Текст книги "Юный техник, 2009 № 12"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 6 страниц)

ГОРИЗОНТЫ НАУКИ И ТЕХНИКИ
Куда летит стрела времени, или можно ли попасть в будущее и вернуться обратно?

Отправляясь из пункта А в пункт В, например, из Петербурга в Москву, мы уверены, что завтра или через неделю сможем вернуться обратно. Но почему из «сегодня» мы не можем попасть во «вчера»? Можно ли вообще когда-нибудь и как-нибудь повернуть течение времени вспять?

Безнадежный сценарий

Мы привыкли к тому, что не все процессы в нашем мире обратимы. Например, мы можем сделать из яйца омлет, но бессильны превратить омлет снова в яйцо. А другое яйцо мы можем превратить с помощью инкубатора в цыпленка, из которого затем вырастет курочка или петушок, но опять-таки бессильны повернуть эти процессы вспять. Почему? Нам мешает сделать это течение времени. Но почему оно течет из прошлого в будущее?

В начале прошлого века английский физик Артур Эддингтон высказал предположение, что направление течения времени связано с расширением Вселенной, и назвал это явление «стрелой времени». «В тот момент, когда расширение Вселенной сменится сжатием, может повернуться в другую сторону и стрела времени», – предположил он.

Однако проверить это, похоже, не удастся. Во-первых, потому, что, согласно современным представлениям о Вселенной, она продолжает расширяться со все большим ускорением. И на то, что расширение когда-либо сменится сжатием, остается все меньше надежд…

Во-вторых, заставить события повернуть вспять трудно вот еще по какой причине.

Американский физик-теоретик Хью Эверетт в 20-е годы прошлого столетия выдвинул такую гипотезу. Дескать, на события будущего влияет любой процесс, происходящий в настоящем. Скажем, идете вы по улице, и от того, в какой переулок свернете, зависит, какой перед вами откроется вариант будущего. Получается, что в будущем существует бесчисленное множество мультивселенных, и в какую именно вы попадете – дело случая.

Уже сама подготовка путешествия в будущее может его изменить. И даже если вам каким-то образом удастся туда попасть, то вернуться назад, в день сегодняшний, будет очень проблематично. Именно потому, как уверяет Хьюз, мы и не видим в нашем мире путешественников из будущего. И в прошлое мы тоже не можем попасть потому, что его уже не существует. Остались от него лишь памятники в виде построенных зданий, вчерашних газет и воспоминаний.

Тахионы из будущего

И все-таки проблема путешествий по времени не так уж безнадежна, как кажется на первый взгляд. Физики Джеральд Фейнберг из Колумбийского университета и Джордж Сударшан из Университета Техаса в Остине подошли к этой проблеме с другой стороны.

Согласно теории Эйнштейна, получается, что при повышении скорости движения любого материального тела скорость течения времени для него уменьшается. А что будет, если мы построим звездолет, который будет летать со сверхсветовой скоростью?

Известный всем Самуил Маршак однажды написал по этому поводу:

 
Сегодня в полдень пущена ракета.
Она летит быстрее света.
И прилетит к нам в шесть утра
Вчера.
 

Так поэт своими словами пересказал вот какую гипотезу. При движении некоего тела со скоростью выше световой есть шанс, что оно начнет двигаться по времени назад.

Однако, согласно уравнениям Эйнштейна, получается, что при разгоне любого материального тела до околосветовой скорости не только замедляется время, но и неудержимо начинает расти масса. При световой скорости она становится равной бесконечности. А значит, чтобы преодолеть «световой барьер» нужно бесконечно большое количество энергии.

А где ее взять в таком количестве?..

Иное дело, если мы представим, что в природе существуют некие частицы – тахионы, которые живут в очень странном мире, где все изначально движется быстрее света. Особенно странными тахионы делает тот факт, что они должны при этом обладать еще и мнимой массой. (Говоря «мнимой», мы имеем в виду, что их масса умножается на корень квадратный из минус единицы, или i.) Если взять знаменитые уравнения Эйнштейна и заменить в них mна im, произойдет некое чудо. Скорость частиц, по расчету, станет больше скорости света.

