Физика и общество physics.soc-ph

Представьте глобус, расчерченный на клетки: у полюсов они сжимаются в узкие клинья, у экватора растягиваются в широкие полосы. Если соединить случайные точки на таком глобусе линиями, стрелки компаса будут врать: связи станут указывать туда, где клеток больше, а не туда, куда действительно направлены потоки.

В феврале 2017 года Лима, город с населением более десяти миллионов человек, оказалась под ударом Эль-Ниньо: тёплое течение у берегов Перу принесло ливни, наводнения и оползни. Погибло более ста человек, тысячи домов были разрушены, а дороги превратились в реки.

Два собеседника говорят одновременно, и по громкости их голосов не понять, кто кому отвечает. Именно так климатологи десятилетиями искали связь между тёплой водой у берегов Перу и засухами в Австралии: сравнивали, насколько синхронно меняются температура океана и осадки в разных уголках планеты.

Каждое лето над Индией разворачивается гигантский атмосферный механизм: влажный ветер с океана приносит дожди, от которых зависит урожай и жизнь двух миллиардов человек. Но этот механизм работает с перебоями, и предсказать его за сезон вперёд до сих пор не удаётся. Модели дают лишь приблизительные ответы, а ошибка в прогнозе муссона может стоить миллионы тонн продовольствия.

Семьдесят пять лет метеонаблюдений в Индии, если разложить их на график, напоминают кардиограмму огромного организма. Вместо одного ровного пульса — пятнадцать разных линий, каждая со своим ритмом. Где-то сердцебиение ровное, как у спящего человека, а где-то сбивается, словно после быстрого бега.

В 2015 году ливни в Ченнаи превратили улицы в реки за одну ночь. Город не успел подготовиться: сезонные модели давали лишь смутное предупреждение. А ведь муссон — это не каприз неба, а пульс огромной машины, связывающей океаны и континенты. Учёные решили заглянуть в эту машину не через привычные уравнения, а через сеть из 6242 точек на карте, где каждая точка — датчик температуры воздуха.

Поезд прибывает на вокзал. Двери открываются, и толпа выливается на платформу. Дальше каждый идёт своей дорогой: кто-то сворачивает к велосипедной стойке, кто-то ныряет в подземный переход к автобусу, кто-то просто шагает к выходу. Этот последний отрезок — от двери вагона до двери дома или офиса — часто решает, поедет ли человек на поезде вообще.

Плотность в четыре человека на квадратный метр — порог, за которым толпа перестаёт быть суммой отдельных прохожих и превращается в нечто иное. На площади Консисториаль в Памплоне во время фестиваля Сан-Фермин локальная плотность достигала девяти человек на квадратный метр.

Теория Социального Лазера моделирует общество по аналогии с устройством лазера. Подобно тому, как атомы в активной среде лазера поглощают энергию накачки и переходят в возбуждённое состояние, люди поглощают потоки информации и «заряжаются» ею.

Наука — это огромная кухня, где учёные-повара ищут новые рецепты. Раньше ингредиенты перебирали вручную, теперь помогает искусственный интеллект (ИИ) — опытный шеф-повар.

Группа людей ищет потерянную вещь в большом парке. Кто-то устаёт и уходит, кто-то присоединяется по дороге. Число ищущих всё время меняется. Как это влияет на время поиска? До сих пор у науки не было чёткого ответа. В новой работе построена общая модель такого процесса. В ней независимые участники случайным образом входят в поиск и покидают его.

В городе распространяется инфекция, а жители смотрят друг на друга: кто-то уже привился, кто-то сомневается. Каждый день они обновляют решение — подражать соседям или друзьям, которые поддерживают вакцинацию.

Переводчик отвлекается на каждый шорох в зале — и час совещания превращается в два. Так и в борьбе с эпидемией: служба отслеживания контактов пытается восстановить цепочку заражений, но всегда что-то упускает. Кто-то не помнит, с кем встречался, кто-то не отвечает на звонок, кто-то вообще не попал в поле зрения врачей. Вопрос в том, насколько эти пропуски критичны.

