Cборная России показала блестящий результат на Европейской олимпиаде по физике
Очередной блестящий результат российских школьников: наша сборная заработала 2 золотых и 3 серебряных медали на Европейской олимпиаде по физике🏆
Очередной блестящий результат российских школьников: наша сборная заработала 2 золотых и 3 серебряных медали на Европейской олимпиаде по физике🏆
«Афиша Daily» выяснила, как молодой ученый Алексей Стомахин сделал карьеру в студии Disney, зачем мультипликаторам знать сложную физику и решать дифференциальные уравнения.
Как попасть со скамьи МФТИ в кресло студии Disney
Презентация инструмента для создания снега, использованного в мультфильме «Холодное сердце»
Меня тянуло к математике еще со школы. Я учился в 57-й в Малом Знаменском переулке. Сначала математика шла хорошо, потом что-то не очень. В итоге решил пойти в МФТИ на физику. Когда учеба стала уходить в более прикладные вещи — программирование, инженерию, — меня снова потянуло в математику. Доучившись до бакалавра в 2009 году, я стал искать программы, где возможно совмещать математику и физику. Параллельно я занимался компьютерной графикой — рендерингом картинок, 3D-моделированием, но скорее как хобби. В итоге я подал в разные институты в США, где есть интердисциплинарные программы. Получилось так, что я поступил в UCLA (Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе) на факультет математики. Здесь много профессоров занимаются применением математики к реальным вещам. Сначала я пошел к профессорше, которая занималась статистикой. Поработал с полицейским департаментом в Лос-Анджелесе. Мы даже помогали раскрывать преступления: у них была куча статистики по преступлениям, нам нужно было ее анализировать и предсказывать, где случится следующее. В общем, позанимавшись этим, я понял, что мне хочется что-то более значимое, то, что будет видно, что можно представить визуально.
В тот же год я посмотрел мультик «Рапунцель», и он меня сильно впечатлил. Я увидел, сколько там математики. Тогда я пришел к университетскому профессору, который частично консультировал Disney — занимался вычислительной физикой, и начал работать с ним. Я стал моделировать физические системы, решать дифференциальные уравнения численными методами. Потом попал на практику в Disney. В первое лето успешно прошел мой первый интерншип, и меня позвали второй раз. Кстати, недавно именно то, чем я занимался четыре-пять лет назад, попало в мультик «Зверополис». Шкурки и мускулы персонажей делали с помощью той штуки, которую я программировал, когда был интерном.
Однажды я случайно узнал от моего научного руководителя, что на студии нужно сделать снег для «Холодного сердца» и требуются люди. Меня пригласили заняться им. В итоге снег получился довольно успешным, и, собственно, этот проект стал основой для моей диссертации PhD. После чего меня позвали в штат, где я и работаю до сих пор.
Кадр из мультфильма «Моана»
Зачем мультфильмам Disney столько сложной математики
Двадцать лет лет назад куча аниматоров все рисовала от руки — каждый кадр карандашом. Появлялись, конечно, всякие хитрые методы, потом проникали компьютеры, планшеты. Но сейчас требования к качеству сильно возросли: хочется 3D, хочется больше погружения с точки зрения зрителя, хочется, чтобы человек верил в то, что все происходит вокруг него. Нужен определенный уровень реализма. Персонажей, конечно, до сих пор анимируют по отдельности, создают им мимику, двигают практически вручную из кадра в кадр — и это очень тяжелая работа. Но среда, в которой они обитают, их одежда, волосы и прочее — это руками не подвигаешь. У персонажа может быть тысячи и сотни тысяч волосинок. А если взять, например, воду, то там еще больше деталей. Ни один человек просто не сможет все это прорисовать. Такие вещи приходится обсчитывать компьютерам. Есть законы физики, которые описывают движение разных вещей: воды, снега, волос, одежды — всего чего угодно. Есть художники, которые задают начальные условия: допустим, есть вода и скалы, и они сталкиваются. Эти данные отправляются в программу, которая на их основе решает соответствующее дифференциальное уравнение и все обсчитывает. Это довольно типичная задача численных методов математики.
Кадр из мультфильма «Зверополис»
Как происходит разработка проекта
Перед запуском мультика в продакшен у режиссеров уже есть свое видение. Они приходят к нам и говорят — нужно сделать, допустим, снег. Причем со снегом все просто, не нужно объяснять, как он выглядит (если, конечно, это не люди из Южной Калифорнии). Мы начинаем смотреть вокруг, не было ли каких-то разработок в этой области. Когда мы делали снег, выяснилось, что про него практически нет данных. Тогда мы сделали ресерч, выписали список вещей, которые хотим получить: снег должен слипаться, рассыпаться и т. д. Для более волшебных эффектов все сложнее. Мы начинаем выписывать характеристики того, что мы хотим нарисовать, а затем пытаемся подобрать уравнения, придумываем численные методы.
