Анимация + Научпоп

Всем привет. Каждый, хоть раз слышал о квантовой механике. И что там полно непонятного и странного. И сегодня я расскажу об одном эксперименте, который не имеет никакой иной трактовке кроме той, что в ходе этого опыта регулярно и повторяемо удаётся отправить сообщение в прошлое. Опыт называется эксперимент квантового ластика с отложенным выбором. А теперь по порядку. Для ленивых как всегда есть видео.

Сперва скажу, что пост длинный, если вам лень читать, и вы и без меня знаете тонкости опыта Юнга с электронами то вам в самый низ. Я для вас пометочку оставлю. Для страждущих с чего всё начиналось, прошу под кат.

Всё началось более чем 200 лет назад, когда Томас Юнг провел свои опыты по дифракции и интерференции света. В чем суть опыта. Есть источник света, есть экран. Между экраном и источников помещают непрозрачную пластинку, в пластинке делают длинную прорезь. На регистрирующем экране видим тонкую полоску света. Всё хорошо, а теперь добавляем ещё одну параллельную прорезь рядом с первой. И ожидаем увидеть две полосы. Но, к удивлению, полос не две, вместо них мы видим причудливый узор из темных и светлых пятен, который в физике называется интерференционная картина.

Это было началом самого часто повторяемого эксперимента за всю историю физики. После этого опыта становится ясно, что свет – это не поток частичек, а электромагнитные волны, которые могут огибать препятствия и взаимодействовать друг с другом.

Проходя сквозь каждую щель и падая на экран свет проходит разные расстояния. Мы знаем, что у волны есть гребень и впадина. В точку экрана куда пришли два гребня будет яркое пятно (волны пришли в одинаковой фазе), а в точку куда пришёл гребень и впадина волны уровняли друг друга и будет пятно тёмное. (говорят, что волны в противофазе)

Теперь давайте разбираться отчего же этот опыт такой необычный. Ну волна так волна, что с того. Первые вопросы возникли у Эйнштейна, у которого никак не получалось свести формулы если свет – это просто волна и он ввёл такое понятие как квант света, и вы конечно уже догадались – речь идёт о фотоне. И вот если предположить, что свет состоит из маленьких частичек, то формулы прекрасно сходились. Альберт придумал много разных штук с фотонами, ему потом ещё и нобелевку за это дали. Но опыт Юнга никто не отменял. Он нам ясно даёт понять, что свет — это волна, а теоретические выкладки говорят об обратном. Тогда физики договорились между собой, что в рамках оптики и классической электродинамики свет – это электромагнитная волна, а в рамках квантовой механики он пускай будет чем-то средним. И введи такое понятие как корпускулярно-волновой дуализм. Т.е. фотон может вести себя как волна, а может как частица – по ситуации. Ветряный в общем.

Это первый затык. Второй гораздо более интересный и необъяснимый. Умники в белых халатах решили провести опыт юнга с двумя щелями, но не со светом, а с пучком электронов. И стали стрелять по экрану электронами. Каково же было удивление, когда обнаружили что электроны в этом опыте ведут себя так же, как фотоны. Они проявляли свойства волны. Но простите, электрон это уже не фотон. Это частица, которая имеет массу покоя. А проходит ОДНОВРЕМЕННО сквозь оба отверстия. Кукушки у ученых послетали, не может частица проходить одновременно сквозь две дырки. Ну и родилась вполне себе закономерная идея. А давайте поставим датчик около отверстия, который будет регистрировать прохождение электрона сквозь щель. Тогда мы точно будем знать где именно пролетел электрон.

