Новости науки
Шестиугольник, который находится близ северного полюса газового гиганта Сатурна, купается в солнечных лучах, которые принесла с собой весна, пришедшая в северное полушарие планеты. Множество меньших по размерам вихрей можно обнаружить в области близ северного полюса планеты и на знаменитых кольцах Сатурна, которые словно исчезают из поля зрения на изображении, скрытые тенью, отбрасываемой планетой.
Этот снимок был сделан широкоугольной камерой космического аппарата НАСА Cassini с использованием специального фильтра, чувствительного к длинам волн инфракрасного света с центром на 750 нанометрах.
Этот вид был получен с расстояния примерно в 649000 километров от поверхности Сатурна под фазовым углом — углом Солнце-Сатурн-космический аппарат — в 21 градус. Масштаб снимка составляет 35 километров на один пиксель.
Космический аппарат Cassini вышел на орбиту к Сатурну 30 июня 2004 г., начав свою миссию по изучению газового гиганта, его окрестностей и спутников. Зонд продолжает свои исследования и по сей день.
Источник
Помимо классических космологических моделей общая теория относительности позволяет создавать и очень, очень, очень экзотические воображаемые миры.
|
Существует несколько классических космологических моделей, построенных с помощью ОТО, дополненной однородностью и изотропностью пространства (см. «ПМ» № 6, 2012, Как открывали расширение Вселенной). Замкнутая вселенная Эйнштейна имеет постоянную положительную кривизну пространства, которая приобретает статичность благодаря введению в уравнения ОТО так называемого космологического параметра, действующего как антигравитационное поле. В расширяющейся с ускорением вселенной де Ситтера с неискривленным пространством нет обычной материи, но она тоже заполнена антигравитирующим полем. Существуют также закрытая и открытая вселенные Александра Фридмана; пограничный мир Эйнштейна — де Ситтера, который с течением времени постепенно снижает скорость расширения до нуля, и наконец, растущая из сверхкомпактного начального состояния вселенная Леметра, прародительница космологии Большого взрыва. Все они, и особенно леметровская модель, стали предшественницами современной стандартной модели нашей Вселенной.
|
Есть, однако, и другие вселенные, тоже порожденные весьма креативным, как сейчас принято говорить, использованием уравнений ОТО. Они куда меньше соответствуют (или не соответствуют вовсе) результатам астрономических и астрофизических наблюдений, но нередко весьма красивы, а подчас и элегантно парадоксальны. Правда, математики и астрономы напридумывали их в таких количествах, что нам придется ограничиться лишь несколькими самыми интересными примерами воображаемых миров.
От струны к блину
После появления (в 1917 году) основополагающих работ Эйнштейна и де Ситтера многие ученые стали пользоваться уравнениями ОТО для создания космологических моделей. Одним из первых это сделал нью-йоркский математик Эдвард Казнер, опубликовавший свое решение в 1921 году.
Его вселенная очень необычна. В ней нет не только гравитирующей материи, но и антигравитирующего поля (другими словами, отсутствует эйнштейновский космологический параметр). Казалось бы, в этом идеально пустом мире вообще ничего не может происходить. Однако Казнер допустил, что его гипотетическая вселенная неодинаково эволюционирует в разных направлениях. Она расширяется вдоль двух координатных осей, но сужается вдоль третьей оси. Посему это пространство очевидным образом анизотропно и по геометрическим очертаниям похоже на эллипсоид. Поскольку такой эллипсоид растягивается в двух направлениях и стягивается вдоль третьего, он постепенно превращается в плоский блин. При этом казнеровская вселенная отнюдь не худеет, ее объем увеличивается пропорционально возрасту. В начальный момент этот возраст равен нулю — и, следовательно, объем тоже нулевой. Однако вселенные Казнера рождаются не из точечной сингулярности, как мир Леметра, а из чего-то вроде бесконечно тонкой спицы — ее начальный радиус равен бесконечности вдоль одной оси и нулю вдоль двух других.
В чем секрет эволюции этого пустого мира? Поскольку его пространство по-разному «сдвигается» вдоль разных направлений, возникают гравитационные приливные силы, которые и определяют его динамику. Казалось бы, от них можно избавиться, если уравнять скорости расширения по всем трем осям и тем самым ликвидировать анизотропность, однако математика подобной вольности не допускает. Правда, можно положить две из трех скоростей равными нулю (иначе говоря, зафиксировать размеры вселенной по двум координатным осям). В этом случае казнеровский мир будет расти лишь в одном направлении, причем строго пропорционально времени (это легко понять, поскольку именно так обязан увеличиваться его объем), но это и все, чего мы можем добиться.
Вселенная Казнера может оставаться сама собой только при условии полной пустоты. Если в нее добавить немного материи, она постепенно станет эволюционировать подобно изотропной вселенной Эйнштейна — де Ситтера. Точно так же при добавлении в ее уравнения ненулевого эйнштейновского параметра она (с материей или без нее) асимптотически выйдет на режим экспоненциального изотропного расширения и превратится во вселенную де Ситтера. Однако такие «добавки» реально изменяют только эволюцию уже возникшей вселенной. В момент ее рождения они практически не играют роли, и вселенная эволюционирует по одному и тому же сценарию.
Хотя казнеровский мир динамически анизотропен, его кривизна в любой момент времени одинакова по всем координатным осям. Однако уравнения ОТО допускают существование вселенных, которые не только эволюционируют с анизотропными скоростями, но и обладают анизотропной кривизной. Такие модели в начале 1950-х годов построил американский математик Абрахам Тауб. Его пространства могут в одних направлениях вести себя как открытые вселенные, а в других — как замкнутые. Более того, с течением времени они могут поменять знак с плюса на минус и с минуса на плюс. Их пространство не только пульсирует, но и буквально выворачивается наизнанку. Физически эти процессы можно связать с гравитационными волнами, которые столь сильно деформируют пространство, что локально изменяют его геометрию от сферической к седловидной и наоборот. В общем, странные миры, хотя и математически возможные.
|
Колебания миров
Вскоре после публикации работы Казнера появились статьи Александра Фридмана, первая — в 1922 году, вторая — в 1924-м. В этих работах были представлены удивительно элегантные решения уравнений ОТО, оказавшие чрезвычайно конструктивное воздействие на развитие космологии. В основе концепции Фридмана лежит предположение, что в среднем материя распределена по космическому пространству максимально симметрично, то есть полностью однородно и изотропно. Это означает, что геометрия пространства в каждый момент единого космического времени одинакова во всех его точках и по всем направлениям (строго говоря, такое время еще надо правильным образом определить, но в данном случае эта задача разрешима). Отсюда следует, что скорость расширения (или сжатия) вселенной в любой заданный момент опять-таки не зависит от направления. Фридмановские вселенные поэтому совершенно непохожи на модель Казнера.
В первой статье Фридман построил модель закрытой вселенной с постоянной положительной кривизной пространства. Этот мир возникает из начального точечного состояния с бесконечной плотностью материи, расширяется до некоторого максимального радиуса (и, следовательно, максимального объема), после чего снова схлопывается в такую же особую точку (на математическом языке — сингулярность).
Однако Фридман на этом не остановился. По его мнению, найденное космологическое решение отнюдь не обязательно ограничивать промежутком между начальной и конечной сингулярностью, его можно продолжить во времени как вперед, так и назад. В результате получается бесконечная гроздь нанизанных на временную ось вселенных, которые граничат друг с другом в точках сингулярности. На языке физики это означает, что закрытая вселенная Фридмана может бесконечно осциллировать, погибая после каждого сжатия и возрождаясь к новой жизни в последующем расширении. Это строго периодический процесс, поскольку все осцилляции продолжаются одинаково долго. Поэтому каждый цикл существования вселенной — точная копия всех прочих циклов.
|
Вот как прокомментировал эту модель Фридман в своей книге «Мир как пространство и время»: «Возможны, далее, случаи, когда радиус кривизны меняется периодически: вселенная сжимается в точку (в ничто), затем снова из точки доводит радиус свой до некоторого значения, далее опять, уменьшая радиус своей кривизны, обращается в точку и т. д. Невольно вспоминается сказание индусской мифологии о периодах жизни; является возможность также говорить о «сотворении мира из ничего», но все это пока должно рассматриваться как курьезные факты, не могущие быть солидно подтвержденными недостаточным астрономическим экспериментальным материалом».
