Текст книги "Юный техник, 2007 № 02"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 5 страниц)

ГОРИЗОНТЫ НАУКИ И ТЕХНИКИ
Зеркала для звезд

В огромном спортивном зале стадиона Университета Аризоны (г. Туссон, США) временно размещена установка, сконструированная Роджером Ангелом. С виду это настоящая «летающая тарелка».

«Тарелка», да не та…

«Это поблескивающее огнями, величественное сооружение 9 метров в диаметре и около 3 метров в вы соту, которое вращается с частотой в пять оборотов в минуту, опутано черными кабелями, трубопроводами, стальными балками и в самом деле похоже на иноземный корабль, – соглашается доктор Ангел, худощавый седовласый астроном, возглавляющий Лабораторию зеркал Обсерватории Стюарта. – Однако назначение этого агрегата совершенно иное. Внутри массивного цилиндра в специальной ванне до поры до времени томятся 16 тонн расплавленной стеклянной массы, нагретой до 1150°C. Оранжевый расплав станет основой зеркала для самого большого телескопа в мире»…

Как только стеклянная масса будет полностью готова, ее по платиновым трубопроводам (к этому драгметаллу стекло прилипает меньше всего) отправят в форму, которая будет в тот момент стремительно вращаться, с тем чтобы центростремительные силы заставили поверхность стекла принять близкую к идеалу параболическую форму. Именно такая форма – диск с параболической поверхностью 8,5 метра в диаметре – и есть наиболее подходящая форма для зеркала, которое должно фокусировать свет звезд, отстоящих от нас на десятки миллиардов световых лет. С помощью этого зеркала астрономы надеются наконец-таки увидеть край Вселенной, а точнее, тот момент, когда она была рождена в результате Большого взрыва.

Ведь телескопы, если хотите, – это своего рода машины времени. Улавливая свет звезд, которые идут к нам в течение многих миллиардов световых лет, они как бы переносят нас в те далекие времена, показывают мир, каким он был при рождении Вселенной.

Потомки «ночезрительной трубы»

«Зеркало, стекло для которого варится в Туссоне, всего лишь одно из семи, которые составят основу нового телескопа «Магеллан», – продолжает рассказ доктор Роджер Ангел.

Он вот уже 20 лет работает над осуществлением этого проекта. И как пояснил ученый, со времен Галилея астрономы, их помощники делали линзы и стекла своих телескопов цельнолитыми. Причем если сам Галилей, в ту пору профессор Падуанского университета, в 1608 году собственноручно соорудил телескоп-рефрактор, который по существу представляет собой подзорную трубу, дававшую увеличение всего в 3 раза, то его последователи добились большего. Телескопы во всем мире начали интенсивно «расти», линзы становились все больше диаметром. Тому было несколько причин.

Схема телескопа « Магеллан».

Одно из семи параболических зеркал (1) собирает свет далеких звезд. Суммарный световой поток концентрируется на вторичном зеркале (2) и отправляется через отверстие (3) в центральном зеркале на дальнейшую обработку.

Как показали исследования, разрешающая сила телескопа во многом определяется диаметром его объектива, другими словами, увеличение телескопа тем больше, чем больше его передняя линза. А линза значительных размеров собирает и больше света, значит, можно увидеть слабые и далекие звезды.

Однако с увеличением размеров линз, как правило, возрастают и свойственные им недостатки. Так, лучи света, собираемые линзой, перестают сходиться в одной точке, в фокусе. Изображение из-за этого получается размытым, а также окрашенным. Зачастую в стекле линзы оказываются пузырьки воздуха, само стекло получается неоднородным. Сложнее придать большой линзе и необходимую форму.

Все это, в конце концов, привело к тому, что ученые предпочли линзовым телескопам-рефракторам зеркальные телескопы-рефлекторы. Ведь световые лучи можно собирать в точку не только линзой, но и вогнутым зеркалом. Материал зеркала может быть и не таким уж одно родным: ведь лучи света не проходят сквозь него, зеркальную пленку наносят непосредственно на поверхность.

Михаил Ломоносов, Исаак Ньютон и другие ученые работали уже над совершенствованием зеркальных телескопов. Это, в конце концов, привело к тому, что в наши дни рефлекторы имеют значительный перевес над рефракторами. Если построенный в начале XX века крупнейший в мире Йоркский рефрактор имеет диаметр объектива около 1 м, то диаметр главного зеркала самого большого в нашей стране рефлектора БТА, установленного на Кавказе, в 6 раз больше.

Телескоп БТАв свое время был рекордсменом.

