В январе 2015 года материаловеды из США Рональд Коэн и Пэн Чжан из института Карнеги (Вашингтон) и Кристиан Хауле из университета Рутгерса (Нью-Джерси) опубликовали в журнале Nature статью «Effects of electron correlations on transport properties of iron at Earth’s core conditions» («Влияние электронных корреляций на свойства железа в земном ядре»). В своем исследовании американские ученые доказывали, что новая теория образования магнитного поля планеты, принятая после 2012 года, несостоятельна. Их расчеты, обоснованные компьютерным моделированием, подтверждали классическую теорию образования магнитного поля Земли.
Результаты их вычислений доказывали, что теплопроводность земного ядра не столь высока, как следовало из первых теоретических расчетов этой характеристики в 2012 году. Это вызвало большой резонанс, как в научных кругах, так и в общественных и научно-популярных СМИ.
Игорь Абрикосов – научный руководитель лаборатории НИТУ «МИСиС» «Моделирование и разработка новых материалов», заведующий отделом теории и моделирования Института физики, химии и биологии университета Линчёпинга, Швеция.
В своей работе исследователи применили новый метод вычислительной физики –динамическую теорию среднего поля (ДТСП) – и подтвердили, что именно тепловая конвекция, существующая в ядре Земли, служит источником магнитных полей нашей планеты. Это означало, что предыдущие расчеты с использованием, так называемой, теории функционала плотности (ТФП), и показывающие, что тепловая конвекция не может генерировать магнитное поле Земли, – не состоятельны.
После публикации статьи Коэна, Чжана и Хауле традиционная теория тепловой конвекции вновь была принята за основу для объяснения процессов формирования магнитного поля Земли. Однако уже в конце 2015 года группа ученых из НИТУ «МИСиС», Линчёпингского университета в Швеции, Института Йозефа Стефана в Словении и Ecole Polytechnique под руководством профессора Игоря Абрикосова обнаружила ошибку в вычислениях американских ученых, что снова привело к отказу от классической теории.
В результате американские исследователи согласились с аргументами российских и французских коллег, и отозвали свою статью из журнала Nature. Отзыв статьи и публикация опровержения в ведущем научном журнале мира – явление неординарное, а для исследований в области физики это произошло впервые.
Изучение поведения материалов, в частности железа, в экстремальных условиях сверхвысоких давлений и температур – одна из областей работы научной группы профессора Абрикосова. Расчеты, проведенные этой группой на таком высоком уровне, в научном мире могут совершить лишь несколько научных коллективов, занимающихся динамической теорией среднего поля.
Профессор Игорь Абрикосов, руководитель научной группы
«Наша научная группа давно занимается динамической теорией среднего поля (ДТСП), с одним из ее авторов – профессором Антуаном Джорджем – мы активно сотрудничаем. И наши предварительные результаты использования ДТСП качественно отличались от тех, которые опубликовали Коэн, Чжан и Хауле. Они утверждали, что при условиях земного ядра поведение железа отклоняется от теории Ферми-жидкости Ландау, мы же в своих исследованиях видели практически идеальное соответствие этой теории. Это побудило нас проверить и главный вывод работы о сравнительно низкой теплопроводности железа. Задача была очень сложной, но мы смогли провести уникальные расчеты, используя наш супер-компьютерный кластер Cherry в НИТУ «МИСиС».
Результат оказался для нас очень неожиданным: несмотря на то, что мы использовали совершенно тот же метод, что и Коэн, Чжан и Хауле, наш ответ в несколько раз отличался от опубликованного в Nature. В итоге все стороны признали, что к сенсационному результату ученых привела численная ошибка в расчетах».
Теория Рональда Коэна, Пэна Чжана и Кристиан Хауле получила широкое распространение в научных кругах, нашла своих последователей и продолжателей, которые в новых работах уже напрямую ссылаются на ее данные. Однако теперь ученым придется вновь вернуться к расчетам 2012 года, показывающим, что тепловая конвекция не может генерировать магнитное поле Земли. И дискуссия о термической истории планеты возобновлена.
