Zašto nam je nauka neki put nedokučiva?

Samo jedan pogled na stvarikoje mi svi na svoj način prepoznajemo.

Filosofija – Večita studentkinja (znači, večno mlada), neki je obožavaju, neki je smatraju dosadnom, većina je ne razume.

[spoiler][/spoiler]

Matematika – Ova gospođa je u isto vreme cenjena i proklinjana, ali na kraju svi se koriste njenim znanjem da bi bili dobri.

[spoiler][/spoiler]

Fizika – Ova luckasta gospođica mnogo voli da se igra, ali po njenim pravilima – nikada vam neće dozvoliti da poletite, a oboriće vas sa nogu kad god joj se ukaže prilika. Ako igrate po pravilima koja su utvrđena, neće vas varati.

[spoiler][/spoiler]

Hemija – Mlađa sestra Alhemije, koja je nadživela svoju sestru u profesionalnom smislu, ali u poslednje vreme ima čudan hobi: da upravljanja seksualnim životima svih ljudi na planeti!

[spoiler][/spoiler]

Biologija – Dama puna života,  stalno u pokretu, ima milion lica, i stalno otkrivamo njena nova  obličja. Kao da se namerno igra sa nama…

[spoiler][/spoiler]

Sociologija – Gospođa sa cvetom u kosi, koja najviše voli da učestvuje u svim ljudskim delatnostima i stalno ističe da je važna. Ne bavi se tračevima, iako ima najbolji polaznu poziciju, jer o svakom zna po nešto.

[spoiler][/spoiler]

Anatomija – Ova žena se ne krije iza bilo kog vela, otvoreno pokazuje  sve što nosi sa sobom, na sebi, oko sebe… ukratko: potpuno je transparentna. Mnogi od nas bi prekrili neke njene aspekte, ali ona ne mari mnogo za takve pokušaje, i dalje sebe ističe onakvu kakva jeste.

[spoiler][/spoiler]

Medicina – Uvek u belom i ako nešto krene naopako, uvek tvrdi da u tom slučaju nije moglo biti bolje. I ako nije eksplicitno religijski nastrojena, često pominje reče „čudo“. Anatomiju doživljava kao vrlo korisnu, ali pomalo pre slobodnu koleginicu…

[spoiler][/spoiler]

Informatika – Ova mlada devojka je puna informacija i skoro da usta ne zatvara kada su novosti u pitanju, ali i pored toga mnogi je, i dan danas, teško prate u njenom izveštavanju.  A svakim danom je sve brža i brža…

[spoiler][/spoiler]

Geografija – Za nju neki kažu da je trebala da se bavi umetnošću, ali ona i dalje, uporno, na slikovit način beleži svaku promenu koja se dešava u našem okruženju. Kaže da se neće smiriti dok ne zaviri u svaki kutak na planeti… i šire.

[spoiler][/spoiler]

Istorija – Mudra star majka (čiju starost niko ne zna) koja zna puno interesantnih i prvenstveno ljudskih priča, ali mnogi bi da je nauče kako te priče treba pričati, kada i kome. Ima i onih koji joj stavljaju reči u usta, ali nekako, pre ili kasnije (neki put nikada) njena verzija izađe na videlo. Žena u godinama, pa neke stvari jednostavno odu u pravcu zaborava…

[spoiler][/spoiler]

Arheologija – Mlada dama sa izuzetnim afinitetom ka starom. Što je nešto starije, to je za nju interesantnije. Ima nula interesa za savremene tokove i novotarije, i jedino mesto gde je sigurno možete sresti, a da to nije neka ne istražena iskopina jeste – muzej.

[spoiler][/spoiler]

Genetika – Biologija se svakim danom sve više distancira od nje (ili je možda obrnuto), i ako su do skora bile nerazdvojne drugarice i koleginice. Želi da promeni svet na bolje, ali u poslednje vreme mnogi sa sumnjom gledaju na njene, navodno, dobronamerne ideje.  Uvek će vam za sve reći da su geni krivi…

[spoiler][/spoiler]

Šta vi mislite, zašto nam je neki put nauka nedokučiva?

