Юный техник, 2006 № 03

Журнал «Юный техник»

Популярный детский и юношеский журнал.

 

КУРЬЕР «ЮТ»

Технологии технотекстиля

Современный текстиль — это не только ткани для одежды. Это наглядно показали 116 фирм из 21 страны, собравшиеся в Москве на II Международную выставку технического текстиля>, нетканых материалов и защитной одежды. Среди прочих посетителей там побывал и наш специальный корреспондент Виктор ЧЕТВЕРГОВ. И вот что там узнал.

«Пеленки» для дорог

Еще по дороге на выставку, из окна автобуса, я увидел, как рабочие, ремонтировавшие участок дороги и крутые откосы возле него, раскатывая рулоны, закладывают в грунт длинные полосы ткани.

«Под дорожное полотно укладывают так называемый геотекстиль, — Василий Мачихин, представитель Производственно-ремонтного объединения «Атлетикс» продемонстрировал мне кусочек необычайно плотной и прочной синтетической ткани из полиамидного волокна. — Этот материал не боится влаги, микробов и способен сохранять в грунте все изначальные качества не менее 50 лет»…

Космический скафандр — изготовляют из специальных сортов технического текстиля.

Закладка геотекстиля под дорожное полотно. Такая картина постепенно перестает быть экзотикой и в нашей стране…

Но зачем все-таки закапывать в землю довольно-таки дорогую ткань? Оказывается, в том есть свой резон. Например, когда в США строили знаменитое Панамериканское шоссе, пересекающее весь континент с севера на юг, то в некоторых местах заложили так называемую дорожную «подушку» из песка и гравия — (основание под асфальтово-бетонное покрытие) толщиной 10 м! Это сделано для того, чтобы дорога, проложенная по слабому, например, болотистому грунту, не «поплыла», не просела уже через несколько лет, а то и месяцев. Так вот, геоткань, уложенная в основание, позволяет сократить толщину такой «подушки» в 4 и более раз. А это дает существенную экономию на дорожных работах, одновременно улучшая качество и долговечность постройки. Почему?

«Тканевая прослойка под дорогой создает примерно такой же физический эффект, как лыжи на снегу, — пояснил В. Мачихин. — Лыжник не проваливается потому, что его масса перераспределяется на большую площадь, так и геоткань распределяет нагрузку. А ее высокая водопроницаемость позволяет дорожному полотну быстрее пропускать влагу в землю после дождя»…

Словом, «пеленка», подложенная под дорожную трассу, надолго сохранит ее идеально гладкой, не даст «проседать», предотвратит образование ухабов. Чтоб и в огне не горел, и в воде не промокал — таковы требования к костюму для пожарных.

Вернемся в «каменный век»?

В городе Ленинске, где живет обслуживающий персонал космодрома Байконур, мне как-то довелось видеть такую картину: трубы теплоснабжения и водопровода змеятся прямо по улицам, словно гигантские многокилометровые удавы. «Закапывать нельзя, — пояснили мне. — Грунт тут такой, что уже через полгода, а то и ранее трубы начинают протекать».

Впрочем, не только на Байконуре, в любом городе, поселке, где есть централизованное теплоснабжение, каждую зиму бьют из-под земли отнюдь не природные «гейзеры». Как бороться с авариями тепловых сетей? Можно ли существенно продлить жизнь трубопроводов?

Вот что предлагают для борьбы, с этой бедой, скажем, сотрудники фирмы «Каменный век» из подмосковной Дубны. Они представили на выставку образцы нитей и тканей, а также других изделий непривычно золотистого цвета. «Золото или медь здесь ни при чем, — пояснила мне представительница фирмы Кристина Попова. — Все это изготовлено из базальта»…

Чтоб и в огне не горел, и в воде не промокал — таковы требования к костюму для пожарных.

Каски и шлемы теперь не стальные, а из особых композитных материалов.

«Но базальт ведь это камень — одна из самых твердых горных пород», — наверное, удивитесь вы. Оказывается, современные технологи научились делать нити не только из хлопка или из синтетических волокон, но и из металла, камня…

Если разогреть горную породу до температуры 1450 °C, то и камень становится жидким, словно расплавленная сталь. Это хорошо видно, например, при вулканических извержениях, когда из кратера вулкана извергается жидкая лава. Из такого расплава технологи научились получать тонкие нитки, продавливая размягченную каменную массу сквозь фильеры — пластинки из огнеупорных материалов с мельчайшими отверстиями в них. И когда потом масса застывает, образуются тончайшие нити.

Каменная нить гибкая и в то же время весьма прочная, она не боится ни жары, ни холода, не ржавеет даже в самой агрессивной среде и не поддается микробам. Кроме того, каменная нить еще и недорога — ведь запасы базальтов в нашей стране огромны.

Получаемые из этого природного сырья тончайшие нити с успехом можно использовать и в качестве основы для производства композитных материалов. Например, недавно в Центральном научно-конструкторском бюро (ЦНКБ, г. Москва) совместно с НПО «Полимерстроймаш» разработана технология, рецептура и конструкция базальтопластиковых труб из сверхтонкого волокна с добавлением специальных полимерных компонентов. Такие трубы диаметром от 50 до 200 мм и длиной до 8,6 м, как показали испытания, хорошо выдерживают требуемый температурный режим при рабочем давлении до 16 атмосфер, а стало быть, вполне могут заменить стальные, широко применяемые сейчас в сетях горячего водоснабжения.

Отечественная новинка неоднократно представлялась на крупных выставках в России и за рубежом и получила высокую оценку специалистов. Более того, первые партии базальтопластиковых труб уже используются для ремонта старых и прокладки новых теплосетей в Москве и некоторых других крупных городах нашей страны.

