Войти в систему
Войти с помощью соц. сетей:
В этом разделе я приведу критический разбор двух новостей по физике. Это тексты разного уровня и содержат они недочеты разного плана, от критических искажений сути исследования до использования громоздкого языка. Поскольку анализ будет подробным, в отдельных случаях мне придется объяснять и суть явлений. Поэтому будьте готовы к тому, что сам этот раздел будет порой напоминать научно-популярный текст, а не один лишь критический разбор чужих новостей.
Приведем полный текст новости:
Подтверждено существование излучения Хокинга
Ученые Университета Уотерлу в Канаде получили первое подтверждение существования излучения Хокинга у черных дыр. Анализ гравитационных волн показал, что молодые черные дыры окружены квантовым «пухом» из виртуальных частиц, которые создают гравитационно-волновое эхо. Об этом сообщается в пресс-релизе на Phys.org.
Исследователи проанализировали данные о наблюдении коллаборацией LIGO гравитационных волн, возникших при слиянии нейтронных звезд. Это событие известно как GW170817, и считается, что в результате могла возникнуть черная дыра. Ученые обнаружили отголоски гравитационных волн, которые, согласно гипотезе, отразились от слоя, создаваемого у горизонта событий виртуальными частицами и отвечающего за излучение Хокинга.
Существует небольшая вероятность того, что наблюдаемые отголоски все же являются результатом шума в детекторах. Однако ученые полагают, что в будущем другие группы исследователей получат надежные подтверждения существования сигналов. Это станет первым прямым доказательством наличия квантовой структуры у пространства-времени.
Излучение Хокинга представляет собой поток частиц, порождаемый вблизи горизонта событий черной дыры. Приливные силы, порождаемые гравитационным полем, способствуют превращению квантовых флуктуаций (виртуальных частиц) в пары частица — античастица. Одна из этих частиц, обладающая с точки зрения внешнего наблюдателя «отрицательной энергией», падает за горизонт событий, благодаря чему другая частица оказывается способной покинуть гравитационное поле. Закон сохранения энергии требует, чтобы при этом масса черной дыры уменьшилась, то есть происходит ее испарение.
Заголовок этой новости и первая строчка лида — прекрасная иллюстрация к главе про сенсационность. Любознательный неспециалист тут воскликнет: «Ого, наконец-то открыли, круто!» У специалиста-физика будет совершенно иная реакция: «Ну, это, наверное, очередной гидродинамический аналог черной дыры, неинтересно. Постойте, тут что, пишут про реальные черные дыры? Что за бред?! Как они в принципе могли обнаружить излучение Хокинга от настоящей черной дыры?» И такая реакция вполне оправданна: ведь излучение Хокинга от астрофизических черных дыр звездных масс настолько длинноволновое, настолько слабое, что даже теоретически никакими современными приборами его не поймать (и уж, разумеется, реликтовое излучение, заполняющее всю Вселенную, перебьет это хокинговское излучение). Чисто гипотетически хокинговское излучение можно было бы увидеть от реликтовой черной дыры с массой астероида, да и то не слишком далекой от нас. Но если бы это реально произошло, то сообщение звучало бы иначе: это было бы, прежде всего, открытие нового типа объектов, а не просто подтверждение явления. А тут утверждается, что открыто (хорошо — «подтверждено существование», что передает все ту же окончательную завершенность) излучение именно от черной дыры звездных масс, причем, как выясняется дальше по тексту, из далекой галактики.
Проверим, что утверждалось в исходной научной статье на самом деле. Ссылки на нее в новости нет, но можно найти заметку на сайте Phys.org, откуда авторы новости и почерпнули информацию. Там заголовок витиеват и куда менее однозначен:
Gravitational wave echoes may confirm Stephen Hawking's hypothesis of quantum black holes
Понятнее не становится, но, по крайней мере, тут уже никто не говорит, что излучение Хокинга открыто. Внизу новости находим ссылку на исходную статью, а по заголовку — и ссылку на ее препринт в архиве. Заодно проверяем по ссылкам со страницы в архиве на библиографические службы NASA ADS или INSPIRE HEP, что статья была процитирована 32 раза за неполные два года и все эти ссылки корректные. Иными словами, статья была замечена и довольно активно обсуждалась научным сообществом. Это явно не маргинальное исследование, что, с одной стороны, успокаивает, но, с другой стороны, вызывает еще большее недоумение: о чем тогда новостная заметка?
Далее смотрим на заголовок научной статьи
Echoes from the Abyss: A highly spinning black hole remnant for the binary neutron star merger GW170817
и не видим здесь излучения Хокинга. Открываем полный текст, ищем «Hawking» и находим лишь два упоминания: температура Хокинга в середине технического анализа и посвящение памяти Стивена Хокинга в конце. Ищем слово «radiation» и не находим его вообще. Проглядываем снова статью пару раз и наконец-то понимаем, что она посвящена некоему эффекту при излучении гравитационных волн, а вовсе не излучению Хокинга.
Промежуточный вывод: в исходной научной статье хокинговское излучение не только не открыто, но и вообще не упоминается. Утверждения в заголовке и лиде новости неверны.
Окей, заголовок плохой, но, может быть, по ходу чтения новости станет понятнее, что на самом деле было сделано. Но уже при чтении лида у въедливого читателя возникает когнитивный диссонанс. Первое предложение: получено подтверждение излучения Хокинга. Второе предложение: виртуальные частицы вокруг черных дыр создают гравитационно-волновое эхо, что и было обнаружено при анализе гравитационно-волнового излучения. Эти два предложения даны одно за другим, так, словно второе полнее раскрывает первое. Но лично я такой связи между ними не вижу — ведь они просто про разные явления! Эти два предложения — яркий пример плохой работы с источником. Так происходит, когда автор второпях переводит некоторые утверждения из англоязычной заметки, совершенно не отслеживая, как они сочетаются, действительно ли они логически связаны друг с другом, составляют ли они вместе цельное, разумное, понятное читателю объяснение явления.