Из-за этого, по идее, должны возникать и странные ситуации. Когда тахион летит сквозь вещество, он теряет энергию, поскольку сталкивается с атомами. Но, теряя энергию, он ускоряется, отчего столкновения только усиливаются и происходят чаще. Теоретически эти столкновения должны вызывать дальнейшую потерю энергии и, следовательно, дальнейшее ускорение. В итоге тахион сам по себе, естественным образом, набирает бесконечную скорость и тем самым заставляет время двигаться вспять!

Правда, таких частиц еще никто никогда в глаза не видел. И их следов тоже не фиксировал… Причину этого некоторые исследователи видят в том, что тахионы, возможно, существовали в момент Большого взрыва, но теперь их больше нет – все выродились.

Однако очень может быть, что тахионы сыграли существенную роль в том, что Вселенная вообще взорвалась. Ведь у них есть еще одно интересное свойство. По расчетам теоретиков получается, что если в любой физической системе присутствуют тахионы, значит, она находится в состоянии некоего «ложного вакуума» и способна от любой малости разрушиться до состояния истинного вакуума.

Понять суть дела можно при помощи такой аналогии.

Представьте себе плотину, которая удерживает воду в озере. Что будет, если плотина вдруг разрушится? Правильно, потоп. Таким образом, воду в водохранилище можно представить находящейся в состоянии «ложного вакуума». Хотя плотина представляется вполне надежной и вода в водохранилище может оставаться в неизменном состоянии многие десятки лет, всегда есть вероятность, что в плотине вдруг появится трещина и вода начнет стремительно разрушать и вытекать из озера… То есть система будет стремиться к состоянию истинного вакуума.

Точно так же считается, что Вселенная до Большого взрыва существовала в состоянии ложного вакуума. В ней имелись тахионы. Этим непоседам не сиделось на месте, и в конце концов они проделали в ткани пространства-времени крошечную «щелку». Та тут же стала увеличиваться, словно трещина в плотине. Появился некий пузырь. Вне пузыря тахионы по-прежнему существовали, но внутри их не было. Со взрывообразным ростом пузыря и появилась та Вселенная, которую мы знаем, – мир без тахионов.

Причем одна из теорий состоит в том, что первоначальный процесс раздувания пузыря начал один-единственный тахион, названный «инфлятоном». Именно его присутствие дестабилизировало вакуум, и образовались крошечные пузырьки. Внутри одного из этих пузырьков инфляционное поле оказалось в состоянии истинного вакуума. Этот пузырек начал стремительно раздуваться, пока не превратился в нашу Вселенную.

Все на поимку бозонов Хиггса!

Все это похоже на досужие домыслы, которые невозможно проверить. Но первый эксперимент по проверке теории ложного вакуума, между прочим, собирались начать еще осенью прошлого, 2008 года, с пуском в Швейцарии, в окрестностях Женевы, Большого адронного коллайдера. Он, к сожалению, сразу же после запуска вышел из строя. Но когда-то ремонт все же кончится и БАК заработает. А одна из его основных задач – обнаружение бозонов Хиггса.

Для нас же в данном случае интересно то, что многие физики считают: бозоны Хиггса, названные так по имени придумавшего эти частицы ученого, возможно, начали когда-то свое существование как тахионы. В ложном вакууме ни одна из субатомных частиц не имела массы. Но присутствие тахиона дестабилизировало вакуум, и Вселенная перешла в новое состояние, к истинному вакууму, в котором бозон Хиггса обернулся обычной частицей.

После этого перехода – из состояния тахиона в состояние обычной частицы – субатомные частицы приобретают массу, которую уже можно измерить. Таким образом, обнаружение бозона Хиггса экспериментально подтвердит, что тахионное состояние когда-то существовало.

Тогда открывается принципиальная возможность создания неких аппаратов для путешествия туда-сюда в пространстве-времени. Во всяком случае, до сих пор физикам не удалось вывести уравнения, которые бы впрямую запрещали передвижение материальных тел не только из прошлого в будущее, но и наоборот.

Максим ЯБЛОКОВ

Кстати…

ПАРАДОКСЫ ВРЕМЕНИ

…оказались разрешимы. Никому не удастся развести собственных родителей еще до того, как они соберутся обзавестись ребенком. Они разойдутся в другом мире, параллельном нашему, полагают теоретики.