Бронзовые пластины гамелана звучат не по единому камертону: каждый оркестр на Яве держит собственный строй, и два соседних ансамбля могут играть одну мелодию в чуть разных интервалах. Этот факт стал отправной точкой для необычного эксперимента: учёные перевели 155 лет температурных аномалий Тихого океана в ноты двух яванских ладов и посмотрели, как звук сохраняет динамику климатического хаоса.

Каждый раз, когда дейтерий и тритий сливаются в термоядерном реакторе, вылетает быстрый нейтрон. Он может превращать одни вещества в другие — например, создавать ценные изотопы для медицины. Сегодня такие нейтроны стоят баснословно дорого, потому что экспериментальных установок мало и работают они редко.

В глубине мозга есть крошечный участок — супрахиазматическое ядро. Это дирижёр, который задаёт ритм всему организму: когда спать, когда просыпаться, когда выделять гормоны. Учёные взяли настоящую карту связей этого участка у мыши и сделали её копии — одну больше, другую меньше. Как если бы сняли план города и построили по нему и посёлок, и мегаполис.

Таможенник не может разобрать чемодан на части, чтобы узнать, что внутри. Он просвечивает его рентгеном и по теням на экране понимает: вот металл, вот органика. Примерно так же инспектор будущих договоров о ядерном разоружении должен проверять боеголовку — не открывая её и не видя секретной начинки. Нейтроны для такой проверки подходят лучше рентгена.

Густая сеть знакомств: каждый связан почти с каждым, и в этой паутине трудно понять, кто действительно важен. Слишком много нитей — компьютер задыхается, моделирование буксует. Учёные придумали, как прореживать такие сети, не теряя главного. Идея в том, чтобы убирать связи, которые не участвуют в кратчайших путях.

Сеть, которая сама решает, когда остановиться Толпа людей растёт: каждый новый человек присоединяется к группе с вероятностью, зависящей от того, насколько группа уже велика. Если группа мала, присоединиться легко; если огромна — люди начинают сомневаться, и рост замедляется.

Судьба цивилизации — не просто вопрос удачи или катастроф. Учёные провели компьютерное моделирование: просчитали тысячу лет истории при десяти разных сценариях, учитывая расход ресурсов, стратегии управления и случайные удары. Главным мерилом оказался «коэффициент активности» — доля времени, когда цивилизация технологически жива.

Астрономы время от времени фиксируют межзвёздные объекты — каменные глыбы или кометные ядра, прибывшие из других звёздных систем. Большинство из них выглядят заурядно, но некоторые ставят в тупик необычной формой, аномальной скоростью или переменным блеском.

В любой компании есть свои негласные тройки: трое друзей, которые всегда вместе. А есть пары, которые существуют сами по себе. Оказывается, от того, насколько тройки «вмещают» в себя пары, зависит, как по группе распространяется всё — от вируса до новой идеи. Учёные ввели меру, которую назвали коэффициентом вложенности. Он показывает, как часто связи внутри тройки повторяют связи в парах.

Физика часто напоминает строительство гигантского корабля — Вселенной. Инженеры-физики ещё не пришли к единому мнению о базовых чертежах.

Представьте две квантовые частицы, связанные невидимой нитью — квантовой корреляцией. Одна из них теряет энергию, вторая — ровно столько же набирает, так что общий запас остаётся неизменным. Если наблюдать лишь за первой частицей, её колебания не затухают: ритм остаётся таким же ровным, как у космического пульсара — вращающейся нейтронной звезды, излучающей строго периодические импульсы.

Город — это живая система: он потребляет ресурсы, выделяет отходы, а его «кровеносная система» — дорожная сеть — доставляет людей и товары к местам назначения. Но пока инженеры проектируют транспортные артерии как жёсткую геометрию прямых линий, природа миллионы лет оттачивает идеальные распределительные сети.

Социальная сеть похожа на город: есть районы-гиганты и крошечные переулки. Когда алгоритм ищет в ней сплочённые компании, он часто выделяет пару огромных групп и много мелких осколков. Но заказчику — например, муниципалитету — нужны районы примерно одного размера, чтобы равномерно распределить поликлиники или школы.

В жаркий полдень над городом нависает душное марево, а на горизонте ни облачка. Обычно в такую погоду остаётся только ждать, когда природа смилостивится и пошлёт прохладу. А что, если бы тень и дождь можно было включать по расписанию, как свет в комнате? Группа исследователей предлагает необычный инструмент для такой «погодной кнопки» — воздушный ускоритель протонов.