Одежда для пекла

Из технотекстиля с особыми свойствами изготовляют и одежду. Только не обычную. Как рассказал заведующий лабораторией атомного ядра, доктор технических наук Борис Бенецкий, недавно на Нововоронежской АЭС проведены испытания костюма нового поколения, обладающего повышенными защитными, эргономическими и эксплуатационными свойствами. В проекте по разработке этого снаряжения были задействованы также ОАО «Пожтехсервис», ФГУ «Всероссийский НИИ противопожарной обороны МЧС РФ» и ОАО «НИИ эластомерных материалов и изделий».

Радиозащитный костюм РЗК позволяет обеспечить оптимальную защиту органов и тканей от радиации с учетом их различной чувствительности. Таким образом, увеличивается вероятность не заболеть за время пребывания ликвидатора в опасной зоне. Снаряжение изготовлено полностью из отечественных материалов — эластомеров и металлов — и защищает сразу от теплового, бета- и гамма-облучений. А конструкция герметичного внешнего скафандра спасает и от опасных для жизни газов. За границей подобных костюмов нет.

Этот костюм предназначен для защиты сотрудников противопожарной и аварийно-спасательных служб МЧС от агрессивных сред, огня и прочих опасностей, возникающих при пожарах, авариях на химически опасных объектах.

 

ИНФОРМАЦИЯ

МИКРОБЫ И ЭЛЕКТРИЧЕСТВО? Исследователей из санкт-петербургского Института электрофизики и электроэнергетики РАН заинтересовало, почему питьевая вода, прошедшая противомикробную обработку электрическими импульсными разрядами, сохраняет свою устойчивость к микробам затем еще около года. Серия специальных исследований показала: при очистке воды в нее «стекают» с электродов ионы, микрочастицы и наночастицы. С микробами «сражаются» частицы размером от 5 до 100 нанометров (это оксиды меди, серебра или железа) и ионы. Бактерии, поглощая ионы этих металлов, теряют химическое равновесие своих клеток и погибают. Теперь новый способ стерилизации воды хотят применить вместо традиционного хлорирования.

РАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ НА КИСЛОРОДЕ И МЕТАНЕ предлагают запустить в производство специалисты воронежского «Конструкторского бюро химавтоматики» (КБХА). Вместе со своими коллегами из итальянской фирмы «Авио» они уже начали разработку жидкостного ракетного двигателя, способного работать на таком топливе.

По словам заместителя генерального конструктора КБХФ Александра Шостака, новый двигатель будет наносить меньший экологический урон среде и предназначен для нового поколения перспективных ракетоносителей легкого класса. Интерес к таким двигателям уже проявили фирмы США, Японии и Европы, представители которых ознакомились с разработками воронежцев в ходе работы международного авиасалона МАКС-2005.

ЛАЗЕР ДОБЫВАЕТ ЗОЛОТО… Хабаровские ученые из Тихоокеанского государственного университета придумали, как с помощью лазера извлекать из породы тонкодисперсное золото с размером частиц в доли микрометра. Такое золото «размазано» по породе, и, хотя может составлять до половины его запаса в месторождении, извлечь драгоценный металл не так-то просто. Исследователи предлагают облучать измельченное сырье мощным лазерным лучом. При этом, как показал опыт, при нагреве до 600 °C несущая порода (алюмосиликаты, например) плавится, образуя крупные сферы и пустоты между ними. Дальнейший прогрев до 1000–1100 градусов плавит золото, оно начинает двигаться по пустотам; таким образом мелкие капельки драгоценного металла сливаются в более крупные сферы, достигая 0,1–0,5 мм в диаметре. А их уже можно извлечь обычным методом — измельчить породу и вымыть золото водой.

А ЦИСТЕРНАМИ ЛУЧШЕ… Чтобы не строить трубопровод в заповедной зоне Прибайкалья, представители компании «Российские железные дороги» (РЖД) выдвинули альтернативный проект. Они предлагают наконец загрузить работой уже построенную Байкало-Амурскую магистраль и именно по ней транспортировать цистерны с нефтью и бензином на Дальний Восток и в Китай. Таким образом удастся не только разгрузить Транссибирскую железнодорожную магистраль, рационально использовать ныне практически не действующий БАМ, но и сэкономить немалые средства на строительство новой нитки трубопровода до Забайкальска.

 

СОЗДАНО В РОССИИ

Хоть на земле, хоть в космосе…

По телевидению показали мобильный госпиталь, который наши спасатели привозят на место катастрофы для оказания помощи пострадавшему населению. Что он собой представляет? Есть ли подобные сооружения у спасателей других государств?

Виктория Свиридова ,

г. Саратов

За последние годы это сооружение стало довольно знаменито. Стоит где-то произойти очередному землетрясению, разразиться цунами или урагану — тут как тут наши спасатели со своим мобильным госпиталем. Разворачивается он за считаные часы, но имеет все возможности высококлассного стационарного медучреждения.

О том, как был задуман и создан этот госпиталь, мы попросили рассказать главного конструктора ОАО «Уфимский завод эластомерных материалов, изделий и конструкций» Вячеслава Васильевича Лобанова.

— Все началось после первых полетов человека в космос, — сказал он. — Обнаружилось, что размещать прилетевших космонавтов для отдыха и первоначального медосмотра негде. Даже переодеваться им приходилось, что называется, в чистом поле. А там условия далеко не всегда подходящие…

Тогда специалисты ЦНИИ авиационной медицины — а именно они занимались первые годы проверкой здоровья космонавтов — и попросили создать для них специализированные палатки. Такие, чтобы сами разворачивались в считаные минуты, чтобы в них было прохладно летом и не холодно зимой. Чтобы защищали от солнцепека, дождя и ветра.

С учетом всего этого нашими специалистами и был разработан, создан и испытан первый пневмомодуль. В отличие от обычной палатки, он имел силовые элементы пневмокаркаса. По своему устройству эти элементы напоминают камеру велосипедного колеса. Когда камера сдута, она мягкая, эластичная, может быть легко свернута. Но стоит подать в нее сжатый воздух, она расправляется, обретает форму бублика, которую устойчиво сохраняет даже под нагрузкой. Так же ведут себя и элементы пневмокаркаса. В надутом состоянии они способны противостоять даже очень сильным ветрам. В этом, кстати, конструкторы убедились во время испытаний. Причем бурю они устроили сами. И знаете, каким образом? Не надеясь особо на «милость» природы, привлекли на помощь технику… В качестве «ветродуя» использовали отслуживший свой срок в небе реактивный авиадвигатель. Поставили на берегу пруда и устроили показательную бурю с сумасшедшим ветром. И под этим ураганом конструкции должны были развернуться и удержаться.