Но и здесь есть свой предел. Дело в том, что трудности изготовления как линз, так и зеркал растут вместо с ними, причем, пожалуй, даже в геометрической прогрессии. Например, известный английский астроном Уильям Гершель, лично изготовлявший зеркала для своих инструментов, однажды чуть ли не сутки не отходил от полировального станка, доводя поверхность зеркала до возможно лучшего качества.

Но Гершель все же работал в собственной мастерской, у себя дома. А вот для изготовления зеркала для БТА на Лыткаринском заводе оптического стекла пришлось построить специальный цех с двойными стенами для лучшей теплоизоляции. Заготовку зеркала охлаждали там более двух лет. Еще свыше года заняла полировка и шлифовка, которую выполняли лучшие мастера страны с помощью уникального, специально для этой цели созданного оборудования, потратив на шлифовку свыше 7000 каратов алмазного порошка. И все-таки зеркало надлежащего качества получилось лишь с четвертого раза. А весит оно, между прочим, свыше 40 т, так что вполне может треснуть под собственной тяжестью.

Чтобы этого не случилось на практике, под зеркало подкладывают специальную опору-«подушку», тоже изготовляемую по специальной технологии. А в итоге каждый инструмент получается уникальным, стоит огромных денег, а вот изображение, получаемое с его помощью, зачастую оставляет желать лучшего.

Новая инфракрасная камера – сложнейший прибор.

Так получается по нескольким причинам. Во-первых, на практике пока никак не удается добиться идеальной геометрии зеркала; какая-то погрешность обязательна будет присутствовать. Во-вторых, само по себе зеркало, невзирая на величину и массу, инструмент исключительно нежный – стоит измениться температуре окружающего воздуха хотя бы на градус-другой, и его уже начинает «вести», то есть сказываются температурные деформации. И, наконец, в-третьих, на качестве получаемого изображения сказывается неоднородность атмосферы, всегда имеющиеся в ней примеси. Именно поэтому телескопы стараются размещать высоко в горах, где воздух чище, а слой атмосферы тоньше. А в последние десятилетия астрономические инструменты стали даже выносить за пределы атмосферы, на орбиту вспомните хотя бы о космическом телескопе «Хаббл».

Однако в космос пока нельзя вывезти очень уж большой телескоп – грузоподъемность ракет и «шаттлов» все-таки ограничена. Да и чем больше, сложнее установка, тем большего присмотра она, как правило, требует.

Семь лучше, чем одно

Доктор Ангел задумал произвести революцию в производстве астрономических зеркал. Им предложена конструкция сотового зеркала, которое намного легче литого.

Он полагает, что, залив жидкое стекло в форму, которая представляет собой сотовую структуру с пустотами, можно получить более легкое, а значит, менее деформируемое под собственной тяжестью зеркало. Причем его легче будет корректировать, учитывать несовершенство формы, а также температурные изменения самого материала.

Далее, сотовая структура позволяет создать так называемую адаптивную оптику. То есть такое зеркало, которое в большей или меньшей степени можно приспособить, адаптировать к изменяющимся условиям окружающем среды. Для этого в «подушке», на которую опирается зеркало, делают множество опорных штырей-пальцев. Их микроперемещениями управляет компьютер, который, уменьшая или увеличивая давление на том или ином участке зеркала, подправляет его геометрию.

Кроме того, тот же компьютер позволяет учитывать неоднородность атмосферы, сравнивая ее сиюминутное состояние с неким эталоном, хранящимся в его памяти. И таким образом из получаемого изображения как бы вычитаются атмосферные искажения.

И, наконец, современная вычислительная техника позволяет получить единое синтезированное изображение сразу с нескольких зеркал.

Именно по такому пути пошли доктор Ангел и его коллеги. Телескоп «Магеллан» в полном сборе будет иметь, как сказано, семь зеркал (см. схему). А управляющий компьютер соберет все изображения воедино.

Более того, в идеале астрономы хотят получать единое синтезированное изображение со всех оптических телескопов, расположенных на земном шаре и даже за его пределами – на космической орбите. Сначала оно будет записано на видеопленку вместе с сигналами точнейших атомных часов. А затем суперкомпьютер сведет воедино все изображения одного объекта, полученные разными телескопами.

И для небес нужны деньги

Такова генеральная идея. А пока осенью 2005 года из недр печи наружу была выставлена остывшая заготовка первого зеркала. Останется изготовить еще шесть. А на это, а также на шлифовку зеркал, металлоконструкции для их монтажа, компьютерное оборудование и т. д., потребуется не менее 500 млн. долларов.