Тут начинается настоящая мистика. Ибо после установки датчика, электроны стали вести себя как обычная частица макромира, и интерференционная картина превратилась в две полоски. У особо искушённых читателей на этом моменте начинает обычно подгорать пукан, и они стремятся написать комментарий «Афтор выпей йаду, нельзя просто взять и понаблюдать электрон.». Что же вы отчасти правы. На самом деле чтобы «посмотреть» на электрон, мы должны стрельнуть в него фотоном. Что безусловно повлияет на его траекторию, и изменит результаты эксперимента. А теперь почему вы не правы. Опыт повторили с крупными молекулами, регистрировать которые можно и пассивными датчиками. Такой эксперимент впервые провел Антон Ца́йлингер в 2004 году (этот же Австриец впервые осуществил квантовую телепортацию). Суть его в том, что сквозь две щели стреляют крупными молекулами фуллерена (состоит из 70-ти атомов углерода). И даже эти громадные, с квантовой точки объекты, проскакивают сквозь две щели одновременно. Само понятие траектория становится абстрактным. Далее молекулы нагревают, а около щелей ставят термометры, и вот когда разогретая молекула фуллерена пролетает сквозь щелку с термометром, она уже пролетает только сквозь одну щель, и картина на регистрирующем экране из интерференционной превращается в обыкновенные две полоски. Выводы невероятны. Если нельзя ни коим образом зарегистрировать поведение частицы, то ей вообще плевать на законы физики. Она летает себе спокойно сквозь две дырки. Но если за ней можно «подсмотреть», то она ведёт себя как приличная. И подчиняется законам классической механики. Вот отсюда и идёт этот мистический и невероятный «наблюдатель». Некто меняющий фактом своего наблюдения физическую реальность. Если молекула пролетает сквозь две щели, то говорят, что она представляет собой волновую функцию – облако вероятности. Если же её «пронаблюдать» и молекула определилась, со своей траекторией (после того как на неё посмотрел наблюдатель), то говорят о коллапсе волновой функции – молекула реализовалась в физическом мире в классическом понимании.

!!!МЕТОЧКА ДЛЯ ЛЕНИВЫХ. ТУТ НАЧИНАЕТСЯ ПРО ВРЕМЕННОЙ ПАРАДОКС!!!

А теперь, собственно, к опыту с нарушением причинно-следственной связи. Вернёмся снова к фотонам. Будем всё так-же обстреливать экран и на пути поставим пластинку с двумя щелями, а после щелей поставим нелинейный оптический кристалл. Это специальное приспособление, которое разбивает один фотон на два спутанных с пониженной частотой. Такая штука называется спонтанное параметрическое рассеяние. Установка спроектирована таким образом, что фотон, проходящий сквозь верхнюю щель B, разделяется на два. Один из получившихся фотонов попадает на экран D0, а второй пройдя сквозь призму попадает в детектор D4.

Если начальный фотон, падающий на щели, проходит сквозь нижнюю щель А, то он так же разделяется на два. Первый снова на детектор D0, а второй сквозь призму и затем на датчик D3.

Детектор D0 выполняет роль регистрирующего экрана из опыта Юнга, он не позволяет нам увидеть сквозь какую щель пролетают фотоны, он просто может зафиксировать координаты фотона на экране в момент падения, а вот датчики D3 и D4, позволяют нам точно узнать сквозь какую щель проходит фотон. Если вы читали довольно внимательно всё что сверху написано, то уже догадались, что на детекторе D0, мы будем видеть две светящихся полоски. А если мы выключим датчики D3 и D4, то вновь на D0 увидим череду светлых и тёмных полосок. Что уже само по себе довольно невероятно.

Тогда экспериментаторы решили обмануть вселенную, но и себя вместе с ней. Эту установку они усложнили. Зеркала, сквозь которые проходят фотоны чтобы попасть в датчики D3 и D4, они сделали полупрозрачными и фотон падая на них, может с вероятность 50% попасть в датчик D3 или D4, а с вероятность 50% может «затеряться». Давайте для примера опять допустим что фотон пролетает сквозь верхнюю щель В, разделяется на два, один на детектор D0, второй на призму, потом на полупрозрачное зеркало, что будет если он отразится и попадёт на D4 мы уже знаем, а если он пролетит сквозь, то он отражается от обычного зеркала и попадает на другое полупрозрачное зеркало, и может с вероятность 50% быть зарегистрирован на любом из датчиков D1 или D2. То же самое если фотон проходит сквозь нижнюю щель А. Т.е. мы фактически лишили себя информации о том сквозь какую щель прошёл фотон, мы «стерли» её квантовым ластиком. И да, вы уже поняли, что происходит. Если мы стираем инфу ластиком, то картина на детекторе D0 становится интерференционной. А теперь, собственно, к необъяснимому.