А если кому-то вдруг взбредет в голову, отправившись в прошлое, застрелить самого себя в молодости, его револьвер наверняка откажет или встреча не состоится по каким-то причинам, считает российский профессор Игорь Новиков. Природа мудра, и ее не обманешь…

УДИВИТЕЛЬНО, НО ФАКТ!

НАНОтехнологии одежды

Как говорится, встречают по одежке… А потому многие, даже самые умные, вовсе не прочь при случае одеться так, чтобы сразу обратить на себя внимание окружающих. И дизайнеры учитывают это, предлагая новые идеи в одежде.

Пиши что хочешь, носи как можешь…

Британские дизайнеры, похоже, готовы осчастливить самых экстравагантных модников и модниц. Сотрудники компании Thumbs Upсоздали футболку T-Sketchсо встроенным дисплеем, на который от руки можно наносить любые рисунки, послания и орнаменты – сенсорный экран, как и бумага, все стерпит.

От простой майки, на которой тоже можно написать фломастером «Вася – лучше всех!», T-Sketchотличается тем, что дает большие возможности для самовыражения. Например, днем на нее можно нанести спокойный рисунок, на работе – что-то вроде корпоративного девиза, а в преддверии вечеринки поместить эпатажную надпись, которая к тому же будет светиться в темноте. Еще один вариант – для любителей знакомиться на улицах – обозначить на дисплее номер своего телефона и включить функцию мигания.

Нужно лишь не забывать менять батарейки – футболка работает от двух батарей ААА. Весит футболка вместе со всей электронной начинкой сравнительно немного – 350 г и стоит около 30 фунтов стерлингов.

Источник энергии – материя

Микроволокна, вырабатывающие электричество при механическом воздействии на них, разработали специалисты США. Благодаря этим волокнам бытовым источником энергии вполне могут стать… рубашка или брюки.

«Воздушные потоки, вибрация – из всех этих видов механического воздействия волокна могут черпать энергию», – утверждает Зонг Лин Вонг из Технологического института штата Джорджия, один из авторов этой разработки.

Конструкция микроволокон, или «наногенераторов», как назвали свое изобретение ученые, позволяет вмонтировать их в одежду, чтобы та вырабатывала при ношении электричество, достаточное для работы или зарядки небольших электронных устройств. Кроме того, предполагают ученые, волокна можно использовать в конструкциях таких приспособлений, как, например, тенты или паруса, черпающие энергию ветра.

Управление перспективных исследований Министерства обороны США уже заинтересовалось возможностью применить изобретение в военных разработках – униформа-электростанция весьма пригодится, например, диверсантам для питания персональных радиостанций, радиомаяков и другой аппаратуры.

Применение волокнам могут найти и в медицине. Как предположила главный исполнительный директор Института нанотехнологий Оттилиа Саксл, «изобретение, возможно, будет использовано в миниатюрных медицинских аппаратах, например слуховых аппаратах или кардиостимуляторах»…

Ткань для чистюль

Наконец, нанотехнологии, похоже, вскоре помогут решить и еще одну проблему, донимающую многих. А именно проблему чистоты одежды.

Уникальную ткань, которой не страшны никакие пятна, разработали австралийские ученые из университета Монаш. По словам одного из авторов новшества, профессора Валида Даута, уникальная ткань соткана из обычных волокон, в которые были добавлены специальные нанокристаллы диоксида титана, разрушающие на молекулярном уровне любое грязное пятно. Единственное, что нужно для начала химической реакции – это наличие прямого солнечного света.

«Данное вещество, используемое в производстве зубной пасты и красок, представляет собой сильный фотокатализатор. В присутствии ультрафиолетового света и водяного пара оно формирует гидроксильные радикалы, вызывающие окисление или разложение органического вещества», – рассказал исследователь.

При этом нанокристаллы не наносят вреда самой ткани или человеческой коже. Важно и то, что в зависимости от вида материи можно использовать химические вещества различного типа.

Так, ткани из хлопка оказались наиболее простыми в обработке: для их «пропитки» можно применять мелкие нанокристаллы в небольшом количестве. В то же время шерсть или шелк оказались гораздо более сложным материалом, они требуют нанокристаллов большего размера в больших количествах.

Тем не менее, специалисты считают, что функция самоочищения сначала найдет себе применение в медицинских учреждениях, где всегда есть необходимость в стерильности, а затем распространится повсеместно.