Brza Furijeova transformacija je postala još brža

U svetu informatike (kao nauke) nema važnijeg algoritma od Furijeove transformacije, a stručnjaci sa MIT-a su našli načina da ga ubrzaju.

Furijeova transformacija je jedan od fundamentalnih koncepata u informatičkoj nauci. Ona predstavlja metod za prikazivanje ne regularnih signala – kao što je dinamička promena napona u žici koja povezuje  MP3 uređaj sa zvučnikom – kao kombinacija čistih učestanosti (frekvencija). Njena primena je univerzalna u obradi signala, a može se iskoristiti prilikom kompresije slike ili digitalnog audio zapisa. Sem toga, može pomoći u rešavanju diferencijalnih jednačina ili u praćenju dinamike tržišta i berze.

Tajna leži, u stvari, u algoritmu koji nazivamo brza Furijeova transformacija, razrađena šezdesetih godina 20. veka, koja omogućava brži račun Fourijeove transformacije, tako reći, u letu. Od kada je algoritam razvijen i ušao u primenu, pa sve do sadašnjeg trenutka, ljudi su se pitali da li je moguće osmisliti neki novi algoritam koji bi bio još brži.

Tokom januara meseca na simpozijumu Diskretnih algoritama (Symposium on Discrete Algorithms [SODA]), grupa istraživača sa MIT univerziteta je predstavila novi algoritam koji, u velikom broju praktičnih primena, poboljšava brzu Furijeovu transformaciju. Pod određenim uslovima, poboljšanje može biti značajno – desetostruko ubrzanje. Novi algoritam je posebno koristan prilikom kompresije digitalne slike. To bi omogućilo uređajima kao što je smartphone da bežičnim putem emituju video materijal, a da im taj proces ne iscrpi skoro svu energiju iz baterija ili da ne potroše mesečni Internet protok za mnogo kraće vreme.

Poput postojećeg starog algoritma, i novi radi sa digitalnim signalima. Digitalni signal je, niz brojeva – diskretan uzorak analognih signala, kao što je zvuk muzičkog instrumenta. Oba algoritma postojeći digitalni signal sa određenim brojem signala izražavaju (prikazuju) kao težinsku sumu (weighted sum) istog broja frekvencija.

Pojam težinski uz reč „suma“ proizilazi iz činjenice da neka vrednost, u ovom slučaju frekvencija ima veći udeo u konačnom rezultatu (veću „težinu“). Zaista, mnoge frekvencije imaju zanemarljivi udeo u konačnom rezultatu, pa ih slobodno možemo otpisati. Ovo je razlog zašto je Furijeova transformacija korisna prilikom kompresije digitalnih podataka. Blok od 8×8 piksela (piksel – 1 tačka na monitoru) se može posmatrati kao signal od 64 podataka ili kao suma od 64 različite frekvencije. Međutim, kao što istraživači pokazuju u svom skorašnjem radu, empirijska istraživanja pokazuju da, u proseku, možemo zanemariti 57 od tih 64 frekvencije. Sa druge strane, gubitak kvaliteta slike je minimalan.

Teško deljenje

Signali koje Furijeova transformacija formira na osnovu relativnog malo broja „teških“ frekvencija se nazivaju „sparse“ (oskudan). Novi algoritam „prepoznaje“ težinu najtežih frekvencija u signalu; što je signal oskudniji, to je veće ubrzanje koje algoritam daje. U krajnjem slučaju, ako je signal dovoljno oskudan, algoritam ga može interpretirati po principu slučajnog izobara, umesto da ga čita potpuno.