Так или иначе, но по плану строительство самого телескопа «Магеллан» в Чили должно начаться в 2013-м и закончиться в 2016 году.

Помимо поиска края Вселенной, с его помощью исследователи хотят как следует разглядеть планеты у чужих звезд, а также обнаружить, наконец, те тайники, где скрыта загадочная темная энергия.

По материалам газеты «Нью-Йорк Таймс» публикацию подготовил С. НИКОЛАЕВ

СЕНСАЦИИ НАШИХ ДНЕЙ
Все это из воды?

Что можно сделать из чистой воды? Лед? Пар? Разложить ее на водород и кислород?

Да. А что вы скажете, узнав, что из воды можно получить к тому же висмут, железо, палладий, цинк, молибден и еще 13 различных элементов?

Работу, благодаря которой был получен этот результат, ученые Магнитогорского горно-металлургического института, ныне Магнитогорский государственный университет им. Г.И. Носова, начали еще в 60-е годы прошлого века под руководством тогда еще кандидата, а ныне доктора технических наук Николая Ивановича Иванова. О получении из воды новых элементов тогда не задумывались, а занимались упрочнением металлов, подвергая, в частности, расплавленную сталь действию электрических разрядов. Далеко не каждую научную работу венчает успех. Эксперименты со сталью прекратили. Но накопленный опыт ученые решили использовать для очистки сточных вод городов и промышленных предприятий.

Задача эта крайне важная. Знаменитый физик Нильс Бор сказал когда-то: «Человечество не погибнет от ядерной войны, гораздо раньше оно задохнется в собственном мусоре…»

Возможно, сказано слишком сильно, однако здравый смысл в этой фразе, несомненно, есть. Но вернемся к рассказу о работе магнитогорских ученых. Для нас грязь – это жирное пятно на брюках, для ученых – всего лишь комбинация определенных химических веществ и элементов. Ученые подвергли действию электрических разрядов различные образцы сточных вод и обнаружили, что вода становится заметно чище. Осадку же, который оставался после очистки воды, планировали найти полезное применение – использовать его, к примеру, для производства бетона или кирпичей. Но, сделав его химический анализ, удивились: осадок содержал химические элементы, которых в исходном веществе быть не могло! Чтобы исключить ошибки, для следующей серии экспериментов взяли чистейшую дистиллированную воду.

Впрочем, слово» чистейшая» – из языка бытового. Как показал предварительный анализ, в воде содержались В, Si, Cr, Mg, Fe, немного цинка, алюминия и висмута, а также тяжелая и сверхтяжелая вода. Но общее количество примесей не превышало 0,007 г на 1 кг.

После эксперимента в воде появились еще и Li, Be,С, Мп, Ni, V, Sn, Zn, Al, Cu, Ti, P, S, Bi, Se, Pb, Те, а масса примесей достигла 32 г, то есть возросла почти в 5 тысяч раз.

_{1, 5– рабочие электроды; 2– импульсные пусковые электроды; 3– плазменный разряд; 4– катушка Крукса.}

В 1984 году, после многократных проверок авторитетнейшими лабораториями СССР, стало ясно, что в устройстве происходит то, что алхимики назвали некогда трансмутацией – превращением одних элементов в другие.

Устройство, в котором происходят все эти процессы, магнитогорские ученые называют «ядерным реактором». Но он не имеет ничего общего с теми реакторами, что применяются на атомных электростанциях. В нем нет ни миллиграмма урана или плутония, а потому не вырабатываются радиоактивные вещества и не возникают вредные излучения.

Отметим, что мы давно следим за развитием этой работы. Еще в 2000 году журнал впервые рассказал про необычное изобретение, запатентованное в нашей стране под названием «Способ получения элементов и устройство для его осуществления по патенту G21G 1/00, Р 1/24 2096846 C1», авторы Вачаев А.В., Иванов Н.И., Иванов А.П. и Павлова Г.А. (см. «ЮТ» № 10 за 2000 г.).

В общих чертах устройство представляет собою диэлектрическую трубу с обмоткой снаружи. В трубе расположены два рабочих электрода – медные трубки диаметром 10…50 мм. Поперек трубы установлены импульсные пусковые электроды. Наружная обмотка выполнена по принципу катушки Брукса с максимальной концентрацией витков в середине.

Устройство работает так. В реактор подают жидкость, например, воду. К обмотке подводят постоянный ток. К трубчатым электродам – напряжение от сети. Затем производят разряд конденсатора через пусковые электроды.

Разряд этот распределяется как слабо светящая пленка толщиной 10…50 мкм. Но плотность тока в области его сужения может достигать десятков тысяч ампер на квадратный мм, и это в тысячи раз больше, чем в обычных металлических проводниках. Несмотря на это, проходящая через реактор вода не закипает, а его работа даже не сопровождается шумом.