Так выглядит пневмомодуль.

— Испытания прошли успешно, но, как говорится, аппетит приходит во время еды, — продолжает рассказ В.В.Лобанов. — Получив первый модуль, руководитель медиков-спасателей Владимир Ильич Белявский сказал, что одного модуля вообще-то маловато. Надо бы создать целый комплекс, в котором была бы и перевязочная, и диагностический блок, и операционный…

Словом, нужно помещение для медицинского центра со всем его оборудованием. Только не стационарное, а переносное, мобильное. Белявский же принимал участие и в разработке технического задания, и в проверке конструкторских решений, и в испытаниях специализированных модулей, из которых затем и составляется весь комплекс. А теперь командует десантированием мобильного госпиталя в любую точку мира. Сегодня наши спасатели работают, например, в Пакистане, завтра они могут оказаться на американском континенте, и еще пару недель спустя — в Африке… Да и на территории родной страны им работы хватает.

— Кстати, мы сравнивали нашу разработку с аналогичными конструкциями других стран, — сказал В.В.Лобанов. — Американцы, например, предпочитают жесткие модули из металла. Однако, чтобы доставить такой модуль в труднодоступный район, нужен грузовик, а то и вертолет. Наши модули в свернутом виде можно хоть на ослах перевозить. А уже через 2–3 часа после прибытия на место госпиталь готов принять первых посетителей. Причем в нем делают самые сложные операции, что позволяет спасать до 90 процентов пострадавших.

Конечно, прежде всего это говорит о мастерстве наших спасателей и врачей, но и условия работы тоже кое-что значат. Ведь многослойные пневмодули с кондиционерами и в жару и в холод, при дожде и при ветре позволяют врачам и их пациентам находиться в комфортных условиях.

Спасательный плот ПСН — надежный спутник моряка и спасателя. Он способен выдержать даже морской шторм.

Из модулей, как из кубиков, можно быстро собрать мобильное сооружение любого назначения.

— Вячеслав Васильевич, сейчас все чаще поговаривают о том, что пневмоконструкции можно использовать в космосе. Такие модули легко доставлять в свернутом виде на орбиту, а в надутом состоянии они позволят космонавтам иметь свой спортивный зал, большую оранжерею… Подобные конструкции пригодились бы участникам экспедиции на Луне или на Марсе…

— К нам пока с подобными просьбами никто не обращался. Будет задание — сделаем. И испытаем по полной программе.

Беседу вел С. ЗИГУНЕНК0

 

ПО СЛЕДАМ СЕНСАЦИЙ

Пассажиры «небесных странниц»

Атака кометы Темпль 1 , произведенная зондом НАСА 4 июля 2005 года (подробности см. в «ЮТ» № 9 за 2005 г.), показала, что внутри комета вовсе не такая, как снаружи. Полученные данные, в свою очередь, заставляют ученых разрабатывать новые теории происхождения жизни во Вселенной. И, конечно, на Земле.

Что показало вскрытие

Первые снимки столкновения снаряда, выпущенного с космического корабля миссии Deep Impact, показали: из области, на которую пришелся удар, полетели облака пыли, а также осколки льда. Собственно, проект на это и был нацелен, чтобы добыть из сердцевины кометы вещество, доступное для анализа как приборами самого космического аппарата, так и наземными телескопами.

Получив эти данные, Микаэль О'Хирн из Университета Мэриленда и его коллеги пришли к выводу, что Темпль 1 относится к кометам семейства Юпитера; впрочем, ее форма и свойства поверхности сильно отличаются от изученных ранее комет Вильд 2 и Борелли. Ученые сообщили также, что Темпль 1 состоит из необычайно мелких частиц, слабо связанных между собой. Иными словами, эта комета напоминает скорее смерзшийся порошок, нежели монолитный камень.

Космическому аппарату удалось проанализировать и некое, возможно, вызванное солнечным светом, истечение кометного материала на расстояние около 3 км. Оказалось, исходящие с поверхности кометы вещества содержат воду и углекислый газ. Но еще больше, чем воды, в нем органических соединений — формальдегида и метанола!..

«Кометы — это полуфабрикаты, материал которых не был использован зарождающейся Солнечной системой при формировании самого светила и планет возле него 4,5 млрд. лет назад, — полагают ученые. — Оставшись в глубоком вакууме при температуре, близкой к абсолютному нулю, кометы в отличие от других объектов Солнечной системы со временем почти не изменились. Они по-прежнему содержат первозданные лед, газ, пыль и… органику!»

Жизнь оказалась проще

Если «небесные странницы» действительно содержат органические молекулы, то и зарождение жизни на нашей планете, возможно, произошло проще, чем предполагалось до сих пор. Она могла быть занесена на Землю из космоса. Группа испанских и венгерских исследователей показала, что ранние формы РНК могли содержать количество генов, достаточное для функционирования очень простого организма.

Речь идет о линейных молекулах, называемых рибозимами. Они совмещают свойства нуклеиновой кислоты как хранилища генетической информации со свойствами ферментной молекулы, способствующей реализации другой функции. В данном случае — переводу генетической информации в необходимые клетке белки. На ранних стадиях жизни первые цепочки РНК, похоже, выступали сразу в двух ролях. С одной стороны, они были самовоспроизводящимися, как нынешняя двойная спираль ДНК, а с другой — могли участвовать в химических реакциях, необходимых для построения жизнедеятельной клетки. Единственным камнем преткновения для полного принятия этой «рибозиновой» теории зарождения жизни до сих пор являлся малый размер РНК-молекул: длина такой цепочки считалась недостаточной, чтобы содержать достаточно генов даже для самого простого организма.

