Текст книги "Юный техник, 2010 № 07"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 5 страниц)

ПРЕМИИ
Свет и электричество

ПОЗВОЛЯЮТ ЗАФИКСИРОВАТЬ И ПЕРЕДАТЬ ИНФОРМАЦИЮ ЗА СОТЫЕ ДОЛИ СЕКУНДЫ

Лауреатами Нобелевской премии по физике 2009 года стали трое американских ученых.

76-летний Чарлз Као удостоился высокой награды «за новаторские достижения в области оптоволоконной связи». Или, говоря проще, за то, что в 1966 году выполнил вычисления, которые позволили ему с уверенностью заявить: световой сигнал по стекловолокну можно передать на расстояние более 100 км. Это было на редкость смелое заявление, поскольку на практике в то время по волоконным проводникам сигнал передавали на расстояние не более… 20 м!

Однако Као это не смутило. Он верил в свои расчеты и показал, как достичь теоретических показателей на практике. По его мнению, нужно было не столько улучшить конструкцию волоконного кабеля, сколько повысить качество самого стекла, избавив его от примесей, задерживающих и искажающих сигнал.

С его легкой руки был разработан метод зонной плавки, позволивший получать сверхчистое волокно. Через 4 года Као представил всем практическое доказательство верности своих расчетов. Образец длиной в 1 км побил тогда все рекорды дальности передачи оптического сигнала. И это было лишь началом. Као словно бы открыл шлюз некоей плотины: изобретения полились потоком, дальность передачи полезного сигнала по стекловолокну непрерывно нарастала. Так, в 1988 году по дну Атлантического океана был проложен стекловолоконный кабель длиной в 6000 км, который соединил Европу с Америкой. Ну, а сегодня суммарная длина таких кабелей превысила уже 1 млрд. км! Работа Всемирной паутины – Интернета – попросту немыслима без исследований Чарлза Као.

Стекловолокно удобно еще и тем, что не чувствительно ни к молниям и другим электромагнитным помехам, как медные провода, ни к магнитным бурям, как радиопередачи. При этом затухание самого сигнала составляет всего 5 % на километр. А ведь на заре сверхдальних передач инженеры бились над тем, чтобы до конца километровой дистанции добиралась хотя бы одна сотая первоначальной мощности.

Не менее революционно и второе открытие, удостоенное той же премии. Заслуги американцев – 85-летнего Уилларда Бойла и 79-летнего Джорджа Смита может оценить каждый, кто держал в руках цифровой фотоаппарат или мобильный телефон с камерой. Их ядро – ПЗС-матрица, прибор с зарядовой связью, прототип которого создали в 1969 году Бойл и Смит.

Джордж Смит.

Уиллард Бойл.

Как подчеркнул У. Бойл, они со Смитом вряд ли бы взялись за создание ПЗС-матрицы, если бы не особая атмосфера, царившая в лаборатории Белла, где они тогда работали. Никто никого не подгонял, не заставлял писать бесчисленные планы и отчеты, не указывал, что именно следует делать в первую очередь. И такая свобода позволила ученым решиться на разработку «безумной идеи», которая, казалось, не имеет перспектив.

Кроме того, исследователям было всегда с кем посоветоваться – ведь в лаборатории Белла к тому времени уже работало около десятка нобелевских лауреатов, и они всегда могли подсказать что-то дельное.

Предполагалось, что разработка Бойла и Смита может, в первую очередь, пригодиться в телевидении. Но со временем выяснилось, что она может произвести переворот в фотографии и кинематографе. Сегодня, вы знаете, на смену пленке пришли электронные матрицы и фотография из аналоговой стала цифровой. Цифровые снимки можно распечатать на бумаге, а можно переслать по волоконным линиям связи из одного конца земного шара в другой.

Кроме того, цифровые методы визуализации изображения оказались весьма полезны в криминалистике, медицине, астрономии. Благодаря ПЗС-матрицам мы получаем снимки из далекого космоса с помощью космических станций и орбитальных телескопов, можем заглянуть на океанское дно, получать изображения почти в полной темноте из глубин человеческого организма…

С. ЗИГУНЕНКО

ПОДРОБНОСТИ ДЛЯ ЛЮБОЗНАТЕЛЬНЫХ
Блин на шаре, или как совершить прорыв в математике

Наш соотечественник, математик Григорий Перельманиз Санкт-Петербурга, удостоен престижной международной Премии тысячелетия за доказательство теоремы Пуанкаре.

