Юный техник, 2012 № 09

Журнал «Юный техник»

Популярный детский и юношеский журнал.

 

ВЫСТАВКИ

Вертолеты России

Так назывался специализированный аэросалон, прошедший недавно в очередной, уже в пятый раз в «Крокус Экспо». Для удобства иностранных посетителей его еще называли по-английски HeliRussia-2012.

На эту выставку слетелись вертолеты из 20 стран мира. В экспозиции были представлены как военные, так и гражданские машины. Причем именно гражданские вертолеты вызвали самый живой интерес. Ведь некоторые модели уже вполне доступны по цене — они стоят примерно как хороший внедорожник. И даже сами посетители HeliRussia 2012 добирались на окраину Москвы не только на метро и автомобилях. Некоторые прилетели сюда на своих собственных вертолетах, и для них организовали специальную вертолетную парковку. Пока такие стоянки в Москве еще редкость. Но организаторы говорят, что, как только разрешат полеты над столицей, вертолетные парковки появятся чуть ли не у каждого торгового центра.

Главная премьера салона — новый российский вертолет Ка-62. Холдинг «Вертолеты России» корпорации «Ростехнологии» представил новинку, которая должна поступить на рынок уже в 2014 году.

«Это первая российская машина, где реализована комплексная программа безопасности экипажа и пассажиров, — сказал журналистам директор программы Ка-62 Алексей Чижиков. — Бывают случаи, когда отказывает рулевой винт — для вертолетов классической схемы это фатальное явление. Вертолет же Ка-62 позволяет в случае, если скорость больше 80 километров в час, продолжить полет и осуществить посадку как самолет. Для этого у него особая конструкция шасси. Производство новой винтокрылой машины планируется развернуть на Дальнем Востоке…»

По словам генерального директора холдинга «Вертолеты России» Дмитрия Петрова, при разработке Ка-62 использовались новейшие технологии и современные материалы. Планируется, что лопасти винтов и планер в целом более чем на 50 % будут выполнены из полимерных композиционных материалов.

Нашлось в экспозиции место и ветерану — Ми-8АМТ .

Вертолет оснащается двумя турбовальными двигателями мощностью 1680 л.с. производства французской компании Turbomeca. Еще из особенностей конструкции — пятилопастной воздушный винт, усиленный фюзеляж и узлы крепления основных агрегатов, амортизационные кресла.

По словам генконструктора фирмы «Камов» Сергея Михеева, в XXI веке произойдет качественная смена вертолетов. На смену классическим, сравнительно тихоходным геликоптерам придут скоростные машины, сочетающие в себе возможности самолета и вертолета.

Взлетать и садиться они будут вертикально, а летать со скоростью около 500 км/ч на дальность до 1500 км без дозаправки.

В США вовсю идут испытания вертолета Sikorsky Х2, построенного по такой схеме. У нас завершается проектирование аналогичного, но более мощного вертолета Ка-92. Тот, кто первым сможет освоить массовое производство скоростных вертолетов, и станет хозяином мирового рынка винтокрылых машин.

Вертолеты Ка-02 (вверху) и Sikorsky Х2 (внизу).

Стоит подчеркнуть, что вертолеты — это те из немногих изделий российского машиностроения, которые широко эксплуатируются сегодня по всему миру, и популярность их все растет. Доказательством тому могут послужить хотя бы классические Ми-8. Все их модификации остаются в центре внимания не только на салоне, но и на мировом рынке. В минувшем году в 19 стран было экспортировано 262 вертолета. С 2011 года в Афганистан осуществляются поставки военно-транспортных вертолетов Ми-17В-5, оборудованных современным радиосвязным и навигационным оборудованием.

Произвела впечатление и серия необычных винтокрылых машин российско-чешского предприятия RUMAS.

Мы уже рассказывали вам об этой интересной фирме в репортаже о работе Московского авиационно-космического салона МАКС-2011. И даже познакомили с сыном главного конструктора Марком Масловым (подробности см. в «ЮТ» № 9 за 2011 г.). Теперь у нас есть возможность дополнить сведения о работе этого КБ. Все вертолеты КБ Маслова выполнены по той схеме, которая в новом веке станет доминирующей в вертолетостроении: укороченные несущие соосные винты и толкающий винт, расположенный в хвостовой части. Это обеспечивает высокую скорость и большую маневренность одновременно.

Российско-чешские вертолеты смотрятся почти игрушечными, но это серьезные машины, готовые занять свое место в ряду винтокрылов нового поколения.

Двухместный вертолет RUMAS-10 уже готов к серии полетов по программе предварительных испытаний. Ожидается, что они начнутся летом 2012 года.

 На салоне НеHRussia-2012, кроме базовой разработки RUMAS-10, были продемонстрированы и ее модификации, в частности противопожарный вертолет RUMAS-10F.

Кроме геликоптеров на выставке были представлены и автожиры. Моторы этих машин работают на обычном автомобильном бензине. Хранить их можно тоже в обычном гараже. И стоят они примерно столько же, сколько и автомобили чуть выше среднего класса — около 1,5 млн. рублей.

Кстати, попробовать себя в качестве пилота можно прямо на выставке, сев в тренажер, который дает наглядное представление, каково управлять воздушной машиной.

На выставке можно было увидеть еще и новинки навигационного оборудования, радиолокационного контроля, а также игрушечные вертолеты с пультами радиоуправления.

«Бог создал Россию для вертолетов», — сказал когда-то один из родоначальников мирового вертолетостроения Игорь Иванович Сикорский. Его сын Сергей, специально прилетевший на салон из США, мог убедиться в правоте своего знаменитого отца, а также в том, что вертолетостроение на родине его предков — область самых высоких технологий.

С. СЕРЕДИН

 

ИНФОРМАЦИЯ

ПАССАЖИРЫ «БИОНА». На созданном в Самаре биоспутнике «Бион-М1» осенью этого года впервые в мировой практике пройдут исследования на этапах запуска и посадки космического аппарата, сообщил заместитель директора Института медико-биологических проблем В. Бояринцев.