Хани Лемон и ее оружие, созданное тем же инструментом, что и снег в «Холодном сердце»
Тот инструмент для снега теперь мы используем начиная с «Холодного сердца» в каждом мультике: и в «Зверополисе», и в «Моане». Если изменить характеристики уравнения, то вместо снега мы можем получить лаву и много чего другого. Допустим, в «Городе героев» у Хани Лемон были бомбы, раскидывающие такую липкую штуку. Липкая штука тоже была сделана с помощью того же инструмента. Мы активно публикуем свои результаты и статьи по теме. То есть любой может их прочитать и спрограммировать что-то подобное. Но сама программа — это собственность компании, поэтому она не распространяется.
Каково работать в студии Disney и как найти взаимопонимание с художниками
Кадр из мультфильма «Моана»
Я не знаю, насколько уместно сравнить наш офис с Диснейлендом, но здесь здорово. Как заходишь в студию, сразу видишь всех этих персонажей на стенах, и со всех сторон атмосфера правильная. На работу ходить нравится. В принципе, я программист, но я не отправляю свои программы каким-то людям, которых я никогда не увижу. Все наши потребители — художники, которые сидят с нами под одной крышей. Процесс взаимодействия с ними происходит каждый день, это здорово. Мне очень нравится общение с ними. Это люди совершенно с другим складом ума и подходом к искусству. Они свои нужды описывают в довольно абстрактных терминах, и для меня это выглядит как размахивание руками. Но это все надо как-то взять, преобразовать в нечто формальное, математическое и заставить работать.
Кадр из мультфильма «Город героев»
Например, в «Городе героев» есть армия из целого миллиона маленьких роботов. Когда мы пришли на встречу с режиссерами в первый раз, у них было много зарисовок и комментариев о том, как эти роботы должны взаимодействовать. С одной стороны, они должны вести себя как колония муравьев, как большой организм, а с другой — они не хотели органического движения. Они показывали картинки печатных плат и хотели, чтобы роботы строились определенным образом. То есть у нас был набор из десяти разных абстрактных характеристик. И вот ты берешь и пытаешься это осознать и представить, какая физика может лежать в их основе.
Были задачи попроще, например, с водой в «Моане». Саму воду сделать просто, уже кучу лет назад были написаны все уравнения. Но в «Моане» океан живой. И хотелось, чтобы эта вода не просто плескалась «по физике», а чтобы какая-то штука вылезала из воды и разговаривала. С одной стороны, штука должна выглядеть как физическая, с другой — она должна быть нужной формы и двигаться как надо. Это очень тонкий баланс.
Технологии или история — что первично
У нас в студии на первом месте задумка режиссера. Есть задача рассказать историю, а то, как технологии помогут этому или нет, — уже зависит от нас. При этом у нас есть определенные наработки. Мы знаем, что мы можем сделать, а что нет, чтобы супервайзеры могли оценить возможности.
Но с точки зрения индустрии ситуация чуть иная. Когда разрабатывается какая-то технология и по ней публикуются результаты, эти новые спецэффекты постепенно мигрируют в коммерческие продукты, в Maya и Houdini, на рынке появляются новые пакеты с набором спецэффектов. А потом эти технологии получают более широкое распространение.
В Disney мы комбинируем коммерческие продукты и свои разработки. Например, существуют хорошие готовые решения для создания одежды и волос. И иногда их вполне достаточно, и вовсе не обязательно разрабатывать что-то свое. Тем более что это довольно накладно. Свои инструменты мы используем, только если они превосходят доступные на рынке.
Где проходит граница между реализмом и сказочностью
С точки зрения индустрии реализм в анимации — это всегда хорошо. Особенно если мы берем фильмы, где актеров снимают на зеленом фоне, а сзади нужно подставить что-то натуральное. Обычно в таких фильмах требования к реализму гораздо выше. Но в студии Disney фокус смещен в другую сферу. Для нас нет задачи создать реальный мир. У нас есть свои традиции, свои способы анимировать персонажей. Например, есть диснеевская принцесса, которая и не выглядит как настоящий человек. И если такого анимированного персонажа поместить в реальный мир, то возникает диссонанс. Хочется не реализма, а так называемого беливабилити — чтобы зритель верил происходящему.