Через несколько лет после публикации статей Фридмана его модели обрели известность и признание. Идеей осциллирующей вселенной серьезно заинтересовался Эйнштейн, да и не он один. В 1932 году за нее взялся Ричард Толман, профессор математической физики и физической химии Калтеха. Он не был ни чистым математиком, как Фридман, ни астрономом и астрофизиком, как де Ситтер, Леметр и Эддингтон. Толман был признанным специалистом по статистической физике и термодинамике, которую он впервые объединил с космологией.
Результаты оказались очень нетривиальными. Толман пришел к выводу, что общая энтропия космоса от цикла к циклу должна возрастать. Накопление энтропии приводит к тому, что все большая часть энергии вселенной концентрируется в электромагнитном излучении, которое от цикла к циклу все сильнее и сильнее влияет на ее динамику. Из-за этого протяженность циклов увеличивается, каждый следующий становится дольше предыдущего. Осцилляции сохраняются, но перестают быть периодическими. К тому же в каждом новом цикле радиус толмановской вселенной возрастает. Следовательно, в стадии максимального расширения она имеет наименьшую кривизну, а ее геометрия все больше и больше и на все более и более длительное время приближается к евклидовой.
Ричард Толман при конструировании свой модели упустил одну интересную возможность, на которую в 1995 году обратили внимание Джон Барроу и Мариуш Домбровский. Они показали, что колебательный режим вселенной Толмана необратимо разрушается при введении антигравитационного космологического параметра. В этом случае толмановская вселенная на одном из циклов уже не стягивается в сингулярность, а расширяется с растущим ускорением и превращается во вселенную де Ситтера, что в аналогичной ситуации также делает и вселенная Казнера. Антигравитация, как и усердие, превозмогает все!
|
Вселенная в Миксере
В 1967 году американские астрофизики Дэвид Уилкинсон и Брюс Партридж обнаружили, что открытое тремя годами ранее реликтовое микроволновое излучение с любого направления приходит на Землю практически с одинаковой температурой. С помощью высокочувствительного радиометра, изобретенного их соотечественником Робертом Дике, они показали, что колебания температуры реликтовых фотонов не превышают десятой доли процента (по современным данным они гораздо меньше). Поскольку это излучение возникло ранее 400 000 лет после Большого взрыва, результаты Уилкинсона и Партриджа давали основание считать, что если даже наша Вселенная и не была почти идеально изотропна в момент рождения, то она обрела это свойство без большой задержки.
Данная гипотеза составила немалую проблему для космологии. В первые космологические модели изотропность пространства закладывали с самого начала просто как математическое допущение. Однако еще в середине прошлого века стало известно, что уравнения ОТО позволяют построить множество неизотропных вселенных. В контексте этих результатов практически идеальная изотропность реликтового излучения потребовала объяснения.
Такое объяснение появилось лишь в начале 1980-х годов и оказалось совершенно неожиданным. Оно было построено на принципиально новой теоретической концепции сверхбыстрого (как обычно говорят, инфляционного) расширения Вселенной в первые мгновения ее существования (см. «ПМ» № 7, 2012, Всемогущая инфляция). Во второй половине 1960-х годов наука до столь революционных идей просто не дозрела. Но, как известно, за неимением гербовой бумаги пишут на простой.
Крупный американский космолог Чарльз Мизнер сразу после публикации статьи Уилкинсона и Партриджа попробовал объяснить изотропию микроволнового излучения с помощью вполне традиционных средств. Согласно его гипотезе, неоднородности ранней Вселенной постепенно исчезли из-за взаимного «трения» ее частей, обусловленного обменом нейтринными и световыми потоками (в своей первой публикации Мизнер назвал этот предполагаемый эффект нейтринной вязкостью). По его мысли, такая вязкость способна быстро сгладить изначальный хаос и сделать Вселенную почти идеально однородной и изотропной.
Исследовательская программа Мизнера выглядела красиво, но практических результатов не принесла. Главная причина ее неудачи опять-таки была выявлена с помощью анализа микроволнового излучения. Любые процессы с участием трения генерируют тепло, это элементарное следствие законов термодинамики. Если бы первичные неоднородности Вселенной были сглажены благодаря нейтринной или какой-то иной вязкости, плотность энергии реликтового излучения значительно отличалась бы от наблюдаемой величины.
|
Как показали в конце 1970-х годов американский астрофизик Ричард Матцнер и его уже упоминавшийся английский коллега Джон Барроу, вязкие процессы могут устранить лишь самые мелкие космологические неоднородности. Для полного «разглаживания» Вселенной требовались другие механизмы, и они были найдены в рамках инфляционной теории.
Но все же Мизнер получил немало интересных результатов. В частности, в 1969 году он опубликовал новую космологическую модель, имя которой позаимствовал... у кухонного электроприбора, домашнего миксера производства компании Sunbeam Products! Mixmaster Universe все время бьется в сильнейших конвульсиях, которые, по мысли Мизнера, заставляют циркулировать свет по замкнутым путям, перемешивая и гомогенизируя ее содержимое. Однако позднейший анализ этой модели показал, что, хотя фотоны в мизнеровском мире и в самом деле совершают длительные путешествия, их смешивающее действие весьма незначительно.
Тем не менее Mixmaster Universe очень интересна. Подобно замкнутой вселенной Фридмана, она возникает из нулевого объема, расширяется до определенного максимума и вновь стягивается под действием собственного тяготения. Но эта эволюция не гладкая, как у Фридмана, а абсолютно хаотическая и посему совершенно непредсказуемая в деталях. В молодости эта вселенная интенсивно осциллирует, расширяясь по двум направлениям и сокращаясь по третьему — как у Казнера. Однако ориентации расширений и сжатий не постоянны — они хаотически меняются местами. Более того, частота осцилляций зависит от времени и по приближении к начальному мгновению стремится к бесконечности. Такая вселенная претерпевает хаотические деформации, подобно дрожащему на блюдечке желе. Эти деформации опять-таки можно интерпретировать как проявление движущихся в различных направлениях гравитационных волн, гораздо более буйных, чем в модели Казнера.
Mixmaster Universe вошла в историю космологии как самая сложная из воображаемых вселенных, созданных на базе «чистой» ОТО. С начала 1980-х годов наиболее интересные концепции подобного рода стали использовать идеи и математический аппарат квантовой теории поля и теории элементарных частиц, а затем, без большой задержки, и теории суперструн.
Все знают, что свет переносит сигналы с максимально возможной в природе скоростью, почти 300 000 км/с. Правда, в любой прозрачной среде световые волны распространяются несколько медленней (в 1,33 раза в воде, в 1,5–2 раза в стекле и пластмассе, в 1,0003 раза в атмосферном воздухе).
|
Даже в алмазе, который превосходит все природные материалы по величине коэффициента преломления, скорость света равна 125 000 км/с. Ученые полагали, что снизить ее еще больше вряд ли возможно. Однако за последние годы физики смогли замедлить свет... вплоть до полной остановки. В 1999 году гарвардские исследователи произвели мировую сенсацию, сообщив, что облучение лазером почти непрозрачного сверххолодного газа из атомов натрия в состоянии бозе-эйнштейновского квантового конденсата заставляет его пропускать свет со скоростью в 17 м/с.
До полной остановки
Руководитель эксперимента Лене Вестергаард Хау назвала это достижение результатом на грани возможного, но вскоре пошла еще дальше. В 2001 году ее группа на короткое время сначала полностью заморозила свет внутри такого же конденсата, а потом высвободила его для дальнейшего движения. Задержка составила лишь одну миллисекунду, но спустя восемь лет гарвардские физики смогли задержать свет дольше, чем на секунду.