Однако доктор Мауро Сантос с кафедры генетики и микробиологии Автономного университета Барселоны, под руководством которого и работала международная группа ученых, полагает, что критическое число генов может быть не 200, как полагали ранее, а вдвое меньшим. «Ста генов вполне достаточно для простейшего организма с функциональной активностью, — считает Сантос. — Рибоорганизмам не нужно столько генов, сколько бактериям»…

Не многовато ли случайностей?

Зарубежных исследователей поддержали и наши ученые — сотрудники Новосибирского Института катализа, работавшие под руководством академика В.Н. Пармона. Однако прежде чем мы ознакомимся с их гипотезой, вспомним вот о чем.

До недавнего времени главной гипотезой о происхождении жизни на Земле считалась выдвинутая еще в 1922 году гипотеза Опарина — Холдейна. В ее основе лежит теория абиогенного синтеза (абиогенез — происхождение живого из неживого). То есть ученые полагали, что вначале на нашей планете были лишь водород, вода, углекислый газ, метан и аммиак. Солнце, молнии, радиация и вулканическая лава «создали» из этих веществ первую органику, которая затем случайно сложилась в первые аминокислоты, полисахариды и нуклеотиды, из которых потом — тоже случайно — образовалась первая белковая молекула.

Параллельно из тех же составляющих (конечно же, совершенно случайно) образовалась первая молекула ДНК, которой суждено было стать хранительницей генетической информации. Затем молекулы белка и ДНК опять-таки случайно встретились и непостижимым образом «договорились» отныне жить и работать в едином организме, в котором белок бы защищал ДНК от стрессов, а ДНК несла информацию о строении этого белка. Так возникли простейшие безъядерные бактерии (молекулы ДНК, завернутые в белковую оболочку), первые организмы и т. д.

Однако российский ученый, профессор МГУ Лев Блюменфельд, вычислил, что вероятность случайного появления на свет молекулы ДНК за время существования Земли равна 10800. То есть для того, чтобы получить всего одну ДНК, у нас должно быть 10800 планет возраста Земли. А поскольку считается, что вся наша Вселенная состоит всего из 1080 атомов, непонятно, откуда взяться такому количеству планет.

Между тем, как показали исследования геологов, на Земле в породах, возраст которых 3,8 млрд. лет (а возраст самой Земли, напомним, чуть превышает 4 млрд. лет), уже наблюдаются ископаемые остатки довольно-таки сложных организмов. Откуда они взялись?

Все это привело к тому, что среди ученых сейчас становится все более популярным так называемый «принцип Реди»: «Живое — только от живого». Или, говоря иначе, получается, что жизнь на нашу планету скорее всего попала в виде зародышей из космоса. Что вроде бы и подтверждает анализ вещества, добытого из недр кометы Темпля 1.

Атака на комету Темпль 1 .

Сибиряки думают по-своему

Однако новосибирские биохимики, как уже говорилось, смогли взглянуть на проблему с другой стороны. Они предположили, что ДНК не возникла случайно из органического бульона, а стала продуктом эволюции другой, более простой, молекулы. Нечто похожее на эволюцию происходит, например, в процессе формозной реакции Бутлерова; помещенная в формальдегид молекула полисахарида запускает цепную реакцию, в результате которой в растворе появляются все новые полисахариды.

Тогда процесс возникновения жизни на нашей планете можно представить примерно так. В атмосфере молодой Земли формальдегидов было более чем достаточно. Они весьма активно образовывались в ней под воздействием молний или при соприкосновении воздуха с вулканической лавой, а затем растворялись в океане. Под воздействием жесткого солнечного излучения часть из них превратилась в простейшие сахара, положив начало цепной реакции Бутлерова. Из-за присутствия апатита получившийся в океане питательный раствор больше подходил для рибозы, поэтому она получила преимущество, обзавелась дополнительными группами и «склеилась» в первые молекулы ДНК. Правда, ученые, как и создатели теории Опарина — Холдейна, не объясняют, каким образом ДНК оказалась окруженной белковым слоем. Над этим еще предстоит поработать.

Плазма — тоже живая?

Впрочем, рибоорганизмы — могли быть не единственной формой ранней жизни на нашей планете. Если биохимики долгое время считали, что жизнь на Земле возникла в процессе сложной и длительной эволюции химических веществ, закончившейся образованием живых клеток, то физики, словно в насмешку, получили из газообразной плазмы шарики, которые удовлетворяют основным требованиям, предъявляемым к биологическим клеткам: они растут, размножаются и сообщаются.

Румынский профессор Мирча Сандуловичу и его коллеги продемонстрировали шарики плазмы диаметром от нескольких микрометров до 3 см, которые были получены ими из инертного газа аргона. Плазменные шары не только растут, но и время от времени распадаются надвое, то есть воспроизводят сами себя. Они также испускают электромагнитные волны — ученые предлагают считать это обменом информацией.

«Таким образом, можно предположить, что перед нами прототипы первых живых клеток на Земле», — утверждает профессор Сандуловичу.

Биологи, правда, возражают: самая низкотемпературная плазма имеет температуру 10 тысяч градусов, при которой ДНК, основа жизни, возникнуть не может. Но как мы только что выяснили, первые прообразы живого могли быть и РНК-организмами, менее чувствительными к условиям окружающей среды. Кроме того, Сандуловичу настаивает на том, что его с коллегами открытие может положить начало новой теории образования жизни если не на Земле, то на других планетах. «Подобные живым клеткам сферы, описанные нами, могут лежать в основе форм жизни, которые мы еще не изучали», — полагает румынский физик.

Г. МАЛЬЦЕВ

 

ГОРИЗОНТЫ НАУКИ И ТЕХНИКИ

Охота за бозоном Хиггса

В заголовке нет ошибки: охота ведется не за бизоном, а за бозоном и ведут ее не охотники, а физики-экспериментаторы, поскольку так называется не животное, а некая гипотетическая частица. Когда началась эта охота и к чему она может привести, мы с вами и попробуем разобраться.

