Hans Bethe

В тихой гавани Местного пузыря — разреженной полости горячего газа вокруг Солнца — недавно прогремел взрыв. Сверхновая вспыхнула в десятках парсек от нас, и её эхо до сих пор гуляет по окрестностям, меняя картину космических лучей. Долгое время считалось, что поток частиц из Галактики однороден, как свет от множества далёких фонарей.

В потоке заряженных частиц, летящих к нам из глубин Галактики, железо оказалось белой вороной. Прибор ATIC-2, поднятый на воздушном шаре над Антарктидой, сравнил, как меняется с энергией доля ядер от серы до хрома относительно железа. До энергии примерно 80 ГэВ на нуклон всё шло как по учебнику: чем выше энергия, тем меньше тяжёлых ядер по сравнению с железом.

Переводчик, выучивший язык по тысячам книг, переводит разговор, не отвлекаясь на шум в зале. Так и нейросеть, обученная на 127 137 годах модельного климата, за доли секунды выдаёт прогноз на зиму — быстрее и точнее, чем громоздкие динамические системы.

Оркестр играет симфонию, а вы слушаете только первую скрипку. Примерно так десятилетиями работали прогнозы речного стока: весь сигнал Эль-Ниньо сводили к одному числу, рассчитанному по маленькому прямоугольнику в Тихом океане. Между тем океан — это огромный ансамбль, где тепло перетекает из одного района в другой, и его полная партитура содержит куда больше информации, чем одна нота.

Рыбак в Квинсленде замечает: в иные годы люциан ловится хуже, хотя сети те же и лодка та же. Причина прячется не в самом улове, а в температуре воды несколькими месяцами раньше, когда мальки только вылуплялись. Тёплое течение пришло не на весь год, а лишь на несколько недель, и этот короткий эпизод решил судьбу целого поколения рыбы.

Переводчик отвлекается на каждый шорох в зале — и час совещания превращается в два. Так работали старые статистические модели Эль-Ниньо: они выхватывали отдельные цифры из океанских карт, но не видели, как тёплое пятно у берегов Перу связано с холодным языком у Австралии. Новая нейросеть ведёт себя иначе: она следит не за каждым словом, а за смыслом абзаца.

Переводчик в огромном зале слышит не только соседа, но и шёпот в дальнем углу, и по этим обрывкам восстанавливает всю беседу. Так работает нейросеть CAS-Canglong: она улавливает связи между давлением, ветром и теплом по всей планете и по ним предсказывает, каким станет океан через три месяца. Раньше прогноз на срок от двух недель до сезона был слабым местом метеорологии.

В плотном рое старых звёзд, известном как шаровое скопление M15, астрономы разглядели не просто звёзды, а слои времени. Одни звёзды родились раньше, другие позже, и химический состав выдаёт их происхождение с точностью археолога, читающего слои древнего поселения.

Измерить энергию частицы в Большом адронном коллайдере — задача, сравнимая с попыткой расслышать шёпот в ревущей толпе. При столкновении протонов рождается настоящий шквал частиц, и их сигналы в детекторе сливаются в какофонию. Обычные методы регистрации, подобно человеческому уху, забитому шумом, систематически занижают истинную энергию — часть информации просто теряется в наложениях.

Когда массивная звезда исчерпывает термоядерное топливо, её ядро коллапсирует, а внешние слои выбрасываются в пространство со скоростью в тысячи километров в секунду. Так рождается остаток сверхновой — расширяющееся облако ударно-сжатого газа, простирающееся на световые годы.

В недрах звёзд лёгкие ядра сливаются, рождая гелий и потоки нейтронов. На Земле этот процесс воспроизводят, соединяя дейтерий и тритий — особые изотопы водорода, содержащие один и два нейтрона соответственно.

Термоядерный реактор можно представить как исполинский котёл, в котором из изотопов водорода синтезируется гелий. Плазма внутри разогрета до 150 миллионов градусов — вдесятеро горячее солнечного ядра. Но, подобно накипи в чайнике, в плазме накапливаются вредные примеси — тяжёлые частицы, оседающие на стенках и охлаждающие реакцию.

Предсказанные Вольфгангом Паули и названные Энрико Ферми, нейтрино — частицы-призраки, почти не взаимодействующие с веществом. Внутри умирающих гигантов — сверхновых — и сливающихся нейтронных звёзд их рождается немыслимое множество.