В этом нет никакой мистики. В вакууме световые волны невозможно ни остановить, ни даже чуточку замедлить. Однако профессор Хау и ее коллеги измеряли скорости миллисекундных лазерных вспышек, скомпонованных из монохроматических волн разной частоты. При наложении друг на друга эти волны частично гасятся и частично усиливаются, в результате чего формируется короткий световой импульс, или, как говорят физики, волновой пакет. Если он движется через вакуум, все его компоненты имеют одинаковую фазовую скорость, которая есть скорость самого пакета. Однако внутри любой среды фазовая скорость зависит от частоты (известное из школьного курса физики явление дисперсии). В итоге пакет перемещается со своей собственной скоростью (ее называют групповой), которая совсем не обязана совпадать с фазовыми скоростями составляющих его волн. Бозе-эйштейновский конденсат принадлежит к числу сред с очень сильной дисперсией и потому может замедлить световые импульсы во многие миллионы раз. Аналогичной способностью обладают некоторые менее экзотические среды, такие как горячий атомный пар и оптические волокна, допированные атомами эрбия.
Замороженный свет может хранить и переносить информацию, что также доказали Лене Хау и ее сотрудники. В 2007 году они пленили лазерную вспышку в бозе-эйнштейновском конденсате, а потом перенесли его атомы в другой такой же конденсат. Когда его облучили лазером и сделали оптически прозрачным, он породил световой сигнал — точную копию исходного лазерного импульса.
|
Фантастика
Методы получения медленного света давно уже опробованы научной фантастикой. Пионером в этом деле был американский классик Лайон Спрэг де Камп. Профессор Айра Метьюэн, герой опубликованной в 1940 году новеллы The Exalted (в русском переводе «Медведь в колледже»), смог с помощью электромагнитного излучения (!) в квадриллионы раз увеличить коэффициент преломления стержня из оптического стекла. Метьюэн даже был способен в течение часов собирать световую энергию внутри стержня и высвобождать ее за малую долю секунды — это уже что-то вроде твердотельного лазера с оптической накачкой. Еще один пример — удостоенный премии «Небьюла» рассказ Боба Шоу «Свет былого» (Light of Other Days, 1966), где «медленное стекло» с еще большим коэффициентом преломления пропускает изображения, задерживая их в себе на долгие годы. К сожалению, оба автора не обратили внимания на то, что стекло со столь исполинским коэффициентом преломления было бы совершенно непрозрачным, поскольку практически полностью отражало бы падающий свет. Фантастам не повезло и со снижением этого коэффициента. Человек-невидимка Уэллса после исчезновения преломляющей способности тканей своего организма — и, следовательно, хрусталиков обоих глаз! — просто бы ослеп.
... и не только
Фантастика фантастикой, но методы замедления света представляют несомненный интерес для фотоники. Они создают новую возможность манипулирования световыми импульсами с обширным спектром практических применений. Предположим, что на вентиль оптоволоконной системы одновременно поступает пара световых сигналов с многобитной информацией. Чтобы они не мешали друг другу, один сигнал можно задержать на входе с помощью светозамедляющего устройства (что вполне возможно уже сейчас). По всей вероятности, такие устройства станут применять для хранения и извлечения информации, в частности, в оптических компьютерах. Этим способом можно резервировать даже спутанные фотоны, что в 2008 году экспериментально показали физики из Калтеха. Не исключено, что все эти «результаты на грани возможного» — первый шаг к информационным технологиям недалекого будущего.
Андрей Ростовцев, докт. физ.-мат. наук, заведующий лабораторией физики элементарных частиц ИТЭФ, не только физик, но еще и тонкий ценитель и знаток вин. Он знакомит читателей ТрВ-Наука с научными аспектами казалось бы знакомого всем напитка.
Ричард Фейнман во время одной из своих знаменитых лекций заметил: «Поэт сказал однажды: "Весь мир в бокале вина". Мы, вероятно, никогда не поймем, какой смысл он в это вкладывал, ибо поэты пишут не для того, чтобы быть понятыми. Но бесспорно, что, внимательно взглянув в бокал вина, мы поистине откроем целую вселенную». Эти слова стали пророческими.
Действительно, бокал вина вдохновляет не только поэтов и философов, но и физиков. Во многих лабораториях мира вино закупается в качестве расходного материала для постановки важных физических экспериментов.
Взять хотя бы для начала такое известное явление, как «винные ножки». Если бокал с вином повращать, то на стенках возникают следы вина в виде подтеков. Французы называют их «винные ножки». Англичане — «винные слезки», а немцы — «церковные окна». Утверждение, что чем дольше держатся на стенках бокала ножки, тем вино лучшего качества, является мифом. На деле, на стенках бокала тонкая пленка вина превращается в постоянно работающий химический насос. Обогащенная этанолом жидкость загадочным образом поднимается вверх по стенке бокала, теряя по пути спирт за счет испарения, и тонкими струйками воды спускается вниз. Работа такого насоса продолжается до тех пор, пока в вине содержание спирта не опустится ниже некоего порогового значения.
Начиная с XIX века объяснение этого красивого явления традиционно связывают с разницей поверхностного натяжения воды и спирта или эффектом, названным в честь описавшего его итальянского физика Карло Марангони (Carlo Marangoni). Лишь совсем недавно физики обнаружили, что в динамике «винных ножек» эффект Марангони играет хотя и заметную, но далеко не определяющую роль. Так, профессор Рафаэль Тэдмор (Rafael Tadmor) в Университете Ламар (США) разработал динамическую модель «винных ножек», основанную на смачиваемости поверхности бокала [1]. Над решением этой же проблемы бьются целые научные коллективы в Парижском университете и Массачусетском технологическом институте (США). Несмотря на их героические усилия, в описании явления «винных ножек» еще имеется много белых пятен.
Во Французском университете г. Реймс (Шампань) вот уже несколько лет подряд над разгадкой секретов образования и развития пузырьков газа в бокале шампанского работают профессор Жерар Лиже-Белэр (Gerard Liger-Belair) и его коллеги [2]. Замечено, что игра в бокале шампанского тонкая и спокойная. Мельчайшие пузырьки углекислого газа тонкими ниточками поднимаются один за другим к поверхности. И наоборот, например в бокале «Советского "Шампанского"» игра бурная, крупного размера пузырьки поднимаются хаотично, расталкивая друг друга.
Традиционно в рамках российской научной школы объяснение этому явлению сводилось к тому, что в настоящих шампанских винах, выдержанных долгое время на осадке, углекислый газ по большей части находится в различных химически связанных состояниях, и поэтому рост пузырьков газа в бокале шампанского происходит очень медленно. В игристых винах, изготовленных по ускоренной технологии, такие связанные состояния углекислого газа не успевают образоваться, и пузырьки газа быстро нагуливают большой размер за счет диффузии растворенного в пересыщенном растворе газа. Логично. Но при ближайшем рассмотрении оказалось, что такая модель не работает.
Какие процессы определяют игру в бокале шампанского до сих пор, по большому счету, остается загадкой. Возможно, доминирующую роль в этих явлениях играют мономолекулярные слои, подобные тем, которые образуются на поверхности мыльных пузырей. Исследования с участием дорогих шампанских вин в г. Реймс продолжаются.
|
Раз уж разговор зашел об игристых винах, то уместно вспомнить опыт, когда-то описанный в журнале «Квант». Хрустальный бокал обладает резонансными частотами в акустическом диапазоне в области нескольких килогерц. Если в бокал налить простое тихое вино, то тон бокала станет немного ниже, но всё равно он будет звонким, музыкальным, вибрирующим длительное время на своих резонансных частотах. Но только стоит этот же бокал наполнить игристым вином, как вся мелодичность в миг исчезает и звук бокала становится глухим и коротким.