По его словам, полученные в результате экспериментов на «Бионе» данные позволят продлить профессиональное долголетие космонавтов, найти новые способы компенсирования неблагоприятных воздействий, которые испытывают космонавты в полете.

В течение 30-суточного полета, старт которого намечен на 10 сентября, будут проведены около 70 различных экспериментов.

Космонавтами на специализированном спутнике станут монгольские хомячки-песчанки, мыши, ящерицы гекконы и другие животные. Как отметил Бояринцев, на борту «Биона» будет больше «хвостатых космонавтов», чем было на борту «Фотона-М3», запущенного в сентябре 2007 года. «Мы рассматриваем «Бион» как своеобразный «ноев ковчег» со многими видами «пассажиров» — от низших микроорганизмов до позвоночных животных», — сказал он.

К сказанному остается добавить, что выполнение научной программы на аппаратах «Бион» началось в 1973 году. Всего было запущено 11 специализированных биоспутников, последний — в 1996 году. В космосе побывали 37 различных биологических объектов — от одноклеточных организмов до обезьяны. Благодаря исследованиям на «Бионах» был сделан вывод о возможности безопасного для человека пребывания в космосе сроком до года.

 

СОЗДАНО В РОССИИ

Дело ледоколов

На фото вверху макет ледокола «косого хода».

Россия расположена на земном шаре таким образом, что большинство портов у нас зимой замерзает. А потому, наверное, русские первыми и задумались над изобретением кораблей, которые бы могли прокладывать среди ледовых полей судоходные каналы.

Случилось это почти 150 лет тому назад. А недавно, спустя полтора века, наши конструкторы снова нашли, чем удивить мир.

«Пайлот» гражданина Бритнева

«Дело ледоколов зародилось у нас в России. Впоследствии другие нации опередили нас, но, может быть, мы опять сумеем опередить их, если примемся за дело.

Первый человек, который захотел бороться со льдами, был кронштадтский купец Бритнев», — писал адмирал С.О. Макаров в 1896 году, когда старался убедить правительство в необходимости постройки в России мощного линейного ледокола. Событие же, о котором писал адмирал, имело место в 1864 году. Осень тогда выдалась необычно затяжной. Финский залив замерз лишь частично, да так неудачно, что пароходное сообщение между столицей, островным Кронштадтом и Ораниенбаумом прекратилось, а проложить санный путь, как обычно делали с наступлением зимы, никак не удавалось — ледовый покров был недостаточно прочным.

В Кронштадте между тем подошли к концу запасы продовольствия, не хватало топлива; был вынужден прекратить работу даже Морской завод. Тогда власти и вспомнили, как тремя годами раньше кронштадтский купец и судовладелец М.О. Бритнев организовал перевозку пассажиров между Кронштадтом и материком на своих пароходах, которые сумели пробиться сквозь непрочный лед.

Обратились к нему. Тот, прислушавшись к совету так и оставшегося неизвестным изобретателя, приспособил для проводки судов портовый буксир «Пайлот», ограничившись небольшими переделками. Прямой форштевую часть ниже ватерлинии «подрезали» под углом 20 градусов, чтобы судно могло вползать на лед и давить его свой тяжестью.

И вот в апреле 1864 года газета «Кронштадтский вестник» сообщила, что винтовой пароход «Пайлот» почетного гражданина Бритнева открыл навигацию раньше, чем Финский залив очистился ото льда, доставив удобство пассажирам и перевозчикам грузов.

От гирь толку мало…

В 1866 году чины Морского ведомства задумали сравнить возможности «Пайлота» и ледокольного судна «Опыт», который колол лед специальными гирями, сбрасываемыми с борта. По свидетельству очевидцев, «гири падали, делали во льду отверстия, но раздвинуть разбитый лед ледоколу недоставало силы»… Таким образом преимущество осталось за «Пайлотом».

Столь убедительная демонстрация превосходства бритневского судна не подействовала ни на флотских инженеров, ни на судовладельцев. Еще некоторое время изобретатели предлагали более перспективные, по их мнению, проекты оснащения ледокольных судов всевозможными устройствами — например, циркульными пилами и закрепленными перед форштевнем катками, которые должны крушить лед перед судном. Предлагалось даже встраивать в корпус вертикальное колесо с шипами-лопастями. По задумке, эти шипы должны были дробить лед, захватывать обломки и поднимать на палубу, очищая фарватер. По другому замыслу, в носовой части надо было сделать наклоненную к воде плоскость, вроде широкого и плоского тарана, по которой лед станет сам заползать на верхнюю палубу. Впрочем, ни один из подобных прожектов так и не опробовали на практике.

Зато Бритнев в 1868 году переоборудовал в ледокол еще один буксир — «Бой». Оба судна, работая поодиночке и парой, заметно продлили навигацию в восточной части Финского залива и находились в эксплуатации полтора десятка лет.

В общем, изобретатель, идею которого подхватил расторопный купец, интуитивно угадал, каким должно быть ледокольное судно — со скошенным форштевнем, мощной паровой машиной и прочным корпусом, способным раскалывать лед таранными ударами и давить его собственным весом, расталкивая затем льдины под края судоходного канала.

Так что, проектируя «Ермак» — первый в России специальный корабль-ледокол, названный так в честь покорителя Сибири — казака Ермака, — вице-адмирал Макаров просто воспользовался опытом Бритнева.

Покорители Арктики

«Ермак» имел обтекаемый корпус, который при боковом сжатии льдов практически невозможно было раздавить, и нос, отдаленно напоминавший утюг. Этим «утюгом» ледокол наползал на льдины и раскалывал их.

«Ермак» прослужил верой и правдой аж до 1963 года. Мощные паровые ледоколы, например, советский ледокол «И. Сталин», построенный в 1939 году (водоизмещение 9 тыс. т, мощность 10 тыс. л. с.), — с котлами на угольном топливе могли находиться в море, не заходя в порт, около 20 суток. Аналогичные дизель-электроходы при равном запасе топлива — вдвое больше, до 40 суток.

В 1959 году наши судостроители спустили на воду первый в мире гражданский корабль с ядерной силовой установкой — ледокол «Ленин». Трехвинтовой ледокол имел водоизмещение 17 300 т и был способен продвигаться со скоростью 2 узла в ледяном поле толщиной до 2,4 м.