По мнению авторов, в узкой части разряда происходит отрыв электронов от ядер содержащегося в воде кислорода. Ядра разваливаются, но не как попало, а на устойчивые фрагменты. Самые мелкие из них – дейтоны – представляют собою «слипшуюся» пару протон-нейтрон. Пройдя «горячую» зону, дейтоны снова соединяются в атомы, но уже других элементов. Два атома кислорода могут, объединившись, стать, например, атомом кремния, гелия, или атомом фосфора, кислорода, алюминия… Вариантов много. В одних энергия поглощается, в других возникает ее избыток.

Реактор Вачаева – Иванова можно отрегулировать либо на получение новых элементов при минимальном количестве избыточной энергии, либо на получение энергии при минимальном количестве новых элементов. Ученые пропускали через реактор обычную речную воду и почти без затрат энергии получали из нее десятки новых химических элементов. Еще больший эффект наблюдался при обработке стоков промышленных предприятий и металлургических комбинатов. Таким образом, любое месторождение, дававшее прежде только железо, да и вообще чуть ли не любой ручей может стать месторождением полиметаллических руд.

А вполне возможно, что со временем реакторы Вачаева – Иванова будут согревать и освещать обычные сельские дома. Знай лишь подливай воду.

А. ИЛЬИН

ВЕСТИ ИЗ ЛАБОРАТОРИЙ
Повелители радуги

Ученым удалось обнаружить «невиданное физическое явление», уверяет серьезный научный журнал Physical Review Letters. И добавляет следующие подробности.

Известный специалист в области кристаллографии Джон Джоаннопулос из Массачусетского технологического института, а также его коллеги Зван Рид и Марин Солджачич проводили эксперименты, пропуская ударные волны через так называемый фотонный кристалл. Такой материал состоит из нескольких слоев, каждый из которых по-разному пропускает свет. Слои можно использовать для того, чтобы отражать излучения только определенных частот, позволяя свету другой частоты проникать сквозь кристалл.

С помощью компьютерного моделирования ученые выяснили, что если по такому кристаллу ударить определенным образом или возбудить в его окрестностях ударные волны, то они воздействуют на кристаллическую решетку. Кристалл, который обычно пропускает, например, красный свет и отражает зеленый, может стать прозрачным для зеленого света и отражать красный.

Более того, исследователи установили, что фотонный кристалл можно спроектировать таким образом, что фронт ударной волны будет отражать входящий световой поток. В итоге свет многократно переотразится от деформированной и недеформированной частей кристалла, воспроизводя эффект «зеркальной комнаты». Причем после каждого отражения из-за эффекта Доплера свет будет менять свою частоту. При этом если направление движения ударной волны и света совпадает, то частота луча снижается, но возрастает, если движение обеих составляющих направлено навстречу друг другу.

Физики МТИ провели компьютерное моделирование фотонного кристалла (фото внизу).

В итоге примерно после 10 000 отражений, на что уходит около 0,1 наносекунды, свет может, например, из красного стать голубым. Или из видимого диапазона сместиться в инфракрасный. Изменяя кристаллическую структуру, можно заранее точно установить, излучение какой частоты войдет в кристалл и каким оно оттуда выйдет. Можно даже сжать излучение широкого диапазона в узкий пучок. «Иным образом этого не сделаешь, – говорит Джоаннопулос. – Обычные цветовые фильтры просто пропускают одни частоты и отражают другие. Поэтому значительная часть энергии теряется».

Сейчас исследователи и их коллеги из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса работают над тем, чтобы продемонстрировать новый эффект на практике. Например, они хотят возбудить в кристалле ударные волны, буквально… обстреливая его пулями. Еще один вариант – возбудить в кристалле акустические волны.

Именно этот вариант ливерморские физики намерены использовать для создания лазеров с очень широким диапазоном.

Химик Майкл Сэйлор из Университета штата Калифорния в Сан-Диего, разработавший гибкие фотонные кристаллы, подчеркивает, что новая технология позволит не только создавать более эффективные осветительные лампы и солнечные батареи. Она способна еще увеличить пропускную способность оптоволоконных линий связи, а также построить эффективные преобразователи тепла в свет и обратно.

Кроме того, как полагают некоторые исследователи, фотонные кристаллы могут пригодиться в шоу-бизнесе для получения искусственных радуг и прочих световых эффектов, изготовления проекционных телевизоров и дисплеев нового поколения, информационных табло и многих других приборов. Ведь по существу исследования этих чудо-кристаллов только начинаются.