Физик Андрей Варламов, работающий в Университете «Тор Вергата» в Риме, предположил, что резонансные звуковые частоты бокала, наполненного игристым вином, эффективно поглощаются самими пузырьками газа. Логично. Но эта модель наталкивается на множество трудностей. Например, в разных игристых винах игра пузырьков газа проходит по-разному, от бурной до почти полного отсутствия пузырьков в идеально чистом бокале. Однако эти различия никак не сказываются на величине наблюдаемого явления, истинная причина которого до сих пор не ясна [3].
В лаборатории гидродинамики Федеральной политехнической школы в г. Лозанна (Швейцария) исследуют гидродинамические модели вращения вина в бокале. Англичане говорят: чтобы овладеть искусством дегустации вин необходимо помнить правило пяти «S»: See, Swirl, Smell, Sip, Savor. На этот раз швейцарские ученые углубились в исследование второго «S». Оказалось, что при вращении вина в бокале образуются волны различных видов. Самая простая из них — одиночная, состоящая из гребня волны, и из, как моряки говорят, подошвы волны (т. е. самой низкой части профиля волны между двумя последовательными гребнями).
Изменяя внешние условия эксперимента, можно добиться появления двойного гребня волны вина в бокале, затем тройного и даже квадрупольного. Выяснилось, что тип, возникающей при вращении бокала с вином волны зависит только от трех безразмерных параметров. Эти исследования гидродинамики волн, возникающих в бокале вина, помогают понять процессы, проходящие в орбитальных биореакторах-шейкерах [4].
Незабываемый Юрий Визбор в 70-е годы пел: «Задраены верхние люки, Штурвала блестит колесо. Ввиду долгосрочной разлуки. Всем выдан "Абрау-Дюрсо"...». В СССР сухой тихий каберне «Абрау» на атомных подводных лодках входил в ежедневный рацион. Радиация активизирует окислительные процессы в организме человека. Частично блокировать вредоносное действие ионов кислорода и азота в клетках тела способны антиоксиданты. Речь идет о природном танине ресвератроле, который в больших количествах присутствует в кожице винных ягод и экстрагируется при изготовлении красных вин. В одной бутылке красного вина содержится до 4 мг ресвератрола. Особенно его много в высокотанинных винах, таких как каберне.
В Питсбургском университете в экспериментах с мышами обнаружили, что при введении лекарственного препарата на основе ресвератрола из расчета не менее 10 мг на килограмм живой массы мыши начинают проявлять стойкость к последствиям облучения. Кстати, начиная с прошлого года, после длительного перерыва, винохозяйство Абрау-Дюрсо возобновило производство тихого сухого каберне.
Но, наиболее комичный и одновременно загадочный случай произошел не так давно в Национальном институте изучения материалов в Японии. Там изучали новые высокотемпературные сверхпроводники на основе железа. Казалось, что такими перспективными соединениями могли бы стать халькогениды, например соединение железа с теллуром FeTe. Но при понижении температуры это вещество превращается в антиферромагнетик и не оставляет ни малейшего шанса на сверхпроводимость. Разрушить внутрикристаллическую магнитную упорядоченность можно внедрением каких-нибудь дефектов, например инородных атомов серы. Но и этого оказалось недостаточно.
Однажды три японских студента зачем-то задержались вечером в лаборатории и забыли опытный образец FeTe/S на столе. На следующее утро этот образец показал себя великолепным сверхпроводником. Отчаявшись найти разумное объяснение этому явлению, японские ученые решили в точности повторить «лабораторные условия» прошедшей ночи. В первую очередь они закупили в ближайшем супермаркете саке, виски, вино и пиво и по очереди стали погружать халькогениды в эти напитки. Оказалось, что образцы приобретали свойства сверхпроводников в считанные часы, но самым эффективным в этом плане жидкостью оказалось недорогое красное вино с французским названием Bon Marche [5].
Любопытно и то, что просто разведенный водой этанол не дал нужного эффекта — для сверхпроводимости требовалось именно вино. С тех пор для исследований в области высокотемпературной сверхпроводимости на деньги выделенного гранта регулярно закупается вино, и уже от опытов с дешевыми напитками сотрудники японской лаборатории перешли к винам дорогим и более качественным.
Прав был Ричард Фейнман: внимательно заглянув в бокал вина, мы поистине откроем целую вселенную. Научные исследования в этом направлении продолжаются. Ждем новых открытий.
Голоса подсчитаны, и похоже, что «Вулкан» может стать новым именем для одного из самых маленьких спутников Плутона.
25-го февраля после нескольких недель проведения завершилось онлайн голосование, в котором принимали участие люди со всего мира. Этот опрос ставил целью выбрать имена для двух недавно открытых спутников Плутона, которые в настоящий момент проходят под временными названиями P4 и P5.
В 17:00 GMT было официально объявлено об окончании голосования. Общее число голосов на момент окончания опроса составило 450324 голоса, начиная с 11 февраля. При этом явным лидером списка стало имя «Вулкан», предложенное актёром Вильямом Шатнером из телесериала «Star Trek».
Имя «Вулкан» смогло набрать 174062 голоса, а следующим за ним в списке идёт имя Цербер, за которое проголосовало примерно 100000 участников.
Институт SETI, проводивший голосование, будет активно рекомендовать эти имена Международному астрономическому союзу (IAU), но окончательное решение о выборе имён остаётся всё же на усмотрение IAU.
Источник
Даже сравнительно небольшие ударные кратеры от падения метеоритов могли играть ключевую роль в происхождении и эволюции ранней жизни на Земле, согласно исследователю из Университета Западной Австралии (UWA).
Геолог Мартин Шмидер из Школы Земли и окружающей среды UWA сказал, что результаты его исследования указывают на то, что тепло, полученное нашей планетой в результате столкновений с метеоритами, оставалось в ударных кратерах ещё по крайней мере несколько сотен тысяч лет, до того как рассеялось.
«В своей работе мы проанализировали расплавленные при столкновении образцы горных пород, извлечённые из кратера Лаппаряви, Финляндия, и были удивлены результатами», — сказал доктор Шмидер.
Раньше учёные считали, что в небольших ударных кратерах тепло может сохраняться примерно 10000 лет, но доктор Шмидер при помощи новой техники, называемой аргон-аргонной датировкой, показал, что этот срок может составлять до 100000 лет.
«Это говорит о том, что ударные кратеры могли предоставлять идеальные условия для развития в них земных микробов», — говорит доктор Шмидер.
Ракета-носитель Polar Satellite Launch Vehicle (PSLV) успешно стартовала из Индии вчера, 25 февраля, и доставила на околоземную орбиту семь различных международных спутников.
Запуск состоялся в 12:31 GMT, при этом на борту ракеты находился небольшой (он весит всего 74 кг) «охотник за астероидами» — канадский спутник под названием NEOSSat, другие небольшие спутники из Соединённого королевства, Австрии и Дании, а также совместный проект Индии и Франции под названием SARAL — спутник для наблюдения за Землёй, который стал основной полезной нагрузкой ракеты.
Отчёты свидетельствуют о том, что все семь спутников благополучно достигли целевых орбит, и после проведения необходимых проверок оборудования они приступят к выполнению своих миссий.
Спутник NEOSSat (Near-Earth Object Surveillance Satellite) будет отслеживать крупные астероиды, приближающиеся к Земле, а также космический мусор, находящийся на орбите.
Спутник SARAL создан для отслеживания глобальных изменений в климате нашей планеты.
Среди остальных спутников есть как средства наблюдения глубокого космоса, так и космические аппараты, предназначенные для наблюдения за Землёй.
Источник
Догадаться о смысле термина-космические лучи, не зная истории вопроса, невозможно. А история состоит в том, что до 1930-1940-х годов причиной ионизации верхних слоёв атмосферы Земли считалось именно космическое излучение — фотоны высоких энергий. Со временем исследования показали, что космические лучи (КЛ) представляют собой не лучи света, а поток заряженных частиц, в основном, протонов и альфа-частиц, но название уже прижилось.