В. ВЛАДИМИРОВ

Обмундирование для «призраков» скоро будет готово

Много раз читал в «Юном технике», что ученые вплотную подошли к созданию метаматериалов и устройств, способных делать предметы не видимыми глазу. Но созданы ли уже первые «шапки-невидимки»?

Алексей Безродный, г. Тамбов

Мы и в самом деле уже не раз рассказывали вам об удивительных свойствах метаматериалов. Время идет, ученые работают и сообщают все новые подробности о своих разработках, но начать стоит с истории.

Еще в 1660 году французский математик Пьер Ферма (тот самый, что сформулировал условия своей знаменитой теоремы, которую удалось доказать лишь недавно, спустя 300 с лишним лет) выдвинул еще один постулат: он предположил, что луч света всегда выбирает кратчайший путь, то есть движется по прямой. А если встречается препятствие, часть лучей света рассеивается, часть отражается, благодаря чему мы и видим изображение предметов.

Но что, если изменить свойства участка пространства таким образом, чтобы световые лучи стали огибать его, считая именно этот путь самым коротким?

Уподобим окружающее нас пространство некой ткани, в которой составляющие ее волокна представляют собой траектории световых лучей. В обычном состоянии лучи идут прямо, как нити в полотне. Если же аккуратно раздвинуть волокна, не повреждая их, получится дырка – пустой участок, куда лучи света не попадают вообще. И любой объект, попавший в такую дыру, покажется невидимым.

Искривлять световые лучи ученые уже научились. Например, достаточно загнать их внутрь оптического волокна, и хоть в узел завяжи – луч света все равно не выйдет за его пределы.

Но можно ли проделать подобный «фокус» в пространстве?

Посмотрите хотя бы на карандаш, опущенный в стакан с водой. Видите, на границе воды и воздуха карандаш будто изломан, хотя на самом деле он цел-невредим. Такой обман зрения обеспечивает преломление света на границе двух сред – воздуха и воды.

Коэффициент преломления материала показывает, насколько луч отклоняется от прямой, когда переходит из одной среды в другую. Он определяется диэлектрической и магнитной проницаемостью вещества. Подобрав вещества с определенными значениями этих двух параметров, можно, что называется, «поиграть» со светом, создавая странные эффекты.

Впрочем, чтобы создать «шапку-невидимку», придется соблюсти две тонкости. Во-первых, необходимо, чтобы луч света изгибался плавно. А для этого нужно, чтобы параметры среды менялись постепенно. Во-вторых, чтобы добиться невидимости, нужны материалы, у которых и диэлектрическая, и магнитная проницаемость меньше единицы.

В природе таких материалов просто нет, их пришлось создавать искусственно.

Впервые о возможности создания метаматериалов с необычными, заранее заданными качествами, как мы писали, еще в 1967 году заговорил советский физик Виктор Веселаго, сотрудник Института общей физики имени А.М. Прохорова РАН.

Теоретики наши и по сей день на высоте – вспомним хотя бы о разработках ульяновского профессора Олега Гадомского, несколько лет назад опубликовавшего еще одно сенсационное исследование подобных материалов – он доказал возможность получения эффекта невидимости в тонких золотых пленках. А вот с практикой дело сложнее.

Впервые создать метаматериал с определенными свойствами удалось в 2000 году американцам. Шесть лет спустя группа ученых США и Великобритании под руководством профессора Дэвида Смита сконструировала и прототип устройства, которое могло скрыть объект от микроволнового излучения.

Первая в мире «шапка-невидимка» представляла собой десяток вложенных друг в друга цилиндров из печатных плат с «вставленными» в них резонансными элементами. В самый маленький цилиндр исследователи спрятали медный стержень. Затем всю конструкцию «прощупали» электромагнитным излучением, наблюдая за его отражением. Устройство действительно создавало иллюзию пустого пространства.

Правда, выявились и слабые места конструкции. Во-первых, «шапка» оказалась более-менее эффективной только для очень узкого диапазона электромагнитных волн (8,5 гигагерца), а при малейшем изменении частоты эффект тут же исчезал.

Во-вторых, «шапка-невидимка» сильно поглощала излучение. Электромагнитная волна, прошедшая через оболочку, на выходе теряла почти всю энергию. Если бы речь шла об оптическом диапазоне, наблюдатель увидел бы либо очень слабое изображение предмета, который должен находиться за «шапкой-невидимкой», либо просто темное пятно.

