Текст книги "Юный техник, 2005 № 12"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 5 страниц)

ПО СЛЕДАМ СЕНСАЦИЙ
Если фотоны привести в порядок…

Нобелевская премия за 2005 год по физике присуждена американцам – Рою Глауберуи Джону Холлу, а также немецкому ученому Теодору Хэншу. Они удостоены ее «за вклад в квантовую теорию оптической когерентности и развитие лазерной спектроскопии», сообщила Шведская Королевская академия наук, которой Альфред Нобель в свое время и поручил отбирать лучшие работы.

Однако что такое оптическая когерентность и лазерная спектроскопия? Какую практическую ценность они имеют? Давайте попробуем разобраться в этом, а заодно и в самой квантовой теории.

Работы нынешних лауреатов можно считать продолжением исследований, которыми занимался еще в 20-е годы прошлого столетия физик Луи де Бройль – между прочим, отпрыск старинного рода французских герцогов.

Именно де Бройль положил конец классической оптике, где свет считали либо потоком частиц, либо электромагнитной волной. Он указал, что в зависимости от конкретных обстоятельств фотон может обладать либо преимущественно корпускулярными свойствами (т. е. может рассматриваться как материальная частичка), либо волновыми свойствами (т. е. имеет вид излучения).

Поначалу современники ученого не восприняли эту идею всерьез и даже подшучивали: дескать, принцип дуализма, то есть двойственности, позволяет и самому де Бройлю выступать в двух обличьях – и как физику, и как литератору.

Однако шутки прекратились, когда Луи де Бройль в 1929 году, в 37 лет – в возрасте, можно сказать, необычно юном для такой награды, – был удостоен Нобелевской премии. А еще несколько лет спустя стал членом Французской академии как писатель. Более того, он стал одним из основоположников своего рода квантовой философии – отрасли науки, которая позволила взглянуть на окружающий нас мир совершенно иными глазами.

Так со временем повышалась точность измерений в микромире.

Почему не состоялся конец света?

Сделать же это пришлось вот по какой причине. В конце XIX века многие физики пришли к выводу, что конец света не за горами в буквальном смысле этого слова. Полагая, что энергия звезд излучается непрерывно, подсчитали, что сравнительно скоро они должны прекратить свое существование, полностью истощив запасы материи и энергии. А если перестанут светить звезды, в том числе и наше Солнце, придет конец жизни на Земле.

Однако год проходил за годом, десятилетие за десятилетием, а звезды продолжали светить. Почему?

В 1900 году немецкий физик-теоретик Макс Планк выдвинул предположение: свет излучается не непрерывно, а отдельными порциями-квантами. Отсюда и экономия энергии.

Облегченно вздохнув – конец света, похоже, откладывается, – идею Планка подхватили другие ученые. И разработали в конце концов новое научное направление – квантовую механику.

Правильнее, наверное, было бы назвать ее, как уже говорилось, квантовой философией, поскольку механика традиционно имеет дело с некими механизмами, «грубыми железками», а здесь приходится оперировать квантами света – фотонами, частицами, меньше которых и придумать что-либо трудно. Однако на практике почему– то прижилось название «квантовая механика». Будем им пользоваться и мы.

«Шагом марш!»

Следующий шаг сделал всем известный Альберт Эйнштейн. В 1905 году он показал, что предложенные Планком электромагнитные кванты позволяют объяснить фотоэффект – явление, при котором падающий на поверхность металла свет вызывает поток электронов. Именно за это, кстати, а вовсе не за теорию относительности, как думают многие, Эйнштейн в 1921 году был удостоен Нобелевской премии.

Далее в мире науки происходило много еще чего интересного. В частности, в середине XX века были изобретены новые источники света – квантовые генераторы, или лазеры, за создание которых американец Ч. Таунс и два наших физика – Н.Г. Басов и А.М. Прохоров – также были удостоены Нобелевской премии.

Тогда же впервые выступил на сцену и один из нынешних лауреатов. А именно Рой Глаубер из Гарвардского университета в 1963 году заложил основы квантовой оптической теории. Проще говоря, установил, что свет, излучаемый обычной лампой, представляет собой поток неупорядоченных фотонов. Излучение же лазера – это уже марширующая колонна частиц, которая обладает своими особенностями. Используя их, можно послать лазерный луч на куда большее расстояние, чем, скажем, «достает» свет обычной керосиновой лампы или даже электрического прожектора.

Теории Глаубера, как и других исследователей, были затем положены в основу создания лазеров для самых различных целей, в том числе и сверхмощных, боевых.

Слева направо: Дж. Холл, Р. Глаубер, Т.Хэнш.