Этот ледокол мощностью 44 тыс. л. с. мог работать без пополнения запасов топлива 210 суток. Ведь суточный расход топлива составлял всего 200 г (при условии, что машины работали все время на полную мощность!), т. е. около 70 кг в год. Для любого другого ледокола такой же мощности годовой расход каменного угля выразился бы числом в 2,5 млн. раз больше — 175 тыс. т!

Ныне в нашей стране действует единственное в мире производственное объединение «Атомфлот», которому принадлежат самые мощные в мире ледоколы, в том числе самый большой атомоход «50 лет Победы», спущенный со стапелей в 2007 году.

В России построен и атомный ледокольно-транспортный лихтеровоз-контейнеровоз «Севморпуть» водоизмещением около 61 тыс. т и мощностью силовой установки 29,4 тыс. кВт, который способен двигаться самостоятельно во льдах толщиной до 1,2 м.

Он способен доставить за навигацию столько же груза, сколько перевозят сейчас 6–7 курсирующих в северных акваториях обычных транспортных судов.

Ледокол «косого хода»

Тем не менее, наши специалисты не забывают и о строительстве новых ледоколов, в том числе способных работать на мелководной Балтике. Так, недавно Прибалтийский судостроительный завод «Янтарь» и финская компания Arctech Helsinki Shipyard приступили к созданию уникального ледокола «косого хода».

Это невиданное ранее судно будет использоваться в первую очередь для борьбы с аварийными разливами нефти и спасательных операций. Корабль будет иметь асимметричный корпус и сможет двигаться не только вперед и назад, но и боком.

«При этом ледокол сможет проделывать проход во льду шириной около 50 метров», — сообщают финские специалисты из компании Aker Arctic Technology, которые и выдвинули идею косоходного ледокола в конце 90-х годов прошлого века.

Судно также будет оснащено специальным оборудованием для ликвидации аварийных разливов нефти, тушения пожаров, экологического мониторинга. Оно способно продвигаться в ровном льду толщиной один метр, благодаря общей мощности трех дизельных генераторов в 9 МВт.

Левый борт этого ледокола более выпуклый, нежели правый, — сообщают специалисты. Двигаясь им вперед, этот небольшой ледокол будет способен пробивать фарватер, позволяющий проводить даже супертанкеры водоизмещением в 120–170 тыс. т.

Судно предназначено для эксплуатации в сложных субарктических условиях, которые бывают зимою в восточной части Финского залива. Испытания нового судна планируется начать в феврале — марте 2014 года, то есть как раз 150 лет спустя после появления на Балтике «Пайлота» купца Бритнева.

И.ЗВЕРЕВ

 

ВОЗВРАЩАЯСЬ К НАПЕЧАТАННОМУ

Сам себе ремонтник?

Мы уже рассказывали вам о попытках исследователей создать саморемонтирующиеся материалы (см. «ЮТ» № 5 за 2012 г.). Однако тема оказалась настолько модной и насущно необходимой, что сообщения о новых исследованиях все продолжают поступать.

…То, что показал весной нынешнего года на заседании Американского химического общества профессор Университета Южного Миссисипи Марк Урбан, напоминало некий фокус. Он взял кусочек пластика и провел по нему ножом. И на глазах у всех присутствующих произошло маленькое чудо — царапина вдруг стала красной, как будто из нее выступила кровь, и постепенно начала затягиваться.

Эффект от внедрения такого материала в промышленность и обиход даст эффект, пожалуй, посильнее, чем демонстрации кусочка искусственной кожи, которую даже пуля не берет (см. подробности в «ЮТ» № 12 за 2011 г.). Саморемонтирующий материал понравится производителям и пользователям во многих отраслях техники и быта, уверен профессор. «Вечная» посуда, мобильные телефоны и ноутбуки, которые можно ронять сколько угодно — это меньшее из возможного.

К примеру, вовремя залеченное повреждение обшивки самолета, ракеты, корабля или подводной лодки поможет спасти сотни жизней. А саморемонтирующиеся на ходу, возрождающиеся, словно феникс из пепла, танки и прочая техника — давняя мечта военных.

Замена металла, стекла и бумаги пластиком стала в последнее время повсеместным явлением, отмечает Марк Урбан. Прежде всего синтетику ценят за прочность, малый вес и противодействие коррозии. Но и недостаток у большинства пластиков существенный: как только, скажем, автомобильное крыло получит повреждение при столкновении, его приходится менять целиком.

И вот теперь появляется саморемонтирующийся пластик. Как он действует? Вариантов, по крайней мере, два. В первом предполагается наличие в структуре особых капсул; при появлении царапины они лопаются и выделяют «лечащие» компоненты, которые со временем застывает на воздухе, ремонтируя повреждение. Во втором — восстановление начинается по команде со стороны. Команда М. Урбана пошла именно по этому пути, в качестве катализатора реакции используется солнечный свет, который попадает внутрь структуры материала только при ее нарушении.

Второй метод имеет преимущества перед первым хотя бы потому, что при включенных в материал лечебных компонентах от царапины можно избавиться лишь считаное число раз. В случае М. Урбана чисто теоретически число реабилитационных процедур не ограничено.

«Мать-природа наделила все биологические системы способностью к самовосстановлению», — заявил профессор журналистам. — К примеру, возьмите дерево. Если нанести ему повреждение, то на месте пореза образуется новая кора. А вспомните, как у нас с вами сами собой зарастают мелкие порезы и царапины… Некоторые системы невидимы для человеческого глаза. Одна из них позволяет ДНК «чинить генетические ошибки в генах. Теперь мы хотим научить тому же и произведенные нами синтетические материалы…»

 

ВЕСТИ ИЗ ЛАБОРАТОРИЙ

Карта темной материи

Астрономам удалось узреть невидимое. Несколько групп исследователей совместными усилиями начали составлять карту распределения темной материи во Вселенной.

Темная материя, как известно, — это невидимое вещество, которое проявляет себя исключительно благодаря гравитационному взаимодействию с галактиками.

