Текст книги "Юный техник, 2000 № 03"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 7 страниц)

УДИВИТЕЛЬНО, НО ФАКТ!
Лед – все еще загадка Вселенной

Казалось бы, все просто, вода да холод рождают лед. На первый взгляд это прозрачное вещество весьма просто. В действительности же таит в себе множество загадок и парадоксов. Вот тому несколько примеров…

Этот дворец в Саппоро (Япония) возведен из чистого льда. Подобные здания удается построить лишь потому, что поверхности ледяных глыб прочно склеиваются друг с другом под тяжестью собственного веса.

Открытие танзанийского школьника

Эрасто Мпемба и не помышлял о славе. Просто стояли жаркие дни, и ему захотелось чего-нибудь холодненького, например, фруктового льда. Он взял упаковку сока и положил ее в морозильник. Так лакомился он не раз и не два. И вот что заметил: если сок предварительно подержать на солнцепеке, то замерзает он куда быстрее, чем обычный.

Удивленный юноша поделился своим наблюдением с учителем. Тот не смог объяснить загадочного явления и сообщил о курьезе в печати. Так «эффект Мпембы» стал известен ученым. Но чтобы разгадать его, понадобилось около тридцати лет! Лишь в 1996 году физик Дэвид Ауэрбах нашел объяснение.

Ауэрбах провел серию экспериментов, только не с соком, а с водой. Целый год он то подогревал воду в стакане, то охлаждал ее. И в конце концов выяснилось: при нагревании пузырьки воздуха, растворенные в воде, улетучиваются и, лишенная газов, она легче намерзает на стенки сосуда.

«Конечно, вода с высоким содержанием воздуха тоже замерзнет, – говорит Ауэрбах, – но не при нуле градусов Цельсия, а лишь при минус четырех-шести градусах. Понятное дело, ждать придется дольше».

Итак, горячая вода замерзает раньше холодной. Помните об этом, заливая каток.

Мы можем бегать на коньках, поскольку молекулы ка поверхности льда слабо связаны друг с другом.

Почему скользит конек?

В самом деле, почему? Ведь на других твердых веществах, таких, как дерево или бетон, подобный эффект не наблюдается.

Еще несколько лет назад ученые ответствовали на этот вопрос весьма бесхитростно: мол, под узким полозом конька возникает высокое давление, в результате чего лед плавится. А потом конькобежец катится даже не по льду, а по скользкой, залитой водой колее.

В это верили целые поколения ученых и школьников. Однако объяснение было ошибочным.

Выявилось это три года назад, когда американские ученые сканировали поверхность льда с помощью электронного луча. Поверхность ледовой дорожки была и впрямь залита водой, но, удивительное дело, вода появлялась даже при минимальном давлении!

Оказалось, что молекулы, лежащие в самом верхнем слое льда, слабо связаны друг с другом и почти беспрепятственно переходят из одного фазового состояния в другое. Лишь при температуре порядка —60 °C поверхность льда становится столь вязкой, что скользить по ней на коньках будет невозможно. Все это документально подтвердил американский химик Габор Саморджаи из Берклийской лаборатории имени Лоуренса (Калифорния).

Итак, дело не в высоком давлении, а в поверхностных свойствах самого льда. Впрочем, каждому из нас – на бытовом уровне – это было давно известно. Ведь выйдя на лед в обычных ботинках, каждый замечал, что они разъезжаются.

Почему льдинки слипаются?

Еще одно удивительное свойство льда откроется нам, если мы прижмем две льдышки друг к другу: скользкие поверхности, сложенные вместе, на наших глазах склеятся! Отчего?

Как мы уже выяснили, поверхность любого куска льда представляет собой слой слабо связанных между собой молекул. Когда мы прижимаем куски льда, ничто не мешает этим молекулам крепко сцепиться, соединив льдышки надежнее, чем клей «Момент».

Это свойство льда и снега мы используем, когда лепим снежки. А эскимосы, к примеру, строят целые снежные дома – иглу. Если бы снег был «сухим», то крыши подобных жилищ обвалились бы на их головы.

Лед греет атмосферу

Итак, мы установили, что поверхность льда покрыта тонким слоем влаги. Это свойство не только помогает нам насладиться зимними играми, оно, ко всему прочему, еще и способно разогреть нашу планету. Свидетельство чему – озоновая дыра, разверзшаяся над Южным полушарием.

Важную роль в ее появлении играют ледяные облака, плывущие в 35 километрах над землей. Антарктической зимой кристаллики льда улавливают соединения хлора и накапливают их до весны. «А когда Солнце начинает светить все ярче, частички льда ведут себя подобно катализатору», – поясняет физик Алексей Глебов, сотрудник Института исследования течений при Обществе им. Макса Планка (Геттинген, Германия).

По вине этих льдинок распадаются хлористые соединения, и в атмосферу устремляются многочисленные атомы хлора – агрессивные частицы, разрушающие молекулы озона. Если бы поверхность кристалликов льда была твердой, этого не случилось бы: соединения хлора попросту отскакивали бы, словно мячи от стенки.

Так лучи света отражаются от поверхности льда.

Нормальный лед плавает в воде, ведь в его кристаллах молекулы расположены вовсе не так плотно, как в самой воде.

Тот, который не тонет

Когда мы говорим в обиходе «лед», нам следовало бы уточнить, что мы имеем в виду «лед lh». Ведь при более низких температурах и более высоких давлениях мы будем иметь дело с другими типами льда. Сколько всего их, не знает никто. Пока насчитали около двух десятков, в том числе «аморфный лед», который, как полагают, существует в космосе.

Некоторые формы льда (VI и VII) образуются даже при плюсовых температурах. Но происходит такое лишь при сверхвысоких давлениях.

Удивительно, но лишь одна из известных модификаций льда не тонет в воде – разумеется, та самая, с которой мы все хорошо знакомы. Ее плотность равна 0,931 г/куб. см, в то время как плотность воды достигает 1 г/куб. см.

Причина кроется в особенности строения: в кристаллах льда молекулы располагаются очень свободно; между ними имеются огромные зазоры. Если все другие вещества, замерзая, сжимаются, то вода, превращаясь в твердое вещество, расширяется. Ее объем растет, а масса остается неизменной. Так возникает «рыхлая» и легкая структура.

Насколько она важна, показывает простой мысленный эксперимент. Представим себе, что вода перестала расширяться при замерзании. Как изменится наш мир? Зимой перестали бы лопаться водопроводные трубы. Без малейших колебаний мы ставили бы в морозильник банки с пивом или минеральной водой, не боясь, что они лопнут. Наконец, плавать в полярных морях можно было бы без всякой опаски, и знаменитый «Титаник» никогда бы не потонул, поскольку в Атлантическом океане невозможно было бы сыскать ни единого айсберга – горы льда опускались бы на дно, как свинцовые грузила.

Казалось бы, все хорошо. Но есть следствие и похуже. Легко догадаться, что полярных медведей и прочих обитателей Арктики перемена модификации льда ничуть не обрадовала бы. Их жизненное пространство сузилось бы до небольших островов, раскиданных по Северному Ледовитому океану – льдин, по которым они бродят сегодня по всей Арктике, не стало бы.

Погибли бы и рыбы, населяющие реки и озера. Ведь эти естественные водоемы в зимнюю пору промерзали бы до дна. Толща воды, каменея, ледяными тисками сдавливала бы всех обитателей. В наше время рыбы благополучно выживают зимой лишь потому, что лед, покрывая поверхность реки или озера, надежно защищает их от холода. Ведь у дна водоема температура не опускается ниже +4 С.

И наконец, самое плохое следствие – на Земле начался бы всемирный потоп.

Сейчас льды, покрывающие приполярные области, содержат многочисленные пузырьки воздуха. Потому они и не прозрачны, а окрашены в белый цвет, благодаря чему почти идеально отражают солнечные лучи. Если же огромные массы льда потонут в водах морей, общая поверхность Земли станет гораздо темнее. Она будет интенсивнее поглощать солнечный свет, земная атмосфера разогреется. Постепенно растают материковые льды, покрывающие Антарктиду. Уровень океана катастрофически возрастет, так что многие портовые города скроются под толщей воды.

Лед к тому же… течет!

Впрочем, и с нетонущим льдом нам загадок хватает.

Все, например, знают, что ледники… текут? Рассмотрим это на примере Антарктиды. Обычно на ледяном континенте наблюдается стабильное равновесие. Выпавший снег под тяжестью собственного веса спрессовывается в лед. Огромные его массы медленно соскальзывают с антарктических гор в сторону океана со скоростью 10 метров в год. Возле воды застывшие глыбы разламываются; так образуются айсберги.

Однако это бывает не всегда и не везде. На фотографиях, сделанных спутниками, в западной части Антарктиды были обнаружены настоящие «реки льда». Они движутся в 50 раз быстрее, чем остальная его масса. Всего за сутки они перемещаются на целый метр. Ширина некоторых ледовых рек достигает полусотни метров, а глубина – одного километра! По сравнению с ними Нил или Амазонка покажутся ручейками.

Впрочем, иногда антарктические реки без всякой видимой причины застывают, останавливаются. Почему? «Мы не знаем даже, почему они текут», – замечает гляциолог Уильям Харрисон из Фэрбенксского университета (Аляска, США). – И уж тем более не понимаем, почему они замирают».

Град из космоса

До недавнего времени исследователи не знали ответа еще на одну загадку. Время от времени на поверхность нашей планеты начинают падать глыбы льда весьма солидных размеров. Не градины, нет, которые иной раз бывают с кулак, а куда более крупные куски льда весом порою в десятки килограммов.

Откуда они берутся? Первое объяснение, которое пришло на ум экспертам: дескать, это выбросы с пролетающих лайнеров, когда они опорожняют свои «закрома». Однако авиаторы опротестовали такое заключение: такого попросту не может быть, сказали они. А анализ глыб показал, что глыбы состоят из довольно чистой пресной воды.

Тогда кто-то вспомнил о «сумасшедшей» гипотезе американского исследователя Луиса Фрэнка, высказанной им еще в 1981 году, когда в руки ученых попали первые фотоснимки, сделанные в верхних слоях атмосферы спутником «Dynamics Explorer». Это были потрясающие по качеству фотографии, на которых, впрочем, имелся один изъян: там виднелось множество черных точек. Очевидно, дефект фотопленки, предположило большинство экспертов.

А вот Луис Фрэнк, профессор физики из Айовского университета, с этим не согласился. По его мнению, фотокамера запечатлела многочисленные космические «снежки», летящие в сторону Земли. Каждый день, по словам Фрэнка, нашу планету обстреливает около 30 000 ледяных комет. Глыбы эти высотой с дом испаряются, попав в атмосферу, и потому до сих пор их никто не замечал.

Смелое утверждение, не правда ли? Так можно объяснить не только появление водяных паров в атмосфере. За миллионы лет космические «снежки» принесли на Землю, наверное, столько воды, что все впадины и низменности ее рельефа покрылись бы океанами и морями! И можно предположить, что Земля – это пустой сосуд, без устали наполняемый Космосом!

Многие коллеги посчитали профессора Фрэнка фантазером. Его перестали приглашать на научные конференции, а его исследовательские планы и научно-популярные статьи по разным причинам отклонялись.

Но физик не сдавался. В 1997 году, вооружившись новой фотокамерой, он заснял на пленку неведомые многим светящиеся следы. Их-то и оставляли распадавшиеся снежные глыбы – те самые миникометы. Ученый был реабилитирован, стал знаменитостью.

Его гипотеза подтвердилась – вынуждены были признать самые ярые противники.

Публикацию по иностранным источникам подготовил А.ВОЛКОВ

КОЛЛЕКЦИЯ ЭРУДИТА
Пришельцы погибли при взрыве сверхновой?

Почти полвека назад выдающийся итальянский физик Энрико Ферми – один из отцов атомной бомбы – задумался над проблемой, которую позже назвали «парадоксом Ферми». Вот вкратце ее суть.

Поперечник нашей Галактики, как известно, составляет около ста тысяч световых лет. И если в Галактике существует хотя бы одна цивилизация, способная передвигаться между звездами со скоростью, пусть даже в 1000 раз меньшей скорости света, за 100 млн. лет эта цивилизация распространилась бы по всей Галактике. Так почему же мы не видим ее представителей на Земле?

С тех пор на этот вопрос предложено множество ответов – от варианта «они давно прилетели, а мы – их потомки» до рассуждения, что «мы одиноки в нашей Галактике, а то и во всей Вселенной».

И вот недавно американский астрофизик Джеймс Эннис в статье, опубликованной в «Журнале Британского межпланетного общества», предложил еще один вариант ответа на парадокс Ферми. Он считает, что каждая галактика время от времени «стерилизуется» сверхмощной вспышкой гамма-лучей. Возможно, цивилизации периодически гибнут от этого облучения, просто не успев выйти в дальний космос.

Эти невероятно мощные выбросы лучевой энергии происходят, видимо, при столкновении черных дыр или нейтронных звезд. За секунды высвобождается столько энергии, сколько излучает сверхновая звезда за несколько недель. Сейчас такие случаи бывают в каждой галактике примерно раз в несколько сот миллионов лет.

Как считает Эннис, вспышка гамма-лучей убивает все живое в галактике, кроме сравнительно примитивных форм жизни, живущих глубоко под водой. «Если бы сейчас такая вспышка произошла в центре Галактики, то наша планета, расположенная ближе к окраине, чем к центру, за несколько секунд лишилась бы всех наземных организмов», – говорит автор гипотезы.

По некоторым расчетам, раньше такие вспышки происходили гораздо чаще – раз в несколько миллионов лет. Если так было и в нашей Галактике, то, возможно, иные цивилизации, как и наша, появились сравнительно недавно после такой катастрофы и просто еще не успели разработать средства межзведного передвижения.

Впрочем, далеко не все коллеги Энниса согласны с гипотезой. Так, английский физик Пол Дэвис указывает, что вспышка длится лишь несколько секунд поэтому она может уничтожить все живое только на той половине планеты, которая в данный момент повернута к источнику лучей.

Эннис возражает, что на «экспонированной» половине будет разрушен защитный озоновый слой, что приведет к тяжелым последствиям для всей планеты.

Тем не менее, автор гипотезы делает из нее оптимистический вывод. Он считает, что, поскольку в нашей Галактике таких вспышек, насколько известно, не было уже очень давно, не исключено, что в настоящее время несколько цивилизаций бурно распространяются по Галактике и есть надежда на встречу.

P.S. Тем временем группа исследователей из Института астрофизики в Гархинге (Германия), изучив осадки с морского дна, нашла в них небольшое количество атомов изотопа железа-60, который возникает главным образом при взрывах звезд. Больше всего этих атомов обнаружено в пластах возрастом 4–6 млн. лет.

Из этого астрофизики делают вывод, что примерно 5 млн. лет назад сравнительно недалеко от Солнечной системы, в 90 световых годах, произошел взрыв сверхновой звезды. Несколько месяцев на нашем небосклоне сияла тогда звезда, светившаяся в десять раз ярче полной Луны, а когда она погасла, на небе еще около 1000 лет оставались ясно видимыми остатки взрыва: светящееся облако с размерами в 20 раз больше Луны. В то же время вспышка произошла не настолько близко, чтобы вызвать массовое вымирание земных организмов. Да она и не была настолько смертоносной, как те вспышки, о которых говорит Эннис.

Чтобы подтвердить свою гипотезу, физики сейчас ищут в тех же осадках плутоний-244. также возникающий при подобных взрывах.

КУРЬЕЗЫ НАУКИ
Насколько градусов отстают ваши часы?

В конце XVIII века случилось происшествие, которое даже вошло в историю астрономии. Директор Гринвичской обсерватории Масклай уволил своего помощника за то, что его сведения о звездных перемещениях расходились с данными самого исследователя на целую секунду. А спустя почти четверть века помощника оправдал немецкий астроном Бессель, показав, что в природе нет двух астрономов, чьи бы временные отметки совладали.

Все наблюдатели отмечают прохождение звезды через перекрестие линий, нанесенных на объектив телескопа. И вот оказалось, что даже самые лучшие из них отмечают этот момент в разное время – одни чуть раньше, другие чуть позже. Разницу в этих показаниях назвали «личным временем». И зависит такая ошибка, как выяснилось совсем недавно, от многих факторов – возраста, темперамента, состояния здоровья и даже температуры, при которой проходили наблюдения.

Сегодня прохождение звезд фиксируется автоматикой и учитывать личное время астрономов не требуется. Однако в других сферах жизни эта субъективная разница продолжает оказывать свое влияние. Вот тому подтверждение. «Пятидесятилетний Масклайн и его 30-летний помощник не могли назвать одно и то же время, – считает Питер Менген, психолог из Вирджинского университета. – Разница в секунду даже неправдоподобна мала; расхождение могло быть и вдесятеро больше»…

В пожилом возрасте, отмечает исследователь, время бежит быстрее, чем в молодые годы.

Недавно Менген поставил простой опыт: он разбил добровольцев на три возрастные группы и попросил каждого нажимать на кнопку, когда, по их мнению, пройдет три минуты. Статистика показала, что точнее всего определяют временные интервалы люди, которым около 20 лет.

Лица среднего возраста отметили интервал, в среднем равный 3 минутам и 16 секундам, а пожилые оценили тот же интервал в 3 минуты и 40 секунд.

Когда же исследователь повторил опыт, но при этом попросил испытуемых еще и заниматься работой (они сортировали письма), то погрешности в оценках резко возросли. Молодые люди стали ошибаться в среднем на 46 секунд, а пожилые – даже на 1 минуту и 48 секунд.

«Чем старше человек, тем он больше переоценивает время, – прокомментировал результаты своих исследований Менген. – Оттого и кажется ему, что время с годами все ускоряет свой бег…»

Однако не только возраст определяет точность чувства времени. Усталость, нервное состояние, увлечения тоже могут заметно исказить восприятие времени.

Как оказалось, на внутренние часы человека влияет также и температура – окружающей среды и его собственная. Так, если человек заболел, температура у него повысилась, то время для него начинает тянуться невыносимо медленно. Ему так и кажется, что окружающие вокруг него делают все слишком не торопясь, стрелки часов совсем не движутся… Это субъективное восприятие удалось уточнить и во время экспериментов: как оказалось, если у человека повышена температура на 2–3 градуса, то минутный интервал он отмечает с ошибкой в 35 секунд.

Говоря точнее, ритм жизни для них ускоряется почти вдвое.

И это понятно: при повышенной температуре ускоряется ход многих реакций в организме. Соответственно, можно добиться и обратной реакции. Если голову человека охладить на те же 2–3 градуса, заставить его, например, померзнуть на свежем воздухе, то минутный интервал растянется почти на 1,5 минуты.

…Какая польза от таких исследований на практике, пока не ясно. Разве что станет более нагляден известный анекдот о петухе, которого Ходжа Насреддин хотел отнести к часовщику, поскольку он слишком рано начинал петь.

По материалам иностранной печати подготовила Вера ФИН

Художник Ю.САРАФАНОВ

ВЕСТИ С ПЯТИ МАТЕРИКОВ

СОБОР ВАСИЛИЯ БЛАЖЕННОГО В… ПАРИЖЕ. В заглавии нет никакой ошибки. Посмотрите на снимок: у подножия знаменитой Эйфелевой башни расположился большой макет сооружения, украшающего Красную площадь в Москве. В будущем парижские архитекторы намерены создать в центре Парижа макеты еще нескольких примечательных архитектурных памятников мира. Так что туристы смогут одним махом увидеть сразу все «чудеса света».

КОМПЬЮТЕР ПОМОЖЕТ втрое быстрее освоить арифметические действия и в 5 раз скорее научиться читать. К такому выводу пришли английские исследователи, изучавшие эффективность применения персональных компьютеров в детских садах и первых классах начальной школы. «На экране дисплея можно показать арифметические действия в виде наглядных мультиков, а подчеркнутая красным буква «А» в слове «молоко», сразу дает понять, что в правописании что-то неладно, – говорят педагоги. – Все это лучше запоминается. Кроме того, компьютер не устает, тысячу раз повторяя одно и то же. Да и общаться с ним многим малышам намного проще, чем со строгой учительницей, которую лишний раз и переспросить боязно…»

МЯГКОЙ ПОСАДКИ ВАМ, МОНТАЖНИКИ! Теперь японские строители будут чувствовать себя в большей безопасности на своих рабочих местах, облачившись а особые спасательные жилеты. Они содержит сенсоры, которые в случае падения человека моментально среагируют на ускорение. Всего за 0,2 секунды надуется воздушная подушка. Она, смягчив удар, и защитит от повреждений. Опыты с манекенами показали, что при падении с высоты до 8 м энергия удара уменьшается вдвое. Стоит такой жилет-спасатель около 1000 долларов, но продается пока лишь в Японии.

ТОРМОЗИТЬ – ТАК КЕРАМИКОЙ. Фирма «Porsche AG» из немецкого города Штутгарт продемонстрировала новый комбинированный тормозной диск, который заметно продлит жизнь автомобилям. Весит он вдвое меньше привычного стального, а тормозные накладки изготовлены из металлокерамики. Благодаря такой конструкции коэффициент трения остается практически неизменным при любой температуре. Новая тормозная система поступит в продажу в наступившем 2000 году.

ЗАМОРОЖЕННЫЕ НЕЙТРОНЫ удалось получить американским и германским физикам. В специальной ловушке им удалось понизить температуру до 1/4 К, и нейтроны застыли, словно заколдованные. Такая неподвижная структура, как надеются исследователи, позволит полнее изучить структуру частиц а также понять, насколько они стабильны. Последнее весьма важно, поскольку от этого во многом зависит долговечность нашей Вселенной.

ДИСКЕТА НА ВСЮ ЖИЗНЬ! Японцы снова потрясли компьютерный мир, создав в исследовательском центра Цукуба 200-гигабайтовую дискету. Чтобы вы наглядно оценили ее гигантскую вместимость, добавим, что на таком носителе можно хранить до 40 двухчасовых кинофильмов, 10 000 электронных фотоснимков или море текстовой информации, которую будете копить всю жизнь вы, ваши внуки, а возможно, и правнуки.

ГЛАЖКА С ВАКУУМОМ вдвое повышает скорость глажения. Так, во всяком случае, уверяет английский инженер Дэвид Берстейн, который приспособил к обычной гладильной доске мощный вентилятор. Когда тот работает, отсасывая через мельчайшие отверстия воздух, ткань прижимается к доске и лучше выглаживается. «Во многих случаях даже отпадает необходимость гладить вещь с двух сторон», – уверяет изобретатель.

ВЖИВЛЕННЫЕ В МОЗГ ЭЛЕКТРОДЫ позволили слепому снова различать предметы в окружающем мире и даже читать крупно набранные заголовки в газетах. Как рассказал руководитель работы, нью-йоркский исследователь доктор Уильям Добелл, устройство состоит из крошечной телекамеры, вмонтированной в очки. От нее тончайшие проводки идут в зрительный отдел мозга, и слепой человек как бы видит россыпь светлых и темных точек, позволяющих ему различать контуры окружающих предметов. Управляет всей системой мини-компьютер, помещающийся в сумке, которую слепой будет носить с собой.