Текст книги "Юный техник, 2012 № 09"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 6 страниц)

ПО СЛЕДАМ СЕНСАЦИЙ
Деление электрона

В нашем веке многое уже открыто и изучено. А потому, наверное, столько шума наделало в научном мире известие, что электрон вовсе не представляет собой элементарную частицу, а состоит из составных частей.

Попробуем же разобраться, что к чему…

Три вместо одного

Есть старый студенческий анекдот. Профессор спрашивает студента, что такое электричество. Тот мнется, ерошит волосы, чешет в затылке и, наконец, сознается:

– Извините, профессор, еще вчера вечером я помнил, а теперь – забыл…

– Ах, какая жалость! – вздыхает профессор. – Был на свете один человек, который знал, что такое электричество, и тот забыл…

Шутки шутками, но если вы посмотрите в энциклопедию, то обнаружите, что «электричество – это совокупность явлений, в которых проявляется существование, движение и взаимодействие заряженных частиц».

Если мы копнем чуть поглубже, то вскоре выясним, что такими заряженными частицами, как правило, являются ионы и электроны. Причем ионами называются атомы, у которых по тем или иным причинам недостает одного или нескольких электронов.

Электроном все та же энциклопедия считает стабильную отрицательно заряженную элементарную частицу – носитель единичного электрического заряда. Именно с помощью электронов проводимости и осуществляется передача тока по твердому телу. То есть, говоря уже совсем попросту, ток – это поток электронов.

И вот здесь энциклопедия несколько заблуждается. Похоже, сведения, изложенные в ней, уже устарели.

Так в представлении художника может выглядеть деление электрона. Справа – новая предполагаемая схема атома: вокруг ядра по своим орбитам движутся не единичные электроны, а трио электронных частиц.

Недавно физики лишили электрон звания элементарной частицы. Дело в том, что уже довольно давно ученые подозревали, что в некоторых случаях электрон может распадаться на три составляющих – холон, спинон и орбитон. Возможность раздельного существования холона и спинона была доказана шесть лет назад. А ныне ученым удалось выделить еще и орбитон.

Правда, разделить, как оказалось, можно только электроны, связанные внутри какого-либо вещества – отдельные частицы разделению не поддаются. Взаимодействуя же, электроны, как живые существа, принимают на себя свойства окружающего их микромира.

Обычно они характеризуются тремя свойствами: элементарным зарядом, спином (так называется характеристика, оценивающая момент вращения вокруг собственной оси) и орбитой, которую электрон занимает в атоме. Эти свойства составляют неотъемлемое качество, присущее электрону и определяющее его взаимодействие с другими частицами в атоме. Разделяя электрон, физики имели в виду получение частиц, каждая из которых имела бы одно из перечисленных свойств – орбитон характеризует орбиту, спинон – величину спина и холон – свойства заряда.

Все в мире делится

Стоит, наверное, сказать, что ситуация с делимостью и неделимостью в мире физики сложилась довольно непростая. Еще в XIX веке многие ученые испытали разочарование, даже шок, узнав, что атом, который прежде представлялся единым (ведь даже само слово «атом» переводится с греческого как «неделимый»), вдруг оказался составным, то есть состоящим из более мелких частиц.

Эти частицы, повторив ошибку, ученые опять-таки назвали элементарными. Такое название подразумевало, что они-то уж точно неделимы. Однако в XX веке большинство обнаруженных прежде частиц стали терять звание «элементарные», распадаясь в ускорителях на составные части.

Началось все с протона и нейтрона – частиц, что составляют атомное ядро. Было доказано, что они состоят из более мелких частиц, которые называются кварки.

Получается, что раз они составные, то, значит, все же не элементарные.

Электрону повезло больше – он держался в ранге неделимых дольше всех других частиц. Но, в конце концов, и он был вынужден покинуть ряды элементарных частиц.