Тем не менее, начало было положено. И вскоре та же группа ученых разработала уже не «шапку», а скорее «плащ-невидимку». Вместо экрана из диэлектрика, который должен скрывать предмет полностью, исследователи предложили сделать на нем покрытие из проводящих материалов. Если объект спрятать под такую «накидку», то лучи будут отражаться от него, словно от плоской поверхности. А значит, хотя сама «накидка» и будет видна, наблюдатель не узнает, что за ней спрятано.

В мае 2009 года две американские научные группы из Корнеллского и Калифорнийского университетов заявили, что им удалось существенно улучшить результаты предшественников; они вплотную приблизились к видимому диапазону электромагнитного спектра.

Для этого группа из Корнеллского университета (руководитель Михаль Липсон) использовала в качестве основы двуокись кремния с вкрапленными в нее крупинками кремния диаметром 50 нанометров. Их коллеги из Калифорнии, возглавляемые Сян Чжаном, сделали из двуокиси кремния с прорезанными в нем отверстиями диаметром 110 нанометров «коврик»-покрытие. Оба устройства эффективно работают в инфракрасном диапазоне волн, который граничит с видимой красной частью спектра.

Аналогичное устройство разрабатывают физики Университета Пердью в Уэст-Лафейетте (штат Индиана). Как рассказал работающий в США российский физик Владимир Шалаев, возглавляющий группу создателей этой «шапки», пока существует лишь математическая модель будущей конструкции. По описанию физика, «конструкция, воплощенная в реальные материалы, будет представлять собой полый стеклянный цилиндр с толстыми стенками. Внутри, перпендикулярно к вертикальной оси цилиндра, разместятся крохотные наноиголки из золота или серебра. Именно их размер и определяет, на каких длинах волн будет работать устройство»…

Благодаря «иголкам», показатель преломления, определяющий распространение света в среде, меняется от нуля на внутренней поверхности цилиндра до единицы на внешней, что соответствует показателю преломления воздуха. В результате свет плавно «обтекает» цилиндр, не испытывая рассеивания или отражения, не проникая во внутреннюю полость конструкции.

А видимый свет, как известно, представляет собой «смесь» лучей голубого, синего, зеленого, красного и других цветов радуги. Изменяя размеры наноиголок, пояснил Шалаев, можно создать шапку-невидимку для любого из этих диапазонов, но не для всех сразу. Пока еще никто не знает, как изготовить «шапку-невидимку» для естественного света, поскольку здесь есть фундаментальные ограничения. Кроме того, оптические свойства реальной атмосферы весьма сильно зависят от погоды. Но Шалаев убежден, что все трудности со временем будут преодолены.

P.S.Пока материал готовился к печати, пришла новость из Китая. Группа исследователей КНР теоретически доказала, что можно спрятать объект, даже если он находится не под покрытием, а снаружи. Как такое может быть, пока не понятно. Подождем новых вестей. Охота за невидимостью продолжается…

Кстати…

ТЕПЕРЬ ЕЩЕ И НЕСЛЫШИМОСТЬ…

Две группы акустиков из университета Дьюка, США, и Гонконгского научно-технологического университета независимо друг от друга доказали теоретически возможность создания абсолютно непроницаемого для звуков покрывала.

Правда, материал для такой оболочки должен обладать весьма своеобразными свойствами, в частности, разной плотностью и сжимаемостью на разных участках. В природе подобные материалы не встречаются, так что и здесь придется использовать метаматериалы. При этом исследователи исходят из того, что звуки, как и видимые образы, передаются при помощи волн.

Таким образом, есть надежда с помощью метаматериалов создать цилиндрическую оболочку, закрывающую объект от акустических колебаний, распространяющихся перпендикулярно оси цилиндра.

Такое устройство уже разрабатывают сотрудники Политехнического института Валенсии – колонны в концертных залах с таким покрытием перестанут искажать распространение звуков по залу. И это лишь первое из множества возможных применений. Неплохо бы, например, использовать подобное покрытие на моторных гондолах самолетов, чтобы они перестали оглашать окрестности аэропортов ревом своих двигателей.

Костюм для невидимки пока можно создать лишь на экране компьютера с помощью математического моделирования.