Все спецэффекты должны быть стилизованы под анимацию персонажей. Например, Рапунцель бегает не как человек, у нее движения немножко более резкие. Поэтому когда на нее надели платье, смоделированное по всем физическим законам, во время бега юбка перелетала через голову. Соответственно, нужно было создать вокруг нее силовые поля, которые эту юбку удерживали. Или, допустим, взять эпизод в «Моане», где дельфины прыгают перед лодкой. Лодка плыла нормально и была более-менее физическая. А вот дельфины по задумке двигались со скоростью 100 миль в час, и когда они врезались в воду, получался всплеск как от пушечного ядра. Поэтому стояла задача добавить воде вязкости. То есть они практически ныряли в подобие глицерина. Или же там есть момент, когда перед Моаной расходится океан. Обычная вода такого сделать не может, и приходилось экспериментировать с гравитационным полем.
Но все равно многое приходится доделывать, скажем так, от руки. Все компьютеру доверить нельзя. Будет здорово, если появится какая-то автоматическая программа, которая сможет анимировать персонажа или, например, старить его. Сейчас развивается содействие аниматорам с помощью каких-то новых технологий, в том числе и с помощью машинного обучения. Но это уже не по моей специальности.
Российские физики доказали, что твердые вещества могут находиться в так называемой гексатической фазе — промежуточном состоянии между кристаллами и жидкостью. Это подтвердило теоретическое предсказание лауреатов Нобелевской премии 2016 года. Об этом пишет пресс-служба МФТИ со ссылкой на статью в журнале Scientific Reports.
Почти все элементы и химические соединения могут существовать в четырех агрегатных формах — твердом, жидком, газообразном и плазме. Долгое время физики считали, что большая часть твердых тел, в том числе и кристаллов, превращается в жидкость напрямую, если их в достаточной мере нагреть.
Около 40 лет назад физики-теоретики Майкл Костерлиц и Дэвид Таулесс предположили, что на самом деле это не так — превращение твердых кристаллов в жидкость и наоборот протекает через промежуточную фазу, которую они назвали «гексатической».
В 2016 году за это предсказание ученые получили Нобелевскую премию по физике. Однако до недавнего времени ученые не получали однозначного практического подтверждения их теории. Эту задачу решили специалисты ОИВТ РАН и МФТИ, экспериментируя с так называемыми пламенно-пылевыми системами.
Физики создали установку, которая была заполнена аргоновой плазмой. Туда можно было запускать большое количество «пыли» — сферических микрочастиц, которые состоят из полистирола и покрыты тонкой пленкой из никеля. При нагреве или охлаждении такая смесь ведет себя подобно кристаллам твердых веществ.
Облучая их лазером, физики отслеживали, как менялся характер движения частиц в зависимости от взаимодействия их поверхности с плазмой после нагрева. Оказалось, что характер движения и поведение полимерных частиц внутри этого плазменного «кристалла» при его нагреве и остывании полностью совпадали с предсказанием теории Таулесса и Костерлица.
Дальнейшие опыты с плазмой, как надеются физики, помогут им создать новые материалы и найти иные практические применения для теории Костерлица, Таулесса и других ученых, которые внесли большой вклад в изучение переходов между твердой и жидкой материей.
Физики из МФТИ сконструировали мемристор второго порядка и тем самым еще на шаг приблизились к созданию аналогового нейрокомпьютера. Легендарного, хотя пока и гипотетического устройства, которое копирует работу человеческого мозга при помощи иных механизмов. Ранее российские физики доказали несостоятельность мемристоров первого порядка, но на второй тип возлагают большие надежды.
Мемристором называется устройство для моделирования работы синапса, который хранит часть информации в виде связи с прочими синапсами. Но если им не пользоваться, не пропускать сигнал, связь ослабевает вплоть до полного исчезновения. Кроме того, работа синапса может быть разрушена под влиянием иных факторов, что открывает дорогу к моделированию и изучению такого явления, как забывание воспоминаний. В будущем нейрокомпьютере мемристоры выполняют функцию базовых «кирпичиков», из которых и выстроена его архитектура.
Мемристоры первого порядка строилось на базе проводящих мостов наноразмера, которые оказались недолговечны – они самопроизвольно разрушались в процессе эксплуатации. Для второго поколения взяли сегнетоэлектрический оксид гафния, который под влиянием электрических импульсов переходит в состояния низкого, либо высокого сопротивления. Сложнее всего было подобрать правильную толщину пластины – экспериментально ученые установили, что нужно 4 нанометра и ни одним нанометром больше.