Первоначальную информацию о том куда попадает фотон, мы можем получить с экрана D0. Она ближе всего к двухщелевой пластинке. И мы уже можем догадываться это интерференция или две полоски. И только спусти 8 наносекунд, пока фотон блуждает в недрах установки можно сказать быль ли он зарегистрирован на точных датчиках D3 или D4. Либо информация о его траектории была стёрта, и он попал на обезличенные датчики D1 или D2.

Теперь по полочкам. Мы с гипотетическим Толей заключаем спор о том, что если фотон будет интерферировать, то я плачу за пиво. Если фотон будет вести себя как классическая частица, то он. Затем мы выстрелили фотоном в эту установку, и заметили, что на детекторе D0, он попал в светлую область, которая соответствует интерференционной картине. И мы в течении последующих 8-ми наносекунд пьём пиво за мой счет. Разговариваем о жизни, и я сетую на то, как она несправедлива. Затем мы наблюдаем частицу в датчике D3. Понятно, что данная ситуация невозможна, ибо при регистрации этим датчиком интерференция невозможна. Для разрешения парадокса вселенная возвращает назад в прошлое, и на этот раз наблюдаем частицу на детекторе D0 в правильной области. Наша память перезатирается. Мы 8 Наносекунд пьём пиво, а Толя при этом нервно курит. Ведь теперь он проставляется. Затем идём смотреть на результаты со следующего датчика. Это датчик D3 мы уже знаем. Парадокса нет. Скачков не происходит.

Ещё раз. Фотон попадает на экран D0, в определённую область. Эта область точно зависит от того, как поведёт себя его квантово-запутанный фотон близнец спустя 8 наносекунд. Т.е. сперва он попадает в эту область(следствие), и только спустя 8 наносекунд наступает причина попадания в данную область.

А теперь ещё информация к размышлению. Мы можем сделать туннель, по которому летит фотон до второго датчика довольно длинным. Например, как расстояние от земли до солнца. И тогда у нас будет 8 минут до того, как фотон определится. Если мы будем стирать все показания, но до этого дадим посмотреть на результаты обезьяне. Станет ли картина классической от влияния обезьяны. А таракана? А Полугодовалого ребёнка?

На этом у меня всё. Испускайте только правильные фотоны.Спасибо что дочитали.

Сцена 3, моделирование сцены (лес), Алексей Широких

Сцена 3, рендеринг локации (лес), Сергей Завалишин

Модель растения, Алексей Райш

Моделирование локомоции гориллы на 4-х конечностях

Сцена 3, эпизод «Проконсул». Герои встретили проконсула и обсуждают его судьбу. 2D-анимация — Тимур Низов

Сцена 4, эскиз саванны, Александра Власова

Сцена 1, В зоопарке. Юная горилла Маруся просит взять ее с собой в прошлое.

Визуализация Сцены 1, В зоопарке

Визуализация Сцены 2, В лаборатории

О команде

Сергей Кривоплясов делает всю без исключения 3D-анимацию, риги персонажей, сборку сцен, постановку камер, режиссуру. В его ведении также постановка света, настройка шейдеров, монтаж и организация процесса производства.

Сергей Завалишин занимается созданием, дизайном и доработкой моделей окружения, а также визуализацией большинства локаций мультфильма

Александра Власова рисует эскизы, концепты и раскадровку.

Алексей Широких занимается моделированием сцен леса и саванны, а также их сборкой.

Алексей Райш смоделировал лабораторию и моделирует предметы окружения.

Никита Мелещенко занимается моделированием объектов окружения.

2D-аниматор Тимур Низов единолично ведет всю 2D-анимацию на проекте!

Также в проекте принимают участие:

Олег Авраменко

Александр Бочаров

Заур Бекулов

Жанна Мудрак

Ирина Фролова

Озвучка: Евгений Прохоров, Вова Макеев.

Студия озвучки — Maracuja Records.

В создании мультфильма также помогает сообщество @SciTeam.

Планы

Следующий отчет будет опубликован в середине сентября. Надеемся, что мы успеем показать первую серию на форуме «Ученые против мифов-11» 19 октября в Москве!