Дело в том, что еще примерно пол века назад физики предсказали возможность разделения электрона на три квазичастицы. Правда, проявляются эти три квазичастицы лишь в особых условиях. Например, в пределах одномерных цепочек атомов, стоящих очень близко друг к другу (такое часто бывает в углеродных нанотрубках).

Причем электрон, похоже, вовсе не распадается на частицы, как это происходит при делении других «элементарных» частиц. То есть даже в нанотрубках не происходит такого, чтобы при взаимодействии с близко расположенными электронами других атомов какой-то из них (для удобства представим его как шарик) вдруг развалился на три шарика помельче. Причем один из «малышей» сохраняет заряд электрона, другой вертится вокруг своей оси так же, как электрон (сохранил спин), а третий движется по той же орбите, что и электрон (сохранил орбитальные взаимодействия).

На самом деле электрон ни на какие частицы не распадается. Просто при сближении друг с другом в пределах одномерной цепочки электроны соседних атомов начинают взаимодействовать друг с другом особым образом. И это взаимодействие можно описать, представив себе, что их осуществляют три различные частицы – те самые холон, спинон и орбитон.

Как же такое возможно?

Исследователи Йероен ван дер Бринк, Кшиштоф Вофельд и Торстен Шмидт (слева направо).

Представьте себе, что атомы стоят столь плотно, что электроны образовали так называемый вигнеровский кристалл – то есть компактную упорядоченную структуру вроде кристаллической решетки. При этом в узлах данной решетки возникнут коллективные колебания электронов (как это происходит с узловыми частицами любого кристалла). Но данные колебания обязательно будут сопровождаться переносом заряда. В этом случае можно говорить о возникновении квазичастицы холона.

В то же время электроны в цепочке обладают спином и, соответственно, между ними существует некоторое спин-спиновое взаимодействие. А поскольку все электроны стоят вплотную друг к другу, логично предположить, что, если мы перевернем один из спинов (как бы сместим ось его вращения), то по цепочке побежит спиновое возмущение. И оно вовсе не будет сопровождаться переносом заряда. Получается, что в данном случае мы имеем дело с другой квазичастицей – спиноном.

Вигнеровский кристалл – компактная упорядоченная структура, вроде кристаллической решетки.

Хитрости экспериментов

Впрочем, поначалу все выше приведенные рассуждения представляли собой лишь мысленный эксперимент, затеянный физиками еще в 90-х годах прошлого века.

А вот убедиться в существовании спинона и холона реально удалось не так давно – в 2006 году. Тогда группа ученых во главе с Ким Чанюном из университета Енсей в Сеуле (Республика Корея), Эли Ротенберг и Шень Чжи Сюнем из Стэнфордского университета (США) сообщила об обнаружении четких спектральных сигналов спинонов и холонов в одномерных образцах купрата стронция.

Вскоре после этого Торстен Шмидт и его коллеги из института Пауля Шеррера (Швейцария) смогли разделить электрон на спинон и орбитон внутри атома оксида меди. Для этого они использовали ускоритель, в котором бомбардировали электроны рентгеновскими лучами, чтобы их возбудить – повысить уровень их энергии. Сравнивая уровень поглощенной и излученной энергии, физики смогли определить, что разделение произошло.

И наконец, уже в 2012 году другая группа физиков из Германии, Швейцарии, Франции и Нидерландов под руководством госпожи Джастин Шлаппа смогла «отделить» орбитон. «Подопытным кроликом» выступил опять-таки купрат стронция. А вот методика была уже другая – использовалось так называемое неупругое рассеяние частиц. Она заключалась в том, что образец бомбардировали быстрыми частицами. Это приводило электроны в возбужденное состояние и одновременно давало исследователям возможность отмечать расположение и конфигурацию их спинов.

Измерив же спины и орбитальные угловые моменты (они характеризует движение частиц по орбитали вокруг ядра) электронов, исследователи поняли, что орбитон и спинон существуют одновременно. Дело в том, что изменение спина и орбитального углового момента не совпадали – а это значит, что спинон и орбитон передвигаются внутри материала с разной скоростью. То есть как отдельные квазичастицы.