«Лаборатория моделирования и разработки новых материалов была создана в нашем университете в 2014 году, — говорит ректор НИТУ «МИСиС» Алевтина Черникова. — Команда исследователей под руководством ученого с мировым именем, доктора физико-математических наук, профессора Игоря Анатольевича Абрикосова достигла впечатляющих результатов. Используя возможности суперкомпьютера НИТУ «МИСиС», научный коллектив профессора Абрикосова сокращает период разработки востребованных решений в области материаловедения».
Краткая справка о теориях магнитного поля Земли
На сегодняшний день не существует окончательной и общепризнанной теоретической концепции геомагнетизма. Существовавшая до 2012 года и считающаяся классической теория, утверждающая, что источником существования геомагнитного поля Земли является ядро планеты, не была подтверждена никакими расчетами.
В 2012 году британскому профессору Дарио Альфе и его команде впервые удалось подсчитать теплопроводность Земли с использованием теории функционала плотности (ТФП). Их результаты показали, что тепловая конвекция, существующая в ядре Земли, не может служить источником магнитных полей нашей планеты, как предполагалось ранее. Исходя из новых данных, внутреннее ядро Земли начало формироваться всего лишь около 1 млрд лет назад, а не 3,4 млрд, о чем свидетельствовали полученные ранее результаты исследований магнитных минералов в древних породах.
Авторам ТФП в 1998 году была присуждена Нобелевская премия.
В 2015 году американские ученые Рональд Коэн, Пэн Чжан и Кристиан Хауле, используя в своих расчетах более новую и более точную теорию (по сравнению с ТФП) – динамическую теорию среднего поля (ДТСП) провели новые расчеты, которые подтверждали верность классической теории.
Однако в 2015 группа профессора Игоря Абрикосова нашла численную ошибку в расчетах Рональда Коэна и Пэна Чжана, которая отменяет полученный ими сенсационный результат. Их статья была отозвана из журнала Nature, а авторами опубликовано опровержение.
Игорь Абрикосов – научный руководитель лаборатории НИТУ «МИСиС» «Моделирование и разработка новых материалов», заведующий отделом теории и моделирования Института физики, химии и биологии университета Линчёпинга, Швеция. Возглавляет рабочую группу крупнейшего в Европе научного сообщества Psi-k. При участии Игоря Абрикосова в НИТУ «МИСиС» ведутся перспективные исследования в области моделирования материалов.
Комментарии (21)
amarao
10.05.2016 14:03+2Что такое «среднее поле»?
Eol
10.05.2016 14:20+4Речь идёт о алгоритмах DMFT (dynamical mean-field theory) и DFT (Density functional theory), которые, вообще говоря, совсем не новы и очень давно используются в вычислительной физике для получения свойств сильно-коррелированных систем.
Сами методы, основанные на идее "среднего поля", базируются на следующей идее: вместо учёта полного взаимодействия между всеми частицами, что, вообще говоря, просто бесконечно сложна задача, учитывается движение отдельных электронов в некотором самосогласованном поле, которое создаётся другими частицами. Дальше эта задачка решается итеративно — решили уравнения для электронов, определили поле, и так далее, пока процесс не сойдётся.
Сами такие методы не являются точными, т.к. какими-то корреляциями между частицами приходится пренебрегать. Самое плохое, что метод неконтролируем — то есть невозможно выяснить, какова же погрешность метода. И иногда она бывает существенной, во всяком случае для действительно сложных систем, как правило, получить ответы, которым можно верить, получается далеко не всегда. В этом, собственно, их основная проблема проблема.
alltiptop
10.05.2016 14:24+11Так это и есть наука, а не слепая вера: гипотеза (1) — опровержение (2) — опровержение опровержения (3) — опровержение опровержения опровержения (4) и возврат к п.2.
Ждём пункта 5 с таким же результатом, будет совсем весело.
Сложно представить себе политика или священника, который на основе статистики или вычислений признаёт свою ошибку и начинает работать в новом направлении. Даже не на публику, а хотя бы для себя.