В учебниках и научно-популярных книгах гипотезу Пуанкаре описывают примерно так. Попробуйте представить себе для начала двухмерную сферу. Для этого возьмите тонкий резиновый «блин» и натяните его на шар. Причем так, чтобы окружность периметра этого блина-диска оказалась собранной, как бы связанной в одной точке. Примерно так набитый зерном мешок завязывают у горловины.

В итоге, как утверждают топологи, у вас получится, что двухмерный эластичный диск окажется растянутым в трехмерном сферическом пространстве. Причем растяжение это, если мы действовали аккуратно, проходит без всяких разрывов.

Так вот, в 1904 году блестящий французский математик Жюль-Анри Пуанкаре выдвинул предположение, что если взять не двухмерную, а некую трехмерную оболочку и натянуть ее на четырехмерную сферу, то края оболочки тоже должны сойтись в некой точке. Представить себе наглядно это довольно трудно, но все же попробуем.

Согласно гипотезе Большого взрыва, некогда наша Вселенная представляла собой точку. После взрыва материя стала распространяться в трехмерном пространстве, все время как бы раздувая свою первоначальную оболочку. Причем в данном случае время выступает в роли как бы четвертого измерения. Именно поэтому астрофизики часто говорят о пространстве-времени как о некоем четырехмерном объекте.

Г. Перельман– специалист в области топологии – науки, изучающей пространство при непрерывных деформациях.

Так вот, согласно гипотезе Пуанкаре, получается, что при «раздувании» Вселенной ее трехмерная оболочка осталась в целости и при «сдутии» может опять когда-нибудь обратиться в точку. Эта гипотеза в свое время была положена в основу концепции бесконечной Вселенной, согласно которой окружающий мир может расширяться и сжиматься бесчисленное число раз.

Однако сам Пуанкаре доказать свое предположение так и не смог. Пытались доказать гипотезу Пуанкаре и многие другие математики, но сделать это удалось лишь Григорию Перельману.

В 2002 году он нашел доказательство гипотезы французского тополога и выложил свои расчеты в Интернет, предложив всем желающим: найдите ошибку, если сможете.

За прошедшие годы ошибки никто не нашел, и в 2006 году за свою работу Перельман был удостоен медали Филдса. А в 2010 году математический Институт Клэя (США) выделил из своего фонда миллион долларов для награждения нашего математика. Причем Григорий Перельман в тот момент, когда пишутся эти строки, все еще раздумывает: принимать ли ему награду?

Что касается Вселенной, пока она и не думает снова обращаться в точку. Напротив, измерения показывают, что звезды и галактики на окраинах Вселенной разбегаются от центра со все возрастающей скоростью. Говорят, что их растягивает так называемая темная энергия. Но что это такое, никто пока толком не знает. И за объяснение природы этой силы наверняка кого-то удостоят престижной премии.

Публикацию подготовили С. НИКОЛАЕВ

Кстати…

ОСТАЛОСЬ ЕЩЕ ШЕСТЬ ПРЕМИЙ…

Тот же Институт Клэя опубликовал список еще шести задач, за решение каждой из которых, как уверяет президент института Джим Карлсон, любой желающий может получить премию в миллион долларов. А кроме того, стать столь же знаменитым, как лауреат Нобелевской премии – ведь за достижения в математике эта премия не присуждается.

Итак, в списке значатся:

Проблема Кука. Претенденту на награду предлагается показать математически, может ли проверка верности решения какой-либо задачи потребовать больше времени, чем само решение. Ответ на этот вопрос, оказывается, очень важен для специалистов по шифрам. Криптографам хотелось бы удостовериться, что расшифровка придуманного ими шифра наверняка потребует больше времени, чем его изобретение.

Гипотеза Римана. Существуют так называемые простые числа, например 2, 3, 5, 7 и т. д., которые делятся только сами на себя. Сколько их всего, неизвестно. Риман полагал, что можно найти закономерность их распределения. Кто найдет – опять-так и окажет услугу криптографам, шифры которых довольно часто базируются как раз на простых числах.

