно. С квантовой химией там чуть сложнее, но в общем тоже самое.

Уравнение Шредингера это была подготовка, никак не конец.

Для каких-нибудь живых систем - весьма вероятно. Там действительно описание ab initio невозможно, так как тонет в чудовищной сложности системы. А в области материаловедения в общем уравнение Шредингера + МД/Монте-Карло (смотря что считаем) в принципе может давать исчерпывающие ответы на все представляющие практический интерес вопросы. Современных вычислительных мощностей для этого конечно не вполне хватает, но в принципе они представимы.

[AlexAV]

Это подгоночная модель, причем лишь для нескольких ионов. Однако мы совсем ушли в офтоп.

Для любого иона можно произвести аналогичные расчёты. И результат так же будет разумным. Если взять то же силовое поле  COMPASS  - то используя его можно моделировать практически любые растворы органических ионов. И, уверяю, для любой взятой из головы пары органических ионов в растворах (водных и органических), при условии, что в рассматриваемой системе нет химических реакций (реакции тоже можно моделировать, но это не про поле COMPASS), результат будет достаточно адекватен экспериментальным данным.

Это подгоночная модель

Не совсем. Силовое поле MD-модели описывает вполне реальную характеристику изучаемой системы - поверхность потенциальной энергии этой системы. По сути МД - это метод извлечения из заданной ППЭ каких-то наблюдаемых свойств данной системы. А точки ППЭ - непосредственно могут быть вычислены из квантовых расчётов (собственно энергия определенной конфигурации атомов и есть то, что большинство методов квантовой химии и рассчитывают). Тут между МД-моделями и квантовыми моделями очень прямая и физически обоснованная.

Многие используемые сейчас поля получены, конечно, на чисто эмпирических данных (+разумные предположения о функциональной форме, описывающей взаимодействие молекул), однако и прямая связка ab initio квантовая химия - молекулярная динамика тоже используется и даёт неплохие результаты (сейчас правда больше для металлов и ковалентных кристаллов, где квантовая часть моделирования проще и хорошо работает DFT, межмолекулярное взаимодействие считать квантовыми методами достаточно сложно, но никаких принципиальных ограничений так моделировать вообще всё что угодно нет).

P.S. Знаю очень хорошие работы в институте им. Духова, где результаты DFT модели скармливают алгоритмы машинного обучения, который должен предсказывать ППЭ, а затем используют полученную так ППЭ для моделирования свойств материалов классической МД (там правда не водных или органических растворов, а металлических сплавов в основном). И в общем очень неплохие результаты там получаются вообще на кончике пера, без единого экспериментального подгоночного параметра. 

[AlexAV]

КМ должна предсказывать зная только хим. состав - скорость света в этом растворе (если он прозрачный конечно).

Высокочастотная диэлектрическая проницаемость достаточно хорошо рассчитывается. Её считать пожалуй проще, проще, чем термодинамике, куда менее чувствительна к ошибкам модели.

[AlexAV]

Теоретические физики занимают какую-то странную позицию. Вот эта "законченность". В начале 20 века законченность была куда более основательная чем сейчас. Были там всего лишь "две тучки".

Между началом 20-го века и современной ситуацией есть достаточно принципиальное отличие. В начале 20-ого века были явления, которые вообще никак не не вписывались в существующую физическую картину мира. Радиоактивность, фотоэффект, спектр излучения черного тела, аномальное смещение перигелия Меркурия, опыт Майкельсона, опыт Резерфорда. Т.е. масса явлений, которые в физическую картину мира начала 20-го века категорически отказывались вписываться. Необходимость как-то менять теорию тут была очевидна.

А сейчас ситуации прямо противоположная. Сейчас попросту не осталось явлений, которые бы явно не вписывались в существующую картину мира. Ну, т.е. есть что-то в астрофизике и космологии, прежде всего темная материя, но всё это в области доступных на Земле и в Солнечной системе не наблюдаемо и не воспроизводимо. Соответственно, нет никаких предпосылок, чтобы что-то менять в теории. Ведь теория всегда основана на экспериментально наблюдаемых фактах. А если нет фактов требующих новой теории, то зачем тогда эта новая теория нужна? Тем более нет оснований считать, что даже если существующая теория будет уточнена, это даст какие-то новые эффекты применимые в технике. Просто по той причине, что если бы такие эффекты были - мы наблюдали бы хоть какие-то рассогласования между существующей теорий и результатами тех экспериментов, которые можно поставить в земной лаборатории.

Вот нет в начале 21-го века ни своего аналога радиоактивности, ни фотоэффекта, ни проблемы теплового излучения. Т.е. того, что легко можно наблюдать на лабораторном столе, но что никак не влезает в существующую теорию. И это очень принципиальное отличие ситуации начала 20-го и 21-го века.

Физика состоит из нестыкующихся кусков. Вековые !!! попытки состыковать провалились.

Не соглашусь. Разные части физической науки сейчас связаны и согласованы между собой лучше, чем когда-либо за истерию человечества. Аксиоматику практически любого раздела физики сейчас можно вывести из первооснов, практически из законов квантовой механики, являющейся основой нашего мира.

Тут немного особняком стоит только статистическая физика и термодинамика. Последовательно обосновать второе начало термодинамики из механики (ни классической, ни квантовой) пока не удалось и фактически второе начало является неким независимым фундаментальным законом природы. Природа второго начала на уровне микрофизики сейчас остаётся одной из главных теоретических проблем из этого кластера.

В сложных ситуациях.

Вообще в сложных ситуациях решение доступное нашему пониманию вообще не обязано существовать. Какой-то инструмент для изучения подобных случаев даёт численное моделирование, но и его возможности довольно быстро начинают упираться в барьер вычислительной сложности.  Движение в сторону сложности скорее всего будет ограничено мягкой стеной экспоненциального роста затрат на поиск решения. И в силу этого также будет весьма умеренным.