Даже взятая целиком, эта заметка все равно представляет собой просто вереницу отдельных, плохо сочетающихся между собой по смыслу предложений. Текст выглядит связным, но эта связность поверхностная, не смысловая. Заметка так ничего и не объясняет, а лишь все запутывает. Лично я, будучи специалистом-физиком из смежной области, так и не смог на основании одной этой новости понять, что, собственно, было сделано.
Заключительный абзац — дань «перевернутой пирамиде», когда контекст приводится лишь в конце новости. Тут, правда, есть дополнительный смак. Во-первых, сама научная статья была вовсе не про излучение Хокинга. Во-вторых, приведенное здесь объяснение, которое широко распространено в научно-популярной литературе, неверно. Да, я знаю, что примерно такую визуализацию предложил в свое время и сам Хокинг. Но с тех пор многие авторы популярных и не очень заметок обращали внимание, что оно совершенно не совпадает с тем, как ученые сами описывают этот процесс. В результате это объяснение создает у читателя абсолютно неправильный образ явления. За подробностями отсылаю к своей новости про открытие аналога излучения Хокинга в холодном облачке газа.
А все же, про что была исходная научная статья? Можно ли было по ней написать качественную научно-популярную новость и как бы она выглядела? Я не специалист в теориях гравитации, но, полистав исходную статью и другие работы тех же авторов, составил для себя некоторую картину этой ситуации. Вкратце опишу ее.
Заявление авторов статьи можно расщепить на два утверждения. Во-первых, самостоятельно проанализировав гравитационно-волновой всплеск от слияния нейтронных звезд — тот самый, который был пойман детекторами LIGO и Virgo в 2017 году и от которого затем пришел и электромагнитный сигнал по всему спектру, — авторы обнаружили дополнительный короткий и слабенький всплеск, пришедший через одну секунду после завершения основного. По их мнению, это реальный сигнал от гравитационно-волнового эха, той порции гравитационных волн, которая задержалась в окрестности формирующейся черной дыры.
Повторю: заявление о регистрации эха — на совести авторов статьи. Сами научные коллективы LIGO и Virgo это заявление не подтверждают. Более того, они критикуют авторов работы за не вполне корректный анализ открытых данных — но здесь история быстро сворачивает в дебри технического анализа и обмена краткими статьями-комментариями. Так или иначе, на сегодняшний день консенсус среди специалистов в этой области физики таков: гравитационно-волновое эхо пока достоверно не зарегистрировано.
К тому же оно и не ожидается в рамках старой доброй классической общей теории относительности. Оно может возникать либо при дополнительных предположениях о том, как формируется и что собой представляет горизонт, а также внутренность черной дыры, либо в еще более экзотических ситуациях, когда черная дыра «экипирована» дополнительными гипотетическими полями. У авторов работы есть излюбленная теоретическая модель, в которой эхо возникает из-за квантовых эффектов; они изменяют структуру внутренности черной дыры и приводят к частичному отражению падающего вовнутрь гравитационно-волнового излучения. Это и есть вторая часть заявлений авторов, и вот уже она имеет некоторое отношение к механизму излучения Хокинга.
Так вот, эти два утверждения — совершенно разного уровня. Одно касается реальных наблюдений, а другое — теоретических предположений. Если авторы в самом деле нашли настоящее гравитационно-волновое эхо (что прояснится через несколько лет, когда статистика слияний многократно вырастет) — это станет огромным шагом вперед в физике черных дыр. Авторам в этом случае достанется слава и почет — причем независимо от того, верна их теоретическая модель или нет. Но пока что подавляющее большинство других специалистов относится к этим заявлениям очень сдержанно.
В целом эта история могла бы стать любопытным сюжетом для научно-популярной новости. В ее фокусе должна быть научная полемика вокруг заявления о регистрации эха: несколько статьей авторов за последние годы, увеличивающаяся статистическая значимость, критика со стороны экспериментаторов и прочие разногласия. Предваряться это может описанием того, как вообще возникает гравитационно-волновое эхо, а конец у новости вообще оставаться открытым, ведь исследования продолжаются, ситуация эволюционирует. Вот именно с такими акцентами эта новость имела шанс стать качественным научпопом — но расставить их мог либо узкий специалист, либо очень хорошо разобравшийся в этой теме физик. Лично я о ней писать не взялся бы.
То, что вышло у журналиста, к сожалению, даже близко не отражает реальную ситуацию. Это просто россыпь фраз, слабо связанных логически. Говорить о точности объяснений, об адекватности упрощения тут не приходится. Текст в нынешнем виде вряд ли можно значительно улучшить.
Вторая новость — совсем другого уровня, но и в ней многое можно улучшить. Для удобства анализа я приведу ее полностью и пронумерую абзацы.
Антиматерия не отличилась от материи взаимодействием с квантовыми флуктуациями
[1] Физики измерили тонкое расщепление и лэмбовский сдвиг энергетических состояний атома антиводорода — они оказались такими же, что и у обычного водорода. Данные характеристики состояний позволяют искать различия между материей и антиматерией. Новые измерения устанавливают еще более строгие ограничения на нарушение CPT-симметрии, поэтому отсутствие антиматерии во Вселенной по-прежнему остается без объяснения, пишут авторы в журнале Nature.
[2] У всех элементарных частиц существуют частицы-партнеры с обратными знаками зарядов — античастицы. В некоторых случаях частица и античастица совпадают (например, фотон), а в других — отличаются (например, электрон и позитрон), а при взаимодействии аннигилируют с выделением энергии. Большинство физических законов действуют идентично на частицы и античастицы, однако на больших масштабах нет никаких признаков сосуществования двух видов материи. Факт столь значительного преобладания обычного вещества называется барионной асимметрией Вселенной. На данный момент не предложено исчерпывающей теории, объясняющей это наблюдение.
[3] Одно из направлений исследований в этой сфере — поиск нарушения комбинированной CPT-симметрии, то есть эквивалентности физических процессов при одновременной инверсии всех зарядов, зеркального отражения пространства и обращения хода времени. Теоретически нарушение этой симметрии во время Большого взрыва может быть ответственным за нехватку антиматерии.