Мемристор второго порядка успешно прошел 100 млрд тестов на выносливость и продолжать испытания не стали. Но помимо долговечности он обладает еще одним интересным свойством – из-за несовершенства технологий на границе между оксидом гафния и кремниевой подложкой сохраняются дефекты. Пока импульсы проходят часто, они пробивают этот барьер, но при бездействии проводимость начинает ослабевать, что и позволяет имитировать свойство синапса «забывать» информацию через разрушение связи.
Практической пользы от мемристоров второго порядка пока немного. Например, ученые спорят о том, каким должен быть механизм переключения мемристоров. Затем нужно научиться создавать на их основе ячейки памяти, с которыми будет удобно работать. И, наконец, разработать архитектуру нейрокомпьютера и проработать вопросы его интеграции с существующей электроникой.
Ученые из МФТИ и их американские и швейцарские коллеги вернули состояние квантового компьютера на долю секунды в прошлое. Кроме того, они вычислили, с какой вероятностью электрон в пустом межзвездном пространстве может самопроизвольно отправиться в свое недавнее прошлое.
«Это одна из серии работ, посвященных возможности нарушить второе начало термодинамики — закон физики, тесно связанный с понятием стрелы времени, различием между прошлым и будущим, — рассказывает ведущий автор исследования Гордей Лесовик, заведующий лабораторией физики квантовых информационных технологий МФТИ, — Сначала мы описали локальный вечный двигатель второго рода. В декабре вышла наша работа, где второе начало локально нарушается за счет специального устройства, демона Максвелла. И вот теперь мы подошли к проблеме с третьей стороны — искусственно создали такое состояние системы, которое само развивается в обратную с точки зрения второго начала сторону».
Законы физики в большинстве своем не делают различия между прошлым и будущим. Например, одним уравнением можно описать столкновение и отскок двух бильярдных шаров одного цвета. Если записать этот процесс на видео и проиграть в обратную сторону, то без дополнительных подсказок неясно, какая версия «настоящая»: из прошлого в будущее или из будущего в прошлое. Уравнение описывает обе ситуации одновременно. У версии «из прошлого в будущее» нет никакого приоритета.
Однако если заснять на видео, как один бильярдный шар разбивает пирамиду и потом проиграть запись обратно, то даже человек, который в первый раз видит эту игру, сможет отличить настоящий сценарий развития событий от фантастического. При этом наблюдатель интуитивно опирается на второй закон термодинамики. Он гласит, что если некоторая система не имеет притока энергии извне, то она либо сохраняет свое состояние, либо самопроизвольно движется в сторону хаоса, но не порядка.
Большинство других законов физики не запрещают, чтобы катающиеся шары сами складывались в пирамиду, растворенный в стакане чай собирался в пакетик, а вулкан извергался обратно вовнутрь. Но все эти процессы мы не наблюдаем, поскольку они потребовали бы, чтобы изолированная система самопроизвольно упорядочивалась, что противоречит второму закону термодинамики. Природа второго начала не объяснена окончательно во всех деталях, но ученые существенно продвинулись в понимании базовых принципов.
Квантовые физики из МФТИ решили проверить, возможно ли, что время само собой обернется вспять хотя бы для отдельно взятой частицы и хотя бы на долю секунды. Вместо бильярдных шаров они рассмотрели одиночный электрон в пустом межзвездном пространстве.
«Допустим, в начальный момент наблюдений электрон локализован. Это значит, что мы почти наверняка знаем, где он находится. Узнать конкретную точку по законам квантовой механики не получится, но можно очертить небольшой участок пространства, в котором локализован электрон», — говорит соавтор исследования, Андрей Лебедев из МФТИ и Федеральной высшей технической школы Цюриха.
Как объясняет физик, дальнейшая эволюция электрона описывается уравнением Шредингера. Это уравнение не делает различия между прошлым и будущим, но участок пространства, в котором локализован электрон, уже через доли секунды «расползется». Система стремится к хаосу — со временем мы знаем о местонахождении электрона все меньше. Неопределенность растет. Такое поведение состояния отдельной частицы является аналогом увеличения энтропии большой системы, описываемой вторым началом термодинамики.