Помочь проекту можно на нашем сайте (не забудьте сделать пометку «на мультфильм»).

(с) АНТРОПОГЕНЕЗ.РУ и Сергей Кривоплясов, 2019 г.

Всем привет. Каждый раз читая учебник биологии я всегда невероятно горд. Ведь то, о чем там написано есть внутри каждого из нас, самый крутой мозг, почти не убиваемая печень. Невероятные лёгкие. И конечно венец энергетики – митохондрии. О которых мы сегодня и поговорим, и узнаем, как эволюционно сложилось что нам для жизни требуется кислород и почему. А для ленивых есть видео.

Митохондрия – имеет сферическую форму, или форму зерна и находится внутри клетки - плавает по цитоплазме. Органические структуры подобные ей называются «Органеллами» - постоянные, жизненно необходимыми компоненты клетки. Размеры самых маленьких из них, примерно в сто раз меньше толщины человеческого волоса, а самых больших в 50. Даже в очках не рассмотреть. И начнём мы не с того, чем они занимаются, а с самого крутого факта о них. С теории о том, как они произошли.

Ещё в далёком 1867 году, больше чем 150 лет назад, великий советский биолог Андрей Фаминцын и не менее крутой Осип Баранецкий выдвинули теорию о том что некоторые бактерии и даже водоросли могут спокойно себе жить внутри клеток других организмов, и не только не паразитировать, но и приносить пользу. Позже это явление назвали Симбиогенез. А ещё позже выяснилось, что митохондрии так же являются симбионтами. Как же начался этот союз?

Вернёмся в прошлое примерно на 1,5 млрд лет назад. Из всех живущих на тот момент бактерий, мы обратим внимание на два вида, один технически совершенен и обладал технологией конвертации глюкозы и кислорода в энергию очень эффективно хотя и медленно (38 энергоячеек из одной молекулы глюкозы). А второй вид был большой и быстрый, но не умел конвертировать глюкозу так же хорошо (всего лишь две энергоячейки из молекулы) что за энергоячейки мы поговорим позже.

И вот первая бактерия съест кусочек сахара, и сидит спокойно, на месяц ей хватает. А вторым постоянно жрать хотелось, ибо неэффективно этот сахар перерабатывали. И вот вторые ели первых почём зря. Но однажды произошёл удивительный случай. Большая бактерия не просто съела маленькую, а съела и НЕ переварила. И они там на своём бактерианском языке договорились между собой, что если у большой будет оставаться лишний сахар, то она будет даже подкидывать маленькой. В общем задружились как Амур и Тимур.

Результат этой странной дружбы оказался настолько удачный, что у большой клетки оказалось достаточно энергии, ведь эффективность маленькой в 18 раз выше, чем у большой. Вот отсюда всё и пошло. Большим бактериям стало лень постоянно ловить маленьких, засовывать их внутрь себя и подкармливать, и они каким-то невероятным образом скрестили свои ДНК. Теперь это были не два отдельных организма, а единый. Молекула ДНК этого нового организма стала большей и ей теперь было неудобно болтаться в цитоплазме. Для неё выдели специальное место – ядро. И при делении такой клетки в ядре уже содержалась информация о митохондриях – тех самых маленьких бактериях, которых ранее все нещадно ели.

Новая особь стала настолько эффективной с эволюционной точки зрения, что она вытеснила практически все остальные виды. И сейчас начиная от амёбы и кончая человеком, почти всё живое содержит в своём геноме информацию о митохондриях. Стоит заметить, что полтора миллиарда лет назад, кислород был отравой похуже чем хлор для нас с вами. И те кто не стал пользоваться митохондриями – попросту отравились кислородом.

Но за миллионы лет симбиоза, митохондрия не утратила свою уникальность. И даже сейчас, в тех митохондриях что внутри вас, осталась действующая митохондриальная ДНК, которая может на своих же митохондриальных рибосомах, выращивать собственные белки! Это просто удивительно.

Ну а теперь, собственно, к тому, чем митохондрия занимается. Все мы знаем, что растения поглощают углекислый газ, и выделяют кислород, это очень распиаренная тема.

С точки зрения физико-химических реакций это выглядит вот так.