[4] На нарушение CPT-симметрии могут указать как исследования отдельных частиц, таких как нейтральные каоны, позитроны и антипротоны (во всех случаях отклонения найти не удалось), так и сравнение материи с антиматерией. Для этого ученые исследуют электромагнитные спектры соответствующих веществ. С одной стороны, определяющие спектр энергии состояний зависят от множества факторов, а с другой — в случае простейших систем их можно с высокой точностью рассчитать теоретически. Также из-за практических проблем с содержанием антиматерии намного легче изучать простые системы.
[5] Джеффри Хангст (Jeffrey Hangst) из Орхусского университета в Дании и его коллеги из CERN в рамках эксперимента ALPHA измерили новую характеристику спектра, состоящего из антипротона и позитрона антиводорода, — лэмбовский сдвиг. Этот феномен отвечает за небольшое смещение энергетических уровней из-за взаимодействия с нулевыми квантовыми флуктуациями вакуума. Данный эффект известен для обычного водорода, он может быть как измерен, так и теоретически вычислен. Оказалось, что в пределах погрешности у антиводорода лэмбовский сдвиг по величине не отличается.
[6] Позитроны в антиатомах, так же как и электроны в атомах, могут находиться только в состояниях с определенной энергией. Переход из состояния с более высокой энергией сопровождается испусканием фотона. Следовательно, спектр такой системы, то есть совокупность порождаемых ею фотонов, определяется различными уровнями энергий.
[7] В первом приближении энергии состояний можно вычислить из модели Бора, однако в действительности на них также оказывает воздействие множество дополнительных явлений, значительно усложняющих картину, из-за чего возникает тонкая и сверхтонкая структура уровней. Одним из них является лэмбовский сдвиг, из-за «классического» варианта которого смещаются энергии уровней 2S1/2 и 2P1/2.
[8] Основной вклад в лэмбовский сдвиг дает взаимодействие с квантовыми флуктуациями электромагнитного вакуума, то есть виртуальными фотонами, постоянно возникающими и исчезающими даже в отсутствии частиц и полей. Также величина данного сдвига зависит от ряда второстепенных факторов, таких как зарядовый радиус ядра, степень слабого ядерного взаимодействия и, возможно, еще неизвестных причин, отвечающих за барионную асимметрию. Помимо лэмбовского сдвига текущая работа посвящена изменениям, вызванным тонким расщеплением. Из-за этого явления различаются энергии состояний 2P1/2 и 2P3/2.
[9] В рамках эксперимента физики каждые несколько минут смешивали девяносто тысяч замедленных антипротонов с тремя миллионами позитронов. В результате получалось около двадцати антиводородов, которые затем удерживались в магнитной ловушке в сверхвысоком вакууме в течение не менее 60 часов. Лазер переводил антиатом в возбужденное состояние, а после перехода в основное происходила их аннигиляция с обычным водородом, в результате которой возникали заряженные пионы. Зависимость количества пионов с данной энергией от частоты возбуждающего лазера позволила определить спектр антиводорода.
[10] Оказалось, что энергии переходов 1S — 2P1/2 и 1S — 2P3/2 у антиводорода такие же, как и у обычного водорода с точностью восемнадцать миллиардных. Тонкое расщепление между 2P1/2 и 2P3/2 удалось измерить с точностью в полпроцента — оно также совпало с известной для водорода величиной. Вместе с проведенными несколько лет назад измерениями переходов между состояниями 1S и 2S у антиводорода авторам удалось измерить лэмбовский сдвиг — он также не отличается, но точность составляет всего 11 процентов (или 3,3, если при анализе использовать известное значение для обычного водорода).
[11] Более точные измерения спектральных характеристик антиводорода позволяют в будущем исследовать дополнительные параметры, по которым антивещество может отличаться. В частности, если лэмбовский сдвиг удастся определить с точностью в сотые доли процента, то можно будет измерить зарядовый радиус антипротона.
Начну анализ с общих комментариев. Заметка в целом неплохая. Она описывает интересный результат, опубликованный в топовом журнале, причем описывает его, в первом приближении, корректно. Если читатель-новичок раньше вообще не знал, что с атомами антивещества можно проводить спектроскопические измерения, то новость снабдит его первыми базовыми понятиями. Антиатом сложен так же, как и атом; в нем тоже есть уровни энергии, между которыми перепрыгивает позитрон, испуская или поглощая фотоны. Упомянута также общая цель таких исследований: хотя теоретики ожидают, что спектры атомов и антиатомов совпадают, экспериментаторы должны в этом удостовериться на опыте. Если отличие обнаружится, это станет важным, неожиданным открытием, которое, возможно, объяснит, почему во Вселенной вещества намного больше, чем антивещества.
Недостаток этой новости заключается в том, что, несмотря на общий правильный настрой, в ней немало неточностей в деталях и акцентах. Каждая из них некритична, но совокупно они размывают точный смысл текста. Для полного новичка это, может быть, несущественно. Но читатель, слышавший что-то про антиатомы и их свойства и желающий сейчас узнать некоторые подробности, рискует запомнить утверждения в несколько искаженном виде. Специалисту же неточности бросятся в глаза и заставят его думать, что автор знаком с предметом очень поверхностно — более поверхностно, чем ожидаешь от человека, который берется объяснять явление.
Структура новости выстроена неплохо, но в середине текста наблюдается сбой, который мне кажется неудачным. Абзац 1 — лид. Абзацы 2–4 — широкое введение для новичков, от самых общих понятий к конкретной области исследования, спектроскопии антиатомов. Абзацы 6–7 логично развивают тему: описываются уровни энергии и их структура, вводится лэмбовский сдвиг, а в абзаце 8 мы погружаемся в технические подробности этого эффекта.