Гипотеза Берна и Свиннертон-Дайера. Придумайте способ решения уравнений с тремя неизвестными, возведенными в любую степень – и премия ваша.

Гипотеза Ходжа. Она предполагает, что любой объект, сколь угодно сложной формы, можно разделить на простейшие «кирпичики», исследовать, описать их по отдельности, а потом снова «склеить» между собой, совместив и части математического описания. Нужно доказать, что такой способ исследования допустим всегда. Практически же к такому способу прибегают довольно часто.

Уравнения Навье – Стокса. Они описывают воздушные потоки, которые удерживают самолет в воздухе. Сейчас уравнения решают приближенно, с помощью компьютеров. Нужно найти точные решения и доказать, что в трехмерном пространстве эти решения не имеют ограничений.

Уравнения Янга – Миллса. В окружающем нас мире все частицы материи, в том числе и самые малые – элементарные, обладают массой. Нужно доказать, что в природе имеется наименьший носитель этой массы, аналогично тому, как заряд электричества не может быть меньше заряда электрона.

СОЗДАНО В РОССИИ
Игры с ядерным «конструктором»

В Лаборатории ядерных реакций имени Г.Н. Флерова Объединенного института ядерных исследований в г. Дубне успешно закончился эксперимент по синтезу нового химического элемента под номером 117. Теперь в таблице Менделеева заполнены все 118 клеток. Можно ли теперь считать, что человечество обнаружило все без исключения элементы, и если можно, то какая польза от этого знания?

В свое время знаменитый английский инженер-изобретатель и писатель-фантаст Артур Кларк, известный своими научно-техническими пророчествами, писал: «Нет бесполезных открытий и изобретений – есть лишь такие, которым еще не нашли применения».

Кстати, сам Кларк еще до того, как на орбите появились первые искусственные спутники Земли, высказал предположение, что в будущем они могут быть полезны в качестве антенн для сверхдальней связи и радиовещания. В 1947 году фантасту мало кто поверил. Но спустя четверть века его предположение было осуществлено на практике, а сегодня многие даже не представляют себе жизни без спутникового телевидения, мобильной связи и Интернета.

А вот вам еще один пример. Когда в 1896 году французский ученый Анри Беккерель открыл явление радиоактивности, поначалу он был… раздосадован. Дело в том, что он положил в шкаф с химическими реактивами пачку фотопластинок, упакованных в черную светонепроницаемую бумагу. Но когда использовал эти фотопластинки для съемки, вышел брак – пластинки оказались засвечены.

Схема элемента 117.

Установка для синтеза искусственных элементов.

Беккерель заинтересовался случайно обнаруженным эффектом и провел серию экспериментов, постепенно вытаскивая из шкафа склянки с химикатами и проверяя, как они влияют на фотопластинки. Так он открыл, что невидимые лучи, засвечивающие фотопластинки, исходят из банки с солями урана.

Практической пользы от этого открытия ожидать было трудно, о чем сам Беккерель честно признался коллегам. Но заметку об обнаруженном эффекте все же написал и опубликовал. И со временем уже другие ученые, отталкиваясь от открытия Беккереля, не только обнаружили альфа-, бета– и гамма-лучи, радиоактивный распад элементов, но пришли в конце концов к созданию атомных электростанций.

Что же касается новых элементов, то, по словам научного руководителя эксперимента в Дубне, академика Юрия Оганесяна, самые первые искусственные трансурановые элементы – нептуний и плутоний – ученые синтезировали в 1940–1941 годах. К концу XX века было создано в общей сложности 17 искусственных элементов. При этом обнаружилось, что их стабильность резко уменьшается с увеличением атомного номера.

Почему эти элементы синтезировали искусственно?

Дело в том, что время их жизни составляет ничтожные доли секунды. Если эти элементы и рождаются в недрах звезд, то зафиксировать это, конечно, невозможно. Поэтому ученые на Земле создают условия, при которых эти частицы могут образоваться. Так, при переходе от 92-го элемента (урана) к 102-му элементу (нобелию) период полураспада ядра уменьшается на 16 порядков – от 4,5 млрд. лет до нескольких секунд. А дальше – и того меньше: новые искусственные элементы распадаются после синтеза за десятитысячные доли секунды!