…Итак, существование орбитона наконец-то экспериментально подтверждено, из-за этого электрон окончательно лишился звания элементарной частицы. Однако эксперименты ученых сводились не только к исправлению терминологии; например, орбитон и сам по себе представляет немалую ценность. Его существование поможет объяснить некоторые аномалии высокотемпературных сверхпроводников – почему в них возникает сверхпроводимость в таких условиях, в каких вроде бы не должна возникать.

Кроме того, движение орбитонов и спинонов можно будет использовать при создании квантовых компьютеров – эти квазичастицы движутся настолько быстро, что их перемещение от одной квантовой точки к другой занимает фемтосекунды. А значит, перенос информации будет почти что мгновенный…

Наконец, сделанное открытие даст ученым возможность сделать еще один шаг к пониманию того, что же представляет собой электричество…

Публикацию по материалам Nature News

подготовил С. НИКОЛАЕВ

ГОРИЗОНТЫ НАУКИ И ТЕХНИКИ
Конец мелового периода?

На международной выставке «Фотофорум 2012» наше внимание привлек необычный экспонат. Большое панно размерами примерно 2x3 м сначала демонстрировало обычный рекламный видеоролик. Но когда ролик кончился, к панно, словно к обычной школьной доске, подошел человек и принялся писать на пластиковой поверхности чем-то похожим на большой фломастер.

При ближайшем рассмотрении оказалось, что мы наблюдаем демонстрацию технологии проецирования 3LCD при помощи интерактивного проектора, который поначалу даже не заметили. И немудрено: он висел непосредственно над доской-экраном.

Такие устройства позволяют превратить школьную доску и даже обычную стену в интерактивную поверхность, позволяя учиться как бы играючи. Каждый проектор поставляется в комплекте с интерактивным фломастером-манипулятором, который, совмещая в себе компьютерную мышку и цифровое перо, позволяет делать пометки и дополнения к проецируемому изображению.

Свет от ультракороткофокусного объектива, благодаря которому проекторы можно устанавливать практически вплотную к экрану, не ослепляет учителя и не дает теней на экране. Все проекторы комплектуются оригинальным настенным креплением, просты в подключении и использовании, имеют высокую яркость, увеличенный ресурс лампы, а также встроенный динамик и микрофонный вход для проецирования учебных материалов со звуком.

Интерактивный экран можно использовать на занятиях и по астрономии, и по географии…

Аналогичные устройства, например, есть не только в московской школе № 2030, которая ныне считается оплотом информатизации образования в столице. Первая цифровая тикола в России появилась пять лет тому назад в Череповце – сейчас это лицей «АМТЭК».

Здесь есть и мультимедийные классы с интерактивными досками, и смарт-фойе с плазменными панелями, где можно ознакомиться с расписанием, новостями и даже с меню в столовой.

Особая гордость лицеистов – поливалентный актовый зал с системой голосования. Есть и мобильные классы, которые можно развернуть в любом месте, взяв с собой ноутбук и проектор.

С каждым годом таких школ становится все больше. Ведь, по мнению директора Института новых образовательных технологий и информатизации Российского государственного гуманитарного университета Сергея Кувшинова, цифровая школа дает принципиальную возможность перейти от обучения в классах к обучению в любом месте и в любое время, заменить общие уроки индивидуальными, использовать вместо мела и бумаги электронные устройства.

То есть, говоря проще, в скором будущем нам обещают, что и заболевший ученик не отстанет от своих товарищей. Домашние задания ему будут присылать по электронной почте. С ее же помощью он сможет переправлять решенные задачи и выполненные упражнения в класс. Да и сам он сможет как бы присутствовать в классе, слушая и наблюдая объяснения учителя опять-таки с помощью современной электроники.