На ее долю, согласно расчетам, приходится около 23 % общей массы Вселенной, в то время как «обычная» материя составляет лишь около 4 % массы. Все остальное приходится на не менее загадочную темную энергию.

О существовании темной материи и темной энергии, напомним, ученые догадались по косвенным фактам.

Согласно их расчетам, звездные объекты — галактики и их скопления — должны перемещаться, постепенно замедляя свое ускорение, полученное в результате Большого взрыва. Однако, как показали недавние спектральные замеры, дело обстоит как раз наоборот: чем дальше галактики удаляются от центра, тем выше становится их скорость.

Так получается потому, полагают теоретики, что темная материя воздействует на звездные тела своим гравитационным притяжением. А темная энергия, похоже, обладает свойствами антигравитации, то есть отталкивает от себя небесные тела.

Но если темная материя имеет столь огромную, хотя и невидимую массу, она должна где-то располагаться.

Где именно?

«Наши теории о темной материи исходят из того, что она должна образовывать сложную ячеистую структуру в глубинах космоса, между видимыми галактическими скоплениями, — рассказывает доктор Кэтрин Хейманс из Эдинбургского университета. — Общая теория гравитации Эйнштейна постулирует, что гравитация искажает пространство и время, поэтому по форме этих искажений мы можем делать выводы о существовании во Вселенной концентраций темной материи. Она как бы оставляет свою роспись на изображениях очень отдаленных галактик».

Современные оптические телескопы позволяют получить крупномасштабные карты звездного неба.

Астрономы франко-канадской обсерватории на Гавайских островах опубликовали самые крупномасштабные снимки космических объектов, указывающие на существование темной материи. Каждый снимок отображает участок неба протяженностью в миллиард световых лет.

Астрономы видят на снимках следы искажения гравитацией света дальних звезд, которые могут указывать на воздействие темной материи.

Четыре снимка были сделаны в разное время года; на них уместились изображения более 10 млн. галактик, свет которых подвергается гравитационному искажению. Масштаб изображений примерно в 100 раз превышает масштаб сходных фотографий, полученных с помощью орбитального телескопа «Хаббл» в рамках эксперимента Cosmic Evolution Survey (исследования по космической эволюции).

Кроме того, в своих работах Джеймс Аннис и его коллеги из Национальной лаборатории имени Ферми, а также коллектив под руководством Эрика Хаффа из университета Калифорнии в Беркли использовали материалы из последней коллекции так называемого Слоановского цифрового обзора неба (SDSS).

Проект SDSS начал свою работу в 2000 году. Его цель — картографирование всего ночного неба в Северном и Южном полушариях Земли. Основной инструмент исследований — 2,5-метровый широкоугольный телескоп американской обсерватории Апашпойнт. Сейчас уже картографировано около 35 % площади ночного неба.

Скопления галактик указывают на регионы с наибольшей плотностью темной материи.

В центре новой карты для масштаба приведено изображение Луны, а также участка звездного неба, картографированного ранее.

Обе группы исследователей использовали снимки из коллекции SDSS для изучения так называемых «космических сдвигов» — небольших искривлений потоков света, вызванных притяжением темной материи.

Большинство астрономов полагает, что каждая галактика обрамлена «поясом» — гало — из темной материи.

Такие пояса и не дают звездам и другим сгусткам материи разбежаться. Обнаружить же эти скопления темной материи удается потому, что частицы света, фотоны, испускаемые звездами, меняют траекторию движения при приближении к скоплению темной материи. И эту смену курса — «космический сдвиг» — замечают земные приборы. По величине сдвига можно судить и о массе темной материи.

На основании полученных данных каждая группа ученых составила свой вариант карты темной материи, а затем они сравнили полученные результаты. Их выводы совпали, что подтвердило правильность методики.

 

ПО СЛЕДАМ СЕНСАЦИЙ

Деление электрона

В нашем веке многое уже открыто и изучено. А потому, наверное, столько шума наделало в научном мире известие, что электрон вовсе не представляет собой элементарную частицу, а состоит из составных частей.

Попробуем же разобраться, что к чему…

Три вместо одного

Есть старый студенческий анекдот. Профессор спрашивает студента, что такое электричество. Тот мнется, ерошит волосы, чешет в затылке и, наконец, сознается:

— Извините, профессор, еще вчера вечером я помнил, а теперь — забыл…

— Ах, какая жалость! — вздыхает профессор. — Был на свете один человек, который знал, что такое электричество, и тот забыл…

Шутки шутками, но если вы посмотрите в энциклопедию, то обнаружите, что «электричество — это совокупность явлений, в которых проявляется существование, движение и взаимодействие заряженных частиц».

Если мы копнем чуть поглубже, то вскоре выясним, что такими заряженными частицами, как правило, являются ионы и электроны. Причем ионами называются атомы, у которых по тем или иным причинам недостает одного или нескольких электронов.

Электроном все та же энциклопедия считает стабильную отрицательно заряженную элементарную частицу — носитель единичного электрического заряда. Именно с помощью электронов проводимости и осуществляется передача тока по твердому телу. То есть, говоря уже совсем попросту, ток — это поток электронов.

И вот здесь энциклопедия несколько заблуждается. Похоже, сведения, изложенные в ней, уже устарели.

Так в представлении художника может выглядеть деление электрона. Справа — новая предполагаемая схема атома: вокруг ядра по своим орбитам движутся не единичные электроны, а трио электронных частиц.

Недавно физики лишили электрон звания элементарной частицы. Дело в том, что уже довольно давно ученые подозревали, что в некоторых случаях электрон может распадаться на три составляющих — холон, спинон и орбитон. Возможность раздельного существования холона и спинона была доказана шесть лет назад. А ныне ученым удалось выделить еще и орбитон.

Правда, разделить, как оказалось, можно только электроны, связанные внутри какого-либо вещества — отдельные частицы разделению не поддаются. Взаимодействуя же, электроны, как живые существа, принимают на себя свойства окружающего их микромира.