Схема линейного ускорителя нового поколения.

Новое — подзабытое старое?

Загадочная частица получила свое название по имени профессора Питера Хиггса из Эдинбургского университета. Еще в 60-е годы прошлого столетия он предположил, что Вселенная вовсе не пуста, как нам кажется. Все ее пространство заполнено некой тягучей субстанцией, через которую осуществляется, например, гравитационное взаимодействие между небесными телами, начиная от частиц, атомов и молекул и кончая планетами, звездами и галактиками.

Другими словами, профессор предложил вернуться к идее всемирного эфира, которая однажды была уже отвергнута. Но поскольку физики тоже люди и не любят сознаваться в своих ошибках, то новую-старую субстанцию решили называть «полем Хиггса». И сейчас считается, что именно оно, это силовое поле, придает ядерным частицам массу. А их взаимное притяжение обеспечивается носителем гравитации, который вначале назвали гравитоном, а теперь бозоном Хиггса.

«Первокирпичики Вселенной»

Физикам давно бы хотелось добраться до таких частиц, которые бы можно было назвать «первокирпичиками Вселенной». С этой целью они открыли уже множество частиц, которые поначалу опрометчиво назвали элементарными. Однако всякий раз оказывается, что каждая «элементарная» частица, в свою очередь, делится на еще более элементарные. В итоге полный перечень элементарных частиц представляет сегодня весьма внушительный манускрипт. Специальный международный центр, который ежегодно обнародует сведения о новых элементарных частицах, каждый раз выпускает брошюру объемом около 50 страниц.

Впрочем, основных элементарных частиц не так уж много — всего десяток-другой, но и прочие важны для мироздания. Причем бесконечно дробить материю нельзя. Так можно дойти до абсурда и получить какой-нибудь бессмысленный результат, подобный полутора землекопам в неверно решенной школьной задачке.

Одно время исследователи надеялись было остановиться на кварках. Но теперь получается, что и кварков становится чересчур много для «первокирпичиков»… И сейчас на роль основного элемента Вселенной исследователи прочат опять-таки бозон Хиггса. Потому на него и охотятся.

Ловушка для бозона

В 2000 году физикам показалось, что бозон Хиггса наконец пойман. Однако серия экспериментов, предпринятых для проверки первого эксперимента, показала, что бозон снова ускользнул. Тем не менее, ученые уверены, что частица все-таки существует. А чтобы ее поймать, нужно просто построить более надежные ловушки, создать еще более мощные ускорители.

Один из самых грандиозных приборов человечества всеобщими усилиями строится сейчас в Европейском центре ядерных исследований близ Женевы. Класс установки обычно определяется энергией пучка, которая измеряется в электрон-вольтах (эВ). Самым крупным ускорителем в мире был выработавший свой ресурс, а потому закрывшийся в 2000 году Большой электронно-позитронный коллайдер (LEP), работавший в Европейском исследовательском центре CERN возле Женевы. На следующей ускорительной установке, которую назвали Новым линейным коллайдером (NLC), физики рассчитывают достичь энергии пучка в 250 млрд. эВ.

Электроны и соответствующие им античастицы — позитроны — рождаются в разных концах агрегата длиной более 30 км. Высокочастотное электромагнитное поле несет их друг к другу, как мощная волна несет на себе серфингистов. Столкновение частиц материи и антиматерии, движущихся внутри NLC со скоростью, предельно близкой к скорости света, должно высвободить энергию, достаточную для обнаружения пресловутого бозона Хиггса. Ведь NLC рассчитан на чудовищную энергию столкновения частиц, в нем смогут возникать даже лабораторные «черные дыры».

Все, что происходит при столкновении электронов и позитронов, будет зафиксировано при помощи специальных устройств, называемых детекторами. Попросту говоря, детектор — это сверхбыстродействующи аналог цифрового фотоаппарата. Он состоит из приборов с зарядовой связью, расположенных по кольцу вокруг узкой трубы, в которой происходят столкновения электронов с позитронами.

В течение долей секунды после каждого столкновения измерительные приборы сообщат компьютеру, получили ли они какой-нибудь сигнал, и если да, то какой. Вся эта информация затем сохраняется в обширной базе данных. Обработав около 300 миллионов ее элементов, физик может проследить движение каждой частицы, как сыщик выследил бы скрывающегося преступника по следам его операций с кредитными картами.

Так выглядит клистрон — основной элемент ускорителя.

На пути к «теории всего»

Впрочем, ловят бозон Хиггса не только для того, чтобы убедиться в справедливости предвидения профессора, найти еще одного кандидата на роль «первокирпичика Вселенной». Гипотетическая частица, по мнению многих ученых, позволит сделать очередной шаг по созданию Стандартной модели мира или Единой теории, которую иногда также называют «теорией всего».

Сейчас исследователям известно четыре типа фундаментальных взаимодействий между частицами. Первое и наиболее общее взаимодействие — гравитационное, которое испытывают все частицы без исключения. Оно проявляется в том, что все материальные объекты, будь то микрочастицы или макротела, притягиваются друг к другу с силой, пропорциональной их массам. Это взаимодействие по собственным ощущениям знает каждый человек, а описывается оно законом всемирного тяготения.

Переносчиками гравитационного взаимодействия по идее должны быть гравитоны — электрически нейтральные частицы, которые не имеют массы покоя и распространяются со скоростью света. При обычных плотностях материи гравитационное взаимодействие чрезвычайно слабо. По этой причине гравитоны до сих пор не найдены, хотя их пытаются обнаружить не один десяток лет.

В ядре работают другие силы — электромагнитные. Именно электромагнитное взаимодействие определяет структуру атомов, молекул, а значит, в конечном счете то, что окружающий нас мир таков, каков он есть. Это взаимодействие присуще только электрически заряженным частицам — электронам, протонам, заряженным мезонам. Обеспечивается оно квантами электромагнитного поля — фотонами, которые, подобно гравитонам, не имеют ни заряда, ни массы покоя и распространяются со скоростью света.