Помимо протонов и альфа-частиц, то есть, ядер водорода и гелия, в состав КЛ входят ядра более тяжёлых элементов, причём, примерно в пропорциях их общего содержания во Вселенной: 10% гелия, 1% тяжёлых элементов (вплоть до урана), остальное — водород (протоны). Иными словами, космические лучи представляют собой обычную материю, только сильно ионизованную и разогнанную до скоростей, близких к скорости света.
Механизмов, способных сообщить атомным ядрам такую энергию, не так много. И кажется вполне естественным предположение о том, что разгон КЛ как-то связан с одним из самых мощных явлений во Вселенной — со вспышками сверхновых. Это предположение было высказано в 1934 году Фрицем Цвикки и Вальтером Бааде и изначально опиралось, главным образом, на энергетические аргументы.
Полная плотность энергии КЛ в Галактике вполне сопоставима с плотностью других видов энергии (излучения, магнитного поля и пр.) и составляет порядка 1 эВ на куб. см. Однако со временем энергия одних частиц падает из-за взаимодействия с межзвёздной средой, другие частицы и вовсе покидают Галактику. Чтобы скомпенсировать эти потери, необходимо подпитывать космические лучи энергией с темпом порядка 1041эрг/сек. Сверхновые вполне способны обеспечить этот приток при условии, что в космические лучи перекачивается примерно десяток процентов энергии каждой вспышки. В качестве механизма ускорения заряженных частиц в оболочках сверхновых рассматривается сейчас диффузионное ускорение ударной волной. Теория этого процесса хорошо разработана и вполне способна объяснить наблюдаемые свойства КЛ.
Дело за малым — за наблюдательным подтверждением. Конечно, речь не может идти о том, чтобы непосредственно наблюдать процесс ускорения. Те частицы, которые мы детектируем на Земле и в её окрестностях, прошли через мясорубку гелиосферной ударной волны, по пути чего-то лишившись и чем-то дополнившись. Но даже изучение космических лучей за пределами гелиосферы не прольёт свет на их источник. Путешествуя по Галактике, заряженные частицы привязаны к силовым линиям магнитного поля, которые имеют весьма запутанную структуру, и потому направление на источник данной частицы в процессе её блуждания по Галактике полностью теряется. Приходится полагаться на косвенные наблюдения. Непрямым индикатором ускорения является нетепловое излучение, которое порождается частицами, разогнанными до релятивистских скоростей, при их взаимодействии с веществом и магнитным полем.
Причины генерации этого излучения различны. В диапазоне от радиоволн до рентгена оно имеет синхротронную природу и порождается релятивистскими электронами. Именно наблюдения синхротронного излучения оболочек сверхновых и стали доказательством того, что, по крайней мере, электроны в них действительно ускоряются до релятивистских скоростей.
Источником излучения высокой энергии в остатках сверхновых могут быть и протоны. Если релятивистский протон, разогнанный ударной волной, сталкивается с другим протоном, например, ядром атома водорода межзвёздного газа, в результате столкновения появляется пи-ноль-мезон, распад которого порождает два гамма-кванта с энергиями, примерно равными половине массы пи-мезона (она в энергетических единицах равна 135 МэВ).
Проблема состоит в том, что излучение в гамма-диапазоне частично может порождаться и быстрыми электронами. Это может быть тормозное излучение, для обозначения которого в английском языке почему-то используется немецкое слово Bremsstrahlung, или обратное комптоновское рассеяние, когда релятивистские электроны, взаимодействуя с фотонами (во Вселенной везде есть какие-нибудь фотоны), передают им часть своей энергии и «переводят» в гамма-диапазон. Но электроны, в отличие от протонов, с точки зрения происхождения космических лучей не так интересны; их доля в общем потоке КЛ составляет всего около процента.
Так что наблюдения остатков сверхновых в гамма-диапазоне сами по себе ещё не свидетельствуют, что там работает ускоритель именно протонов (и более тяжёлых атомных ядер). Одной из основных задач наблюдателей высокоэнергичного излучения являются поиски доказательств того, что рождающиеся в остатках гамма-кванты имеют не «лептонную» (электронную), а «адронную» природу, то есть, порождаются основным компонентом космических лучей. Одним из таких доказательство могут стать признаки распада пионов в спектре гамма-излучения остатка сверхновой.
Авторы статьи, опубликованной в феврале 2013 года журналом Science, уверяют, что им впервые удалось найти эти признаки в гамма-спектрах двух остатков сверхновых, IC 443 и W44, ударные волны которых налетели на молекулярные облака — идеальная ситуация для генерации пионного гамма-излучения.
От космических лучей гамма-излучение выгодно отличается тем, что не петляет по Галактике, а приносит информацию непосредственно из источника. Но наблюдать гамма-лучи тоже нелегко. Маркус Акерманн и его коллеги использовали для наблюдений телескоп LAT, установленный на борту космической обсерватории «Ферми». Теоретически, его диапазон простирается от 20 МэВ до 300 ГэВ, однако до недавнего времени чувствительности телескопа к гамма-квантам с энергией ниже 200 МэВ не хватало для наблюдений остатков сверхновых. Точнее, недостаточно совершенной была процедура обработки результатов наблюдений, включающая в себя, в частности, вычисление направления прилёта гамма-квантов и устранение фонового сигнала. Забавно, что существенным источником шума для таких телескопов являются «местные» космические лучи. Получается, что частицы КЛ, когда ускоренные в остатках сверхновых, долетев до Земли, сами мешают себя изучать.
Правда, даже после усовершенствования процедуры спектр удалось построить только для фотонов с энергиями выше 60 МэВ, так что нужный участок оказался на краю доступного диапазона. Тем не менее, по мнению наблюдателей, в спектре обоих остатков видно резкое снижение количества фотонов с энергиями меньше 200 МэВ, что соответствует почти полному их отсутствию в области энергий ниже тех, что в состоянии породить распадающийся пи-мезон. Это снижение хорошо описывается моделью пионного распада, тогда как модели, в которых гамма-излучение генерируется релятивистскими электронами, такой резкий спад объяснить не в состоянии.
Интенсивность гамма-излучения в остатках IC 443 и W44 соответствует плотности энергии космических лучей порядка 400 эВ на куб. см, что существенно выше среднего значения по Галактике. Простым сжатием существующих КЛ на фронте ударной волны такое повышение плотности не объяснить, поэтому можно предполагать, что релятивистские частицы имеют местное происхождение, то есть порождены самой ударной волной.
В общем, мозаика как будто складывается наконец-то в целостную картину. Это не означает, конечно, что тема закрыта. Во-первых, пока что показано, что протоны ускоряются в двух остатках сверхновых. Однако эти остатки не вполне типичны, и остаётся открытым вопрос о том, насколько полученные результаты применимы к любым галактическим сверхновым.
Во-вторых, сверхновые в любом случае объясняют происхождение не всех КЛ. Энергии частиц, так или иначе детектируемых на Земле или в околоземном пространстве, заключены в диапазоне, охватывающем 14 порядков: от нескольких МэВ до ЗэВ (1021 эВ). Предполагается, что только частицы с энергиями ниже 1018-1018 эрг имеют галактическое происхождение. Остальные приходят извне, и происхождение их остаётся довольно туманным.
Мечта о мирном атоме возвращается к жизни
Американское NASA разрабатывает дешевую, чистую и низкоэнергозатратную технологию холодного ядерного синтеза (LENR), которая может обеспечить каждый автомобиль, самолет и жилой дом небольшим и безопасным ядерным реактором.
На сегодня существует всего два варианта получения ядерной энергии: деление и синтез. Деление, реакция которого сопровождается выбросом огромного количества тепла вследствие расщепления больших атомов на меньшие, лежит в основе работы всех ядерных реакторов на Земле. Синтез является полной противоположностью: огромное количество энергии вырабатывается вследствие слияния атомов водорода вместе, но до крупномасштабных коммерческих термоядерных реакторов еще далеко.
