Визуализация протона с помощью анимации и фильмов
Попробуйте представить себе протон — мельчайшую положительно заряженную частицу внутри атомного ядра — и вы можете представить знакомую хрестоматийную схему: пучок бильярдных шаров, представляющих кварки и глюоны. От модели твердой сферы, впервые предложенной Джоном Дальтоном в 1803 году, до квантовой модели, предложенной Эрвином Шредингером в 1926 году, существует легендарная хронология физиков, пытающихся визуализировать невидимое.
Кварковая структура протона. В нем два верхних кварка и один нижний кварк. Сильное взаимодействие передается глюонами (волнами). Сильное взаимодействие имеет три типа зарядов, так называемые красный, зеленый и синий. Обратите внимание, что выбор зеленого для нижнего кварка произволен; считается, что «цветовой заряд» циркулирует между тремя кварками. Предоставлено: Арпад Хорват/Википедия.
Теперь профессор физики Массачусетского технологического института Ричард Милнер, физики из лаборатории Джефферсона Рольф Энт и Рик Йошида, режиссеры-документалисты Массачусетского технологического института Крис Бобель и Джо Макмастер и Джеймс ЛаПланте из Sputnik Animation объединились, чтобы по-новому изобразить субатомный мир. Представленная Центром искусства, науки и технологий Массачусетского технологического института (CAST) и лабораторией Джефферсона «Визуализация протона» представляет собой оригинальную анимацию протона, предназначенную для использования в классах средней школы. Энт и Милнер представили анимацию в своих выступлениях на апрельской встрече Американского физического общества, а также поделились ею на мероприятии сообщества, организованном MIT Open Space Programming 20 апреля. В дополнение к анимации был снят короткий документальный фильм о совместном процессе. находится в процессе.
Это проект, о котором Милнер и Энт думали по крайней мере с 2004 года, когда Фрэнк Вильчек, профессор физики Германа Фешбаха в Массачусетском технологическом институте, поделился анимацией в своей Нобелевской лекции по квантовой хромодинамике (КХД), теории, предсказывающей существование глюонов. в протоне. «У этого предмета чрезвычайно сильная родословная Массачусетского технологического института», — отмечает Милнер, также ссылаясь на Нобелевскую премию по физике 1990 года, присужденную Джерому Фридману и Генри Кендаллу из Массачусетского технологического института и Ричарду Тейлору из Национальной ускорительной лаборатории SLAC за их новаторское исследование, подтверждающее существование кварки.
Во-первых, физики думали, что анимация будет эффективным средством для объяснения науки, лежащей в основе электронно-ионного коллайдера, нового ускорителя частиц, разработанного Управлением науки Министерства энергетики США. , давно отстаивал. Более того, все еще изображения протона по своей природе ограничены, неспособны изобразить движение кварков и глюонов. «Основные части физики включают анимацию, цвет, аннигиляцию и исчезновение частиц, квантовую механику, теорию относительности. Почти невозможно передать это без анимации», — говорит Милнер.
В 2017 году Милнера познакомили с Бебелем и Макмастером, которые, в свою очередь, привлекли к сотрудничеству ЛаПланте. Милнер «чувствовал, что визуализация их коллективной работы будет очень, очень ценной», — вспоминает Бобель о начале проекта. Они подали заявку на грант факультета CAST, и идея команды начала воплощаться в жизнь.
«Отборочный комитет CAST был заинтригован этой задачей и увидел в ней прекрасную возможность осветить процесс создания анимации протона, а также саму анимацию», — говорит Лейла Кинни, исполнительный директор художественных инициатив и CAST. «Настоящее сотрудничество в области искусства и науки более сложно, чем научное общение или проекты по визуализации науки. Они включают в себя объединение различных, одинаково сложных способов творческих открытий и интерпретационных решений. Важно понимать возможности, ограничения и выбор, уже заложенные в визуальная технология, выбранная для визуализации протона. Мы надеемся, что люди уйдут с лучшим пониманием визуальной интерпретации как способа критического исследования и производства знаний,
Бобель и Макмастер засняли процесс создания такой визуальной интерпретации из-за кулис. «Это всегда сложно, когда вы собираете вместе людей, которые действительно являются экспертами мирового уровня, но из разных областей, и просите их рассказать о чем-то техническом», — говорит Макмастер об усилиях команды по созданию чего-то одновременно научно точного и визуально привлекательного. «Их энтузиазм действительно заразителен».
В феврале 2020 года аниматор ЛаПланте пригласил ученых и кинематографистов в свою студию в штате Мэн, чтобы поделиться своей первой идеей. Хотя понимание мира квантовой физики представляло собой уникальную проблему, он объясняет: «Одно из моих преимуществ заключается в том, что я не имею научного образования. Моя цель всегда состоит в том, чтобы окунуться в науку, а затем выяснить, «Хорошо, а на что это похоже?»
Глюоны, например, описывались как пружины, эластики и вакуумы. ЛаПланте представил частицу, которая, как считалось, удерживает вместе кварки, в виде корыта со слизью. Если вы сжимаете сжатый кулак и пытаетесь разжать его, вы создаете вакуум воздуха, что затрудняет разжатие кулака, потому что окружающий материал хочет намотать его.
ЛаПланте также был вдохновлен использовать свое 3D-программное обеспечение, чтобы «заморозить время» и облететь неподвижный протон, только для того, чтобы физики сообщили ему, что такая интерпретация неверна на основе существующих данных. Ускорители частиц могут обнаруживать только двумерный срез. На самом деле, трехмерные данные — это то, что ученые надеются зафиксировать на следующем этапе своих экспериментов. Все они столкнулись с одной и той же стеной — и с одним и тем же вопросом — несмотря на совершенно разные подходы к теме.
«Мое искусство действительно связано с ясностью общения и попыткой превратить сложную науку во что-то понятное», — говорит ЛаПланте. Как и в науке, ошибка часто является первым шагом его творческого процесса. Однако его первоначальная попытка анимации имела успех у физиков, и они с энтузиазмом усовершенствовали проект в Zoom.
«Есть два основных регулятора, которые экспериментаторы могут настраивать, когда мы рассеиваем электрон на протоне при высокой энергии», — объясняет Милнер, так же, как пространственное разрешение и скорость затвора в фотографии. «Эти переменные камеры имеют прямые аналогии в математическом языке физиков, описывающих это рассеяние».
Когда «время воздействия» или Бьоркен-Х, которое в КХД является физической интерпретацией доли импульса протона, переносимой одним кварком или глюоном, уменьшается, вы видите протон как почти бесконечное число глюонов и кварков, движущихся очень быстро. быстро. Если Бьоркен-X поднят, вы видите три капли, или валентные кварки, красного, синего и зеленого цвета. По мере набора пространственного разрешения протон превращается из сферического объекта в блинчатый объект.
«Мы думаем, что изобрели новый инструмент, — говорит Милнер. «Есть фундаментальные научные вопросы: как распределены глюоны в протоне ? Однородны ли они? Сгруппированы ли они? Мы не знаем. и научная дискуссия.
«Это начало. Я надеюсь, что люди увидят это по всему миру и вдохновятся».