Третье, так называемое слабое, взаимодействие наиболее отчетливо проявляется в процессах с участием нейтрино — электрически нейтральной частицы, которая тоже, вероятно, не имеет массы покоя. Слабое взаимодействие имеет одно очень важное свойство: будучи действительно несильным при сравнительно малых энергиях, оно быстро усиливается с ростом энергии взаимодействия. При энергиях порядка нескольких сот гига-электрон-вольт слабое взаимодействие по своему влиянию уравнивается с электромагнитным.

Квантами — переносчиками слабого взаимодействия служат так называемые W- и Z-мезоны — очень тяжелые частицы, с массой примерно 80 и 90 ГэВ соответственно. Интересно, что эти частицы, подобно планете Нептун, были открыты теоретически, «на кончике пера». И лишь затем в начале 1983 года W- и Z-мезоны были обнаружены в экспериментах.

И наконец, четвертое фундаментальное взаимодействие, самое сильное из всех, так и называется сильное. Оно примерно в сто раз сильнее электромагнитного и присуще тяжелым ядерным частицам — нуклонам (протонам и нейтронам), пионам (разновидности мезонов) и их «сородичам». Из этих частиц, именуемых адронами, состоят атомные ядра, а в ходе их взаимодействия выделяется ядерная энергия. В последние двадцать лет выяснилось, что адроны — не элементарные частицы; они состоят из кварков, склеенных друг с другом глюонами.

Таким образом, как мы видим, в мире имеется четыре вида взаимодействий, которые, казалось бы, радикально отличаются друг от друга как по силе, так и по своим особенностям. «Но стоит задуматься, — полагают ученые, — а всегда ли было такое различие между этими взаимодействиями? Нет ли между ними внутренней связи, которая указывала бы на их происхождение от единого, более универсального взаимодействия в результате спонтанного нарушения симметрии?..»

Сейчас на этот вопрос с большой степенью вероятности можно дать утвердительный ответ. В первую очередь это касается электромагнитных и слабых взаимодействий. Во всяком случае, теория говорит о том, что электромагнитное и слабое взаимодействия — «потомки» одного, так называемого электрослабого, взаимодействия. А носителем этого взаимодействия должен быть как раз бозон Хиггса. Получается, эта частица обязательно должна существовать — иначе рушится сама теория.

С. НИКОЛАЕВ , научный обозреватель «ЮТ»

В Европейском исследовательском центре готовятся к новым экспериментам.

 

РАЗБЕРЕМСЯ, НЕ ТОРОПЯСЬ…

Ах, какие пузыри!

Вряд ли есть на Земле человек, который бы ни разу в жизни не видел мыльных пузырей. Эта детская забава миллионов и миллионов людей для физиков предмет изучения. Недаром великий английский физик лорд Кельвин в одной из своих лекций сказал: «Выдуйте мыльный пузырь и посмотрите на него. Вы можете заниматься всю жизнь его изучением, не переставая извлекать из него уроки физики». Так что же удивительного находят в мыльном пузыре ученые?

«Частокол» из ПАВа

Вы никогда не задумывались, почему мыльная вода, в отличие от обычной, способна раздуваться пузырями. Оказывается, все дело в том, что у мыльной воды меньше поверхностное натяжение. Обеспечивают же это так называемые ПАВы — поверхностно-активные вещества, содержащиеся в мыле.

«Каждая молекула ПАВ — это удлиненная цепочка, состоящая из многих атомов водорода и углерода», — пишет по этому поводу профессор Я.Е. Гегузин в своей работе, посвященной… — вы догадались правильно… — опять-таки пузырям.

Так вот каждая молекула-цепочка ПАВ обладает очень важной особенностью — концы ее имеют различные свойства: один конец охотно соединяется с водой, а вот противоположный «хвостик» — напротив, ее боится. Поэтому молекулы мыла на поверхности воды всегда выстраиваются так, что с жидкостью соприкасаются лишь те концы, которые испытывают к воде влечение, то есть являются гидрофильными.

В итоге на поверхности воды образуется тонкая мыльная пленка, состоящая их двух «частоколов», образованных молекулами ПАВ, и некоторое количество мыльной воды между ними. Эта трехслойная структура достаточно прочна и эластична, чтобы, не лопаясь, выдерживать напор сжатого воздуха.

Индийские химики разглядели в мыльной пленке миристиновокислого натрия необычные структуры, напоминающие кубки, чаши, кувшины…

Знаменитый английский физик лорд Рэлей, в свое время тщательно исследовавший эту пленку, сделал открытие, добавившее блеска к его научной славе. Он разъяснил, почему при раздувании мыльная пленка лопается далеко не сразу. Оказывается, по мере растяжения в ряды «частоколов» вставляются все новые молекулы ПАВ из резерва. И пузырь в спокойном воздухе лопается лишь после того, как этот резерв будет полностью исчерпан. Именно это позволяет некоторым умельцам выдувать пузыри диаметром более 4 метров!

Если же оболочку мыльного пузыря ткнуть иголкой или просто пальцем, он, как всем известно, тут же лопнет. Почему? Скоростная киносъемка, проведенная уже во второй половине XX века советским исследователем М.О. Корнфельдом, показала, что и как при этом происходит.

Оказывается, при нарушении целостности пленки молекулы ПАВ ведут себя согласно всем канонам военной науки. Поняв, что единый фронт уже не удержать, оставшиеся молекулы стягиваются в «кулак», то есть в каплю, из которой затем можно бы было выдуть следующий пузырь. Но так получается далеко не всегда — сжатый воздух, выходящий из пузыря, довольно часто рвет пленку на отдельные лоскуты, которые затем собираются лишь в мелкие капли.

Так схематически выглядит строение стенки мыльного пузыря.