1. Фотонный кристалл прозрачен для красного света, но отражает все более высокие частоты.

2. Ударная волна движется сквозь кристалл навстречу свету. Часть кристалла, которая сжимается под действием ударной волны, становится прозрачной для зеленого света и не пропускает более низкие частоты.

3. Отражаясь от фронта ударной волны, благодаря эффекту Доплера красное световое излучение смещается вверх по частоте. После многократных отражений частота возрастает настолько, что излучение покидает кристалл сквозь деформированную ударной волной область.

Кстати…

МОЖЕТ ЛИ СВЕТ БЫТЬ… ЖИДКИМ?

Испанский физик Хумберто Мичинел из университета города Виго столкнулся с удивительным явлением – он обнаружил капельки… света, пишет журнал «P.M.».

Исследователь проводил опыты с лазером, замедляя его лучи с помощью специально подобранных материалов. Моделируя происходящее на компьютере, ученый рассекал замедленные лучи лазера на отдельные импульсы, длившиеся несколько миллисекунд. Оказалось, что эти пучки света начинают принимать форму капель, да и вообще ведут себя как жидкость: они обладают поверхностным натяжением; лопаются, как капли воды, встречая препятствие.

До сих пор, с физической точки зрения, это считалось невозможным. Да, свет обладает не только волновыми, но и корпускулярными свойствами, например, оказывает давление. Но разве может свет превращаться в твердое вещество или жидкость, если он состоит не из атомов, а из фотонов? Тем не менее, в моделях Мичинела заманчиво кружились капельки света.

Конечно, экран дисплея – не лабораторная установка. Сделанные выводы нужно подтвердить экспериментами. Если свет и впрямь можно превращать в отдельные капли, то они найдут применение в оптическом компьютере. Причем подобные машины будут работать намного быстрее традиционных.

У СОРОКИ НА ХВОСТЕ

КТО ГОДИТСЯ В ТАНЦОРЫ?Недавно израильские ученые установили, что профессиональных танцовщиков отличают от других людей два гена, связанных с работой нейрогормонов. Как полагает психолог Ричард Эпштейн из Шейнфельдовского центра генетических исследований человека в общественных науках при Еврейском университете, эти гены вовлечены в передачу информации между нервными клетками. Первый регулирует уровень серотонина – вещества, которое в народе называют «гормоном чувств». А второй отвечает за выработку вазопрессина, который способствует особой выразительности движений.

Выводы исследователей были проверены на 85 танцовщиках и подающих надежды студентах, отобранных в разных хореографических училищах Израиля, и показали, что так называемый танцевальный тип людей характеризуется также повышенной общительностью.

НАШИ КЛЕТКИ УМЕЮТ ПЕТЬ!К такому неожиданному выводу пришел калифорнийский химик Джеймс Джимзевски. С помощью новейшей исследовательской аппаратуры он выяснил, что каждая клетка биологического организма, кроме всего прочего, умеет вибрировать, при чем на разной частоте. А стало быть, имеет свой «голос». Причем погибающие клетки издают глухой низкочастотный шум, в отличие от здоровых, «пение» которых имеет более высокую тональность.

«А это значит, что мы, возможно, стоим накануне медицинской революции в диагностике: прослушивать пациента теперь имеет смысл даже на молекулярном уровне», – утверждает Джимзевски.

Кстати, несколько ранее этот же самый исследователь успел прославиться изобретением молекулярного микромотора диаметром всего 0,0000015 мм.

ЧТОБ НЕ РАСТАЩИЛИ ПО КАМЕШКУ… Оказывается, не только российским туристам свойственно прихватывать что-либо себе на намять. Недавно спохватились китайские власти, озабоченные тем, что от набегов туристов Великая Китайская стена страдает едва ли не больше, чем от атак кочевников в стародавние времена.

Что делать? В результате некоторого раздумья теперь решено на участке Цзюйюнгуань, особо часто посещаемом туристами, возвести дополнительную стену, которая, как, надеются ее создатели, защитит историческую реликвию от вандалов.

ДУХОВ МОЖНО БУДЕТ ВИДЕТЬ. Так, во всяком случае, утверждает британец Стив Уилсон. Недавно ему удалось запатентовать сенсор для обнаружения… привидений и духов. И сейчас он ищет спонсоров для запуска своего изобретения в промышленное производство.

В самом приборе, впрочем, нет ничего мистического. Уилсон уверяет, что духи обнаруживают себя, испуская электромагнитные волны определенного диапазона, а также вызывая местное понижение температуры окружающей среды.