6CO2 + 6H2O --> 6C6H12O6 + 6O2

Вода и углекислый газ, под действие солнечного света, преобразуются в сахар, из которого затем растения извлекают энергию.

Вот митохондрии занимаются ровно противоположным. Глюкозу они разлагают в углекислый газ и энергию, поглощая при этом кислород. В супер упрощённой схеме это выглядит вот так:

38АДФ+ 6C6H12O6 + 6O2 --> 6CO2+6H2O + 38АТФ.

С одно стороны этого процесса в митохондрии поступают кислород, глюкоза и АДФ, а с другой выходят углекислый газ вода и АТФ. АДФ и АТФ можно сравнить с незаряженным аккумулятором и заряженным соответственно. И вот эти самые АТФ и есть то, что я назвал в начале текста «энергоячейками».

Давайте рассмотрим этот процесс немного подробней, он тоже очень интересный.

Вначале глюкоза распадается на молочную и пировиноградную кислоту. Этот процесс протекает без кислорода. Процессы в биологии без участия кислорода принято называть анаэробными.

А затем очень изящное и интересное решение эволюции. Природа подметила что кислоты можно превращать последовательно друг в друга, и замкнуть это в круговой цикл. В митохондриях поддерживается непрерывный круговорот превращения одних кислот в другие, в который извне поступают те продукты, которые нужно либо превратить в энергию, либо утилизировать. А на разных стадиях этих превращений выводится заряженная АТФ, да и в придачу полезные заготовки для разных ферментов. Этот невероятный танец превращений был впервые открыт и изучен немецким биохимиком Хансом Кребсом, за что он и получил нобелевскую в 1953, а сам этот процесс получил название «цикл Кребса».

Фактически внутри цикла Кребса происходит медленное и контролируемое сгорание сахара, вот как раз для этого «сгорания» нам требуется кислород. А сами процессы с участием кислорода называют аэробными.

А теперь интересный факт. Если кислорода в клетке нет, или его мало, то глюкоза будет разлагаться не полностью, а только до пировиноградной и молочной кислоты. Про последнюю наверно многие слышали, именно из-за неё болят мышцы после тренировок или сильных физических нагрузок. Так что дышите глубже на тренировках.

Это всё что я вам хотел сегодня рассказать.

Всем привет. В своё время меня просто поразило, когда я узнал, почему же атомы взаимодействуют между собой. Вот сегодня, я хочу с вами этим поделится.

Дело в том, что атомы несовершенны. И они, стремясь к гармонии, ищут того, с кем они это могут сделать. Звучит поразительно, но на деле всё так и есть, а теперь подробней.

Для начала давайте посмотрим, как устроен атом. Он довольно сильно похож на солнечную систему. Внутри у него массивное ядро, а вокруг летают относительно маленькие электроны. Поподробней рассмотрим самый простой атом во вселенной – атом водорода. Ядро у него в подавляющем большинстве случаев представляет обычный протон. Массивную положительно заряженную частицу. А электрончик заряжен отрицательно, вспомнив что разноимённо заряженные частицы притягиваются, понимаем почему электрон вокруг протона крутится, он попросту притягивается кулоновскими силами.

Теперь частности. Порой, это происходит довольно редко, в ядре водорода присутствует не только протон, но и ещё одна массивная частица – нейтрон. Она не имеет заряда, а имеет только массу, примерно такую же, как и протон. И мы получаем атом водорода, который весит вдвое больше, чем его собрат из первого примера, но обладает теми же химическими свойствами.

Такие атомы одно и того же элемента которые отличаются только массами называются крутым словом – изотоп. Обычно для них не придумывают отдельных названий, просто говорят уран 235 или уран 238. Но для водорода сделали исключения и все три его возможных изотопа имеют свои имена, протий – одинокий протон, дейтерий – протон + нейтрон, и тритий – протон + два нейтрона.

О том сколько и каких изотопов на нашей земле, мы можем примерно узнать из таблицы Менделеева, достаточно посмотреть на относительную атомную массу, которая написана рядышком с каждым элементом

Для водорода это 1,00794. Атомная масса чистого протона + электрон немного меньше. Разница получается от того, что в природе есть изотопы. Взяли миллион атомов взвесили их, но не в килограммах, а в относительных атомных массах, которая равна кстати 1/12 массы изотопа углерода С12, а потом результат разделили на миллион и получили 1,00794. Другими словами, это число сумма масс изотопов, умноженных на их процентное содержание на земле.