В это поступательное развитие вклинился абзац 5, который, по сути, представляет собой еще одну версию лида: сжатое, на один абзац, изложение сути работы. Собственно, последняя фраза в абзаце 5 и есть результат, к которому стремились физики. Возможно, это был специальный прием для фокусировки внимания в середине текста, но лично мне такой перескок из широкого контекста к конкретной работе, а затем обратно к развитию контекста, не кажется удачным. Вводные слова про эксперимент ALPHA я бы привел после абзаца 8, ведь дальше, в абзацах 9–10 идут подробности того, что и как измерялось, и приводится результат. Абзац 11 — беглый взгляд в будущее, и он тут полностью уместен.
Теперь перейдем к тексту.
Антиматерия не отличилась от материи взаимодействием с квантовыми флуктуациями
[1] Физики измерили тонкое расщепление и лэмбовский сдвиг энергетических состояний атома антиводорода — они оказались такими же, что и у обычного водорода. Данные характеристики состояний позволяют искать различия между материей и антиматерией. Новые измерения устанавливают еще более строгие ограничения на нарушение CPT-симметрии, поэтому отсутствие антиматерии во Вселенной по-прежнему остается без объяснения, пишут авторы в журнале Nature.
«Антиматерия не отличилась» звучит странновато. Возможно, это намеренная игра слов, но, по-моему, «не отличается» звучит спокойнее. Баланс между конкретикой и понятностью выдержан хорошо. Между прочим, пресс-релиз ЦЕРНа был озаглавлен совсем уж беззубо:
ALPHA collaboration at CERN reports first measurements of certain quantum effects in antimatter
Видно, что авторы думали, думали, но так и не придумали достаточно простую формулировку и ограничились «некоторым квантовым эффектом». Новость у ТАСС-Наука тоже озаглавлена слишком общо:
Физики в очередной раз не нашли различий между материей и антиматерией
К тому же, строго говоря, это утверждение некорректно — ведь различия есть.
Пускаться в другую крайность и озаглавливать новость максимально конкретно в духе «Лэмбовский сдвиг в антиатомах оказался таким же, как в атомах» тоже, наверное, не стоит: значительная часть аудитории скользнет по этой фразе взглядом, зевнет и пойдет дальше. Заголовок «Впервые измерен лэмбовский сдвиг в антиатоме» звучит более завлекательно как для непосвященного читателя, так и для специалиста. Любопытствующей публике нравится все новое, а для специалиста тут есть элемент интриги — окей, измерили, ну так что, совпал с атомом или нет?! Но эти комментарии я привожу не для исправления заголовка, а в качестве альтернативных вариантов.
А вот первая фраза лида определенно нуждается в корректировке. Дело в том, что в этой статье лэмбовский сдвиг не был измерен. Классический лэмбовский сдвиг — это разница энергий между уровнями 2P1/2 и 2S1/2 в свободном невозмущенном атоме водорода. Напрямую здесь была измерена лишь тонкая структура 2P-состояний, то, как все электронные состояния на 2P-орбитали «разошлись» по шкале энергии в сильном внешнем магнитном поле. Мало того, что все измерения проводились в магнитном поле, так и касались они только 2P-состояний. 2S-состояние в этой работе не измерялось вообще.
Величина лэмбовского сдвига здесь была лишь вычислена, причем довольно опосредованно. Во-первых, значение энергии для уровня 2P1/2 при нулевом магнитном поле было получено из этих результатов с помощью теоретических коэффициентов. Во-вторых, положение уровня 2S1/2 было взято из другой, более ранней работы той же группы (автор новости это сам упомянул в абзаце 10). Хотя есть все основания доверять и теоретическим коэффициентам, и более ранним измерениям, будет все же не совсем корректно говорить, что лэмбовский сдвиг был измерен. Я бы переписал лид так:
Коллаборация ALPHA в ЦЕРНе сумела измерить тонкое расщепление энергетических уровней атома антиводорода и благодаря этому впервые определила величину лэмбовского сдвига для антиатома. В пределах погрешностей она совпала со значением для обычного водорода. Таким образом, и в этой фундаментальной характеристике не выявлено различий между материей и антиматерией, пишут авторы в журнале Nature.
Соглашусь, что для новичка разницы между «измерен» и «определен» нет, но она существует для начитанной публики, уже знающей, что вообще такое лэмбовский сдвиг и как проводятся спектроскопические измерения. Поэтому, если можно четче сформулировать утверждения, не прибегая к усложнениям, то лучше так и поступить.
Вторая половина лида мне не показалась столь уж необходимой, и я ее удалил. Ниже я поясню, что барионная асимметрия Вселенной вовсе не требует нарушения CPT-симметрии, поэтому настаивать на такой связи прямо в лиде не стоит. Впрочем, это вкусовой момент. Если автор считает полезным дополнительно зацепить внимание читателя нетривиальный связью с космосом — пусть будет. Но категоричность связи точно стоит смягчить, скажем, ограничившись фразой «Отсутствие антиматерии во Вселенной по-прежнему остается без объяснения».
Мелкое замечание к фразе «Данные характеристики состояний…». «Данные» — еще один пример «рефератного» слова, которым лучше не злоупотреблять. Оно звучит неоправданно сухо, от него веет деловым стилем. В моем варианте эта фраза исчезла вовсе: она мне показалась слишком малоинформативной для лида. Но если ее оставлять, то лучше не ограничиваться заменой одного слова, а переписать полностью:
Такие особенности энергетических уровней — еще одна возможность для поиска различий между материей и антиматерией.
Переходим к контексту, абзац 2.
[2] У всех элементарных частиц существуют частицы-партнеры с обратными знаками зарядов — античастицы.
«С противоположными зарядами» было бы точнее.
В некоторых случаях частица и античастица совпадают (например, фотон), а в других — отличаются (например, электрон и позитрон), а при взаимодействии аннигилируют с выделением энергии.
То, что электрон и позитрон не идентичны друг другу, очевидно — ведь у них разные заряды. Уточнение будет уместно лишь для электрически нейтральных частиц: ведь в этом случае неспециалисту с ходу неясно, что такое античастица. Тут я обычно привожу пример нейтрона и антинейтрона, но для этой конкретной новости лучше сразу переходить к антиатомам.