И один в поле воин

Далее за дело взялись Джон Холл из Колорадского университета (США) и Теодор Хэнш из Института имени Макса Планка (ФРГ). Они поняли, что даже в луче лазера каждый из фотонов, как бы ни были они похожи, продолжает сохранять свою индивидуальность.

Как удалось это установить? Ученые использовали для сортировки своего рода сито. А если точнее – «спектральную гребенку». Так в обиходе физиков называется прибор величиной с обувную коробку. В нем стоит особый лазер, который выдает набор спектральных частот, который является своего рода физическим отображением известного в математике тригонометрического ряда Фурье. Если на это эталонное излучение наложить с помощью зеркал излучение другого, контролируемого, лазера, произойдет интерференция – лучи, в зависимости от фазы, будут складываться и вычитаться. И там, где частоты одинаковы, наложившиеся волны нейтрализуют друг друга и в спектре образуется провал (или провалы), т. е. затемнение. По ним и судят о частоте контролируемого лазера.

Такую «гребенку» теперь используют в точнейших физических экспериментах, продвигающих вперед науку. Их результаты затем были использованы при разработке высокоточных часов и спутниковых устройств глобального позиционирования (GPS). Кроме того, они помогли также конструированию лазеров нового поколения, голографических систем, трехмерного телевидения…

Используют подобные исследования и для изучения микромира. Так, в 2003 году сотрудники Калифорнийского технологического института сумели загнать в лазерную ловушку одинокий атом цезия. Это достижение назвали демонстрацией «одноатомного» лазера, который сможет найти применение в квантово-информационных технологиях.

Тонкость тут такая. Обычно лазер, как уже говорилось, фотоны испускает как бы коллективно, маршевыми колоннами. Однако и в современном бою, и в нынешней науке эффективность любого действия зависит прежде всего от того, насколько правильно и быстро будет действовать каждый солдат или отдельная частица. Поэтому «одноатомный» лазер – это, кроме всего прочего, принципиальный шаг к созданию квантовых компьютеров.

Идея их создания возникла 15–20 лет назад. И теперь говорят, что на задачу, которую обычный компьютер решал бы тысячу лет, квантовый компьютер затратит всего несколько часов. Однако чтобы он реально заработал, да еще с таким быстродействием, как запланировано, необходимо еще немало потрудиться. Проблема в том, что квантовое состояние атомов и иных частиц очень хрупко, неустойчиво, подвержено даже слабым помехам и шумам. Поэтому реальные квантовые компьютеры вряд ли появятся раньше чем через 20–25 лет.

Станислав ЗИГУНЕНКО

КСТАТИ…
О саранче и… о «звездных войнах»

Наряду с Нобелевскими премиями ежегодно вручаются «анти-Нобелевские» премии за самое бесполезное открытие. Традиция была продолжена и в этом году.

Одними из первых Ig Nobel Prize– так официально звучит название премии – получили сотрудники знаменитого Массачусетского технологического института за изобретение… бегающего будильника. В отличие от обычного, он перемещается по комнате, не переставая при этом противно звонить. Волей-неволей приходится просыпаться, вставать и ловить беглеца. Работа прошла по разряду экономики. Возможно, члены жюри полагали, что бегающий будильник экономит своему хозяину деньги на такси, которые придется платить, если, проспав, будешь опаздывать на занятия или на работу.

В области физики лауреатом стал коллектив исследователей австралийского Университета Квинсленда, ученые которого выяснили: густой застывший деготь капает через воронку со скоростью одна капля каждые 9 лет. Исследования велись ни много ни мало – почти 80 лет. Так что сомневаться не приходится: на практике доказано, что даже застывшая смола все-таки сохраняет свойства текучести.

Со свойствами текучести и сопротивляемости жидкости имели дело и Эдвард Касслер с Брайаном Геттельфингером из Университета Миннесоты. В итоге им досталась «анти-Нобелевская» премия по химии за поиск ответа на вопрос: где человек плавает быстрее – в воде или в сиропе?

Добавляя сахар в воду, исследователи меняли ее вязкость и измеряли скорость пловца. Полученные данные, как надеются исследователи, пригодятся тренерам. К тому же лауреатам, как они сознаются, просто нравились сами по себе эксперименты.

Парфюмеры из Австралии, Канады и Швейцарии были удостоены премии за то, что изучили и детально проанализировали запахи, которые испускают лягушки во время стресса. Но мнению исследователей, люди эволюционно и генетически недалеки от мышей и лягушек. И сами при стрессах выделяют некие запахи, которые неплохо было бы нейтрализовать. Чем и занимаются парфюмеры в настоящее время.

