Научни новини: Астероиди, квантова математика, говорещи мишки и малко Марс

Коледа 2032 – възможна?

След откриването му в края на миналата година астероидът 2024 YR₄ предизвика сериозно вълнение поради траекторията си, която ще го преведе изключително близо до Земята през декември 2032-ра. Астероидът беше забелязан след преминаването му на около две лунни разстояния от планетата ни и отдалечаването му от нея. Той е голям – с диаметър между 40 и 90 метра, което би направило удара му сравним с този на Тунгуския метеорит, а според наличната информация за пътя му потенциално биха били застрашени части от Северна Южна Америка, Централна Африка и Южна Азия. Въпреки че сблъсъкът не е заплаха за цялото човечество, последиците биха били изключително тежки, ако стане в гъстонаселен регион.

В края на миналия месец IAWN (международната група за предупреждение за астероидна опасност) пое координацията на наблюдението на астероида, както се прави за обекти с размер над 10 метра при вероятност за сблъсък над 1%. Европейската космическа агенция (ЕКА) изрази готовност да изготви и план за мисия, ако размерът и траекторията на обекта се потвърдят през пролетта. Тъй като в момента пътят му е в почти права линия, отдалечаваща се от Земята, наблюденията от наземни телескопи са трудни и се очаква да са невъзможни след април. След като в средата на месеца рискът надвиши 2%, беше взето решение проследяването на астероида да продължи с помощта на телескопа „Джеймс Уеб“.

За разлика от досегашните измервания, които се базират на видима светлина, космическата обсерватория ще използва уредите си за наблюдение в инфрачервения спектър, за да се следи топлината, отдавана от астероида. Така измерванията ще бъдат по-точни, защото може да се окаже, че само част от обекта отразява видима светлина и всъщност той е по-голям от предполагаемото. Обсерваторията ще даде възможност и за по-дълго наблюдение на 2024 YR₄ поради позицията си в Космоса.

Последните няколко дни бяха доста динамични – на 19 февруари вероятността за сблъсък беше повишена до 2,7%, но бързо след това падна под 1%, мина през 0,15% и спадна до 0,002%. Има известна вероятност за удар върху Луната, но това не е притеснително, тъй като ефектът върху спътника ни ще е пренебрежимо малък. Затова NASA и ЕКА не коментират риска от подобен сблъсък. Към момента изглежда, че зимните празници през 2032 г. няма да бъдат отменени, или поне не заради този астероид.

Очаквано, ситуацията с 2024 YR₄ бе пречупена през призмата на международното положение. Предвид случващото се в САЩ след началото на втория мандат на Доналд Тръмп, отклоняването на астероида до известна степен беше поставено под въпрос, тъй като към момента NASA е единствената космическа агенция с опит в подобни мисии, а изстрелването на сондата DART от SpaceX добави допълнителни неясноти. Друго притеснение беше, че ако през 2028 г. се установи, че астероидът представлява заплаха, няма да има достатъчно време за реакция. Обикновено проектирането на космически апарати, тяхната траектория и профила на мисията като цяло отнема много повече време.

Последният астероид, който предизвика сходни притеснения, беше Апофис в началото на хилядолетието. За последните 20 години 2024 YR₄ е първият обект, достигнал степен 3 на торинската скала, по която се определя опасността от удар от космически обект. Като при всеки друг подобен случай успокоението е, че в космически мащаби подобни сблъсъци са изключително редки. Все пак това е удобен момент да се оцени доколко сме подготвени за реална ситуация, и да се инвестира в повече мисии за изследването на астероиди. В момента ЕКА има две. Едната се осъществява от апарата „Хера“, който след около месец ще достигне астероида, ударен от DART. Другата мисия е на апарата „Рамзес“, който потенциално ще бъде изстрелян през 2028 г. към астероида Апофис.

Квантова математика чрез телепортация

Квантовите компютри са в основата на една от очакваните революции в информационните технологии. Те няма да предоставят нещо напълно ново, но ще позволят изпълнението на математически операции почти мигновено, което може да бъде от изключителна полза за някои приложения, като извършване на симулации и криптографски анализ.

За разлика от конвенционалните компютри, където информацията се съхранява в битове (0 или 1), при квантовите се използва понятието кюбит. В нормалното си състояние той се намира в квантова суперпозиция – едновременно 0 и 1 – и чак при прочитането му преминава в една от двете стойности. Прехвърлянето на стойност от един към друг кюбит се извършва с помощта на квантова телепортация. Това звучи абсолютно научнофантастично, но е добре изучен процес, който, общо взето, е рутинен за учените, работещи в полето на квантовите изчисления. След като състоянието на един кюбит бъде прочетено, то може да бъде прехвърлено към друг, класически комуникационен канал – най-често оптични кабели, тъй като скоростта на трансфер в тях е много висока.