BalinTomsk
12.05.2016 00:14-2— священника, который на основе статистики или вычислений признаёт свою ошибку
Да сколько угодно — католическая церковь признала и то что земля круглая и врашается вокруг солнца и эволюцию, православная — что человек призошел от обезяны.
impetus
10.05.2016 17:25Хм, а что, разве до того была полностью общепринятая теория строения Земли (а заодно и земного магнетизма) — а не набор разной степени абстрагированности/упрощения гипотез (для разных отраслей немного по-разному заточенных), каждой из которых не хватало до полноценной теории больше, чем хватало… (там если в эту тему углубляться — то фраза «да забудь ты про учебники — в них лажа написана, просто потому надо же в учебнике что-то написать» сплошь и рядом будет выскакивать — и не от альтерантивно одарённых каких-то, а от вполне себе практикующих геофизиков)
hdfan2
10.05.2016 18:28> внутреннее ядро Земли начало формироваться всего лишь около 1 млрд лет назад, а не 3,4 млрд
Это как? Земле 4 млрд. лет, а ядру 1? Или и всей Земле тоже? Объясните, плиз.
SPBNike
10.05.2016 18:47>Физики из Орхусского и Копенгагенского университетов (Дания) доказали, что центр Земли значительно моложе ее коры, таким образом немного поправив нобелевского лауреата Ричарда Фейнмана.
https://lenta.ru/articles/2016/04/25/youngcentre/
(шутка)
Basil_BF
10.05.2016 22:51Я не ученый, но логично предположить что диференцироваться структура земли не сразу. То есть вначале просто перегретое месиво, потом постепенно более тяжелые элементы опускаются к ядру легкие идут на поверхность и там остывают. И постепенно осаждается ядро, которое много позже (из-за наверно большой и увеличившийся густоты протекало очень медленно)
Semenar
10.05.2016 20:30+1Мне кажется, или эти учёные не доказали несостоятельность теории, а опровергли опровержение другой? И эти вещи сами по себе разнятся: найти ошибку в чужом доказательстве и составить своё.
luxsofter
10.05.2016 20:30Можно узнать подробнее об суперкомпьютере НИТУ «МИСиС»?
science-misis
10.05.2016 21:05+3Да, конечно!
Вычислительный кластер (ВК) НИТУ «МИСИС» «Cherry» предназначен для решения сложных научно-технических задач.
Пиковая производительность: 33 Tflops
Производительность на тесте Linpack на 100 вычислительных узлах: 28 Tflops
Программные и аппаратные средства ВК Cherry позволяют решать одну задачу с использованием всего вычислительного ресурса, а также разделять решающее поле на части требуемого размера и предоставлять их нескольким пользователям.
Общая структура «Cherry»
В состав технических средств «Cherry» входят:
решающее поле из 102 вычислительных модулей (1632 процессорных ядра, 4 GPU);
управляющий узел и узел доступа на базе двух процессоров Intel Xeon E5-2650;
коммуникационную и транспортную сеть на базе FDR Infiniband;
сеть мониторинга и управления заданиями на базе Gigabit Ethernet;
параллельная отказоустойчивая файловая система на базе открытого пакета Lustre объемом 96 Тбайт;
Подробно можно прочитать здесь
Также в прошлом году в самом престижном журнале Nature была опубликована статья Игоря Абрикосова, самый первый пресс-релиз по этой статье появился на GT. В статье говорилось про исследование, которое стало возможным благодаря потенциалу его лаборатории и суперкомпьютеру :)
Halt
Может все-таки тепловая конвекция, а не конвенция?
grumbler66rus
Именно. Судя по кэшу гугля, опечатка сделана в пресс-релизе МИСиСа
Halt
К сожалению это не опечатка. В тексте статьи слово встречается 5 раз, что намекает на то, что написано оно умышленно. Печально, что материалы, судя по всему, не вычитываются специалистом.
zelenin
или намекает на то, что как слово, в котором можно делать опечатку, они скопипасчено 4 раза)
science-misis
Да, Вы правы, большое спасибо :)