„U prirodi, većina normalnih signala su ’oskudni’.“ tvrdi Dina Katabi (Dina Katabi),  jedan od članova istraživačkog tima koji je razvio novi algoritam. „Razmotrimo, na primer, snimanje neke muzičke partiture kamerne muzike. Krajnji, kombinovani zvuk se sastoji od zvukova koje proizvode nekoliko instrumenata i to jednu notu u trenutku. Sa druge strane, snimanje svih mogućih instrumenata koji proizvode sve moguće zvukove u isto vreme ne bi bilo oskudno – ali to ne bi bio signal do koga je nekome stalo!“

Imajući ovo u vidu, kao neku vrstu definicije prirode signala oko nas, nastao je novi algoritam. Autori su profesori Katabi i Piotr Indyk, oboje sa MIT odseka koji se bavi kompjuterskom naukom i veštačkom inteligencijom. Uz njih, na istraživanju su radili i Erik Prajs (Eric Price) i Haitham Hasanej (Haitham Hassanieh), njihovi studenti. Novi algoritam se bazira na dva ključne ideje. Prva stvar je postojeći signal podeliti na uže propusne signale, i to tako da ti odsečci sadrže samo frekvencije sa velikom težinom.

Prilikom obrade signala, osnovni alat za izdvajanje frekvencije je filter. Međutim, filtri često imaju nejasne ili mutne granice. To znači da će određeni opseg frekvencija proći kroz filter, više manje ne promenjen, a frekvencije odmah van opsega filtera će biti prigušene. Što je veća razlika između opsega filtra i neke frekvencije, to će ona biti više prigušena. U krajnjem slučaju, neke frekvencije daleko od opsega neće uopšte proći i biće otklonjene zahvaljujući filtru.

Opisani princip rada filtra može dovesti do situacije gde će se neka od frekvencija sa velikom težinom naći na ivici opsega filtra i samim tim u situaciji da bude prigušena i zanemarena. Zbog toga, istraživači su morali naći efikasan način da kombinuju filtre sa različitim opsezima koji se preklapaju, sve sa ciljem da ni jedna teška frekvencija u ciljanom opsegu ne završi prigušena, ali da granice između isečaka i dalje ostanu dovoljno oštre.

Kada jednom izoluju neki segment spektra, istraživači su i dalje u poziciji da moraju odrediti koje su frekvencije najteže u datom delu. To su postigli učestalim seckanjem posmatranog dela spektra na manje delove i zadržavajući samo one gde je veći deo signala bio skoncentrisan. Za sada, prema radu koji je još neobjavljen,  istraživači opisuju znatno efikasniju tehniku, koja se oslanja na strategiju obrade signala koju koriste 4G telefonske mreže. Frekvencije se mogu posmatrati kao sitna talasanja, ali se zato mogu razmatrati kao oscilacije; obradom istog dela opsega ali u različitim trenucima vremena, istraživači mogu ustanoviti koja je frekvencija dominantna u određenom ciklusu oscilacije.

Istraživanje i rezultat koji sam upravo opisao nije prvo u ovoj oblasti. Dva istraživača sa univerziteta u Mičigenu (SAD), Ana Gilbert (Anna Gilbert) i Martin Štraus (Martin Štraus) su već ranije predložili algoritam koji bi ubrzao svemoguću brzu Furijeovu transformaciju. Međutim, njihov algoritam doprineo ubrzanju u znatno manjem broju slučajeva nego ovaj novi algoritam sa MIT-a. Možda je čak i bolji ali manju vrednost u primenjivanju, manja mu je težina. 😉

Poenta cele priče je – ako želite ubrzanje u domenu obrade podataka, imate dva moguća pristupa:

a) Napraviti još bolji i brži kompjuter koji će moći da se nosi sa još većom količinom podataka nego njegov prethodnik, a da pri tome ne gubite ni jedan jedini podatak

ili

 b) Da optimizujete procese do te mere gde će algoritmi nalaziti pravu i suštinsku informaciju, a sve ostalo proglasiti šumom i nepotrebnim.