В края на миналата година беше постигнат сериозен напредък в прехвърлянето на квантова информация – възможността за използване на вече съществуващи информационни трасета. За разлика от конвенционалния интернет трафик, състоящ се от милиони фотони, квантовата информация се пренася само от един, в който е „записано“ квантовото състояние на изходния кюбит. Това означава, че при смесване на двата вида потоци е почти гарантирано, че квантовият ще се загуби.

За справяне с този проблем учените първо се концентрират върху обикновения поток от информация, наблюдавайки разпръскването му в оптичните влакна. Така те успяват да намерят дължина на вълната, при която пътят на фотоните, носещи квантовата информация, няма да се пресича с останалия светлинен поток. За премахване на шума от широкоспектърната светлина на интернет трафика те използват специални филтри и алгоритми.

Създадената тестова установка с дължина 30 км потвърждава хипотезата – дори при пропускане на високоскоростен интернет трафик по трасето квантовата информация се предава надеждно. Това означава, че когато технологията на квантовите изчисления се развие достатъчно, ще могат да се използват вече съществуващите оптични кабели, които пренасят интернет трафика в момента, без да има смущения в двете системи.

Този успех, макар и важен за бъдещото развитие на технологията, не помага за решаването на по-важен проблем – за извършването на сложни изчисления са нужни много кюбити. А към момента „квантовите чипове“ с уловени йони са с максимален капацитет 32 кюбита. Това налага свързването на множество такива процесори един с друг, подобно на конвенционалните изчислителни машини. Използването на квантова телепортация е възможно – част от изчисленията могат да се извършат на един процесор, след което да се прехвърлят на друг. Но това не променя нуждата от много процесори.

На помощ идват интересните правила на квантовата физика, които понякога са абсолютно неинтуитивни. При телепортацията на състоянието на един кюбит, освен простото му препредаване, е възможно да се извършват и математически операции. Така, поне на теория, като се извършва поредица от телепортации, може да бъде изпълнен всеки квантов алгоритъм без нуждата от много кюбити и съответно процесори.

Това вече има и практическо потвърждение, след като екип от Оксфорд успешно прехвърли такъв алгоритъм с два кюбита на разстояние от два метра. Това може да изглежда малко, но в случая е без значение, защото по-важната част е самата математическа операция. Алгоритъмът може да бъде използван за най-различни операции върху два кюбита, което потвърждава широкото приложение на подхода. Точността за момента не е задоволителна (най-високата постигната е 86%), но според авторите това може да се дължи на използваните процесори. Грешките са установени основно при извършване на локални операции, а не при телепортацията на алгоритъма.

Поради това учените изказват хипотезата, че ако се работи с по-висок клас хардуер, при който има повече от два кюбита, може да се направи корекция на тези грешки и точността да се повиши значително. Допълнително предимство на разработката е, че подходът може да бъде приложен при всички налични варианти на квантови процесори, а не е ограничен само за тези с уловени йони.

Към момента е трудно да се определи колко важни ще се окажат тези разработки за бъдещото развитие на квантовите компютри, но и двете имат потенциал да изиграят ключова роля. Най-сложният момент – точността на операциите, тепърва ще се подобрява с подобряването и на хардуера. Точността вече е значително по-висока в сравнение с първите версии на квантовите процесори и най-вероятно предстои да расте. Практическото приложение на този тип компютри все още изглежда далеч, но е много обещаващо и има потенциал да промени редица ИТ области.

Бъбриви мишки по следите на речта

Човекът не е единственият биологичен вид, използващ система от звуци за комуникация – редица бозайници използват свой „език“. Но при хората вокализациите са много по-сложни, с най-различни звуци и интонации, които ни дават възможност да общуваме на много високо ниво. Въпросите кога и как се е повила речта, нямат ясни отговори. От анатомична гледна точка близките ни неандерталски родственици имат всичко нужно, но към момента се предполага, че участъците в мозъка, които дават възможност за сложна реч, не са били достатъчно развити. Проследяването на нещо ефимерно, като възникването на езика, е още по-сложно от търсенето на меки тъкани във фосили, но генетиката отново може да бъде от помощ.

Един от начините за откриване на нови еволюционни придобивки е сравняването на геномите на видовете, притежавани и от техните предшественици. Такъв набор от гени е наличен и за съвременния човек на фона на неандерталците и денисовците – нашите най-близки исторически родственици. Разглеждайки конкретна част от тези гени, която има връзка с процеси, протичащи в мозъка, група изследователи попада на гена NOVA1, чийто протеин се синтезира в невроните. Той има способността да се свързва с РНК и взема участие в развитието на мозъка и на финия мускулен контрол, които са тясно свързани с речта.