Обычно они характеризуются тремя свойствами: элементарным зарядом, спином (так называется характеристика, оценивающая момент вращения вокруг собственной оси) и орбитой, которую электрон занимает в атоме. Эти свойства составляют неотъемлемое качество, присущее электрону и определяющее его взаимодействие с другими частицами в атоме. Разделяя электрон, физики имели в виду получение частиц, каждая из которых имела бы одно из перечисленных свойств — орбитон характеризует орбиту, спинон — величину спина и холон — свойства заряда.

Все в мире делится

Стоит, наверное, сказать, что ситуация с делимостью и неделимостью в мире физики сложилась довольно непростая. Еще в XIX веке многие ученые испытали разочарование, даже шок, узнав, что атом, который прежде представлялся единым (ведь даже само слово «атом» переводится с греческого как «неделимый»), вдруг оказался составным, то есть состоящим из более мелких частиц.

Эти частицы, повторив ошибку, ученые опять-таки назвали элементарными. Такое название подразумевало, что они-то уж точно неделимы. Однако в XX веке большинство обнаруженных прежде частиц стали терять звание «элементарные», распадаясь в ускорителях на составные части.

Началось все с протона и нейтрона — частиц, что составляют атомное ядро. Было доказано, что они состоят из более мелких частиц, которые называются кварки.

Получается, что раз они составные, то, значит, все же не элементарные.

Электрону повезло больше — он держался в ранге неделимых дольше всех других частиц. Но, в конце концов, и он был вынужден покинуть ряды элементарных частиц.

Дело в том, что еще примерно пол века назад физики предсказали возможность разделения электрона на три квазичастицы. Правда, проявляются эти три квазичастицы лишь в особых условиях. Например, в пределах одномерных цепочек атомов, стоящих очень близко друг к другу (такое часто бывает в углеродных нанотрубках).

Причем электрон, похоже, вовсе не распадается на частицы, как это происходит при делении других «элементарных» частиц. То есть даже в нанотрубках не происходит такого, чтобы при взаимодействии с близко расположенными электронами других атомов какой-то из них (для удобства представим его как шарик) вдруг развалился на три шарика помельче. Причем один из «малышей» сохраняет заряд электрона, другой вертится вокруг своей оси так же, как электрон (сохранил спин), а третий движется по той же орбите, что и электрон (сохранил орбитальные взаимодействия).

На самом деле электрон ни на какие частицы не распадается. Просто при сближении друг с другом в пределах одномерной цепочки электроны соседних атомов начинают взаимодействовать друг с другом особым образом. И это взаимодействие можно описать, представив себе, что их осуществляют три различные частицы — те самые холон, спинон и орбитон.

Как же такое возможно?

Исследователи Йероен ван дер Бринк , Кшиштоф Вофельд и Торстен Шмидт (слева направо).

Представьте себе, что атомы стоят столь плотно, что электроны образовали так называемый вигнеровский кристалл — то есть компактную упорядоченную структуру вроде кристаллической решетки. При этом в узлах данной решетки возникнут коллективные колебания электронов (как это происходит с узловыми частицами любого кристалла). Но данные колебания обязательно будут сопровождаться переносом заряда. В этом случае можно говорить о возникновении квазичастицы холона.

В то же время электроны в цепочке обладают спином и, соответственно, между ними существует некоторое спин-спиновое взаимодействие. А поскольку все электроны стоят вплотную друг к другу, логично предположить, что, если мы перевернем один из спинов (как бы сместим ось его вращения), то по цепочке побежит спиновое возмущение. И оно вовсе не будет сопровождаться переносом заряда. Получается, что в данном случае мы имеем дело с другой квазичастицей — спиноном.

Вигнеровский кристалл — компактная упорядоченная структура, вроде кристаллической решетки.

Хитрости экспериментов

Впрочем, поначалу все выше приведенные рассуждения представляли собой лишь мысленный эксперимент, затеянный физиками еще в 90-х годах прошлого века.

А вот убедиться в существовании спинона и холона реально удалось не так давно — в 2006 году. Тогда группа ученых во главе с Ким Чанюном из университета Енсей в Сеуле (Республика Корея), Эли Ротенберг и Шень Чжи Сюнем из Стэнфордского университета (США) сообщила об обнаружении четких спектральных сигналов спинонов и холонов в одномерных образцах купрата стронция.

Вскоре после этого Торстен Шмидт и его коллеги из института Пауля Шеррера (Швейцария) смогли разделить электрон на спинон и орбитон внутри атома оксида меди. Для этого они использовали ускоритель, в котором бомбардировали электроны рентгеновскими лучами, чтобы их возбудить — повысить уровень их энергии. Сравнивая уровень поглощенной и излученной энергии, физики смогли определить, что разделение произошло.

И наконец, уже в 2012 году другая группа физиков из Германии, Швейцарии, Франции и Нидерландов под руководством госпожи Джастин Шлаппа смогла «отделить» орбитон. «Подопытным кроликом» выступил опять-таки купрат стронция. А вот методика была уже другая — использовалось так называемое неупругое рассеяние частиц. Она заключалась в том, что образец бомбардировали быстрыми частицами. Это приводило электроны в возбужденное состояние и одновременно давало исследователям возможность отмечать расположение и конфигурацию их спинов.

Измерив же спины и орбитальные угловые моменты (они характеризует движение частиц по орбитали вокруг ядра) электронов, исследователи поняли, что орбитон и спинон существуют одновременно. Дело в том, что изменение спина и орбитального углового момента не совпадали — а это значит, что спинон и орбитон передвигаются внутри материала с разной скоростью. То есть как отдельные квазичастицы.

…Итак, существование орбитона наконец-то экспериментально подтверждено, из-за этого электрон окончательно лишился звания элементарной частицы. Однако эксперименты ученых сводились не только к исправлению терминологии; например, орбитон и сам по себе представляет немалую ценность. Его существование поможет объяснить некоторые аномалии высокотемпературных сверхпроводников — почему в них возникает сверхпроводимость в таких условиях, в каких вроде бы не должна возникать.

Кроме того, движение орбитонов и спинонов можно будет использовать при создании квантовых компьютеров — эти квазичастицы движутся настолько быстро, что их перемещение от одной квантовой точки к другой занимает фемтосекунды. А значит, перенос информации будет почти что мгновенный…

Наконец, сделанное открытие даст ученым возможность сделать еще один шаг к пониманию того, что же представляет собой электричество…

Публикацию по материалам Nature News

подготовил С. НИКОЛАЕВ

 

ГОРИЗОНТЫ НАУКИ И ТЕХНИКИ

Конец мелового периода?