Ovaj drugi pristup je definitvno brži, ali morate uvek imati na umu da se prilikom njegove primene može desiti neželjeni, vitalni gubitak informacije. Novi algoritam je tu i verovatno će naći svoju primenu, a koliko će nam pomoći u razvoju nauke i kompjutera, to će tek vreme pokazati.

 ***

U akustici, fizičke barijere, napravljene od čvrstih tela imaju tendenciju da odbijaju zvuk više frekvencije, a da propuštaju zvuk niže frekvencije. Kada se izvor zvuka ili muzike nalazi u susednoj sobi, slušalac će mnogo lakše čuti niže tonove od viših, pod uslovom da je između njega i izvora samo zid (bez ikakvih otvora).

 

Rakete na mehurasti pogon krstare kroz čovečiji stomak

Današnja tema su rakete!

„Cilindrični projektil koji može dostići velike visine ili distance, tako što sagoreva sadržaj koji nosi u sebi.“

Istorija rakete, kao izuma, je vrlo dugačka i datira još iz vremena antičke Kine. U današnje vreme, primenjivanje jednostavnog prinicipa akcije i reakcije (treći Njutnov zakon) koji pokreće rakete je široko rasprostranjeno, i dalje se smatra najboljim načinom da se čovek otisne sa planete Zemlje.

Rakete koje danas predstavljam, su vrlo specifične, po mnogo čemu, a najviše po tome gde se primenjuju – unutar čovečijeg stomaka!

Krenimo redom, i obećavam da prilikom pisanja ili čitanja ovog teksta neće nastradati i jedan jedni osetljivi stomak. 😉

U poslednje vreme istraživači i naučnici se bave projektovanjem specifičnih reketa. To su, u suštini, mikro motori (mikro = 10-6m [µm]), od kojih većina kao gorivo koristi visoko koncentrisani hidrogen peroksid (H2O2). Međutim, kako je u toj koncentraciji ovo gorivo opasno, to je njegova primena vrlo ograničena. To se posebno odnosi na primenu u medicinskoj praksi i istraživanjima. Najnovija studija predlaže novu vrstu mikro motora koja se kreće kroz kiselu sredinu, koristeći „vodonikove balone“, i ne zahteva dodatno gorivo. Pri jako niskim vrednostima pH faktora (manje od 3), novi mikro motori se mogu kretati brzinom od 100 dužina projektila u sekundi, i zbog toga ih naučnici nazivaju „mikro raketama“.

 Autoru rada su Vei Gao (Wei Gao), Ajsegul Ujgun (Aysegul Uygun) i Džosef Vang (Joseph Wang) sa univerziteta u San Diegu u Kaliforniji. Njihovo istraživanje je objavljeno u časopisu Journal of the American Chemical Society i objašnjava princip rada njihovih mikro raketa.

„Ovo je prvi dokumentovani primer hemijski pokretane mikro rakete koja sama sebe pokreće bez upotrebe dodatnog i spoljnjeg izvora goriva. (kao što je H2O2)“, tvrdi Vang. „Tako koncipirane rekete mogu u mnogome poboljšati primenu nano i mikro motora u ekstremnim uslovima (kao što je ljudski stomak ili u silikonskim kupatilima). Njihova primena može pomoći razvoj novih bio medicinskih i industrijskih poduhvata, kao što su dostavljanje lekova u određene delove tela ili generisanje nano  slika koje se mogu koristiti u industriji i njenim procesima.“

Slike pokazuju faze u procesu dostave materijala pomoću mikro raketa a) prilaz b) skupljanje c) transport d) otpuštanje

Mikro rakete imaju oblik sićušne cevi, dugačke 10 mikro metara, i prečnika od 2 do 5 mikro metara. Istraživači su napravili ove raketice od običnog polimera polianilina (PANI), a zatim su postavili, tanak sloj cinka (Zn) unutar samog projektila.