Какой, казалось бы, прок от вещества, которое распадается раньше, чем его удается разглядеть и о свойствах которого остается лишь догадываться по оставленным им следам-трекам да по каскаду реакций, которые произошли после его распада?

Однако ученым интересен не только сам факт, что они научились синтезировать сверхтяжелые ядра, например, обстреливая мишени из искусственного элемента берклия (№ 97) пучком ядер исключительно редкого и дорогого изотопа кальция (№ 20) с массой 48. И даже не то, что их теоретическое предположение, будто при слиянии таких ядер получится элемент № 117 (97+20 =117), подтвердилось на практике.

Они с оптимизмом смотрят в будущее. И вот почему.

По мнению исследователей, элементы, которые мы наблюдаем в природе, – это лишь те, что дожили до наших дней, не распались. Но возраст Вселенной составляет 13,5 млрд. лет, это в 4 раза больше возраста Земли. И какие элементы были раньше, мы не знаем.

Так что в данном случае речь идет о том, чтобы выйти за пределы классической таблицы Менделеева, добраться до предсказанного теоретиками «острова стабильности» в районе 120–126 элементов. Они могут оказаться настолько долгоживущими, что их существование удастся заметить не только приборам, настроенным на миллисекундные измерения, но и людям.

Возможно, эти элементы и сейчас живут в нейтронных звездах, возможно, они есть в космических лучах.

Но мы не видим их следов, поскольку не знаем спектров этих элементов. А чтобы узнать спектры, сами элементы нужно синтезировать.

Словом, здесь как при игре в шахматы. Если хочешь выиграть, умей предвидеть развитие событий на несколько ходов вперед. Считается, что центр «острова стабильности» – это элемент со 114 протонами и 184 нейтронами.

Ученые также предполагают, что сверхтяжелые стабильные элементы могут обладать удивительными, невиданными свойствами. Кто знает, быть может, звездолеты будущего или, например, субтеррины – аппараты для проникновения к ядру нашей планеты – будут построены именно с использованием сплавов на основе сверхтяжелых стабильных элементов.

Г. МАЛЬЦЕВ

Подробности для любознательных

КАК РОДИЛСЯ 117-Й?

В ядерной реакции с пучком кальция 117-й элемент может быть получен только с использованием мишени из искусственного элемента берклия, рассказали исследователи. Период полураспада этого изотопа составляет всего 320 дней. Из-за короткого времени жизни наработку берклия в требуемом количестве (20–30 миллиграммов) необходимо было максимально быстро вести в реакторе с очень высокой плотностью потока нейтронов. Такая задача по плечу только изотопному реактору Национальной лаборатории США в Ок-Ридже, где, кстати, в свое время был впервые произведен плутоний для американской атомной бомбы.

Тем не менее, в начале июня 2009 года контейнер прибыл в нашу страну. Затем из полученного вещества в НИИ атомных реакторов (г. Димитровград) была изготовлена мишень в виде тончайшего слоя берклия (300 нанометров), нанесенного на тонкую титановую фольгу.

В июле мишень доставили в Дубну. К тому моменту были завершены и все подготовительные работы в Лаборатории ядерных реакций. Началось облучение мишени интенсивным пучком кальция.

В течение 70 суток детекторы пять раз зарегистрировал и образование и распад ядер 117-го элемента. Затем, как и ожидалось, ядра этого элемента трансформировались в ядра 115-го элемента, 115-й элемент превращался в 113-й, а затем 113-й элемент переходил в 111-й. А 111-й элемент распадался с периодом полураспада 26 секунд.

В общем, теперь таблица Менделеева пополнилась еще одним из самых тяжелых элементов с атомным номером 117. Все ее клетки, казалось бы, заполнены. Что дальше? Ученые считают, что это еще не все. Периодическая таблица элементов может быть расширена до 150 элементов.