Важно только не переборщить. А то в некоторых школах Германии не только сразу же переправляют родителям все оценки, полученные их чадами за день с помощью SMS-сообщений, но и отслеживают с помощью все тех же мобильников все перемещения школьников. Дело дошло до того, что, если школьник не появился в школе в течение 15 минут после начала занятий, а родители не предупредили администрацию об его отсутствии, у порога дома, где живет ученик, появляется полицейская машина, и блюстители порядка спрашивают, не надо ли начинать розыски…

Занятия в современной школе без помощи электроники уже немыслимы.

Интерактивный проектор – лишь одно из технических чудес, применяемых сегодня в школе.

«Любой сверхконтроль обезличивает человека и лишает его мотивации, – предупреждает завкафедрой психологии личности МГУ Александр Асмолов. – Если взрослые будут каждый раз контролировать поведение – когда пришел, когда ушел, – то это не школа».

Впрочем, директор Центра образования «Царицыно» Ефим Рачевский настроен довольно оптимистично. Он полагает, что наши школьники и тут найдут выход из положения. Отыщут способ, как исправить оценку в электронном дневнике или перепрограммировать мобильник родителей, чтобы те не прочитали «ненужной» эсэмэски. Ведь только для взрослых сотовый – всего лишь телефон, а для подростков – это еще и поле для технических экспериментов.

РАССКАЖИТЕ, ОЧЕНЬ ИНТЕРЕСНО…
Терминатор уже не фантастика

В кино иной раз показывают этаких терминаторов, которые то превращаются в некую жидкость, способную проникнуть в любую щель, то в устрашающего монстра, способного сокрушить даже танк, то в человекоподобное существо, в точности копирующее облик того или иного героя фильма. Интересно, возможны ли такие превращения не на экране, а в жизни? Что думают по этому поводу специалисты?

Антон Митрофанов, г. Красноярск

Электронные оригами

Плоский лист из особого материала на основе стекловолокна и углеродных композитов внешне похож на обычную бумагу. Но стоит ее нагреть, и «бумага» сама складывается в кораблик или самолетик по принципу оригами.

Весь «фокус» заключается в эффекте запоминания первоначальной формы, который ранее был свойственен лишь некоторым сплавам на основе никеля (например, материал нитинол). Теперь же исследователям Массачусетского технологического института и Гарвардского университета удалось создать материал с памятью на основе углеродного композита.

Лист разделен на 16 квадратов, каждый из которых, в свою очередь, разделен на два треугольника. По границам между квадратами и треугольниками и происходят заранее запрограммированные сгибы в ту или иную сторону. Причем по задумке авторов исследования, элементы, по которым происходят сгибы, могут быть в зависимости от конкретной необходимости увеличены или уменьшены. И сами пластиковые листы могут иметь достаточно большие размеры, чтобы годились не только для изготовления игрушечных самолетиков. Из таких заготовок, полагают исследователи, в скором будущем изготовят, например, автомобили-вездеходы, которые по ходу движения будут приспосабливаться к изменяющейся местности, или летательные аппараты, которые смогут изменять свою форму прямо в ходе полета.

Виртуальная эволюция.

Однако такие «чудеса» станут возможны на практике лишь после того, как каждая клетка материала, а еще лучше – каждая молекула получит зачатки интеллекта и сможет воспринимать команды со стороны или изменять состояние по своему собственному «разумению».

Над этой проблемой работают исследователи Мичиганского университета. Объектом их пристального внимания являются так называемые Avidiaiis (авиданцы). Это не микробы или какие-то инопланетные формы жизни из научной фантастики, а виртуальные создания Карла Офриа и его коллег из лаборатории искусственного интеллекта. Ученые создали особый виртуальный мир, который называется Авида. Его населяют некие существа, основу строения которых составляют не ДНК, как обычно, а строки закодированных инструкций для компьютера.

Тем не менее, события в этом мире во многом похожи на реальную жизнь. Так, например, авиданцы конкурируют друг с другом за жизненные ресурсы, стремятся к размножению и совершенствованию.

Подобно микроорганизмам, Avidiaiis занимают очень мало места, имеют короткие сроки смены поколений. Но в отличие от микробов, их эволюция может быть остановлена в любое время. Или повернута вспять, чтобы исправить ранее допущенную ошибку.

