Компьютерра, 2007 № 14 (682) - [7]

Наконец, в обсуждаемых статьях есть просто интересные факты. Знаете, что изображено на картинке? Весы, на которых в начале XVII века первый исследователь метаболизма Санторио Санторио взвешивал себя до и после еды, сна, работы, секса, голодовки, лишения питья и справления естественных надобностей. Так ему удалось установить, что бо,льшая часть потери нашего веса связана с perspiratio insensibilis — неощущаемым испарением. ДШ

Молекулярные кукловоды

Исследователи университета штата Иллинойс предложили новый способ управления веществом на молекулярном уровне и направления химических реакций по требуемому пути. Новый метод, заключающийся в механическом воздействии на отдельные молекулы, способен привести к получению продуктов, которые не образуются в обычных условиях. «Это принципиально новый подход к химии. Используя механическую энергию, мы можем толкнуть отдельные связи в молекуле, направив химический процесс в нужную сторону», — говорит один из участников исследовательской группы Джеффри Мур (Jeffrey Moore).

Для демонстрации метода ученые поместили одну молекулу в центр полимерной цепи, находящейся в растворе. Затем при помощи ультразвука в растворе порождалась кавитация, а схлопывание кавитационных пузырьков вызывало растяжение полимерной цепи, которая, в свою очередь, механически тянула центральную молекулу в разные стороны. Если реакция может идти по двум путям примерно с одинаковой вероятностью, то таким способом можно склонить ее следовать только по одному из них.

Этот подход может найти применение в создании новых самовосстанавливающихся полимерных материалов, в которых часть молекул находится в напряженном состоянии. В случае разрушения материала эти молекулы «распрямляются» и «дергают» молекулы сшивающего агента, входящего в состав материала. Выделяющейся механической энергии «распрямления» должно хватить на инициирование реакции поперечной сшивки макромолекул, заращивающих трещину.

Не умаляя оригинальности методики, следует отметить, что на молекулярном уровне все «тяни-толкательные» процессы сводятся к классическим для химии электростатическим и магнитным взаимодействиям. Поэтому говорить о механическом воздействии на молекулу с помощью другой молекулы можно лишь очень условно. ЕГ

И вычисления относительны?

К неожиданным выводам пришел молодой физик-вычислитель Жан-Люк Вэй (Jean-Luc Vay) из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли. Он обнаружил, что предсказанные специальной теорией относительности Эйнштейна релятивистские эффекты могут существенно влиять на эффективность компьютерных расчетов.

При компьютерном моделировании различных физических процессов в пространстве и времени необходимо задать дискретную расчетную сетку или еще как-то разбить систему на множество небольших взаимодействующих частей. При этом шаг сетки должен быть достаточно мелким, чтобы описать все детали происходящего, существенные для понимания физики дела. Для задания расчетной сетки нужно выбрать систему отсчета. А поскольку теория относительности учит, что физические законы не зависят от системы отсчета, ее выбор до сих пор считался скорее вопросом удобства, который не мог принципиально влиять на длительность вычислений.

Однако при моделировании объектов, которые движутся друг относительно друга со скоростями, близкими к скорости света, это оказалось совсем не так. Такая ситуация типична при расчете лазеров на свободных электронах, плазменных ускорителей, взаимодействия быстрых частиц с веществом и в ряде других задач. Как известно, движущиеся прямолинейно и равномерно системы отсчета связаны преобразованием Лоренца. А оно предсказывает сокращение длин и замедление времени в движущейся системе отсчета. Соответственно изменяется и шаг сетки. Вэй показал, что в каждой задаче имеется оптимальная система отсчета, в которой можно обойтись более грубой сеткой и заметно сократить время расчетов. Например, при моделировании пролета быстрого протонного пучка сквозь электронное облако в оптимальной системе отсчета требуется в тысячу раз меньше шагов по сравнению с вроде бы естественной системой отсчета, связанной с электронным облаком. Это сокращает время прогона типичной задачи с одной недели до получаса. Другие задачи могут просчитаться и вовсе в миллион раз быстрее.

Работа Вэя, которая недавно опубликована в журнале Physical Review Letters, произвела неизгладимое впечатление на специалистов. Все удивляются, почему за столетнюю историю теории относительности и полвека активного использования компьютеров никому не пришло в голову изучить, как релятивистские эффекты могут повлиять на вычисления. А то, что это влияние существенно, ясно уже из старого парадокса близнецов. Очевидно, что отправившийся в путешествие к далеким звездам и вернувшийся более молодым близнец, если он возьмет с собой обычный компьютер, успеет посчитать на нем меньше, чем его постаревший брат-домосед с точно таким же неподвижным компьютером.

Будем надеяться, что пионерская работа Вэя ускорит прогресс в этой области. Быть может, релятивистские эффекты удастся использовать не только при моделировании быстрых физических процессов. Сейчас трудно даже представить, к каким последствиям могут привести эти исследования, по крайне мере в принципе способные повлиять как на решение абстрактных проблем, вроде информационных парадоксов черных дыр, так и на конструкцию фотонных компьютеров будущего. ГА