Проект LENR не имеет ничего общего ни с делением, ни с синтезом. В основе вышеупомянутых реакций деления и синтеза лежат мощные ядерные силы, а LENR задействует слабые ядерные силы — но поймать эту энергию весьма сложно, пишет extremetech.com. Все усилия NASA на сегодняшний день направлены на работу с решеткой никеля и ионами водорода. Ионы проникают в никелевую решетку, а потом она облучается очень высокими частотами (5-30 терагерц). Возникшее вследствие этого колебание возбуждает электроны никеля, они сталкиваются с ионами водорода (протонами), формируя малоподвижные нейтроны. Никель тут же поглощает эти нейтроны и становится нестабильным. Чтобы вернуть стабильность, никель лишает нейтрон его электрона и тот становится протоном — реакция, которая превращает никель в медь и вырабатывает много энергии в процессе этого.
Ключом к чистоте и безопасности LENR являются медленные нейтроны, отмечаетhi-news.ru. В то время, как деление создает быстрые нейтроны (с энергией более 1 МэВ), LENR взаимодействует с нейтронами энергией меньше 1 эВ — это меньше одной миллионной от энергии быстрого нейтрона. Быстрые нейтроны создают хаос, когда сталкиваются с ядрами других атомов, а медленные нейтроны не вырабатывают радиации или радиоактивных отходов. Поэтому в перспективе LENR идеально подходит на роль домашнего ядерного реактора, который будет обеспечивать жилье теплом и электричеством.
Из статистики NASA, 1% мировой выработки никеля может удовлетворить мировые энергетические потребности, в четверть стоимости угля. NASA также отмечает, что решетку можно сделать из углерода вместо никеля, а ядерная реакция будет превращать углерод в водород.
Но, увы, так же, как в случае с синтезом, сложно создать систему LENR, которая будет производить больше энергии, чем требуется для начала реакции. NASA говорит, что 5-30 терагерцевые частоты, необходимые для колебания решетки, невероятно сложно производить. Но за последние несколько лет ученые добились определенных успехов в производстве и контроле терагерцевой радиации. Кроме того, технологию LENR изучают и за пределами NASA.
Во втором фильме о "Человек-пауке" супергерой попытался остановить переполненный поезд метро при помощи паутины. Три студента-физика из университета Лестера решили выяснить, может ли подобное стать реальностью и при каких условиях.
Расчёты показали, что единичный слой паутины способен остановить поезд нью-йоркской подземки, состоящий из четырёх вагонов и мчащийся на максимальной скорости, но при условии правильного её закрепления.
Сначала начинающие учёные определили, что паутине придётся принять на себя 300 тысяч ньютонов, то есть конструкция из паучьего шёлка, известного своей высокой прочностью, должна будет абсорбировать 500 миллионов джоулей энергии, чтобы выдержать нагрузку и не порваться.
Затем исследователи проанализировали тактику "Человека-паука". Он пытался остановить мчащийся к обрыву путей состав, закрепив несколько нитей паутины на соседних зданиях. Полученная "сеть" уберегла пассажиров от неминуемой смерти, как полагается, за несколько секунд до возможного падения поезда с большой высоты (в Большом яблоке линии метро часто проходят над улицами города).
Впрочем, по мнению физиков, хватило бы и одной нити, если бы это была нить, созданная пауком Дарвина (Caerostris darwini). Эти кругопряды выдают паутину, которая в 10 раз прочнее кевлара. Если быть точным, то "амортизировать" поезд мог бы материал с модулем Юнга в 3,12 гигапаскаля. Пауки Дарвина же выдают нити, у которых этот показатель доходит до 12 гигапаскалей.
"Учёные часто говорят о том, что паутина сопоставима по прочности со сталью. Мы решили проверить, что будет, если проверить её свойства на более высоком уровне. А потом очень удивились, когда поняли, что в фильме свойства этого природного материала, по сути, показаны реалистично", — рассказывает один из трёх студентов Алекс Стоун (Alex Stone).
"Наша работа многим покажется несерьёзной, но она научила нас как использовать физику в различных ситуациях, кроме того, мы произвели разбор работ других исследователей в этой области. А это важный вклад в развитие любого молодого исследователя, который планирует работать в этой области и дальше", — говорит другой автор Джеймс Форстер (James Forster).
Статью молодых авторов можно прочитать в издании Journal of Physics, PDF-версия статьи есть на сайте университета.
Интерактивная афиша Москвы 2do2go.ru рекомендует: столичный проект "Паноптикум научных развлечений" на ВВЦ предлагает всем желающим пройти испытание на мужество, бросив личный вызов стихии на аттракционе "Повелитель молний".
В течение 10 минут вы будете находиться в клетке с трансформаторами, генерирующими миллионы вольт, сможете видеть электрическую дугу, проходящую от указательного пальца, и слышать треск разрядов молний, которыми можно дирижировать как угодно.
Электричество вырабатывают три гигантские катушки Теслы, названные так в честь изобретателя - австро-венгерского физика Никола Теслы.
Каждому участнику выдается комплект одноразовой одежды: костюм, полностью закрывающий тело, перчатки, носки, обувь и шлем. Сверху надевается металлическая кольчуга, закрывающая все тело, включая лицо. Кольчуга представляет собой "клетку Фарадея" - устройство, защищающее от электрического излучения.
Как выяснил Майкл Фарадей, главное - чтобы размер ячейки в сетке был меньше длины волны излучения. Ячейки в кольчуге диаметром не больше 5 миллиметров, а на перчатках - двойной слой защиты.
Повелевать молниями можно вдвоем, что гораздо интереснее. Организаторы предупреждают, что молнии, вырабатывающие миллионы вольт - это не оптическая иллюзия и не рекламный трюк.
Аттракцион работает в выходные и праздничные дни. Начало сеансов - в 13:00, 15:00 и 17:00. Цена обычного билета - 500 рублей, а стоимость посещения клетки с молниями - от 5300 рублей.
Спустя всего неделю после печально известного взрыва огненного шара над Челябинском, астрономы опубликовали новую научную работу, в которой была произведена реконструкция орбиты и определено происхождение космического камня. Челябинский метеор взорвался примерно в 14-20 километрах от поверхности Земли и создал взрывную волну, нанесшую ущерб зданиям и выбившую стёкла.
Исследователи Жорж Зулуага и Игнасио Феррин из Университета Антиокии, Колумбия, США, использовали в своей работе довольно необычные ресурсы: они воспользовались видеозаписями, произведёнными многочисленными камерами наблюдения, установленными в Челябинске, которым удалось запечатлеть гигантский огненный шар. Опираясь на две основные видеозаписи, представленные ниже, и используя метод триангуляции, исследователи смогли рассчитать орбиту метеора.
Кроме того, учёным удалось выяснить происхождение космического гостя: они установили, что метеор принадлежит к классу так называемых «аполлоновских» астероидов.
Подчас испытанные, надёжные методы не теряют своей привлекательности даже в век бурного развития новых методов наблюдения в астрономии. Исследователи из Пражского университета продемонстрировали это недавно при изучении затменной двойной звезды V994 Геркулеса (V994 Her).
Исследователи П. Заше и Р. Ухла использовали метод, вероятно, знакомый всем тем, кто когда-либо интересовался историей астрономии, для подтверждения того факта, что V994 Her на самом деле является двойной звездой. Этот метод впервые использовал датский астроном 17 в. Оле Кристенсен Рёмер для измерения скорости света.
Этот метод открыл учёным поразительную картину: оказалось, что звёздная система V994 Her, находящаяся от нас на расстоянии в 796 световых лет, на самом деле состоит из двух пар с орбитальными периодами, составляющими соответственно 2,08 и 1,42 дня, причём полный оборот вокруг общего барицентра система совершает за 6,3 года. С видимой звёздной величиной, равной +7, V994 Her, расположенная в созвездии Геркулеса, является таким образом самой яркой четверичной затменной системой на ночном небе.