Комментарий про аннигиляцию, конечно, правильный, но он присоединен к предыдущей мысли так, что новичку не совсем понятно, относится он только к электронам и позитронам или к фотонам тоже. Чтобы избежать ненужных сомнений и уточнений про фотоны, лучше сказать про аннигиляцию в отдельном предложении:
Частицы материи, встретившись со своими античастицами, аннигилируют — превращаются в излучение с выделением энергии или даже в набор других, более легких частиц.
Здесь слово «материи» устраняет ненужные вопросы. Обратите внимание на добавку про разные виды аннигиляции. Тут я сам долго думал, насколько это оправданно. С одной стороны, эти первые вводные слова мы пишем для самых-самых новичков, которые ничего толком про антиматерию не знают. Им достаточно дать формулировку аннигиляции в ее простейшем виде, а намекать на более сложные процессы необязательно. Но, с другой стороны, как раз в этой новости дальше по тексту будет напрямую использоваться тот факт, что антиатомы аннигилируют с атомами в несколько пи-мезонов, и именно так эти события регистрируются. Поэтому сказать про такой процесс надо, и логично это сделать в самом начале. Видимо, выбор зависит уже от предпочтений автора и от целевой аудитории.
Продолжая вводный рассказ, не вредно будет сразу же упомянуть и антиатомы:
Но разные античастицы материи, встретившись друг с другом, аннигиляции не испытывают. Скажем, позитрон и антипротон способны образовать антиатом (атом антиводорода), который будет жить сколь угодно долго, пока не столкнется с атомом обычного вещества.
При желании можно даже добавить неформальный стиль для «моральной поддержки» читателя: «…и они будут жить долго и счастливо, пока не столкнутся с атомом обычного вещества».
Большинство физических законов действуют идентично на частицы и античастицы, однако на больших масштабах нет никаких признаков сосуществования двух видов материи. Факт столь значительного преобладания обычного вещества называется барионной асимметрией Вселенной. На данный момент не предложено исчерпывающей теории, объясняющей это наблюдение.
Вот тут начинается опасное смешение важного и не очень, из-за чего мотивация всего исследования предстает в несколько неверном свете.
Начало первой фразы слишком размыто. Действуют не законы, а взаимодействия. Электромагнитное и сильное взаимодействие, а также гравитация действуют одинаково, верно. Слабое — действует по-разному. Это экспериментальный факт, отмеченный Нобелевскими премиями.
Вторая половина первой фразы написана несколько сумбурно. Не в сосуществовании дело, а в количестве: вещества в нашей Вселенной полно, а антивещества в форме звезд, планет, облаков межзвездного газа — нет. Как Вселенная дошла до жизни такой, если в самом начале вещества и антивещества было поровну, — вот в чем загадка.
Так вот, между этими двумя частями фразы связь вовсе не такая уж и прямая, как пытается намекнуть текст. Стандартная модель в принципе способна объяснить само явление, но не его величину. За счет известных эффектов в ранней Вселенной из симметричной ситуации может возникнуть небольшой перевес частиц над античастицами. При остывании Вселенной вся антиматерия проаннигилирует с материей, и ничтожный остаток материи породит звезды и планеты и приведет к полному доминированию вещества над антивеществом в нынешнюю эпоху. Проблема в том, что Стандартная модель предсказывает совершенно мизерный перевес вещества над антивеществом. Если бы все было именно так, в нашей Вселенной осталось бы намного меньше вещества, чем мы наблюдаем.
Именно поэтому нам нужно что-то дополнительное, какое-то новое явление, которое могло бы породить более сильный дисбаланс. Но никто не требует, чтобы это явление обязательно нарушало такой фундаментальный аспект нашего мира, как CPT-симметрия! Достаточно найти новый источник CP-нарушения (в Стандартной модели он есть, но слишком слабый) и возможность для сильного нарушения теплового равновесия — и вуаля, барионную асимметрию Вселенной удастся описать!
Поэтому — мы уже забегаем вперед, — даже если спектры атомов и антиатомов окажутся абсолютно одинаковыми при измерениях с любой точностью, это не помешает нам искать (и, возможно, найти!) объяснение барионной асимметрии Вселенной. Решение этой загадки не требует столь радикальных мер.
На данный момент не предложено исчерпывающей теории, объясняющей это наблюдение.
Тут тоже стоило бы выражаться аккуратнее. Теорий, которые претендуют на описание барионной асимметрии, много. Слово «исчерпывающая» к ним не слишком применимо: они не претендуют на описание всего на свете, они лишь показывают, как можно было бы объяснить асимметрию. Среди них, скорее, нет общепринятой — просто потому, что ни одна из них не имеет четкого экспериментального подтверждения.
[3] Одно из направлений исследований в этой сфере — поиск нарушения комбинированной CPT-симметрии, то есть эквивалентности физических процессов при одновременной инверсии всех зарядов, зеркального отражения пространства и обращения хода времени. Теоретически нарушение этой симметрии во время Большого взрыва может быть ответственным за нехватку антиматерии.
Формально это верно. Если будет обнаружено CPT-нарушение хоть в каком-то явлении, теоретики обязательно попытаются привязать его к барионной асимметрии Вселенной. Но, повторюсь, даже если CPT-нарушения нет, асимметрию все равно можно объяснить. А у читателя в этом месте новости формируется мысль, что эти два явления жестко связаны друг с другом, что одно без другого не может. Это, на мой взгляд, явный перегиб.
Теперь про упоминания CPT-симметрии с явно прописанными преобразованиями. Надо сказать, что все эти преобразования у неспециалиста, как правило, вызывают растерянность. Зачем вообще делать такие странные операции? Кому они нужны? Почему именно такие? Неспециалист подсознательно чувствует, что ему тут с придыханием сообщают о какой-то исключительно важной характеристике микромира, но он никак не уразумеет, в чем же заключается эта важность.
Я считаю, что явное упоминание CPT-симметрии и ее запись через отдельные преобразования тут ничему не помогают. Формулировки довольно сложны, их связь со спектрами неочевидна, дальше в новости они не используются. Зато требуют от начинающих читателей немалых интеллектуальных усилий для того, чтобы продраться сквозь формулировки. Между тем мысль тут довольно простая: CPT-симметрия означает, что интегральные стационарные характеристики частиц и античастиц совпадают. Соотношения между разными вариантами распада нестабильных частиц и их античастиц могут различаться, но их массы и энергии связи должны совпадать.