Космический телескоп Джеймса Уэбба заглянул во времена, когда после Большого взрыва Вселенная насчитывала всего миллиард лет, и нашёл галактику-«Соню». В отличие от соседок, сиявших молодыми звёздами, она выглядела уставшей и тусклой.

Астрономы восстанавливают историю галактик по их визуальным портретам, подобно тому, как геолог читает прошлое планеты по слоям горных пород.

Чтобы два атомных ядра слились, необходимо преодолеть их яростное электрическое отталкивание — кулоновский барьер, словно свести двух разъярённых быков. В обычных условиях помогает лишь чудовищная энергия, как в звёздных ядрах, где ещё в 1930-х годах Ганс Бете объяснил механизм термоядерного синтеза.

Наше Солнце — мощнейший природный источник нейтрино, частиц-призраков, которые почти не взаимодействуют с веществом. Проходя сквозь плотное солнечное вещество, эти частицы испытывают осцилляции — меняют свой тип, или, на языке физиков, «аромат» (электронное, мюонное, тау-нейтрино). Представьте голос, проходящий сквозь толпу: чем плотнее окружение, тем сильнее искажение тембра.

Галактики подобны исполинским кухням, где в звёздных недрах лёгкие атомы сжимаются в тяжёлые — словно из муки и воды получается хлеб. Когда звезда умирает, она выбрасывает накопленное в межзвёздный газ, обогащая его «специями»: кислородом, углеродом, железом.

В первые недели жизни зародыша по его телу ползёт плотная стая клеток. Из них позже соберутся кости лица, части сердца и нервы. Движется эта стая не как попало: впереди идут несколько клеток-вожаков, а остальные держатся за ними, как велосипедисты в пелотоне. Долго считалось, что вожаки — особая порода клеток, от рождения настроенная вести.

Обычная нейросеть для квантовой химии похожа на ученика, который учится на ошибках, но каждый раз спотыкается на одном и том же месте. Она медленно ползёт к правильному ответу, чувствительна к настройкам и часто теряет устойчивость.

В густонаселённом центре Млечного Пути трудно разглядеть отдельные звёзды, но именно там прячется Patchick 126 — тусклое скопление, которое долго не могли уверенно классифицировать. Астрономы навели на него инфракрасный спектрограф IGRINS и космический телескоп «Хаббл», чтобы впервые детально изучить его химию и возраст.

Некоторые звёзды заканчивают свой путь не грандиозным взрывом, а тихим исчезновением — словно бракованный фейерверк, который вместо яркой вспышки оставляет лишь облако дыма. Обычно массивная звезда завершает эволюцию вспышкой сверхновой сверхновая, после которой остаётся компактный объект — например, чёрная дыра чёрная дыра.

Некоторые сверхъяркие сверхновые — звёздные взрывы колоссальной мощности — демонстрируют в спектре отчётливую линию кислорода и быстрое расширение оболочки, тогда как другие лишены этих признаков. Долгое время астрофизики считали, что перед ними принципиально разные явления.

Когда массивная звезда исчерпывает своё топливо, она схлопывается и взрывается, разбрасывая по космосу вещество, из которого были сделаны её недра. Остаток такого взрыва — Кассиопея A — давно известен астрономам своей кособокостью: яркие сгустки вещества разбросаны по нему неравномерно.

Зажечь миниатюрное солнце — давняя мечта человечества. Обычно учёные пытаются удержать раскалённую плазму (газ из заряженных частиц) при температурах в сотни миллионов градусов. Но плазма норовит вырваться из магнитных ловушек, и удержание стоит огромных затрат.

Внутри взрывающейся сверхновой рождается невообразимое количество нейтрино — частиц-призраков, почти не взаимодействующих с веществом и проходящих сквозь него почти без следа. Но, собравшись вместе в огромных плотностях, они начинают влиять друг на друга и молниеносно менять своё амплуа — физики называют это «ароматом» (типом нейтрино: электронное, мюонное или тау-нейтрино).

Световой импульс в оптоволокне — как выстрел стартового пистолета: короткий, резкий, его нельзя перепутать с тишиной. Именно такие импульсы выдаёт новый искусственный нейрон, собранный на кремниевом чипе. Он сделан из кристалла фосфида галлия — вещества, которое умеет колебаться и пропускать свет одновременно.

Вода в ручье огибает камни, но математика этого движения прячется в чёрном ящике — так работают обычные нейросети. Они дают ответ, но не говорят почему. Инженеры не могут доверять предсказанию, если не видят его хода. Гидродинамика получила прозрачную модель.