На международной выставке «Фотофорум 2012» наше внимание привлек необычный экспонат. Большое панно размерами примерно 2x3 м сначала демонстрировало обычный рекламный видеоролик. Но когда ролик кончился, к панно, словно к обычной школьной доске, подошел человек и принялся писать на пластиковой поверхности чем-то похожим на большой фломастер.

При ближайшем рассмотрении оказалось, что мы наблюдаем демонстрацию технологии проецирования 3LCD при помощи интерактивного проектора, который поначалу даже не заметили. И немудрено: он висел непосредственно над доской-экраном.

Такие устройства позволяют превратить школьную доску и даже обычную стену в интерактивную поверхность, позволяя учиться как бы играючи. Каждый проектор поставляется в комплекте с интерактивным фломастером-манипулятором, который, совмещая в себе компьютерную мышку и цифровое перо, позволяет делать пометки и дополнения к проецируемому изображению.

Свет от ультракороткофокусного объектива, благодаря которому проекторы можно устанавливать практически вплотную к экрану, не ослепляет учителя и не дает теней на экране. Все проекторы комплектуются оригинальным настенным креплением, просты в подключении и использовании, имеют высокую яркость, увеличенный ресурс лампы, а также встроенный динамик и микрофонный вход для проецирования учебных материалов со звуком.

Интерактивный экран можно использовать на занятиях и по астрономии, и по географии…

Аналогичные устройства, например, есть не только в московской школе № 2030, которая ныне считается оплотом информатизации образования в столице. Первая цифровая тикола в России появилась пять лет тому назад в Череповце — сейчас это лицей «АМТЭК».

Здесь есть и мультимедийные классы с интерактивными досками, и смарт-фойе с плазменными панелями, где можно ознакомиться с расписанием, новостями и даже с меню в столовой.

Особая гордость лицеистов — поливалентный актовый зал с системой голосования. Есть и мобильные классы, которые можно развернуть в любом месте, взяв с собой ноутбук и проектор.

С каждым годом таких школ становится все больше. Ведь, по мнению директора Института новых образовательных технологий и информатизации Российского государственного гуманитарного университета Сергея Кувшинова, цифровая школа дает принципиальную возможность перейти от обучения в классах к обучению в любом месте и в любое время, заменить общие уроки индивидуальными, использовать вместо мела и бумаги электронные устройства.

То есть, говоря проще, в скором будущем нам обещают, что и заболевший ученик не отстанет от своих товарищей. Домашние задания ему будут присылать по электронной почте. С ее же помощью он сможет переправлять решенные задачи и выполненные упражнения в класс. Да и сам он сможет как бы присутствовать в классе, слушая и наблюдая объяснения учителя опять-таки с помощью современной электроники.

Важно только не переборщить. А то в некоторых школах Германии не только сразу же переправляют родителям все оценки, полученные их чадами за день с помощью SMS-сообщений, но и отслеживают с помощью все тех же мобильников все перемещения школьников. Дело дошло до того, что, если школьник не появился в школе в течение 15 минут после начала занятий, а родители не предупредили администрацию об его отсутствии, у порога дома, где живет ученик, появляется полицейская машина, и блюстители порядка спрашивают, не надо ли начинать розыски…

Занятия в современной школе без помощи электроники уже немыслимы.

Интерактивный проектор — лишь одно из технических чудес, применяемых сегодня в школе.

«Любой сверхконтроль обезличивает человека и лишает его мотивации, — предупреждает завкафедрой психологии личности МГУ Александр Асмолов. — Если взрослые будут каждый раз контролировать поведение — когда пришел, когда ушел, — то это не школа».

Впрочем, директор Центра образования «Царицыно» Ефим Рачевский настроен довольно оптимистично. Он полагает, что наши школьники и тут найдут выход из положения. Отыщут способ, как исправить оценку в электронном дневнике или перепрограммировать мобильник родителей, чтобы те не прочитали «ненужной» эсэмэски. Ведь только для взрослых сотовый — всего лишь телефон, а для подростков — это еще и поле для технических экспериментов.

 

РАССКАЖИТЕ, ОЧЕНЬ ИНТЕРЕСНО…

Терминатор уже не фантастика

В кино иной раз показывают этаких терминаторов, которые то превращаются в некую жидкость, способную проникнуть в любую щель, то в устрашающего монстра, способного сокрушить даже танк, то в человекоподобное существо, в точности копирующее облик того или иного героя фильма. Интересно, возможны ли такие превращения не на экране, а в жизни? Что думают по этому поводу специалисты?

Антон Митрофанов , г. Красноярск

Электронные оригами

Плоский лист из особого материала на основе стекловолокна и углеродных композитов внешне похож на обычную бумагу. Но стоит ее нагреть, и «бумага» сама складывается в кораблик или самолетик по принципу оригами.

Весь «фокус» заключается в эффекте запоминания первоначальной формы, который ранее был свойственен лишь некоторым сплавам на основе никеля (например, материал нитинол). Теперь же исследователям Массачусетского технологического института и Гарвардского университета удалось создать материал с памятью на основе углеродного композита.

Лист разделен на 16 квадратов, каждый из которых, в свою очередь, разделен на два треугольника. По границам между квадратами и треугольниками и происходят заранее запрограммированные сгибы в ту или иную сторону. Причем по задумке авторов исследования, элементы, по которым происходят сгибы, могут быть в зависимости от конкретной необходимости увеличены или уменьшены. И сами пластиковые листы могут иметь достаточно большие размеры, чтобы годились не только для изготовления игрушечных самолетиков. Из таких заготовок, полагают исследователи, в скором будущем изготовят, например, автомобили-вездеходы, которые по ходу движения будут приспосабливаться к изменяющейся местности, или летательные аппараты, которые смогут изменять свою форму прямо в ходе полета.

Виртуальная эволюция.