Теперь подробней об атомах. Электроны крутятся вокруг ядра, но не где захотят, а только на особых орбитах, которые называются энергетические орбитали. И вот здесь начинается самое интересное. Орбитали представляют собой концентрические сферы, т.е одна внутри другой, как матрёшки, а внутри есть ещё такая штука как подуровень. И у каждого подуровня есть максимальное количество атомов, которые он может уместить внутри, также есть определённые правила заполнения. Если атом имеет полностью завершённую внешнюю орбиталь, то он – совершенный. Ему вообще ничего не нужно, он и сам по себе крутой. Он вообще не будет участвовать в химических реакциях (ну или делает это крайне неохотно). В химии такие атомы называют – благородными, или инертными. Это, например гелий, неон аргон.

Остальным атомам, которые имеют незавершённые подуровни энергетических орбиталей, тоже хочется совершенства, и они начинают взаимодействовать друг с другом. Самый простой пример может нам показать атом тот же атом водорода, у которого вокруг ядра болтается одинокий электрон. Его внешняя энергетическая орбиталь может вместить два, а потому он несовершенен. И он ходит вокруг, ищет такого же бедолагу, с которым можно задружится. При встрече с другим атомом водорода, они соединяются. Их электроны теперь не принадлежат одному, а одновременно обоим атомам, и вроде теперь на энергетической орбитали каждого из них по два электрона. Они теперь счастливы. Они теперь не атомы, вместе они стали молекулой. Это молекула довольно гармонична и каждый атом участник обладает одинаковыми правами, потому что тянет к себе электрон с одинаковой силой. Такая связь атомов называется ковалентная неполярная.

Немного более сложный пример с атомом кислорода и водорода. Кислород имеет полностью заполненную внутреннюю орбиталь два из двух электронов, и не до конца заполненную внешнюю, шесть из восьми электронов. Чтобы стать полностью совершенным, ему либо нужно отобрать у кого-нибудь два электрона, либо раздать 6. Представьте если бы у нас издали указ, о том что квартиры дают тем семьям у кого либо два ребёнка либо 10. А у вас их 8, конечно проще взять ещё двух чем раздать своих шестерых. Поэтому атом кислорода начинает искать атомы водорода с одним ребёнком, и понятно, что ему нужно два таких атома. Втроём они образуют такую шведскую семью, в которой 10 детей - электронов. И снова три атома образуют новую молекулу, новое вещество, вы его конечно узнали — это вода. Теперь атом кислорода имеет 8 электронов на внешней орбитали, а каждый из атомов водорода по два. В этой молекуле не всё так радужно как в первом примере, дело в том что кислород гораздо сильнее тянет к себе электроны. Он такая яжмать, которая собирает электроны вокруг себя, а атомы водорода, приходят к ним только на выходные. Этот вид связи называется ковалентная полярная.

Я немного слукавил, говоря о том, что кислороду нужно раздать 6 электронов, я не упомянул о подуровнях. У него есть возможность отдать только два электрона чтобы получить завершённость подуровней. Но таких профитов как при полностью завершённой внешней орбитали он не получит, поэтому делает так крайне неохотно.

Ещё более жестокий пример, когда атому не хватает всего одного электрона на внешней орбитали и он хочет принять этот электрон очень сильно, а другой так же сильно хочет его отдать. В этом случае мы получаем ситуацию, когда один атом совсем отбирает электрон у другого, и два этих атома держатся друг около друга за счёт электромагнитных сил. В этом случае говорят о ионной связи. Самый яркий пример такой связи — это молекула обычной соли NaCl.

В целом желание атомов завершить свою орбиталь и образует всё многообразие химических реакций, дальше частности.

Не путайте химические реакции с реакциями синтеза или распада, при которых получаются не новые химические вещества, а новые элементы таблицы Менделеева. Об этом я обязательно расскажу ка нибудь в другой раз.