[4] На нарушение CPT-симметрии могут указать как исследования отдельных частиц, таких как нейтральные каоны, позитроны и антипротоны (во всех случаях отклонения найти не удалось), так и сравнение материи с антиматерией.
Тут противопоставление сформулировано нечетко и может сбить с толку. Электроны и позитроны — они ведь и есть частицы материи и антиматерии. Поэтому изучение позитронов самих по себе, скажем измерение их масс, имеет смысл лишь в сравнении с электронами — вот и сравнение материи с антиматерией. Скорее всего, в последнем утверждении все же имелись в виду атомы и антиатомы, но тогда это надо сформулировать точнее.
Для этого ученые исследуют электромагнитные спектры соответствующих веществ.
Атомов, а не веществ. Молекул антиматерии пока не получено, не говоря о сплошном веществе.
С одной стороны, определяющие спектр энергии состояний зависят от множества факторов…
Неудачно построенная фраза: комбинация «спектр энергии состояний» поставит в тупик даже специалиста. Ему придется перечитывать ее несколько раз, чтобы понять, что речь идет не про «спектр энергии», а про «энергии состояний, определяющие спектр». Как эту фразу поймет новичок, не берусь сказать.
...а с другой — в случае простейших систем их можно с высокой точностью рассчитать теоретически. Также из-за практических проблем с содержанием антиматерии намного легче изучать простые системы.
Опять же, ничего сложнее отдельных атомов антиводорода пока не получено — поэтому мы антиатомы и изучаем. Кроме того, тут незаметно уплыла главная мысль. Напомню, что основная цель опытов с антиатомами — сравнить результаты с экспериментальными данными об обычных атомах, а не с теоретическими расчетами.
Все это подводит нас к тому, что абзацы 2–4 можно без ущерба для новости упростить, убрав детали, которые во введении несущественны, и придав рассказу некоторую легкость. Вот возможный вариант:
Наш мир устроен так, что для каждой заряженной элементарной частицы имеется античастица — этакая частица-партнер с противоположным знаком заряда. Античастица для электрона — позитрон; античастица для протона — антипротон. При столкновении частицы и ее античастицы происходит аннигиляция — они превращаются в чистое излучение или в набор более легких частиц с выделением энергии. Для электрически нейтральных частиц ситуация чуть сложнее: некоторые частицы сами себе античастицы, как, например, фотон, а для других античастица и частица — разные объекты. Атом антиводорода, хоть и электрически нейтрален, составлен из позитрона и антипротона и поэтому отличается от атома обычного водорода. Сам по себе он стабилен и может жить сколь угодно долго. Но если вдруг он столкнется с обычным атомом, произойдет аннигиляция: возникнет вспышка жесткого излучения и родятся пи-мезоны, легкие метастабильные частицы.
Все известные законы микромира одинаково применимы и к частицам, и к античастицам. Электромагнетизм, гравитация и даже сильное ядерное взаимодействие действуют на частицы и античастицы совершенно одинаково. Некоторую «разборчивость» проявляет лишь слабое взаимодействие, да и то касается она лишь тонких эффектов — условно говоря, кто в какую сторону полетит после распада. Но общие стационарные характеристики частиц и античастиц, такие как массы и энергии связи, полностью совпадают. Это утверждение вытекает из фундаментальнейшего свойства нашего мира, которое в теоретической физике называется CPT-симметрий.
Но теоретические постулаты — не указ для экспериментаторов. Раз это утверждение так важно для теории, тем интереснее будет проверить его во всех случаях, до которых способна дотянуться экспериментальная физика. Ведь если вдруг различия обнаружатся, это приведет к пересмотру основ современных теорий микромира и, возможно, позволит объяснить, как в нашей Вселенной возник наблюдаемый сейчас «перекос» в сторону вещества.
Один из способов проверить, различаются ли свойства частиц и античастиц, — синтезировать антиатомы, поймать их в силовую ловушку, так, чтобы они не сталкивались с обычными атомами, и с помощью обычных оптических методов измерить их спектр поглощения или излучения. Теория предсказывает, что уровни энергии позитронов в антиатомах будут точно такие же, как и у электронов в атомах. Потому возникает богатое направление исследований — «переоткрыть» одно за другим все спектроскопические эффекты в антиатомах и проверить, совпадают ли они с результатами для обычной материи.
Далее пропускаем абзац 5 и переходим к абзацу 6.
[6] Позитроны в антиатомах, так же как и электроны в атомах, могут находиться только в состояниях с определенной энергией. Переход из состояния с более высокой энергией сопровождается испусканием фотона. Следовательно, спектр такой системы, то есть совокупность порождаемых ею фотонов, определяется различными уровнями энергий.
Опять же, в целом тут все правильно, но изложено не самым оптимальным способом. Во-первых, смешивается два понятия. Есть спектр системы (набор уровней энергии) и спектр излучения. Фундаментален первый, а второй — это его следствие и, как результат, удобный диагностический инструмент. Во-вторых, «следовательно» я бы тут не употреблял. Все-таки это введение предназначено прежде всего новичкам, и не стоит им без нужды объяснять связи наукообразными словами. Все то же самое можно сказать проще и короче. Собственно, после моего варианта введения необходимость в дополнительном абзаце вообще пропадает.
[7] В первом приближении энергии состояний можно вычислить из модели Бора, однако в действительности на них также оказывает воздействие множество дополнительных явлений, значительно усложняющих картину, из-за чего возникает тонкая и сверхтонкая структура уровней.