В стакане с водой ультразвук рождает крошечные пузырьки. Они то растут, то сжимаются, а иногда резко схлопываются, как лопающийся мыльный пузырь, только в тысячи раз быстрее. Рядом с такими пузырьками плавают мелкие частицы — например, шарики никеля размером с пылинку. Пузырёк при каждом движении толкает их, как пловец, который бьёт по воде и разгоняет вокруг себя волны.

Пористые минералы-цеолиты работают как крошечные губки с отверстиями строго определённого размера. Через такие отверстия проходят молекулы одного сорта и застревают другие — на этом построена очистка воды, разделение газов и катализ в нефтехимии. Но придумать новый цеолит на бумаге гораздо проще, чем вырастить его в лаборатории: у кристалла должны сойтись десятки тонких условий.

Телескоп Джеймса Уэбба заглянул в остаток сверхновой Кассиопея A — облако газа, оставшееся после взрыва массивной звезды. Там он увидел тончайшую паутину из светящихся нитей и загадочную структуру, которую прозвали «Зелёным монстром»: почти круглые дыры и кольца.

Мозг за день накапливает впечатления, как комната — вещи. Ночью, во время глубокого сна, он не просто отдыхает, а наводит порядок: перебирает дневные события и решает, что оставить, а что выбросить. Учёные построили компьютерную модель мозга, которая днём учится на нескольких примерах, а ночью «пересматривает» их, как будто видит сны.

В Большом адронном коллайдере протоны врезаются друг в друга, как два грузовика с конфетти. Осколки — десятки новых частиц — разлетаются во все стороны. Детектор записывает их следы, а потом начинается главная работа: собрать из этих следов полную картину столкновения. Раньше этим занимался набор правил, придуманных физиками.

В центре Млечного Пути, среди плотной россыпи звёзд, прячется шаровое скопление Тонанцинтла 2. Его не замечали десятилетиями, хотя оно хранит ключ к самой ранней истории нашей Галактики. Теперь астрономы рассмотрели его с помощью космического телескопа «Хаббл» и наземного спектрографа APOGEE — и выяснили, что это одно из древнейших звёздных семейств во Вселенной.

Переезжая в новую квартиру, человек не учится заново открывать двери и включать свет. Опыт из старого дома переносится сам собой: кухня — это место с плитой и мойкой, спальня — с кроватью. Мозг хранит не точную карту, а гибкую схему, которую накладывает на незнакомое пространство. Учёные построили компьютерную модель такого переноса. В ней два этажа.

В глубине космоса есть облако газа, похожее на ожерелье с яркими бусинами. Это туманность Ожерелье — остатки звезды, которая когда-то раздулась и поглотила своего соседа. В центре осталась пара: маленькая горячая звезда и её раздувшийся компаньон, богатый углеродом.

В густом облаке газа, где зарождается звезда тяжелее Солнца, есть крошечный источник радиоволн. Он работает как лазер: молекулы метанола усиливают излучение, и мы видим яркую точку. Но эта точка ведёт себя странно — её яркость скачет вверх и вниз за считаные часы. Учёные следили за источником G33.641-0.228 с 2009 по 2016 год.

Каждое движение мысли оставляет след — слабый электрический всплеск на коже головы. Прибор с десятками проводов, похожий на шапочку для плавания, ловит эти следы и превращает их в волнистые линии. По ним можно догадаться, что человек чувствует, даже если он молчит. В новой работе три компьютерные программы соревновались, кто точнее прочитает такие линии и определит: настроение плохое, спокойное или хорошее.

Орнитолог в джунглях слышит трель, но птица прячется в листве. Хорошо бы тут же получить её портрет — хотя бы из базы фотографий. Обычно для этого нужны тысячи пар «запись пения + снимок той же птицы», а собирать их дорого и долго. Авторы пошли в обход: взяли две готовые модели. Одна понимает связь между картинкой и текстом (например, «красная грудка, чёрная шапочка» → фото зарянки).

Возьмите детский волчок и запустите его на столе. Он крутится ровно, и все его части движутся в одном направлении. А теперь бросьте на пол горсть бисера и подуйте на неё — каждая бусинка полетит в свою сторону. Примерно так астрономы различают два типа крупных галактик: «волчки» (быстрые вращатели) и «бисер» (медленные, с беспорядочным движением звёзд).