Даже вокруг умирающих звёзд могут обращаться планеты, на которых возможно существование жизни — и если такая жизнь существует, то мы, вероятно, сможем обнаружить её уже до конца следующего десятилетия, говорят исследователи.
Этот воодушевляющий результат представило нам новое теоретическое исследование землеподобных планет, обращающихся вокруг белых карликов. Исследователи показали, что мы можем обнаружить кислород в атмосфере планеты, обращающейся вокруг белого карлика намного легче, чем в атмосфере планеты, движущейся по орбите вокруг звезды, подобной Солнцу.
Когда звезда, подобная Солнцу, умирает, она освобождается от своих внешних оболочек, оставляя после себя горячее ядро, называемое белым карликом. Размеры типичного белого карлика примерно такие же, как у Земли. Он медленно остывает и тускнеет со временем, но он может оставаться достаточно горячим ещё достаточно продолжительное время, способный согревать близлежащую планету в течение миллиардов лет.
Хотя эти странные образования, расположенные на поверхности Марса, выглядят как таинственные иероглифы, на самом деле это совершенно естественные формы рельефа, подобные которым встречаются и на нашей планете.
Называемые «безкорневыми конусами», они сформировались из потоков лавы, которые взаимодействовали с подповерхностной водой или льдом. Их формирование связано с взрывным взаимодействием лавы с подземным льдом или водой, заключёнными в реголите под пробегающими потоками лавы. Испарение воды или льда, происходящее при их контакте с раскалённой лавой, вызвало взрывное расширение водяных паров, заставляя лаву «выстреливать» наружу и создавать характерные конусы.
Ландшафт, представленный на снимке, расположен на марсианских равнинах Amazonis Planitia — в обширной области, обильно покрытой застывшей лавой. Если бы этот снимок был цветным, на нём можно было бы рассмотреть поверхность, покрытую тонким слоем красноватой пыли, которая спустилась вниз при сходе лавин с крутых склонов, оставляя за собой тёмные полосы, говорят учёные НАСА.
Этот снимок сделан камерой HiRISE, установленной на космическом аппарате Mars Reconnaissance Orbiter.
Недавно группа американских физиков смогла сконструировать так называемый "кристалл времени" — структуру, возможность существования которой была предсказана уже давно. Особенностью кристалла является способность периодически становиться асимметричным не только в пространстве, но и во времени. Поэтому из него можно сделать сверхточный хронометр.
Кристаллы — вообще весьма парадоксальные образования. Взять хотя бы их отношения с симметрией: как мы знаем, сам по себе кристалл, если судить по его внешнему виду, можно считать просто образцом пространственной симметрии. Однако процесс кристаллизации есть не что иное, как ее злостное нарушение.
Это очень хорошо иллюстрирует пример образования кристаллов в растворе, например, каких-нибудь солей. Если проанализировать данный процесс с самого начала, то будет видно, что в самом растворе частицы расположены хаотично, и вся система находится на минимальном энергетическом уровне. Однако взаимодействия между частицами симметричны относительно поворотов и сдвигов. Однако после того, как жидкость кристаллизовалась, возникает состояние, в котором обе эти симметрии оказываются нарушенными.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что взаимодействие между частицами в получившемся кристалле совсем не симметрично. Из этого вытекает ряд важнейших свойств кристаллов — например, эти структуры, в отличие от жидкости или газа, по-разному проводят электрический ток или тепло в различных направлениях (могут проводить на север, а на юг — нет). В физике данное свойство называется анизотропией. Эта кристаллическая анизотропия уже давно используется человеком в различных отраслях, например, в электронике.
Еще одним интересным свойством кристаллов является то, что он, как система, всегда находится на минимальном энергетическом уровне. Что самое любопытное, он намного ниже, чем, например, в растворе, который "породил" кристалл. Можно сказать, что для того, чтобы получить данные структуры, нужно "отнимать" энергию у исходного субстрата.
Итак, при образовании кристалла происходит понижение энергетического уровня системы и нарушение исходной пространственной симметрии. А не так давно два физика из США, Ал Шэпир и Фрэнк Вильчек (кстати, нобелевский лауреат), задумались, возможно ли существование так называемого "четырехмерного" кристалла, где нарушение симметрии происходило бы не только в пространстве, но и во времени.
С помощью сложных математических выкладок ученые смогли доказать, что это вполне возможно. В итоге получилась система, существующая, как и реальный кристалл, на минимальном энергетическом уровне. Но самое интересное заключается в том, что она за счет образования определенных периодических структур не в пространстве, а во времени приходила бы к несимметричному конечному состоянию. Авторы работы назвали такую систему очень торжественно — "кристаллом времени".
Через некоторое время группа физиков-экспериментаторов во главе с профессором Чжан Сяном из Университета Калифорнии (США) решила создать такую систему уже не на бумаге, а в реальности. Ученые создали облако ионов бериллия, после чего "заперли" его в круговом электромагнитном поле. Поскольку электростатическое отталкивание одинаково заряженных ионов друг от друга заставляет их распределяться по кругу равномерно, исследователи, по сути дела, получили газообразный кристалл. И пока характеристики поля были неизменными, то состояние системы, по идее, тоже не должно было меняться.
В то же время расчеты, а затем и наблюдения показали, что это самое ионное кольцо не будет неподвижным. Газообразный кристалл постоянно вращался, и взаимодействия ионов при этом были то симметричными, то нет. Все это наблюдалось даже тогда, когда кристалл охладили практически до абсолютного нуля. Таким образом, эта структура действительно является "кристаллом времени": она проявляет свойства периодичности и асимметрии как в пространстве, так и во времени.
Любопытно, что неспешно вращающееся кольцо ионов, сконструированное группой профессора Чжана, вызвало у многих неспециалистов ассоциацию с вечным двигателем. Конечно, газовый кристалл внешне похож на perpetum mobile, однако на самом деле таковым не является. Ведь эта система не может совершить никакой работы, так как все ее составляющие находятся на одном энергетическом уровне (к тому же, минимальном). А согласно второму закону термодинамики, работа возможна лишь в той системе, составляющие которой находятся минимум на двух энергетических уровнях.
В то же время это вовсе не значит, что "кристалл времени" никак нельзя использовать для практических нужд. Профессор Чжан убежден, что на его основе можно сконструировать, например, сверхточный хронометр. Ведь переход от симметрии к асимметрии имеет ярко выраженную периодичность.
Пока же профессор и его коллеги хотят заняться более детальным изучением свойств созданной ими замечательной структуры…
Американские ученые при помощи направленного радиолуча создали стабильное облако плазмы в ионосфере, плотность которого вдвое превышает ранее достигнутые значения. Об эксперименте по созданию искусственных облаков ионосферной плазмы сообщает в своем пресс-релизе научно-исследовательская лаборатория ВМФ США.
Физикам из лаборатории ВМФ удалось получить тлеющий разряд на высоте 170 километров, который продолжал существовать в течение часа — пока не было прекращено излучение. Для этого ученые использовали передатчик HAARP, созданный в рамках программы исследования ионосферы высокочастотным воздействием. Его действие основано на принципеэлектронного циклотрона, в котором высокочастотное радиоизлучение возбуждает в веществе электроны, ориентированные постоянным магнитным полем, в данном случае — магнитным полем Земли.
Облако плазмы, созданное при помощи передатчика HAARP, показало плотность электронов вдвое превышающую ранее достигнутые значения — 900 тысяч электронов на кубический сантиметр. Параметры облака анализировались по обратному рассеянию коротковолнового и ультракоротковолнового радиосигналов, а также оптическими системами.
В результате эксперимента исследователи показали возможность создания «шаров» плазмы ниже верхнего слоя ионосферы. Такую задачу ученым поставило агентство оборонных исследовательских проектов США (DARPA) в рамках программы по изучению явлений в ионосфере. Целью программы является использование искусственно созданных облаков плазмы в атмосфере Земли в качестве «зеркал» для отражения коротковолновых радиосигналов.