Сравнивать с моделью Бора уж точно не надо: это была эмпирическая доквантовая теория. Это не та основа, которую можно улучшать. Лучше сравнивать с квантовым нерелятивистским расчетом для точечных бесспиновых частиц:
В простейшем случае (атом водорода без учета спина и других премудростей) структура энергетических уровней выглядит как простая «лестница» на шкале энергий. Ступеньки лестницы многократно дублируются (на жаргоне физиков — вырождены): одна и та же энергия соответствует сразу нескольким разным электронным конфигурациям. Спин электрона и ядра это вырождение устраняют: благодаря им ступеньки расщепляются на несколько очень близких, но разных уровней энергии — это так называемые тонкая и сверхтонкая структура энергетических уровней.
Маленький комментарий: как видите, в моих вариантах объем текста слегка увеличивается. Но это потому, что я дополняю рассказ вводными пояснениями. Автор новости начинает с самых основ, а значит, рассчитывает «зацепить» и читателей-новичков. Поэтому, переписывая текст, я тоже придерживаюсь этого подхода. Поскольку задача новости — не только рассказать о конкретной работе, но и предложить читателю простое введение в тему, я не ограничиваюсь общими словами про «множество дополнительных явлений, значительно усложняющих картину», а стараюсь отметить основные моменты. Если ориентироваться на чуть более подкованную публику, то, конечно, все эти вводные абзацы можно сократить.
Одним из них является лэмбовский сдвиг, из-за «классического» варианта которого смещаются энергии уровней 2S1/2 и 2P1/2.
Тут не совсем аккуратный переход: лэмбовский сдвиг — не «один из них», он не является «системообразующим» эффектом для возникновения тонкой структуры. Это дополнительный эффект другой природы, и его надо бы так и отметить. Кроме того, уточнение про «классический» тут точно можно опустить. Оно было дано в исходной статье в Nature для коллег-ученых; широкой публике от этих подробностей ни холодно ни жарко. Более того, оно может сослужить плохую службу: есть опасность, что подкованный читатель интерпретирует слово «классический» как «неквантовый», что будет в корне неверно. Поэтому я бы эту фразу перенес в следующий абзац и переписал бы его целиком так:
В дополнение к этому существует еще и особый квантовый эффект — лэмбовский сдвиг. Он на небольшую, но хорошо заметную величину раздвигает на шкале энергий электронные конфигурации 2S1/2 и 2P1/2, которые без него были бы вырождены. А особенный он потому, что возникает из-за взаимодействия электрона вовсе не с ядром, а с «пустотой», то есть с виртуальными фотонами, квантовыми флуктуациями электромагнитного поля, которые происходят даже в пустом пространстве.
Обратите внимание: в последней фразе у меня сразу три слоя объяснения — яркое образное выражение для читателей, которые слышат об этом впервые, уточнение для тех, кто что-то уже слышал, и, наконец, аккуратная формулировка для продвинутой публики.
Конец абзаца 8 я бы тут удалил. В нем упоминаются эффекты, которые, скорее, уместны при описании результатов конкретного исследования и перспектив на будущее.
С введением мы покончили. Абзацы 5 и 9–11 — это описание конкретной работы, ставшей инфоповодом для новости. На мой взгляд, эта часть заметки написана крайне скупо, несмотря на обилие чисел. Дело тут не в том, что мало подробностей, а в том, что подробности не те: ключевые моменты методики скомканы или не упомянуты вовсе. Лично у меня после прочтения этого текста не возникло понимания, как проводилось измерение, и только после исходной научной статьи все стало на место. Что уж говорить о неспециалистах! Я не буду переписывать текст, а просто тезисно сформулирую, что надо было описать, чтобы у читателя возникло более ясное понимание того, как, собственно, проводились измерения.
Во-первых, надо четко подчеркнуть, что само расщепление 2S1/2 и 2P1/2 тут напрямую не измерялось. Эксперименты, описываемые в этой статье, касаются только тонкой структуры 2P-уровней. Лэмбовский сдвиг был вычислен только после сравнения этих результатов с более ранними данными по 1S-2S-переходам. Кроме того, даже среди 2P-орбиталей измерялось не положение чистого уровня 2P1/2 в изолированном от внешних воздействий атоме, а расщепление нескольких уровней в 2P-орбитали в присутствии сильного внешнего магнитного поля. Это было сделано специально, в том и состоит спектроскопическая изюминка работы. Но надо понимать, что положение уровня 2P1/2 отсюда вычислялось экстраполяцией результатов к нулевому магнитному полю на основе теоретических коэффициентов. Подчеркну еще раз: нет оснований сомневаться, что этот метод справедлив. Подчеркну еще раз: хотя нет оснований сомневаться, что этот метод справедлив, измерение лэмбовского сдвига тут все же было опосредованным.
Во-вторых, сама использованная здесь идея того, как проводить спектроскопию антиатомов, довольно необычна и заслуживает более подробного описания. В новости она свелась к одной фразе, которая вызывает лишь вопросы:
Лазер переводил антиатом в возбужденное состояние, а после перехода в основное происходила их аннигиляция с обычным водородом, в результате которой возникали заряженные пионы.
Смотрите, тут сказано: возбужденный антиатом излучает фотон, падает в основное состояние — и тут же происходит его аннигиляция. С чего бы это? Ведь он по-прежнему находится в ловушке. Разгадка в том, что из-за внешнего магнитного поля 1S-состояние тоже расщепляется на два уровня (без учета сверхтонкой структуры). Атом, находясь в одном из них, «не любит» магнитное поле и поэтому удерживается в центре ловушки, там, где магнитное поле минимально. Атом в другом 1S-состоянии, наоборот, стремится в область сильного магнитного поля. В результате он из ловушки тут же вылетает, аннигилирует и порождает пи-мезоны, которые и регистрируются детекторами.