Генът е много сходен при повечето гръбначни – от бозайници до птици, поради което експериментите с мишки позволяват на учените да надникнат по-дълбоко в начина му на действие. При проследяване на точното място на експресия в мозъка на мишките се оказва, че той е особено активен в областта, отговорна за издаване на звуци, и се свързва с РНК на гени, асоциирани с вокализациите.

Още по-интересни резултати се наблюдават при вмъкване на човешката версия на гена в мишки – мъжките започват да използват нови и по-сложни звуци за комуникация с женските. Според учените това е предпоставка такива самци да са по-желани и така тази версия на гена да бъде подложена на положителна селекция. Промяна има и в начина, по който бебетата общуват с майките си. Това кара изследователите да изкажат хипотезата, че NOVA1 има ключово участие в развитието на сложна реч при Homo sapiens.

Ентусиазмът от откритието е разбираем, но все пак трябва да се отнесем и критично, с поглед към миналото. Сходно вълнение преминава през научните среди преди повече от 20 години – открит през 1998 г. в английско семейство с говорни проблеми, FOXP2 бързо бива определен като „генът на речта“. Учените виждат подкрепа за това и във факта, че той се открива в много гръбначни видове и играе важна роля в мимикрията при птиците и ехолокацията при прилепите. В хипотезата се появяват пробойни, след като през годините се установява, че този ген е изключително добре запазен във всички бозайници и разликите понякога са само в една или две аминокиселини. С времето е проучен много добре и вече е ясно, че той не е еднолично отговорен за възникването на речта.

Както се вижда, NOVA1 и вълнението от откритията за него са изключително близки до FOXP2, поради което е напълно възможно с времето емоциите, свързани с него, да улегнат. Като имаме предвид колко сложна система е нашият организъм, особено частите, отговорни за процесите, които протичат в мозъка, най-вероятно ще се окаже, че двата гена са част от мрежа, която, след като е била организирана в някой наш праотец, му е позволила да издава по-различни звуци. А с времето и разпространението ѝ в популацията е дала възможност за възникване на речта такава, каквато я познаваме в момента.

За съжаление, биологията е наука, при която лесните отговори обикновено не са правилните и всяко правило има редица изключения. Все пак откритието не трябва да се пренебрегва, тъй като може да се окаже важно за диагностиката и лечението на заболявания, свързани с развитието на по-сложните системи в мозъка.

Червеният Марс

Цветът на Марс е едно от характерните неща в Слънчевата система – неслучайно е известен като Червената планета. Това се дължи на минерали в праха на повърхността му, които съдържат железни оксиди. Окислението на желязото е процес, добре познат на всички като ръждясване. Железните оксиди са разнообразна група, а точната разновидност зависи от начина им на образуване, което в случая с Марс може да даде информация за историята на климата на планетата.

Ново изследване показва, че е много вероятно червеният цвят да се дължи на ферихидрит, образуван през влажен период, когато по повърхността на планетата е имало достъпна вода. Наложилата се към момента хипотеза беше, че основният оксид е безводен хематит, образуван сравнително скоро в по-сухи условия. За състава на материала, покриващ планетата, има много данни, получени както от орбитални апарати, така и от някои от марсоходите. Но въпреки това определянето на преобладаващия вид железен оксид е трудно. Донякъде това е следствие от изключително малкия размер на частиците заради ерозионните процеси на планетата.

За установяване на състава на праха, покриващ Марс, учените използват интересен експериментален подход. Първо са обобщени всички налични данни, получени през годините. След това в лабораторни условия те започват да изпитват различни „рецепти“ за марсиански реголит, като смесват различните минерални съставки, които после смилат на изключително фин прах. Накрая различните видове лабораторен реголит се анализират по спектрометричните методи, приложени от космическите апарати.

Оказва се, че най-близко до реалните измервания е смес от базалт и ферихидрит. Според учените това съвпада със сегашните климатични модели, които показват преходи между по-топли и по-студени сухи периоди. Преди около 3 млрд. години е имало засилена вулканична активност, съчетана с наличие на течна вода или лед – условия, много подходящи за формирането на ферихидрит. Аморфната структура на минерала сочи, че това е бил сравнително кратък период и скоро след него климатът на Марс се е променил към този, който познаваме – изключително сух, със засилени ерозионни процеси. Именно това запазва ферихидрита от разграждане и му позволява да се разсее по цялата повърхност на планетата.

Смяната на хипотезата не променя възприятието ни за Марс. Освен ако – както в епоса на Ким Стенли Робинсън за тераформирането му – не се намесим драстично, той ще си остане Червената планета. Но новите данни помагат за вникване в историята на климата му и в това дали на него е имало условия за живот. Очакваните мисии за връщане на материал от планетата ще дадат още по-точна информация за състава на марсианския реголит и неговото минало.