В области медицины и физиологии лауреатами стали немец Виктор Бенно Мсйер-Рохов и венгр Йозеф Гал. Они применили законы физики для вычисления давления газов в прямой кишке пингвина. Оказалось, между прочим, что оно не меньше, чем в дуле детского духового ружья, стреляющего пробками.

А на первое место мы поставили бы самый масштабный проект. Два сотрудника Университета Ньюкасла, Клэр Ринд и Питер Симмонс, провели мониторинг мозговой активности саранчи, показывая насекомым отрывки из фильма «Звездные войны». По некоторым данным, они таким образом хотели выяснить особенности ориентировки стаи саранчи при скоростном полете. Так это или нет, насекомые прореагировали на увиденное довольно тупо. И, во всяком случае, явно своей активности никак не изменили.

К сказанному остается добавить, что наши соотечественники получают lg Nobel Prizeеще реже, чем обычные нобелевские награды. Первый раз такой чести в 1991 году был удостоен профессор Юрий Стручков, который с 1981 по 1990 год ухитрился напечатать с соавторами 948 научных статей – по статье каждые четыре дня. И когда он успевал их писать, не говоря уже о том, что описываемую работу-то ведь еще и надо было когда-то сделать?..

Второй раз анти-Нобеля по экономике были удостоены в 2002 году сотрудники «Газпрома» – «За адаптацию математического понятия мнимых чисел для использования в мире бизнеса».

М. ЯБЛОКОВ

ИНФОРМАЦИЯ

СПУТНИК ДЛЯ БОРЬБЫ С ТЕРРОРИСТАМИ И НАРКОДИЛЕРАМИзапущен российскими специалистами с помощью конверсионной ракеты «Рокот». Он создан в Государственном космическом научно-практическом центре (ГКНПЦ) имени Хруничева на базе 400-килограммовой универсальной космической платформы «Яхта». Вес аппарата «Монитор-Э» – 750 кг; 330 из них приходится на полезную нагрузку. На нем установлены две камеры с разрешающей способностью 8 и 20 м. Два запоминающих устройства с памятью в 200 гигабайт позволяют аккумулировать значительное количество информации, которая затем пересылается на наземный комплекс приема по двум каналам сразу с обеих камер. Срок эксплуатации спутника – 5 лет.

Директор ГКНПЦ Александр Медведев уверен, что этот космический аппарат «откроет новое направление в мировой космонавтике». «Мир еще недооценил значение таких спутников, хотя эти аппараты могут видеть все, что происходит на Земле и на глубине нескольких метров под землей», – сказал он.

В ПОИСКАХ СВЕРХЯДЕР. Считается, что трансурановые элементы с атомными весами более 110 в природе уже не существуют – они давным-давно распались. Однако сотрудники Физического института имени Лебедева РАН полагают, что наличие сверхтяжелых трансфермиевых ядер в природе еще возможно. Ученые собираются искать сверхтяжелые с помощью недавно разработанного в институте современного высокоэффективного комплекса ПАВИКОМ. Работать они предполагают с оливинами, содержащимися в метеоритах.

ВЕСТИ ИЗ ЛАБОРАТОРИЙ
Три солнца у одной планеты

Американскими исследователями обнаружена уникальная в своем роде планета, имеющая на своем небосводе сразу три солнца. Открытие, сделанное летом 2005 года, бросает серьезный вызов современному пониманию того, как формируются планеты.

Эта планета больше Юпитера. Именно ее внушительные размеры и позволяет ей справляться с гравитационными воздействиями сразу трех массивных тел, соседствующих с ней, полагает астроном-планетолог Мацей Конаки, под руководством которого и было сделано открытие.

Вновь открытое небесное тело находится на орбите главной звезды тройной звездной системы, значащейся в астрономических каталогах под индексом НD 188753. Эта система расположена на расстоянии около 150 световых лет от Земли. Расстояние между тремя ее звездами примерно равно дистанции между Солнцем и Сатурном. Так что человек, оказавшийся на этой планете, мог бы действительно увидеть на небе сразу три солнца.

Главная звезда тройной системы HD 188753 – желтая и очень похожа на наше Солнце, только в диаметре в несколько раз больше. А орбита планеты такова, что «год» на ней длится всего три с половиной дня. Вторая звезда – поменьше – оранжевая, а самая маленькая – красная.