Схема интерференции света на тонкой пленке, предложенная Т. Юнгом .

Радуга на пленке

Есть и еще замечательное свойство, которым знамениты мыльные пузыри. Наблюдательный поэт С. Маршак писал, что пузырь…

Горит, как хвост павлиний, Каких цветов в нем нет! Лиловый, красный, синий, Зеленый, желтый цвет…

Да, мыльная пленка переливается всеми цветами радуги. Происходит это потому, объяснил известный английский физик Томас Юнг, что в тонких пленках наблюдается явление интерференции. Сам же будущий секретарь Лондонского королевского общества, едва научившись читать — а случилось это, между прочим, когда мальчику едва минуло два(!) года, — выучил стишок из детской книжки, в котором опять-таки говорилось о цветастом мыльном пузыре, и стал приставать к взрослым с вопросом, кто его покрасил, этот самый пузырь. А не получив ответа, стал искать его сам. Но лишь в возрасте 28 лет, в 1801 году, он понял, что такое интерференция, и постарался объяснить суть этого явления всем остальным.

«Предположим, что на поверхность пузыря, образованного пленкой постоянной толщины, падает пучок белого света таким образом, что различные участки поверхности пузыря пучок встречают под разными углами, — обстоятельно писал Юнг. — Сам белый свет, как объяснил нам сэр Исаак Ньютон, состоит из семи лучей различных цветов. В свою очередь каждый луч может частично отразиться от внешней стороны мыльной пленки, а частично — от внутренней. При этом, в зависимости от конкретных условий, обе части луча могут либо усилить друг друга, либо, напротив, пригасить. Это явление и зовется интерференцией».

И далее на схеме Юнг обстоятельно пояснял, при каких именно условиях лучи либо гасят друг друга (это происходит в том случае, если фазы волн противоположны), либо усиливают (когда фазы совпадают). Все это ныне достаточно подробно излагается в учебниках физики, в том самом разделе, где говорится об интерференции — явлении, открытом Юнгом.

Мы же лишь добавим, что на мыльной пленке наблюдается то же явление, что и в небе после дождя, когда там образуется радуга. И это открытие так поразило современников ученого, что французский физик Доменик Араго впоследствии так написал о Томасе Юнге: «Ценнейшее открытие доктора Юнга, которому суждено навеки обессмертить его имя, было ему внушено предметом, казалось бы, весьма ничтожным: теми самыми яркими и легкими пузырями мыльной пены, которые, едва вырвавшись из трубочки школьника, становятся игрушкой самых незаметных движений воздуха».

Пузырьки в расплаве.

Кристаллы… из пузырей?!

На этом исследования мыльных пузырей не заканчиваются. В 1942 году, в самый разгар Второй мировой войны, еще один замечательный английский физик, лауреат Нобелевской премии Лоуренс Брэгг, задал себе вопрос: «Можно ли искусственно создать кристалл, состоящий не из атомов или молекул, а из огромного количества крошечных мыльных пузырьков?» Ответ ученый получил в эксперименте. Спустя некоторое время Брэггу и его помощникам удалось создать идеальный пузырьковый кристалл (см. фото).

Пузырьки при определенных условиях способны образовать своеобразный пузырьковый кристалл.

Примерно такой же кристалл вы можете создать сами. Для этого вам понадобится обычная тарелка, заполненная мыльной водой, в которую добавлено несколько капель глицерина, игла от шприца, резиновая волейбольная камера и зажим, которым можно регулировать выход воздуха из отростка-соска надутой камеры. Таким зажимом, на худой конец, может послужить даже обычная струбцина.

Когда вы начнете, потихоньку выпуская воздух из соска камеры через иголку (см. схему), опущенную в воду, выдувать серию маленьких воздушных пузырьков диаметром 2–3 мм, то увидите интересную картину.

Добравшись до поверхности, такой пузырек тут же окутывается мыльной пленкой. А когда рядом появляется сосед, то тут же стремится прижаться к нему, постепенно образуя некую сотовую структуру. Вот это и есть простейший пузырьковый кристалл.

Эксперименты Брэгга и его помощников, в свою очередь, подтолкнули других исследователей на совершенствование подобных опытов. Так, скажем, недавно индийские исследователи, использовав одну из солей жирных кислот (а мыло как раз и является одной из жирных кислот) — миристиновокислого натрия, — при ее медленном охлаждении зафиксировали под электронным микроскопом различные стадии кристаллизации раствора. Получились весьма занятные картины (см. фото).

И это не пустяки. Такие эксперименты помогают исследователям лучше разбираться в процессах кристаллизации, например, расплавленных металлов.

Достижения «пузырьковедов»

Сейчас существует даже целый раздел науки, который полушутя-полусерьезно называют так — пузырьковедение. И хотя многие из «пузырьковедов» стесняются сознаться, что время от времени всерьез занимаются изучением поведения крошечных пузырьков в жидкости, именно благодаря этим «несерьезным» исследованиям ученым удалось решить многие, весьма серьезные проблемы. Например, когда на смену колесным пароходам пришли корабли с гребными винтами, моряки стали жаловаться, что лопасти винтов быстро становятся хрупкими, неведомый вид коррозии буквально пожирает металл.

Мыльная пленка может переливаться всеми цветами радуги.

Схема установки для получения множества маленьких мыльных пузырей.

Исследования показали, что здесь имеет место так называемая кавитация — физическое явление, на которое обратил внимание еще в первой половине XVII века иностранный член Российской Академии наук Даниил Бернулли. Если воду сильно перемешивать, заметил он, то в ней образуются пузырьки воздуха. И когда они схлопываются, то есть лопаются, следует довольно сильный гидравлический удар. Именно эти пузырьки сообща и разрушали лопасти винтов. И ученым с инженерами пришлось немало потрудиться, чтобы снизить влияние кавитации.