«Цель такой искусственной эволюции – создать виртуальные формы жизни, которые бы имели собственную наследственную память и зачатки интеллекта», – поясняет один из исследователей, Роберт Пеннок.

Эксперименты в Авиде почти всегда начинают с простейших организмов, способных клонировать только себя. Чтобы заставить их развиваться, экспериментаторы принуждают их обитать в конкурентной среде, где приходится бороться за выживание и количество «пищи».

Чтобы следующее поколение было приспособлено к условиям обитания лучше предыдущего, нужно заложить в каждый псевдоорганизм не только инстинктивное стремление занять территорию с возможно большими запасами энергии и пищи, но и генетическую память, позволяющую накапливать из поколения в поколение лучшие качества того или иного авиданца. Например, Avidians развивали в себе способность сравнить питание в различных местах и запоминать наиболее богатые районы, умение ориентироваться как в пространстве, так и в жизненной ситуации.

Механизм запоминания, обучения, приводящий из поколения в поколение к усовершенствованию авиданцев, заинтересовал биологов. «Работа коллег позволяет предположить, что эволюционное умение решать простые навигационные проблемы зависит от развивающейся кратковременной памяти и в живой природе», – полагает зоолог Фред Дайер.

Исследования сложного поведения виртуальных организмов позволяют не только пролить свет на эволюцию органической жизни. С одной стороны, они помогают детально разбираться в механизмах памяти, работы ума, а с другой – конструировать все более совершенные системы искусственного интеллекта.

Джеф Клун, еще один исследователь из Мичиганского университета, полагает, что авиданцев в какой-то мере можно сравнить с нейронами мозга, которые не только сами соображают, что к чему, но и могут поделиться информацией с соседями, сообща решая ту или иную задачу. Ученый ныне работает с системой, называемой HyperNEAT, которая использует принципы биологии, чтобы получать большое количество цифровых нейронов, используя небольшое количество основных правил.

«В природе расположение ячейки эмбриона часто определяет его функции – станет ли она затем клеткой сердца или почки, к примеру, – поясняет Клун. – Так и в HyperNEAT роль каждого искусственного нейрона определяется координатами его расположения в матрице уравнений. А это, в свою очередь, означает, что вы можете создать сложный мозг из относительно небольшого числа компьютеризированных инструкций, или «генов».

Учитывая, что микрочипы ныне становятся все меньше (в обозримом будущем, роль активных элементов в киберустройствах будут играть даже отдельные молекулы), это открывает принципиальную возможность создания не только материалов с памятью, но и «разумных» композитов, самостоятельно меняющих свои свойства в зависимости от поставленной задачи.

От теории к практике

Этими разработками весьма интересуются представители Агентства перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) при Министерстве обороны США. Они полагают, что дальнейшие исследования в данном направлении могут привести и к созданию роботов-трансформеров.

Помните, как там человекоподобный робот способен, растекшись металлической кляксой, проникнуть сквозь преграду, а потом без труда восстановить былую форму?..

Такой робот оказывается и практически неуязвим – даже разорванный на множество частей взрывом, он снова воссоздается в первоначальном виде. А все потому, что каждая частица его кибертела, каждая молекула не только обладает своим собственным интеллектом, но может быть подчинена единой цели, решению общей задачи.

Правда, многие эксперты полагают, что от идеи до ее реализации еще «дистанция огромною размера», поскольку современные разработки, как вы убедились, больше напоминают детские игры, чем серьезные технологии, готовые к практическому применению. Однако время бежит быстро, а поколения микрочипов сменяют друг друга в микроэлектронике и того быстрее. Сейчас суперкомпьютеры, как известно, уже запросто обыгрывают людей при игре в такую интеллектуальную игру, как шахматы. Сами они, еще недавно размещавшиеся в огромных залах, ужались до объема нескольких шкафов, а в скором времени по внешнему виду будут неотличимы от ноутбуков.