Kada se mikro raketa stavi u neki visoko kiseli rastvor, cink počinje da gubi elektrone i pošto ima negativniji redoks potencijal od vodonika izaziva stvaranje balona od vodonika (poput onih od sapunice). Istraživač su probali da iskoriste i druge metale kao što je gvožđe (Fe) ili olovo (Pb), ali najviše balona, ipak, pravi cink.

 Testovi su pokazali da se brzina mikro raketa povećava sa povećanjem kiselosti sredine (sa padom pH vrednosti). Najveća brzina od 1050 mikro metara u sekundi je postignuta sa projektilom koji je imao prečnik od 5 mikro metara, u sredini čija pH vrednost iznosila -0,2. Kada je isti projektil stavljen u sredinu pH vrednosti 1,3, brzina kretanja je spala na 10 mikro metara u sekundi. Bez obzira na činjenicu da rakete imaju  uski opseg delovanja kada su u pitanju pH vrednost sredine u kojoj se kreću, naučnici su primetili da se one mogu primeniti u stomaku. Vrednost pH faktora unutar stomaka je od 0,8 – 2,0, a slični uslovi se mogu naći unutar seruma (vakcina) koji se koriste u medicini.

[flv:http://nauka.rs/wp-content/uploads/2012/02/Raketa-u-stomaku.flv 640 480]

Usporeni prikaz kretanja mikro rakete na sopstveni pogon pri brzini od 500 µm/s. Izvor: Wei Gao, et al. ©2012 American Chemical Society

Testovi su pokazali da je životni vek raketa od 10 sekundi do 2 minuta., zavisno od toga koliko se brzo cink rastvara. Što je više cinka u projektilu i što je veća vrednost pH vrednost sredine to je životni vek veći (sporija reakcija ispuštanja vodonika).

Naučnici su pokazali da se rakete mogu kretati na ovaj način, ali to nije sve. Moguće je kontrolisati njihovo kretanje, a sem toga možete im naložiti da pokupe neki određeni tovar i da ga u nekom, kasnijem trenutku otpuste. Transportna uloga ovih raketa je postignuta dodavanjem magnetnog sloja na spoljnjem delu projektila. Taj sloj je omogućavao navođenje rakete koristeći magnetnu interakciju. Pokazali su da je moguće pokupiti polistirenski „tovar“, prevesti ga predodređenom putanjom a zatim ga ispustiti brzom promenom smera magnetnog polja.

[flv:http://nauka.rs/wp-content/uploads/2012/02/Raketa-u-stomaku-2.flv 640 480]

Magnetno navođeno kretanja mikro rakete pri brzini od 100 µm/s. Izvor: Video credit: Wei Gao, et al. ©2012 American Chemical Society

Naučnici predviđaju da se sposobnost navođenja može pokazati posebno korisnom za mnoštvo primena u medicini. Primena se na završava samo u toj oblasti, nego ima svoje industrijske aplikacije. Pošto je brzina kretanja projektila direktno vezana (zavisna funkcija) od kiselosti sredine, on se može koristiti za fino određivanje nepoznatih PH vrednosti. Primer tome je promena nivoa kiselosti u stomaku. Mikro motori sa cinkom nemaju potrebu za dodatnim gorivom koje bi nosili sa sobom i to ih čini vrlo pogodnim za dalje istraživanje njihovih primena u bilo kojoj industrijskoj, naučnoj ili inženjerskoj oblasti delovanja.

„Sa daljim poboljšanjima i optimizacijom, mi se nadamo da ćemo poboljšati i proširiti upotrebu mikro motora na sredine koje su manje kisele. Sem toga, radimo na tome da povećamo radni vek mikro raketa“ kaže Vang. „Takođe, istražujemo nove materijale da bismo proširili upotrebljivost naših mikro motora na širi spektar sredina.“

Više informacija: Wei Gao, et al. “Hydrogen-Bubble-Propelled Zinc-Based Microrockets in Strongly Acidic Media.” Journal of the American Chemical Society. DOI: 10.1021/ja210874s

***

Da pojasnim dve stvari.