Вообще-то ученые полагают, что одиночные звездные системы составляют всего двадцать процентов среди нашего ближайшего космического окружения. Гораздо более распространены во Вселенной бинарные, тройные и другие «множественные» системы. Однако тот факт, что в такой сложной системе стало возможным существование планеты, удивителен сам по себе. Ведь до этого планеты находили только в звездных системах с одним светилом. Более того, согласно современным теориям формирования небесных тел, в тех условиях, что существуют в многозвездных системах, появление планет вообще маловероятно.

Однако благодаря новому методу, предложенному Мацеем Конаки, ныне стало возможным точное различение всех объектов двойных и мультизвездных систем. В итоге с помощью телескопа «Кеск-1» и была найдена планета в системе HD 188753. Она первая, но, вероятно, не единственная в своем роде, полагает Конаки. И вообще, по его мнению, наличие планет в сложных звездных системах окажется серьезным испытанием для современных теорий формирования планет.

В 1995 году ученые открыли первую планету – газовый гигант, находящуюся вне Солнечной системы. Сегодня обнаружено уже более ста таких небесных объектов. Однако до открытия, сделанного Конаки, считалось, что эти планеты образовались из газового облака, сжимаемого в процессе вращения вокруг звезды. Но если рядом со звездой в закрытой системе находится еще одна или несколько звезд, то их гравитационное воздействие должно оказаться для облака губительным. Согласно расчетам, его должно «размазать», разнести тяготением по орбите. Поэтому обнаруженная в тройной системе планета вызвала у ученых, мягко говоря, удивление. Похоже, теперь им придется пересматривать свои теории.

С.ЛЫКОВ

У СОРОКИ НА ХВОСТЕ

ГДЕ ПОКРАСИЛИ КОТА?Над этим вопросом ломают себе голову хозяева кота Брумаса, живущего в графстве Девоншир, Англия. Снежно-белый кот, погуляв где-то неделю, явился домой розовым. Хозяева решили, что кота покрасили какие-то хулиганы. Однако каково же было их удивление, когда ветеринар не обнаружил на шерсти Брумаса ни грамма краски. Он предположил, что с котом произошло то же, что случается иногда с фламинго. Эти белоснежные птицы время от времени становятся розовыми из-за особого корма.

«Что же такое ел на помойке Брумас?» – ломают теперь голову хозяева. Ответ на этот вопрос интересует не только их, но создателей краски для волос, которые предполагают, что открытый секрет мог бы пригодиться в их производстве.

СОТВОРЕНИЕ ЖИЗНИ.В знаменитом Гарвардском университете, США, началась подготовка к осуществлению амбициозного научного проекта «Происхождение жизни во Вселенной». В исследовании, рассчитанном на несколько лет, примут участие биологи, химики, физики, астрономы… Они совместными усилиями и попробуют ответить на вопрос, каким образом на Земле зародилась жизнь. Ведь, невзирая на многочисленные попытки, науке пока точно не известно, как из органических молекул, существующих в неживой природе, могли возникнуть клеточные живые организмы.

«Мы начинаем наш проект при всеобщем понимании того, что живые организмы являются чрезвычайно сложными системами, – говорит профессор Гарвардского университета Дэвид Лиу. – Но, как я полагаю, мы сможем показать, что они возникли в результате очень простой и логически последовательной цепи событий».

Ученые полагают также, что их исследования помогут ответить на вопрос о возможности существования жизни на других планетах.

СПИЛБЕРГ БЫЛ НЕ НРАВ…Динозавры юрского периода на самом деле сильно отличались от тех чудовищ, что изображены в известном фильме Стивена Спилберга. В большинстве своем гигантские доисторические ящеры напоминали птиц и были покрыты перьями. Такой сенсационный вывод сделали палеонтологи Дублинского университетского колледжа, проводившие раскопки в провинции Ляонин на северо-востоке Китая. В толще вулканического пепла им удалось обнаружить хорошо сохранившиеся останки доисторических животных, видимо, погребенных заживо при вулканическом извержении. Причем перья были обнаружены как у прямоходящих тираннозавров, в частности у гигантского Tyrannosaurus Rex, так и у двух летающих ящеров.

Эта находка подтвердила версию о прямом родстве динозавров и современных птиц. Их скелеты очень похожи и отличаются главным образом размерами. Генетики указывали также на сходство ДНК динозавров с генами современных птиц, а вовсе не рептилий.

ГОРИЗОНТЫ НАУКИ И ТЕХНИКИ
Телевидение в объеме

Недавно правительство Японии приняло решение начать работы по созданию и внедрению в стране к 2020 году трехмерного телевидения. Видеть объемное изображение можно будет с любой точки, при желании зритель сможет даже зайти за спину телегероям. Однако насколько свежа такая сенсация? Какие суперидеи и разработки положены в ее основу? Давайте попробуем разобраться…

Отметим сразу: японцы берутся за дело весьма основательно – только в 2006 году на исследования в области объемного телевидения правительство собирается выделить около 10 млн. долларов. И это не считая многочисленных частных инвестиций.