Коротковолновое электромагнитное излучение отражается земной ионосферой, что позволяет передавать радиосигналы на значительные расстояниями. Ученые пытаются повторить этот эффект на высотах на 50 километров ниже, создавая локальные отражающие участки в атмосфере.
Проект по изучению ионосферы HAARP был запущен в 1997 году в Гаконе, штат Аляска. Основная исследовательская установка — высокочастотный радиопередатчик с фазированной антенной решеткой, состоящей из 180 антенн, расположенных на площади 13 гектаров. Мощность передатчика составляет 3,6 мегаватт.
а последнее десятилетие инженеры разработали множество технологий, позволяющих производить прозрачные дисплеи и прочие компоненты цифровых устройств. Создание прозрачных и гибких источников питания является более сложной задачей, так как электроды в батарее чрезвычайно сложно сделать достаточно тонкими для того, чтобы они были невидимыми, и при этом сделать их растяжимыми.
Джон Роджерс (John Rogers) из университета Иллинойса в городе Урбана (США) и его коллеги решили эту проблему, превратив литий-ионный аккумулятор в мозаику из микроскопических микро-капсул, соединенных в единое целое при помощи гибких проводников, заплетенных в «змейку».
Как объясняют исследователи, такая конструкция обладает сразу несколькими преимуществами.
- Во-первых, небольшие размеры капсул и соединяющих их проводников позволяют сделать батарейку полностью прозрачной.
- Кроме того, гибкие проводники между отдельными микро-ячейками позволяют такому аккумулятору растягиваться без риска разрыва проводников или контактных площадок. Ученые изготовили несколько прототипов таких аккумуляторов, используя медь и алюминий для изготовления контактных микро-площадок, полимерный гель в качестве электролита и медные микропровода — для плетения «змейки».
Роджерс и его коллеги зарядили батарейки, подключили к ним светодиод и проследили за тем, насколько сильно можно растянуть аккумулятор. Оказалось, что
их изобретение спокойно переносит любые деформации и способно растягиваться в три раза без потери свойств. Как полагают исследователи, данный источник питания, вместе с разработанным ими беспроводным «зарядником», может стать основой для полностью прозрачных и гибких мобильных телефонов и планшетов в будущем.
Эксперименты ученых из Германии показали, что плазма крови обладает упругостью. (кликните картинку для увеличения)
В нашей крови содержится большое количество достаточно громоздких клеток, очевидным образом оказывающих воздействие на кровоток. Однако до сих пор исследователи со всего мира считали, что остальная часть крови (плазма) представляет собой обычную жидкость и не оказывает влияния на этот процесс. Группа ученых из Германии в своей последней работе показала, что плазма обладает свойством упругости, как, к примеру, твердые тела. Эта так называемая «эластичность» может иметь важное значение для моделирования кровотока в мельчайших сосудах, а также для разработки искусственных заменителей, соответствующих по своим свойствам обычной крови.
Представьте себе конструкцию, состоящую из вязкой жидкости, размещенной между двумя горизонтальными дисками, один из которых (верхний) вращается. Сила, необходимая для вращения верхнего диска, определяется вязкостью жидкости. Если же верхний диск отпустить, можно составить представление о так называемой упругости жидкости – свойстве, о котором обычно говорят в ракурсе изучения твердых тел.
Поток цельной крови обладает сложными характеристиками благодаря красным кровяным клеткам, составляющим почти половину ее объема. Но до сих пор ученые считали, что плазма крови – это самая обычная жидкость, для которой характерна только вязкость. Ранние эксперименты не показывали ее упругости, поскольку использовавшиеся установки, состоящие из описанных выше двух дисков, не могли в достаточной степени «растянуть» жидкость. Для увеличения наблюдаемого эффекта группа ученых из University of the Saarland (Германия) использовала конструкцию из двух раздвигаемых пластин. В этой конфигурации вязкоупругая жидкость образует тонкую нить между пластинами с отдельными утолщениями, при этом для обычной воды такое поведение совсем не характерно.
Ученые обнаружили, что сходного эффекта можно добиться, как в обычной плазме крови, так и в ее синтетическом заменителе, полученном с помощью добавления полимеров к воде. Для количественной оценки свойств плазмы крови ученые использовали видеозаписи, позволяющие измерить диаметр нити и ее изменение с течением времени.
Стоит отметить, что некоторые предыдущие эксперименты косвенным образом свидетельствовали о наличии упругости в плазме крови. Однако она почти всегда объяснялась последствиями миграции белков к поверхности жидкости с созданием специфического поверхностного слоя. В своем эксперименте немецкие ученые позаботились о том, чтобы исключить вклад этого эффекта, в частности, с помощью добавления химических веществ, которые разбивают подобный поверхностный слой.
Как считаю ученые, их открытие очень важно для дальнейшего исследования крови и связанных с ней процессов в организме. Хотя свойства потока цельной крови действительно в значительной степени определяются эритроцитами, полное описание плазмы необходимо, чтобы лучше понять процессы, происходящие в сосудах. Поток обычной жидкости, к примеру, воды, может образовывать вихри за препятствиями (в частности, камнями, препятствующими быстрому потоку), в то время как вязкоупругая жидкость склонна образовывать вихри перед препятствиями. В организме такими препятствиями могут стать сужения кровеносных сосудов. Естественно, вихри будут влиять на образование сгустков рядом с препятствиями. Особенно важен эффект в мельчайших кровеносных сосудах в тех местах, где они разделяются на несколько мелких кровотоков. Как считают ученые, точная имитация всех процессов, характерных для таких мест, необходима для разработки полноценных синтетических заменителей крови.
Учёным давно известно, что на гигантском спутнике Сатурна Титане существуют целые озёра и моря из жидких углеводородов. И хотя фантазия сразу стремится нарисовать нам картину волн, плещущихся в этих морях, но разум задаёт справедливый вопрос: а не скованы ли моря Титана коркой льда? Ответ на этот вопрос постарались найти учёные из Корнельского университета, Итака, США.
Исследователи создали модели озёр и морей Титана, представляющих собой системы, состоящие из метана, этана и азота, а также проанализировали плавучесть твёрдых компонентов в этих системах, принимая во внимание термодинамическое равновесие. Учёным удалось выяснить, что лёд будет держаться на плаву в богатых метаном морях при температурах ниже температуры замерзания чистого метана, а также лёд будет плавать в богатых этаном морях, но при условии, что его пористость будет превышать 5% по объёму.
Однако в определённом диапазоне составов возможно одновременное существование льда как в форме образований, способных держаться на плаву, так и в форме льдин, которые опустятся на дно, указывается в исследовании.
- Научные труды...
- Видеоматериалы
- Каталог физических демонстраций
- 1. Механика...
- 2. Колебания и молекулярная физика...
- 3. Электричество и магнетизм...
- 3.1 Электрическое поле
- 3.2 Проводники в электрическом поле
- 3.3 Энергия электрического поля
- 3.4 Постоянный электрический ток
- 3.5 Магнитное поле
- Политика
- Солнечная система
- Эфир
- Ацюковский В.А. Лекции
- Черепенников В.Б. Науке нужна защита от лженаучных мошенников. Монография.
- Российской академии наук фундаментальная наука не нужна. Монография. Черепенников В.Б.
- Псевдонаучные труды (критика)
- Псевдонаучные статьи (обсуждение)
- Полемические статьи (обсуждение)
На сайте:
Интернет-журнал Ньютоновские чтенияНовости наукиПолитикаСолнечная система07.03.2023 09:50
«Эйнштейн и де Ситтер приходят к двум мыслимым типам вселенной; Эйнштейн получает так называемый цилиндрический мир, в котором пространство обладает постоянной, не меняющейся с течением времени кривизной; де Ситтер — шаровой мир, в котором уже не только пространство, но и весь мир обладает до известной степени характером мира постоянной кривизны. Настоящая заметка имеет целью... показать возможность получения особого мира, кривизна которого... меняется с течением времени». А. А. Фридман, «О кривизне пространства», 1922 год