Однако такие «чудеса» станут возможны на практике лишь после того, как каждая клетка материала, а еще лучше — каждая молекула получит зачатки интеллекта и сможет воспринимать команды со стороны или изменять состояние по своему собственному «разумению».

Над этой проблемой работают исследователи Мичиганского университета. Объектом их пристального внимания являются так называемые Avidiaiis (авиданцы). Это не микробы или какие-то инопланетные формы жизни из научной фантастики, а виртуальные создания Карла Офриа и его коллег из лаборатории искусственного интеллекта. Ученые создали особый виртуальный мир, который называется Авида. Его населяют некие существа, основу строения которых составляют не ДНК, как обычно, а строки закодированных инструкций для компьютера.

Тем не менее, события в этом мире во многом похожи на реальную жизнь. Так, например, авиданцы конкурируют друг с другом за жизненные ресурсы, стремятся к размножению и совершенствованию.

Подобно микроорганизмам, Avidiaiis занимают очень мало места, имеют короткие сроки смены поколений. Но в отличие от микробов, их эволюция может быть остановлена в любое время. Или повернута вспять, чтобы исправить ранее допущенную ошибку.

«Цель такой искусственной эволюции — создать виртуальные формы жизни, которые бы имели собственную наследственную память и зачатки интеллекта», — поясняет один из исследователей, Роберт Пеннок.

Эксперименты в Авиде почти всегда начинают с простейших организмов, способных клонировать только себя. Чтобы заставить их развиваться, экспериментаторы принуждают их обитать в конкурентной среде, где приходится бороться за выживание и количество «пищи».

Чтобы следующее поколение было приспособлено к условиям обитания лучше предыдущего, нужно заложить в каждый псевдоорганизм не только инстинктивное стремление занять территорию с возможно большими запасами энергии и пищи, но и генетическую память, позволяющую накапливать из поколения в поколение лучшие качества того или иного авиданца. Например, Avidians развивали в себе способность сравнить питание в различных местах и запоминать наиболее богатые районы, умение ориентироваться как в пространстве, так и в жизненной ситуации.

Механизм запоминания, обучения, приводящий из поколения в поколение к усовершенствованию авиданцев, заинтересовал биологов. «Работа коллег позволяет предположить, что эволюционное умение решать простые навигационные проблемы зависит от развивающейся кратковременной памяти и в живой природе», — полагает зоолог Фред Дайер.

Исследования сложного поведения виртуальных организмов позволяют не только пролить свет на эволюцию органической жизни. С одной стороны, они помогают детально разбираться в механизмах памяти, работы ума, а с другой — конструировать все более совершенные системы искусственного интеллекта.

Джеф Клун, еще один исследователь из Мичиганского университета, полагает, что авиданцев в какой-то мере можно сравнить с нейронами мозга, которые не только сами соображают, что к чему, но и могут поделиться информацией с соседями, сообща решая ту или иную задачу. Ученый ныне работает с системой, называемой HyperNEAT, которая использует принципы биологии, чтобы получать большое количество цифровых нейронов, используя небольшое количество основных правил.

«В природе расположение ячейки эмбриона часто определяет его функции — станет ли она затем клеткой сердца или почки, к примеру, — поясняет Клун. — Так и в HyperNEAT роль каждого искусственного нейрона определяется координатами его расположения в матрице уравнений. А это, в свою очередь, означает, что вы можете создать сложный мозг из относительно небольшого числа компьютеризированных инструкций, или «генов».

Учитывая, что микрочипы ныне становятся все меньше (в обозримом будущем, роль активных элементов в киберустройствах будут играть даже отдельные молекулы), это открывает принципиальную возможность создания не только материалов с памятью, но и «разумных» композитов, самостоятельно меняющих свои свойства в зависимости от поставленной задачи.

От теории к практике

Этими разработками весьма интересуются представители Агентства перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) при Министерстве обороны США. Они полагают, что дальнейшие исследования в данном направлении могут привести и к созданию роботов-трансформеров.

Помните, как там человекоподобный робот способен, растекшись металлической кляксой, проникнуть сквозь преграду, а потом без труда восстановить былую форму?..

Такой робот оказывается и практически неуязвим — даже разорванный на множество частей взрывом, он снова воссоздается в первоначальном виде. А все потому, что каждая частица его кибертела, каждая молекула не только обладает своим собственным интеллектом, но может быть подчинена единой цели, решению общей задачи.

Правда, многие эксперты полагают, что от идеи до ее реализации еще «дистанция огромною размера», поскольку современные разработки, как вы убедились, больше напоминают детские игры, чем серьезные технологии, готовые к практическому применению. Однако время бежит быстро, а поколения микрочипов сменяют друг друга в микроэлектронике и того быстрее. Сейчас суперкомпьютеры, как известно, уже запросто обыгрывают людей при игре в такую интеллектуальную игру, как шахматы. Сами они, еще недавно размещавшиеся в огромных залах, ужались до объема нескольких шкафов, а в скором времени по внешнему виду будут неотличимы от ноутбуков.

 

У СОРОКИ НА ХВОСТЕ

РОБОТ — СОРТИРОВЩИК МУСОРА. Команда специалистов финской компании Zen-Robotics разработала робота для сортировки мусора. Устройство под названием Recycler в своей работе использует видеокамеры, металлодетекторы, спектрометр и тактильные сенсоры.

Внешне модель представляет собой огромную роботизированную руку. Благодаря специальному программному обеспечению, самообучающаяся машина способна определять на вид и ощупь множество материалов, в том числе разные виды пластика, и отбирает с конвейера то, что еще можно подвергнуть переработке.

ПРИВИВКА ОТ ГРИППА — НА ВСЮ ЖИЗНЬ. Исследователи небольшой британской компании SEEK заявили, что разработали универсальную вакцину от гриппа. Они утверждают, что созданный ими препарат, который получил название Flu-v, способен надежно защищать человеческий организм от вируса гриппа в течение всей жизни после одной-единственной прививки.

Полагают, что препарат будет эффективен против всех существующих штаммов гриппа, включая свиной и птичий, а также защитит организм и от всех возможных штаммов, которые появятся в будущем.

Это стало возможным благодаря открытию ученых из SEEK, обнаруживших участок в структуре вируса гриппа, который присущ всем штаммам этого возбудителя.