1. Dok se intenzivno prave mehuri vodonika zbog reakcije cinka sa okolnom sredinom, baš su ti mehuri, koji guraju raketu napred. Razlog – brzina stvaranja mehurova je tolika da se oni međusobno guraju i potiskuju i na taj način guraju projektil u suprotnom smeru od njihovog širenja.

2. Gorivo za ovu raketu, na neki način, postoji i to je sam cink. Međutim, čim se on istroši raketa će stati. Reakcija koja pokreće ceo sistem je u većini slučajeva ne škodljiva za okruženje, tako da je standardno korišćenje hemijskog goriva kao kod velikih reketa, OVDE, prevaziđeni princip.

Kanarska ostrva – rađanje jednog ostrva

Nije najnovija, ali je definitivno vest koja svojim trajanjem samu sebe ističe, još uvek!

Kanarska ostrva, vlasništvo španske države, su mali arhipelag u Atlantskom okeanu u blizini zapadne obale Afrike koji već duže vreme drže pažnju naučnika, pogotovo geologa. Najkraće rečeno, da su ostrva živa bića, vest bi bila da ova mala porodica dobija prinovu! Bukvalno!

Ovde se sve to dešava

Šalu na stranu, južno od postojećih ostrva polako, ali sigurno, uzdiže se novo ostrvo. Kada se malo oduva pepeo i dim koji se tamo trenutno nadvija, situacija je malo jasnija. Na mestu budućeg nastanka, već mesecima radi podvodni vulkan koji neprekidno izbacuje magmu. Posledica ima nekoliko:

 a) Naučnici su fascinirani što prisustvuju tako jedinstvenoj pojavi (ne dešava se baš svaki dan)

b) Turisti su fascinirani i pomalo uplašeni što su baš sada došli na odmor na Kanarska ostrva

c) Živi svet u tom delu mora nema osećaj jer je odavno mrtav ili je pobegao odatle

d) Turistički radnici sa ostrva su očajni jer, imaju manju posećenost turista i slabiji ulov – dva osnovna izvora prihoda za njihov život su ozbiljno okrnjena.

Ribar Elio Morales Rodrigez  (Elio Morales Rodriguez) koij živi u mestu La Restinga, na južnom delu ostrva El Hieroo ima svoj komentar: „Ta zelena mrlja u vodi je mrtva zona. Ubija sve. Nema pecanja, škole ronjenja, nema turista, samo mrtva riba na površini.“

Još od novembra meseca podvodni vulkan radi svoj posao, na samo 5 kilometara od najjužnijeg i najmanjeg ostrva El Hierro. Ovaj podvodni vulkan sprovodi svoju aktivnost na dubini od 60 metara, pa se tu i tamo desi da gasovi i lava izlete kroz površinu mora. Ova situacija je bila još na početku, kada je erupcija primećena, sada je to malčice drugačije što pokazuje snimak koji prilažem u okviru teksta.

Ovaj događaj je privukao mnogo radoznalih kamera, a ljudi koji žive tamo se samo pitaju kada će se cela stvar stišati, pa da nastave da žive svojim normalnim životom. Njih ne zanima jedinstvenost ovog događaja…

Naučnici vele da je erupcija posledica dugoročne vulkanske evolucije Kanarskih ostrva (koja je očigledno, u toku), koja može proizvesti novo ostrvo ili da doda novu teritoriju na južnu obalu ostrva El Hierro.

[nggallery id=5]

Žitelji ovog arhipelaga ne moraju biti mnogo stari da bi potvrdili ovo što naučnici kažu:

1909 – erupcija Činjero (Chinyero) vulkano, na ostrvu Tenerife.

1949 – erupcija vulkana San Huan (San Juan), na ostrvu La Palma

1979 – erupcija vulkana Teneguja (Teneguia), isto na ostrvu La Palma.

***

2012 – rađanje novog ostrva!

Malo li je!? 🙂