«Однако уравнение Шредингера обратимо, — говорит соавтор работы, Валерий Винокур из Аргоннской национальной лаборатории США. — С математической точки зрения это значит, что если подвергнуть его определенному преобразованию (комплексному сопряжению), то полученное уравнение будет описывать то, как „размазанный“ электрон локализуется обратно за то же время, что ушло на „расползание“». Хотя в природе такое явление не наблюдается, теоретически оно может произойти из-за случайной флуктуации реликтового излучения, которым пронизано даже пустое межзвездное пространство.
Авторы вычислили вероятность наблюдать, как электрон, «размазавшийся» за малую долю секунды, затем самопроизвольно локализуется. Оказалось, что даже если ежесекундно находить и по очереди наблюдать по 10 млрд «свежелокализованных» электронов, висящих в пустом пространстве, то всего времени жизни Вселенной (13,7 млрд лет) хватит, чтобы лишь один раз увидеть, обратную эволюцию состояния электрона. И то речь идет о возврате электрона в прошлое не на минуту и не на секунду, а примерно на одну десяти миллиардную долю секунды.
Ясно, что в макроскопических явлениях (столкновение шаров и т. п.) задействовано умопомрачительное количество электронов, и происходящее длится несравненно дольше. Поэтому мы тем более не наблюдаем, чтобы люди молодели, а чернильная клякса на бумаге собиралась в каплю.
Далее ученые попытались обратить время вспять в эксперименте. Вместо электрона наблюдалось состояние квантового компьютера, состоящего сначала из двух, а затем из трех элементов — сверхпроводящих кубитов. Эксперимент включает четыре стадии.
Стадия порядка: все кубиты приводятся в состояние «0», которое называют основным. Этот момент соответствует локализации электрона в небольшом участке пространства. Система упорядочена — образно говоря, бильярдные шары выстроены в пирамиду.
Далее наступает стадия деградации, и порядок утрачивается. Подобно тому, как электрон расплывается в пространстве, а пирамида разбивается от удара, состояние кубитов начинает причудливым образом усложняться. Для этого на короткое время запускается компьютерная программа эволюции. Подобная деградация так или иначе произошла бы сама из-за взаимодействия с окружением, ведь система стремится к хаосу. Но контролируемая программа автономной эволюции системы сделает возможной последнюю стадию эксперимента.
Затем происходит обращение времени. Специальная программа преобразует состояние квантового компьютера так, чтобы в дальнейшем оно развивалось наоборот, от хаоса к порядку. Эта операция аналогична случайной флуктуации поля в случае с электроном, только теперь она умышленная. В примере с пирамидой — можно представить, как кто-то пнул или потряс бильярдный стол с бесконечно точным расчётом.
Наконец, на стадии регенерации повторно запускается та же программа эволюции, которая ранее вызывала нарастание хаоса. И если «пинок» был успешен, то состояние кубитов начинает отматываться назад, в прошлое, как если размытый электрон вновь локализуется, а шары, пройдя по своим траекториям из прошлого задом-наперёд, сложатся в пирамиду.
Учёные установили, что в 85% случаев после преобразования компьютер из двух кубитов действительно возвращался обратно в исходное состояние. В случае с тремя кубитами ошибки случались чаще — в половине случаев. Однако, по словам авторов, это объясняется несовершенством квантового компьютера. С развитием техники ошибка будет уменьшаться.
Более того, сам алгоритм обращения времени тоже может в будущем сделать квантовый компьютер точнее. «Наш алгоритм можно доработать и использовать для проверки программ квантового компьютера, а также для устранения помех и сбоев в его работе», — поясняет Андрей Лебедев.
В эту субботу 17 ноября 230 площадок по всей России и не только проведут контрольную по математике, физике и информатике "Выходи решать!". Принять участие могут все желающие -- взрослые и дети, технари и гуманитарии, дети технари, взрослые гуманитарии и все-все-все. Нужно только зарегистрироваться. Если выходить из дома холодно и лень, решить задания можно онлайн. А пока -- потренироваться и пройти тест.
17 ноября МФТИ совместно с компанией RDI Creative проведут всероссийскую контрольную “Выходи решать!”. Все желающие могут проверить свои знания по физике, математике и информатике в одной из точек проведения или онлайн, нужно только зарегистрироваться. Список очных площадок постоянно пополняется на сайте. Участникам будет предложено решить пять заданий уровня школьной программы для каждого предмета, результаты будут отмечены дипломами.
В феврале 2017 года физико-техническая контрольная собрала 35 000 участников на 80 площадках в России, Украине, Белоруссии, Казахстане, Таджикистане, Австрии, Германии, Китае и Великобритании.