ИНФОРМАЦИЯ

КОМПЬЮТЕР-ГАДАЛКА. Новый подход к исследованию индивидуальных качеств человека, таких, например, как особенности нервной системы и темперамент, нашли специалисты МГТУ имени Н.Э. Баумана, разработавшие автоматизированный комплекс по расшифровке отпечатков пальцев.

Оказалось, что по отпечатанным с рождения линиям на ладонях можно с большей или меньшей долей вероятности определять если не судьбу, то, во всяком случае, способности человека и его характер.

Ученые работают сейчас над созданием этакой автоматической «гадалки» – машины, которая будет считывать и анализировать узоры и линии на ладонях. Для того чтобы узнать себя получше, надо будет просто положить ладонь на специальный сканер, который мгновенно считает с руки все линии и передаст информацию на компьютер.

Программа же устроена так, что выдаст специалисту по дерматоглифике (науке, которая изучает папиллярные узоры) тип рисунка и его классификацию. По ним эксперт сможет быстро определить тип нервной системы, а стало быть, и пригодность человека к той или иной профессии.

СВЕТЯЩИЕСЯ КРАСКИ. В Санкт-Петербурге создали новый вид красителей для полимерных материалов – фотолюминофоры с длительным послесвечением. Окрашенные изделия способны светиться в течение 8—12 часов.

Здесь производят красители зеленого, зеленовато-голубого, оранжевого и красного цветов. Область их применения – сельскохозяйственные пленки, рекламные изделия, упаковки для косметических средств.

У СОРОКИ НА ХВОСТЕ

ВУЛКАНЫ ОКАЗАЛИСЬ НИ ПРИ ЧЕМ. Ученые признали, что причиной вымирания динозавров 65 млн. лет назад стало падение гигантского астероида, а не мощнейшие извержения гигантских вулканов, как считали ранее.

К такому выводу пришла группа из 41 ученого из стран Европы, Канады, Мексики, США и Японии, подведя итог накопленным за последние 20 лет данным. Следы падения на Землю астероида диаметром в 15 км были найдены на территории Мексики, это событие примерно совпадает по времени с датой катастрофы, положившей конец господству на планете динозавров.

Падение астероида вызвало крупномасштабные пожары, землетрясения, оползни континентального масштаба, цунами… Все это, вместе взятое, и привело к гибели динозавров.

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО ИЗ КОСМОСА?Недавно специалисты Национального управления по исследованию космического пространства (НАСА) и университета в городе Киото провели успешные лабораторные испытания технологии передачи на Землю электроэнергии из космоса.

Они смоделировали генератор в виде шестигранной плиты, оснащенной солнечными батареями, на которые подавали сверху свет нескольких десятков мощных галогенных ламп. Их световая энергия преобразовывалась в электричество, а затем в виде микроволнового луча передавалась на приемную антенну и вновь превращалась в электричество.

Подобные генераторы уже к 2020 году предполагается установить на спутниках, которые на высоте около 36 тысяч км будут «черпать» энергию Солнца и передавать ее на Землю.

НОЧЬЮ ВСЕ ЖЕ ЛУЧШЕ СПАТЬ. В среде школьников и студентов многие могут похвастаться, что за ночь выучили целый учебник, а наутро сдали экзамен на «пять».

На самом деле, польза от такого подвига невелика. И дело даже не в том, что обычному человеку после бессонной ночи требуется как минимум, две ночи для восстановления нормального ритма сна и бодрствования.

Режим «мозговой атаки» перегружает память, и уже через два дня после экзамена выясняется, что в голове ничего не осталось из тех сведений, что удалось донести до стола экзаменатора накануне. А все потому, что полученные сведения попросту не успели перегрузиться из кратковременной памяти в долговременную и потому вылетели из головы.

АЛМАЗЫ ИЗ ГАЗА. Австралийские ученые изобрели устройство, которое способно не только на 70 % уменьшить выброс вредных веществ, содержащихся в выхлопных газах автомобиля, но и превращать выхлопы в промышленные алмазы. Теперь владелец авто, оснащенного устройством, периодически будет снимать специальный фильтр с накопленным углеродом, а затем, подобно стеклотаре, сдавать на завод за вознаграждение.

Правда, количество алмазов в выхлопной трубе столь невелико, что изготовлять их специально таким способом нерентабельно.