В основу проекта положена технология, созданная в 2005 году корпорацией Toshiba. Изображение в воздухе будет формироваться телевизором, не стоящим, как обычно в углу, или висящим на стене, а… лежащим на полу вверх экраном.

Иначе говоря, дисплей располагается горизонтально, а трехмерные образы витают над ним. Уже представлены и первые подобные экраны с диагональю 37 и 60 см, которые обеспечивают угол обзора 30 градусов, причем разрешение изображения достигает 480x300 пикселей – это выше, чем на обычном телеэкране сегодня.

Известна также и технология получения трехмерного изображения. Конструкторы отказались от псевдостереоскопии, когда двумя камерами снимались параллельно два изображения – одно для правого глаза, другое для левого – и затем проецировались на экран. Чтобы разобрать «что есть что», нужно обязательно надевать специальные стереоскопические очки, позволяющие каждому глазу выделять из общей мешанины именно свое персональное видение. В мозгу эти два изображения совмещаются, создавая иллюзию объема.

Подобные телевизоры существуют уже лет двадцать, но так и не вышли за пределы лабораторий. Когда мне пришлось присутствовать на одном из подобных показов, очень скоро выяснилось: увидеть объем можно лишь из определенной точки. Найти ее непросто, а держать голову все время в одном и том же положении весьма утомительно…

Наконец, подобное изображение утомляет зрение еще больше, чем обычный телевизор или компьютерный дисплей. После полуторачасового показа в глазах у меня оставалось какое-то мельтешение целый день.

И потому лично я с радостью узнал, что в новой технологии использование стереоочков вовсе не предусмотрено. Само же трехмерное изображение создается так.

После кино– или видеосъемки объектов во многих ракурсах отдельные кадры проходят компьютерную обработку и воспроизводятся на трехмерном дисплее через систему специальных линз. Объемный эффект создается за счет того, что зритель наблюдает синтезированное изображение. Причем стоит ему отклонить голову, как в глаза попадает изображение, снятое под другим углом зрения.

В общем, судя по всему, японцы хотят предложить вместо псевдостереоэффекта некую псевдоголографию. Но если это так, то зачем же тогда ограничиваться псевдотехнологией? Помнится, лет тридцать тому назад мне довелось побеседовать с тогдашним директором Научно-исследовательского кинофотоинститута, профессором В.Г.Комаром, который уже тогда работал над созданием объемного телевидения, построенного на голографическом принципе. В институте была тогда создана опытная установка, позволявшая трем-четырем зрителям видеть объемное движущееся изображение.

Тогда же наши ученые создали уникальные, лучшие оптические схемы, позволявшие фиксировать волновые биения, которые при компьютерном считывании выполняют функцию дифракционных решеток и позволяют восстановить реальную форму объекта. Нашими специалистами были созданы также не известные больше никому в мире фотопленки для записи голографической информации.

В 1976 году был даже снят первый в истории 20-секундный голографический фильм с участием движущегося человека. А на закате СССР Американская киноакадемия наградила советских ученых «Оскаром» за технические достижения.

Однако дальнейшего развития эти работы не получили. И не только из-за развала СССР. Само по себе голографическое изображение по своей насыщенности оставляло желать лучшего. Оно выглядело каким-то призрачным, с довольно искаженной цветопередачей. Тем не менее, как показывают сообщения из-за океана, американцы не забыли, за что когда-то выдали «Оскара» советским ученым. И сейчас команда из Калифорнийского университета продолжает голографические исследования на новом уровне.

Профессор В.Г. Комаров.

Известно также, что ими создано устройство, которое контролирует взаимодействие молекул прозрачных кристаллических материалов в твердом и жидком состоянии. Лучи, несущие изображение и иную информацию, проходя через эти материалы, могут принимать целый ряд форм, быстро сменяющих друг друга. Кристаллы меняют яркость, цвет и контрастность в миллиардные доли секунды, а трехмерным изображением управляет электромагнитное поле.

Так что, возможно, именно американцы, а не японцы лет через десять смогут предъявить миру лучшую технологию объемного телевидения. Жаль только, что наши исследователи практически сошли с дистанции. И новая система телевидения вряд ли будет называться русской. Хотя в ее создании, как во времена изобретателя цветного телевидения В.К. Зворыкина, по всей вероятности, примут самое деятельное участие и наши бывшие соотечественники.

Г.МАЛЬЦЕВ