А вот пример сравнительно недавний. Когда американцы стали запускать первые ракеты в космос, некоторые из них никак не хотели летать — двигатели их попросту глохли или работали весьма неустойчиво. Причиной тому опять-таки оказались газовые пузырьки, которые образовывались в топливе, вспенивавшемся от вибраций ракеты. И опять инженеры призвали на помощь «пузырьковедов», которые решили эту проблему.

В общем, работы у крошечных пузырьков с каждым годом становится все больше. Так что, пожалуй, прав был знаменитый Марк Твен, сказав однажды: «Мыльный пузырь, пожалуй, самое восхитительное и самое изысканное явление природы».

Множество пузырьков в жидкости.

И. ЗВЕРЕВ

 

У СОРОКИ НА ХВОСТЕ

ПРОЛЕТАЯ НАД МЕШКАМИ С СЕЛИТРОЙ… Лет десять тому назад большой шум в самом буквальном смысле этого слова вызвал загадочный взрыв в поле близ городка Сасова Рязанской области. В свое время были высказаны многочисленные гипотезы, предположили даже, что в поле пытался осуществить вынужденную посадку НЛО, но взорвался…

Свою версию предложил инженер-химик из Московского института народного хозяйства имени Плеханова Б. Сидоров. И далее рассказал следующее. Военные самолеты, базирующиеся под Рязанью, в районе Сасова переходят звуковой барьер. И в ту памятную ночь, как рассказывают многие очевидцы, какой-то самолет прошел буквально над крышами, причем грохот был такой, что кое-где даже стекла в окнах полопались. А на том злополучном поле, между прочим, лежало около 50 центнеров удобрения — аммиачной селитры. Вот она и сдетонировала. Ведь не случайно это вещество террористы иногда используют наряду с обычной взрывчаткой.

ЗАЙМЕМСЯ РУКОПРИКЛАДСТВОМ? Уже очень скоро известная присказка, что у сильно занятого человека «рук не хватает», потеряет смысл. О том, чтобы оснастить всех желающих дополнительными руками, позаботилась английская компания Shadow Robot. Уже несколько лет британские специалисты занимались разработкой механической руки и, наконец, объявили о намерении выпускать свое детище для продажи. Созданная ими конечность очень похожа на человеческую кисть, только движется вдвое медленнее. Однако ей уже можно доверить даже очень хрупкие предметы, потому что пальцы Dexterous Hand весьма подвижны и чувствительны — они оснащены двумя сотнями датчиков, сигналы от которых получает компьютер, контролирующий устройство и выдающий команды пневматическим двигателям.

Создатели руки уверены, что их конечность найдет применение в сферах медицинской техники, образования, науки, развлечений, а также пригодится другим разработчикам роботов-андроидов.

ЕЩЕ ОДНА ПРОВЕРКА ЭЙНШТЕЙНА. Можно ли проверить теорию относительности Эйнштейна с помощью грифеля от карандаша? Можно, утверждают физики. Если изготовить из него чрезвычайно прочный материал толщиной в один атом — графен. Этот удивительный материал в прошлом, 2005 году получила группа российских и английских ученых под руководством профессора из Манчестера Андре Гейма, отделив атомарный слой от кристалла графита.

Электроны в графене ведут себя как релятивистские частицы без массы, так называемые фермионы Дирака, которые перемещаются со скоростью около 106 метров в секунду. Авторы работы рассказали, что при воздействии магнитного поля фермионы Дирака приобретают динамическую массу, согласно знаменитому уравнению Эйнштейна Е = mс 2 . Что, как говорится, и требовалось доказать.

 

ПОДРОБНОСТИ ДЛЯ ЛЮБОЗНАТЕЛЬНЫХ

На Гольфстрим надежд все меньше

Опасения за будущее Гольфстрима подтвердились — лет через тридцать в Европе может похолодать. Таков смысл сообщения журнала «Nature», основанного на данных научных исследований.

Ученые из Национального географического центра (Великобритания) пришли к выводу, что теплое течение Гольфстрим, берущее начало в Мексиканском заливе и заканчивающее свой путь в Северном Ледовитом океане, а по пути обогревающее и отапливающее Великобританию и Северную Европу, вплоть до Гренландии, Исландии и Скандинавии, постепенно слабеет. Такой вывод они сделали после 50 лет наблюдений за Атлантикой.

«Тепло, приносимое течением, эквивалентно работе миллиона мощных электростанций, — доложил руководитель исследований доктор Гарри Брайден. — Но Гольфстрим стал притормаживать, и похолодание на 4–6 градусов может прийти в Великобританию, Францию, Германию»…

Так выглядит полученное с помощью спутников изображение главных омывающих Землю течений. Красным цветом обозначены теплые течения, синим — холодные.

Карта течения Гольфстрим .

Торможение Гольфстрима вызовет глобальную перемену климата, полагают исследователи. Африку при этом постигнет засуха, произойдут перемены в направлении европейских воздушных потоков.

А все это является результатом быстрого опреснения, уменьшения плотности океанских вод. В результате теплая вода теряет вес и, охлаждаясь в северных широтах, не опускается в глубину, чтобы вернуться в Южную Атлантику, заводя «мотор» Гольфстрима, как это происходило тысячи лет подряд. Именно такое развитие событий уже привело к тому, что в ноябре 2005 года тропический ураган пересек всю Атлантику и впервые ударил по Канарским островам.

По оценке Брайдена, Гольфстрим ослабел уже на треть. И виновато в том, согласно одной из теорий, все то же глобальное потепление. Оно «съедает» льды Арктики и горные ледники с пугающей быстротой, и в океане оказывается аномально большое количество пресной воды.

Как бы то ни было, компьютерное моделирование климата предсказывает дальнейшее снижение скорости Гольфстрима в северной части Атлантики и даже полную его остановку. Так что жителям Скандинавии, Гренландии, Исландии и Британских островов придется готовиться не к глобальному потеплению, а к глобальному похолоданию, которое может наступить уже через несколько десятков лет.

А. ПЕТРОВ

 

КОЛЛЕКЦИЯ ЭРУДИТА

Злоключения Плутона