Толпа на станции метро в час пик. Одни спешат к эскалатору, другие замедляются у табло, третьи обходят колонну. Каждый шаг — это не просто реакция на то, что прямо перед носом. Человек заранее прикидывает, где окажется сосед через секунду, и подстраивает свой маршрут. Такой взгляд в будущее физики называют упреждающим поведением.

Каждый год еда, которую мы едим, отнимает у человечества десятки миллионов лет жизни — из-за нездоровых рационов. И одновременно треть всех парниковых газов, греющих планету, рождается на пути от поля до тарелки. Казалось бы, решение напрашивается само: перейти на более здоровое питание — и климат спасём, и здоровье поправим.

Живой организм — это машина, которая постоянно пропускает через себя энергию и превращает её в тепло. Такой внутренний круговорот называют внутренним производством энтропии (мерой рассеяния энергии). Но примерно 2,5 миллиона лет назад наши предки запустили второй контур — внешний. Они взяли в руки заострённый камень, а потом и горящую ветку.

В глубине океана, куда не доходит свет, рождается план поимки частиц, которые почти ни с чем не взаимодействуют. Геонейтрино — крошечные посланцы из раскалённой мантии — вылетают при распаде урана и тория. Их поток несёт информацию о том, сколько тепла скрыто под нашими ногами.

Человек протягивает руку незнакомцу на другом конце города. Тот никогда не ответит тем же — они не встретятся. Зачем тогда помогать? Биологи называют это косвенной взаимностью: добро возвращается не от того, кому помог, а от кого-то ещё — по цепочке. В новой работе столкнули две её разновидности. Первая — помощь «вверх по течению»: я помогаю, потому что мне когда-то помогли.

В трофической паутине хищники и их жертвы непрерывно обмениваются углеродом и водой, и каждый акт потребления — это локальное увеличение вселенского беспорядка, или энтропии. Однако вторжение инфекционного агента преобразует эту систему в подобие гигантских качелей.

Флакон духов — не просто стекло с жидкостью. Это слепок времени, застывшая мелодия из пахучих нот. С 1900 по 2024 год таких «мелодий» накопились десятки тысяч, и теперь их можно изучить как единый организм. Учёные собрали крупнейший корпус данных о духах и замерили две вещи: сложность — сколько разных нот в одном флаконе — и новизну — насколько необычно эти ноты подобраны.

В 1888 году Винсент Ван Гог отрезал себе мочку уха. Этот поступок до сих пор пытаются объяснить биографы и психиатры. А математики подошли к загадке иначе: они измерили, как менялись чувства художника в письмах и как росла «нервозность» его мазков — и увидели чёткий сигнал надвигающейся беды. Качели, которые толкнули, обычно качаются и быстро успокаиваются.

В духовке при повышении температуры молекулы движутся быстрее, и беспорядок растёт. С языковыми моделями вроде ChatGPT всё наоборот. Когда разработчики увеличивают параметр «температура» — величину, управляющую случайностью выбора слов, — модель получает доступ к более широкому выбору слов, но её длинные тексты внезапно зацикливаются.

Представьте почтальона, развозящего письма по улицам с односторонним движением. Пока он едет только вперёд, маршрут прост и предсказуем. Но если на улицах вдруг разрешат развороты, он начнёт возвращаться, пересекать свои же следы — и схема доставки запутается. Примерно так же ведёт себя инфекция, когда люди могут болеть повторно.

Двое договариваются встретиться, но у каждого свои дела. Один сомневается: а вдруг второй не придёт? И решает не идти. Второй думает так же. Встреча не случается. Так выглядит простой механизм, который разбирают авторы работы: общее дело требует, чтобы каждый вкладывал время, но выгода зависит от того, участвует ли партнёр. В модели каждый человек ведёт список дел, упорядоченных по важности.

В марте 2020 года Франция опустела: люди перестали ходить на работу, в школы и кафе, а улицы наполнились тишиной. Эпидемиологи смотрели на графики и понимали, что вирус распространяется не сам по себе, а через рукопожатия, разговоры и поездки в метро. Но как предсказать, сколько контактов останется у человека, если правительство объявит новые ограничения?