Изменения происходят только в наружной «оболочке», благодаря чему вирус отличается высокой изменчивостью. Вакцина учит иммунную систему организма воздействовать именно на этот участок, обезвреживая вредителя.

Новая универсальная вакцина начнет поступать в продажу через 3–5 лет.

СТРАННЫЕ ГОЛОСА. Говорят, их слышат повсюду — от Канады до Сибири. Эти странные мощные голоса, идущие как бы ниоткуда, одни сравнивают со скрежетом трущихся металлических пластин, другие — с шумом надвигающегося огромного механизма, третьи — с рокотом гигантских барабанов… Так или иначе, эти звуки вызывают недоумение, ужас, даже панику. Непонятный, устрашающий гул называют также «скрипом Земли», «звуками НЛО» и даже «предвестниками Апокалипсиса».

Исследователи из Международного комитета по глобальным изменениям геологической и окружающей среды (GEOCHANGE, Мюнхен) и Глобальной сети прогнозирования землетрясений (GNFE, Лондон) под председательством профессора Эльчина Халилова, полагают, что эти звуки скорее всего связаны с акустико-гравитационными волнами, возникающими в ионосфере. Причиной появления таких волн могут быть вспышки на Солнце. Ударные волны солнечного ветра, потоки частиц и всплески электромагнитного излучения врезаются в магнитосферу, ионосферу и нижележащие слои атмосферы.

Возникающие при этом акустико-гравитационные волны чаще всего фиксировались именно в периоды повышенной солнечной активности.

 

ВЕСТИ ИЗ ЛАБОРАТОРИЙ

Лазеры против… сорняков

Ученые из Университета Вильгельма Лейбница в Ганновере (ФРГ) отважились на создание инфракрасных лазеров, способных уничтожать сорняки на корню без вреда для полезных растений.

Похоже, прополка, культивация, применение гербицидов в развитых странах скоро станет вчерашним днем. Механические способы борьбы с сорняками требуют немало ручного труда. Химикаты же загрязняют окружающую среду, подрывают здоровье людей и сельско-хозяйственных животных, разрушают дороги, а также весьма не дешевы.

Поэтому специалисты вот уже несколько десятилетий разрабатывают новые методы борьбы с сорняками. Среди них рассматривают и весьма необычные: например, использование лазеров, которые будут сжигать стебли сорняков. Однако такой вариант требует тщательного прицеливания, длительного воздействия на растение-цель и больших затрат энергии. Не применять же на сельскохозяйственных угодьях лазеры, предназначенные для полей сражения?..

Поэтому исследователи из Ганновера, возглавляемые профессором Томасом Ратом из Института систем биологического производства, применили такую хитрость. Они нашли уязвимые точки сорняков и предлагают использовать маломощный углекислотный лазер для нагрева внутриклеточной жидкости в стратегически важных точках стеблей сорняков, которые контролируют их рост и размножение. Поскольку у различных видов растений они расположены в разных местах, платформа с лазерами оснащена программным обеспечением, которое позволяет компьютеру четко различать «кто есть кто» и атаковать прицельными импульсами лишь сорняки.

Но на этом проблемы не кончились. Уничтожить сорняки по всему полю может только мобильная платформа. Сейчас лазер, выжигающий сорняки в ходе экспериментов, разъезжает по полям, будучи смонтирован на подвесной направляющей (что-то вроде подвесной канатной дороги над посевами). Прорабатывался также вариант размещения лазера на манипуляторе, расположенном посреди делянки с растениями на особой вышке. Или, скажем, на привязном аэростате… Однако такие системы практичны лишь для парников и оранжерей с их относительно небольшими размерами.

Трактор с лазером над кабиной — тоже не лучший вариант: вибрация во время работы двигателя и движения трактора будет нарушать режим работы лазера, точность его прицеливания.

Поэтому сегодня исследования сосредоточены на дронах — малых беспилотных летательных аппаратах (БЛА), которые будут летать над полями на малой высоте, используя электрическую тягу. При этом возможен переход на твердотельные лазеры, которые устойчивее к резким маневрам, неизбежным в воздухе. Управлять лее роями дронов будет навигационный компьютер.

Пока такая технология кажется фантастической. Но не забывайте, еще недавно казались фантастикой и сами БЛА. А сегодня их число уже сравнялось с количеством пилотируемых летательных аппаратов.

 

СЛЕДИМ ЗА СОБЫТИЯМИ

Мамонта все-же оживят?

Разговоры о том, чтобы вырастить настоящего мамонта, идут уже не первое десятилетие. И всякий раз попытки наталкиваются на разного рода затруднения.

Нынешняя волна интереса к проблеме вызвана вот какими обстоятельствами. Во-первых, ученые в индийском штате Кашмир успешно клонировали редкую гималайскую козу, славящуюся своей шелковистой шерстью и качественным пухом. Причем Риаз Ахмад Шах, ветеринар биотехнологического центра университета Шер-е-Кашмир, и его шестеро коллег обещают поставить этот процесс на поток — настолько они стандартизировали методику клонирования.

Во-вторых, в марте 2012 года российские и южнокорейские ученые договорились о начале совместных работ по клонированию мамонта. Соответствующее соглашение было подписано в Сеуле между Северо-Восточным федеральным университетом России и Центром биотехнологических исследований Южной Кореи.

Целью проекта является сотрудничество в области изучения генома древних животных. Одной из главных задач является клонирование мамонта, исчезнувшего 4500 лет тому назад, сообщил журналистам один из участников работы, старший научный сотрудник Музея мамонта Научно-исследовательского института прикладной экологии Севера в Якутске Семен Григорьев.

Вначале ученые сообща будут искать биологический материал для клонирования на севере Якутии, поскольку уже имеющийся материал корейские коллеги считают не очень подходящим. Для того чтобы взять образцы ткани мамонта прямо из вечной мерзлоты, корейцы привезут с собой в Якутию, возможно этим летом, мобильную лабораторию, затем собранный материал переправят в Сеул, где пойдет совместная работа.

Кстати…

ОПЫТЫ УЖЕ ИДУТ