Поэтому спектроскопический эксперимент с антиатомами протекает так. Захватываем антиатомы в ловушку — они автоматически будут в нужном 1S-состоянии. Настраиваем лазер на определенную длину волны и светим на облачко антиатомов. Если мы попали прямо на нужную разницу уровней энергии, антиатомы поглощают фотоны, возбуждаются, а потом тут же испускают фотоны и возвращаются в 1S-состояние. И вот тут важный момент: промежуточное 2P-состояние атома в сильном магнитном поле способно сброситься как в исходное 1S-состояние (и тогда атом остается в ловушке, не аннигилирует и ждет новых фотонов), так и в другое 1S-состояние (и тогда он из ловушки выталкивается и испытывает аннигиляцию). Излученный фотон не регистрируется, а вот пи-мезоны от аннигиляции отлавливаются отлично. Поэтому достаточно посветить лазером в течение некоторого времени и подсчитать, сколько раз произошли события аннигиляции. Затем перестраиваем лазер на чуть большую или чуть меньшую длину волны, снова светим и считаем события аннигиляции. Повторив такой эксперимент несколько раз, можно просканировать область частот вблизи ожидаемой линии поглощения и прочертить кривую интенсивности аннигиляции от частоты.
Эта схема работы — ключевой пункт всего эксперимента, она легко описывается парой-тройкой фраз. Сопроводить это описание можно было бы диаграммой уровней энергии — либо той, что приведена в самой статье, либо упрощенной, специально подготовленной для новости. Без такого описания понять, что именно было сделано, очень трудно, и даже простейшие вопросы читателя повисают без ответа.
Наконец, и описание самой установки, и методика получения антиводорода — а это очень непростая задача, — и созданный недавно импульсный лазер в далеком ультрафиолетовом диапазоне тоже заслуживают хотя бы краткого упоминания. В тексте идеальное место для этого — сразу после введения, перед описанием того, как проводились измерения. Там же можно кратко упомянуть, что эта группа ученых уже смогла сделать в последние несколько лет и о чем рапортует в новой работе. Такой рассказ будет прекрасной иллюстрацией фразы из моей версии введения:
Потому открывается богатое направление исследований — «переоткрыть» одно за другим все спектроскопические эффекты в антиатомах и проверить, совпадают ли они с результатами для обычной материи.
В заключение — несколько слов про ссылки. Кроме упоминания статьи-источника в основном тексте новости стоит гиперссылка на прошлую публикацию ALPHA (совершенно уместно) и пять гиперссылок на Википедию для разъяснения терминов: барионная асимметрия Вселенной, CPT-симметрия, лэмбовский сдвиг, квантовые флуктуации вакуума и модель Бора. Большинство из них — не по сути новости. Отдельно скажу про «квантовые флуктуации вакуума». Во-первых, ведет она на статью «квантовые флуктуации» размером в один абзац и написанную так, что непосвященный читатель ничего из нее не почерпнет для себя. Во-вторых, «квантовые флуктуации вакуума» — сам по себе плохой термин. Ведь тут флуктуирует не вакуум, а электромагнитное поле. Подозреваю, что найдется немало читателей, которые могут воспринять фразу в новости как «флуктуации пространства самого по себе».
А вот чего точно не хватает в этой новости, так это ссылок на другие подробные научно-популярные рассказы об этом направлении исследований. Одна ссылка в самом конце есть, но это обзорный материал про античастицы в целом. Здесь можно было бы сослаться на прошлые достижения коллаборации ALPHA, описанные и на том же сайте «N+1», и в других изданиях. Например, «Наука и жизнь» опубликовала в 2017 году неплохую, достаточно подробную популярную статью про эти эксперименты. При описании технических подробностей того, как вообще получают антиатомы, можно сослаться и на мою большую новость 2014 года про сестринский эксперимент ASACUSA в ЦЕРНе. Наконец, очень уместными были бы ссылки на целый цикл сообщений пользователя ЖЖ с говорящим ником antihydrogen, см. первый пост и дальше следуйте по ссылкам.
Я надеюсь, этот дотошный разбор убедил вас в том, что даже в солидно выглядящей новости может скрываться большое количество неточностей, смещенных акцентов, упущений и избыточных деталей. Читатель-неспециалист их не отследит. Ему даже может показаться, что новость вообще отличная, зачем придираться-то, это же не для ученых написано, а для широкой публики! В том-то и дело, что эти неточности именно у широкой публики создают размытое, не вполне корректное понимание темы. Такая новость — как изображение не в фокусе: вроде общие черты угадываются, но детали не просматриваются, и из-за этого легко ошибиться в интерпретации. Если устранить неточности, если выправить объяснения, дополнить их промежуточными шагами, делающими повествование логичным, упростить язык — перед читателем возникнет яркая, четкая, запоминающаяся картина. И для этого новость вовсе не требуется усложнять.
На десерт — небольшая новость на ту же тему с совсем другого сайта, который не специализируется на научных новостях. Прочтите — и убедитесь, что подавляющее большинство новостей в СМИ широкого профиля написано в еще более размытых выражениях. По сравнению с ними разобранный выше текст, несмотря на все его огрехи, куда более корректен.
Физики не нашли различий между материей и антиматерией
Исследования европейских физиков тонкой структуры спектра частиц антиматерии определили, что по устройству квантовых энергетических уровней она оказалась идентична обычной материи.
Данные по замерам тонкой структуры спектра частиц антиматерии представили физики из проекта ALPHA европейской организации по ядерным исследованиям. По ним можно сделать взвешенные выводы об устройстве квантовых энергетических уровней.
В первую очередь, ученые хотели понять, каким образом антиматерия и материя не уничтожили друг друга при Большом взрыве. Этот нерешаемый вопрос появился у физиков еще после первых измерений лэмбовского сдвига для антиматерии.
Специалисты заявили, что данный феномен ответствен за незначительное смещение, происходящее из-за взаимодействия с нулевыми квантовыми флуктуациями вакуума и энергетических уровней.
Исследования показали, что полученные значения антиматерии полностью совпали с замерами для обычной материи — это в очередной раз доказало тот факт, что они не отличаются. На сегодня этот научный факт по-прежнему является загадкой для ученых.
Из нескольких сотен полноформатных новостей по физике, которые я написал за двадцать с лишним лет, лишь около половины я бы назвал хорошими, очень качественными. Я не буду, конечно, приводить их все, а выберу только особенно показательные; полный список моих новостей, написанных для «Элементов».
Разумеется, хорошие новости пишут и другие авторы. Вот некоторые примеры текстов о физике, на которые я обратил внимание:
Войти с помощью соц. сетей: