Текст книги "Юный техник, 2009 № 06"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 5 страниц)

ПОДРОБНОСТИ ДЛЯ ЛЮБОЗНАТЕЛЬНЫХ
Масса Млечного Пути

Сколько весит наша Галактика? Таким, неожиданным, на первый взгляд, вопросом задались недавно астрономы. И вот что им удалось выяснить…

Как известно, мы – земляне – одновременно является и обитателями галактики Млечный Путь. Как она выглядит со стороны, мы, находясь внутри ее, понять не можем. Остается лишь подбирать подходящие аналогии, глядя на иные звездные миры. Поначалу нашу Галактику отнесли к разряду спиральных – наиболее распространенных во Вселенной. Потом к спирали добавили еще и бар – своеобразную перемычку в центре, как бы скрепляющую различные галактические ветви. Затем, примерно пол века назад, решили присоединить к перемычке еще четыре крупных галактических рукава, названных по именам созвездий – Центавра, Персея, Стрельца и Лебедя. Солнце, по современном понятиям, находится в небольшом рукаве Ориона, расположенном между Персеем и Стрельцом.

Немного разобравшись со строением Млечного Пути, астрономы затем попытались оценить его массу. Операция эта достаточно деликатная, хотя бы потому, что более 90 процентов массы Галактики приходится не на звезды или межзвездный газ, а на несветящееся гало из так называемого темного вещества и энергии, которые проявляют себя лишь тем, что заставляют звезды и галактики быстрее разбегаться от воображаемого центра, обладая антигравитацией.

Как гравитация связана с массой тела, мы знаем благодаря закону всемирного тяготения, сформулированному еще Ньютоном. А вот закона антигравитации пока не существует…

И это не единственная заминка. Совсем недавно вдруг выяснилось, что астрономы до сих пор неправильно представляли себе размеры Млечного Пути и иерархию, царящую в нашей местной группе галактик, которая, в свою очередь, входит в Сверхскопление Девы.

Раньше считалось, что крупнейшей галактикой в этой системе является туманность Андромеды. А Млечный Путь уступает ей по размерам и массе примерно в полтора раза. Теперь же, проведя сверхточные измерения скорости вращения рукавов нашей Галактики, исследователи стали понимать, что Млечный Путь туманности Андромеды, скорее всего, ничем не уступает.

Так выглядит туманность Андромеды.

А если это так, то «взвесив» тем или иным образом соседнюю галактику, можно оценить и массу собственной. Примерно так, взвесив одного из близнецов, не сложно сказать, сколько весит и другой.

Такой операцией и занялась международная группа астрономов под руководством американца Марка Рейда из Гарвард-Смитсоновского астрофизического центра. И вот что ей удалось выяснить.

Поперечник Млечного Пути оценивается примерно в 100 000 световых лет. Один световой год, как известно, это тот путь, который способен пробежать за год луч света, имеющий скорость в 300 000 км/с. Округленно световой год считают равным 9,46∙10 ¹²км. Так что диаметр нашей Галактики вы теперь можете посчитать и сами.

Всего в составе нашей Галактики содержится несколько сотен миллиардов звезд. Причем в центральной области сравнительно плоский галактический диск имеет выпуклость.

К сожалению, что именно находится в центре, наши астрономы рассмотреть пока не могут из-за плотных газо-пылевых облаков. Фотографии же центра Галактики в инфракрасном и радиоизлучении ничего особо интересного не дали.

Кстати, наша Солнечная система находится на периферии Галактики – примерно в 28 000 световых лет от центра.

Массу же всей Галактики астрономы попытались оценить по скорости движения отдельных звезд вокруг общего центра. Чем больше общая масса, тем выше скорость обращения отдельной звезды. Исходя из того, что мы, например, движемся вокруг галактического центра со скоростью более 960 000 км/ч, предположительно, масса звезд, межзвездного газа, пылевых облаков и иных видимых объектов оценивается примерно в 3 трлн. солнечных масс. А поскольку масса нашего светила, напомним, составляет примерно в 2∙10 ³⁰кг, то получается, что общая масса Млечного Пути составляет 6∙10 ⁴²кг. Причем в общий итог, уточним, не входит масса невидимых черных дыр, а также темного вещества и энергии, которые пока неизвестно, как и взвешивать.

ВЕСТИ ИЗ ЛАБОРАТОРИЙ
Еще один квантовый компьютер

В Японии разработан базовый компонент «квантового компьютера» будущего, который сможет за несколько десятков секунд производить вычисления, на которые самый быстрый современный суперкомпьютер потратит не менее 10 млн. лет.

Его создали специалисты электротехнической корпорации NIC и национального Института естественных наук, сообщает международный исследовательский журнал «Сайенс».

Как мы уже писали (см. «ЮТ» № 6 за 2007 г.), квантовый компьютер основан на использовании особенностей поведения элементарных частиц. Прорыв в разработке его основного компонента в японском варианте был обеспечен, в частности, за счет применения в этой схеме особых алюминиевых мембран с эффектом сверхпроводимости, который позволяет при низких температурах свести практически к нулю сопротивление электрическим потокам.

В то же время японские специалисты признают, что сделали пока хоть и важный, но только первый шаг к достижению поставленной цели. На создание полноценного «квантового компьютера», по их мнению, потребуется около 10 лет.

КОЛЛЕКЦИЯ ЭРУДИТА
Прекрасное далеко

Сто ученых из разных стран и специальностей высказали на сайте проекта Tech Caste свои предположения по поводу того, какие открытия и изобретения ожидают нас в течение ближайших 15 лет. Вот некоторые из их предсказаний.

Открытия новых планет у чужих солнц будут продолжаться. И в ближайшие лет 5–7, с введением в строй новых астрономических инструментов, исследователи смогут не только увидеть воочию те или иные небесные тела, но и смогут определить, есть хоть на некоторых из них вода и кислород.

В ближайшие 10–15 лет люди снова смогут высадиться на Луну, а автоматические зонды произведут разведку спутника Юпитера – Европы, а также других небесных тел на окраинах Солнечной системы.

Космический туризм в 2012–2014 годах перестанет быть чрезвычайной редкостью, доступной лишь тем богачам, которые могут заплатить за билет на орбиту 20 млн. долларов. Британский предприниматель Ричард Бронсон, на деньги которого построены первые частные космолеты, уверяет, что в скором будущем полет на высоту в 100 км будет стоить не дороже 100 тыс. долларов.

В 2014–2018 годах стоит ожидать появления на улицах городов первых автомобилей без шоферов. Они будут управляться киберводителями. И тогда вы можете вызвать свою машину по сотовому телефону к назначенному времени в нужное вам место. А сев в кабину, достаточно будет назвать конечный пункт назначения, и автомобиль самостоятельно отвезет вас. При этом он выберет оптимальный маршрут, свободный от транспортных пробок.

В 2022–2029 годах появятся первые домашние и офисные роботы, которые смогут самостоятельно производить уборку квартиры, готовить обед, застилать постель. В госпиталях такие роботы помогут медсестрам ухаживать за больными, а в офисах и на складах – выполнять обязанности курьеров и грузчиков.

Кстати, чтобы осмотреть пациента, врачу в 2015–2019 годах уже не обязательно будет ехать к нему на дом или вызывать его в поликлинику. Домашний робот сможет измерить температуру, кровяное давление, пульс, проведет простейшие анализы и передаст все эти данные в клинику врачу для дальнейшего анализа.

Роботы-хирурги под наблюдением медиков, которые в некоторых случаях могут находиться за тысячи километров от операционной, смогут даже проводить операции. Особая нужда в такой телемедицине есть у моряков, полярников и космонавтов во время длительных экспедиций, в том числе и на другие планеты.

К 2030 году энергия ветра, солнца и других возобновляемых источников будет составлять не менее трети в энергетическом балансе человечества.

Примерно в это же время будут произведены первые эксперименты по телепортации материальных объектов и будут открыты новые элементы периодической системы Д.И. Менделеева, а метеорологи наконец-таки смогут давать точные прогнозы погоды, по крайней мере, на неделю вперед.

А. ПЕТРОВ

ЗА СТРАНИЦАМИ УЧЕБНИКА
Взлететь подобно Ариэлю поможет эффект Казимира?

Слышал, что американские ученые открыли новый принцип полета, используя так называемый эффект Казимира. В учебниках об этом эффекте ничего нет. Не могли бы вы прояснить суть дела. И кто такой Казимир?..

Сергей Калинин, г. Красноярск

Открытие, о котором идет речь, принадлежит группе исследователей под руководством Федерико Капассо, профессора прикладной физики Инженерной школы Гарвардского университета.

Сделано оно было в общем-то случайно: не помышляя о полетах, ученые вели работы по усовершенствованию миниатюрных датчиков для автомобильных подушек безопасности.

Такие подушки, как известно, должны автоматически надуваться при резком торможении автомобиля или его соударении с препятствием. Включает механизм надувания специальный сенсор, реагирующий на ускорение. Обычно в таких устройствах используют миниатюрные шарики, подвешенные на пружинках, но профессор Капассо и его сотрудники хотели создать сверхминиатюрные и надежные нанодатчики из тончайших металлических пластин. И тут они натолкнулись на эффект, названный по имени голландского физика-теоретика Хендрика Казимира, заметившего еще в 1948 году: если в вакууме близко друг от друга разместить два токопроводящих тончайших лепестка, то даже без электричества между ними возникает взаимное притяжение.

Схема эффекта Казимира:

_{1– пластинки, 2– вакуумные флуктуации.}

Эта сила притяжения, позднее названная силой Казимира, прямо пропорциональна площади пластин и обратно пропорциональна 4-й степени расстояния между ними. Возникает же она так. Согласно квантовой теории поля, физический вакуум – это не абсолютная пустота. В нем постоянно рождаются и исчезают пары частиц и античастиц, происходят постоянные колебания (флуктуации) связанных с этими частицами полей – например, электромагнитных.

Однако между близко расположенными поверхностями – теми самыми тончайшими лепестками – возникают колебания не всех частот, как снаружи, а в сравнительно узком диапазоне. Получается, что давление снаружи больше, чем между лепестками, и они стремятся слипнуться.

Нечто подобное происходит, когда два корабля сближаются бортами. Между кораблями волны невелики, а вокруг волнение куда больше. И корабли – моряки хорошо это знают – могут столкнуться друг с другом.

С обыденной точки зрения сила Казимира чрезвычайно мала. Если держать пластинки друг от друга на расстоянии хотя бы двух миллиметров, она вовсе незаметна. Расстояние, на котором сила начинает ощущаться, составляет несколько микрон. Однако, будучи обратно пропорциональной 4-й степени расстояния, она очень быстро растет с его уменьшением. На расстояниях порядка 10 нанометров – сотни диаметров типичного атома – давление, создаваемое эффектом Казимира, оказывается сравнимым с атмосферным. И нанопластинки в опытах профессора Капассо слипались без всякого на них воздействия.

Все это очень мешало созданию миниатюрных сенсоров. И Федерико Капассо с коллегами стал думать, как избавиться от этого эффекта. И здесь профессору повезло. Один из его сотрудников нашел публикацию российских ученых, в которой говорилось, что эффект Казимира можно снизить и даже нейтрализовать, используя правильную комбинацию материалов.

Более тщательные исследования показали, что, если использовать вместо плоских пластин комбинации сфер и плоскостей или объектов еще более сложных форм, можно добиться, что сила притяжения в какой-то момент даже поменяет свой знак и станет силой отталкивания.

Этими результатами, в свою очередь, воспользовались профессор Ульф Леонард и доктор Томас Филбин из университета Святого Эндрюса в Шотландии. Они разработали теорию, которая позволяет выявить условия, при которых сила Казимира меняет свой знак.

Что, как говорится, и требовалось доказать. Крошечные датчики перегрузок, созданные на основе «антиэффекта Казимира», и в самом деле оказались более чувствительными и надежными.

Аналог эффекта Казимира: параллельно плывущие корабли могут столкнуться бортами.

Но на том дело не кончилось. «Нами сделан лишь первый шаг, – говорит профессор Капассо. – В будущем на основе вновь открытого эффекта можно ожидать создания левитирующих устройств, которые совершат подлинную революцию на транспорте».

И в самом деле, сила взаимного отталкивания пластин вызывает эффект поддержания их в воздухе, иными словами – эффект левитации. При этом левитирующие объекты могут перемещаться друг относительно друга с практически полным отсутствием трения. Ученые уверены, что это пригодится при создании антифрикционных покрытий для микромашин и отдельных узлов нанороботов.

Профессор Капассо также выдвинул предположение о том, что это открытие делает возможным разработку нового класса транспортных устройств. Он отметил, что, несмотря на то, что ныне удается поднять в воздух лишь нанообъекты, путь к левитации крупных объектов уже открыт, поскольку основные механизмы и принципы этого процесса учеными уже изучены.

С. ЗИГУНЕНКО, научный обозреватель «ЮТ»

У СОРОКИ НА ХВОСТЕ

ГАСТРОНОМИЯ И КЛИМАТ.Противодействовать глобальному потеплению климата можно, если… радикально изменить рацион жителей развитых стран, уверяют эксперты исследовательской организации, работающей при Суррейском университете, Великобритания.

В настоящее время, по данным организации, средний англичанин потребляет в неделю 6 кг мяса и 4,2 л молока. Но если он хочет сохранить климат планеты таким же, как сейчас, то должен ограничить свой рацион 500 г мяса и литром молока в неделю. Снижение спроса на молочные и мясные продукты позволит сократить производящие их отрасли, ответственные за выбросы углекислого газа в атмосферу, считают экологи. Ведь ныне объем парниковых газов, ежегодно вырабатываемых продовольственным сектором Великобритании, составляет пятую часть выбросов всей промышленности страны.

КОТ ОХОТИТСЯ ЗА… ГРИБАМИ?!Жительница Швеции Ингрид Андерссон заметила, что ее питомец Вилли вынюхивает грибы, еще когда тот был маленьким котенком. И теперь, став уже взрослым котом, он охотно ходит со своей хозяйкой на «грибную охоту», помогая ей всякий раз быстро набирать полную корзину.

ЕСЛИ РЫБЫ ЗАКАШЛЯЛИ…значит, пора менять воду в аквариуме. К такому выводу пришли американские биологи, применив специальные гидрофоны и магнитозапись. Причем, как полагают ученые, по интенсивности кашля можно также судить и о степени загрязнения природных водоемов.

РЕКОРДЫ СКОРО ЗАКОНЧАТСЯ…К такому выводу пришли сотрудники парижского Института спортивной медицины и эпидемиологии. Проанализировав данные по 3263 мировым рекордам, установленным с 1896 по 2007 год по пяти спортивным дисциплинам (легкой атлетике, плаванию, велогонкам, бегу на коньках и тяжелой атлетике), они пришли к выводу, что кривые роста спортивных достижений постепенно становятся все более пологими. И к 2027 году они достигнут своего практического потолка.

Дальнейший рост рекордов возможен лишь в двух случаях: при непременном использовании допинга либо если будущих рекордсменов начнут отбирать по генетическому коду с младенчества и будут выращивать их по специальным методикам.

МАТЕМАТИКУ НУЖНО ВООБРАЖЕНИЕ. Интересный эксперимент провели в детском саду психологи из университета Ватерлоо (Канада) под руководством Даниэллы О’Нейл. Показав детям картинки, их просили сочинить по ним рассказ. При этом учитывалась длина самого сочинения, интересные подробности, богатство словаря каждого испытуемого.

Через несколько лет ученые поинтересовались успехами в школе подросших испытуемых. Оказалось, что лучшие отметки по математике получают те дети, которые сочинили наиболее сложные и интересные истории.

С ПОЛКИ АРХИВАРИУСА
Атомное сердце для локомотива

Правда ли, что в СССР, кроме атомных подводных лодок и ледоколов, которые существуют и сегодня, проектировались гигантские поезда, которые должны были везти локомотивы с атомными двигателями? Зачем они понадобились? Разве обычных электровозов с тепловозами недостаточно?

Антон Коломийцев, г. Орел

В середине прошлого века, когда стали появляться планы строительства БАМа – Байкало-Амурской магистрали, – среди прочих рассматривался проект строительства абсолютно новой дороги. Газета «Гудок» – печатный орган Министерства путей сообщения СССР – в 1956 году, в частности, писала:

«В условиях Севера, Дальнего Востока и пустынь Центральной Азии не всегда целесообразно электрифицировать вновь строящиеся железнодорожные линии. В этих условиях лучше, применять атомные локомотивы, которые могли бы работать без подвоза больших количеств топлива»…

В дальнейшем специалисты развили эту идею. Ставить атомный котел на обычный паровоз или тепловоз сочли невыгодным. Атомные локомотивы должны были двигать мегапоезда, состоящие из гигантских вагонов, поставленных на сверхширокую колею, которая в 2,5–3 раза превышала бы по ширине принятый в нашей стране стандарт – 1520 мм.

Колея в 3–4 м (а некоторые конструкторы предлагали даже делать ее шириной в 6–8 м) позволила бы уравнять товарные поезда по грузоподъемности с кораблями и баржами, а пассажирам в составах предоставлялись бы условия, сравнимые по комфорту с первоклассными океанскими лайнерами. Причем для начала сверхширокие магистрали можно было создать с минимумом затрат – просто мегапоезд опирался бы на внешние рельсы обычной двухпутной магистрали.

Однако когда эту идею стали анализировать, оказалось, что рельсы все равно придется перекладывать, поскольку на существующих магистралях строго выдерживается дистанция лишь между рельсами одной ветки, а на каком расстоянии проложены друг от друга сами ветки стальных магистралей, никто особо не следит. Кроме того, для супертяжелого мегапоезда пришлось бы все равно менять шпалы, да и сами рельсы делать особой прочности.

На рисунке показана схема самого простого односекционного атомного локомотива, в котором и реактор, и генератор, и электромоторы располагались внутри общего корпуса; только атомный котел с теплообменником прикрыты слоем биозащиты.

_{Цифрами обозначены: 1– атомный реактор, 2– паровой котел, 3– пар, 4– турбина, 5– кабина машиниста, 6– генератор, 7– распределительное устройство, 8– электромоторы, 9– защита, 10– насосы.}

И это еще не все: пришлось бы заново создавать не только локомотивы, но и весь вагонный парк. А это потребовало бы таких расходов, что экономия на подвозе топлива и электрификации магистрали оказалась бы просто копеечной.

Эти соображения заметно охладили интерес конструкторов к атомным локомотивам. А тут еще создатели реакторов для атомных подлодок ознакомили с трудностями, которые встречаются в их работе: необходимо ведь не только вмонтировать реактор в заранее заданные габариты, но при этом еще обеспечить надежную биологическую защиту от радиации как людей в поезде-гиганте, так и окружающей среды.

Сама же по себе идея поезда с ядерным реактором проста, для ее реализации нет никаких препятствий фундаментального характера. Работают же сейчас АЭС и ледоколы с атомными установками. Примерно ту же схему можно использовать на атомном локомотиве. Тепло, образующееся в результате ядерной реакции, передается теплоносителю первичного контура. Он, в свою очередь, отдает тепло воде в парогенераторе. Образующийся пар поступает по трубам к электротурбине, та приводит во вращение вал электрогенератора, а выработанный ток идет для питания электромоторов, вращающих колеса.

Основная техническая сложность проекта заключалась в том, что атомный котел локомотива пришлось бы изолировать толстым слоем свинца или бетона, причем со всех сторон. Общий вес такой защиты составил бы сотни тонн, да и компактной ее никак не назовешь.

А если учесть, что и первые ядерные реакторы, создававшиеся в середине прошлого столетия, сами по себе отличались большими габаритами, то размеры и вес атомного локомотива оказались бы просто титаническими. Потому проект так и остался на бумаге.

Схема контроля передвижения ядерного поезда по спецмаршруту.

Впрочем, не надо думать, что он забыт окончательно. В наши дни в разных странах мира конструкторы ведут разработки новых типов ядерных реакторов – компактных и более безопасных. Например, в ЮАР конструируют так называемый модульный реактор с шариковой засыпкой (PBMR). Вместо привычных стержней с тепловыделяющими элементами (ТВЭЛами) в реакторе предполагается использовать шарики из графита, включающего в себя микроскопические вкрапления оксида урана в капсулах из карбида кремния. Через шарики продувается инертный газ (лучше всего подходит гелий), который отводит тепло, возникающее в ходе реакции.

Другой проект компактного и не слишком дорогого ядерного реактора предложен учеными Федерального университета Рио-Гранде-ду-Сул (Бразилия). Он также использует топливо в виде шариков с вкраплениями оксида урана; только вместо газа тепло отводится с помощью жидкости. Но будут ли на основе этих проектов созданы реальные локомотивы, пока не известно.

И. ЗВЕРЕВ

Кстати…

СЕКРЕТЫ ЯДЕРНОГО ПОЕЗДА

Если атомные локомотивы так и не были построены, то вот ядерные поезда – это реальность наших дней. Нет, локомотивы у них самые обычные, но вот груз…

Вы когда-нибудь задумывались, как транспортируют с места производства на место хранения ядерные боеголовки? Или радиоактивные отходы атомных электростанций?

В ином кинофильме иногда показывают: поезд, а к нему почему-то прицеплен спецвагон с боеголовкой. На самом деле все обстоит совершенно иначе. Вот как, например, организована охрана спецпоездов на Приаргунском горно-химическом комбинате, что расположен в закрытом городе Забайкальске Читинской области.

По словам одного из разработчиков защитной системы, Владимира Соколова, ключи безопасности ядерных поездов находятся на космической высоте. А именно, благодаря глобальной навигационной системе ГЛОНАСС и спутниковой системе связи «Гонец» диспетчер совершенно точно знает, где находится в данный момент спецпоезд и не нужна ли ему помощь.

Сама трасса движения на всем ее протяжении оснащена датчиками, которые скрытно наблюдают за местностью и подают сигнал опасности при нештатной ситуации – например, при продвижении к железнодорожному полотну группы людей без особого на то разрешения.

Кроме того, состав спецпоезда состоит из особых вагонов-сейфов, по сравнению с которыми бронепоезда Первой мировой войны выглядят детскими игрушками. Но даже если злоумышленники проникнут внутрь вагона, там их ждут такие «сюрпризы», что выбраться обратно у них не будет шансов, – утверждает Владимир Соколов.

Само же ядерное топливо или его отходы упакованы в сверхпрочные модули, способные выдерживать падение с высоты десятиэтажного дома, пожар и прямое попадание самолета. Так что даже подстроенное крушение поезда ничего не даст террористам – вскрыть его быстро не удастся. Вывезти же сам многотонный модуль – задача нелегкая в самом прямом смысле этого слова. Тут нужна особая техника, передвижение которой опять-таки сразу же будет засечено с орбиты.

…Каждый день по спецмаршруту и особому расписанию движутся поезда с радиоактивными материалами. За ними следят сотни чутких умных приборов из космоса. Надежность такого контроля проверена временем – за все время работы этой системы безопасности она не дала ни одного сбоя.