Фізика
Теорія суперструн
Середа, 19 травня 2010, 17:44
У найближчому майбутньому фізика може повернутися до піфагорівської ідеї світових гармоній. Але, зрозуміло, на новому рівні.
У 1968 році два молодих теоретики з ЦЕРНу, Габріеле Венеціано і Махіко Сузукі, займалися математичним аналізом зіткнень піонів (в застарілій номенклатурі - пі-мезонів). Подібні квантові колізії описують за допомогою матриці розсіювання, яка дозволяє знайти ймовірності переходів частинок, що зіштовхуються, з початкових станів в кінцеві.
У всякому разі її зазвичай обчислюють лише наближено. Венеціано і Сузукі незалежно один від одного помітили, що амплітуду парного розсіювання високоенергетичних піонів можна дуже точно виразити за допомогою маловідомої бета-функції, яку в 1730 році придумав Леонард Ейлер. У чистому вигляді її використовують рідко, і кажуть, що цернівскі фізики наткнулися на бета-функцію випадково, переглядаючи математичні довідники. Ця подія викликала у фізиці елементарних частинок велику сенсацію. Незабаром інші теоретики встановили, що амплітуда піон-піонного розсіювання насправді задається розкладанням в нескінченний ряд, перший і основний член якого як раз і збігається з формулою Венеціано-Сузукі.
А в 1970 році Ечіро Намбу, Тецуя Гото, Леонард Сасскінд і Хольгер Нільсен виявили воістину дивовижну річ. Вони вивели цю ж формулу, припустивши, що взаємодія між піонами, що зіштовхуються, виникає через те, що їх з'єднує нескінченно тонка нитка, яка коливається і підкоряється законам квантової механіки. Цей несподіваний результат дав поштовх винаходу моделей, що представляють елементарні частинки у вигляді надмікроскопічних одновимірних камертонів, які вібрують на певних нотах. Їх і стали називати струнами.
Перша версія теорії струн отримала назву бозонної, так як працювала тільки з цілочисловими спінами. Проте в 1971 році Джон Шварц, Андре Неві і П'єр Рамон знайшли узагальнення струнної концепції, яка описувала як бозони, так і ферміони, частинки з напівцілим спіном. У цій моделі з кожною бозонною струнною вібрацією поєднується парна їй ферміонна. У квантовій теорії поля таку відповідність між бозонами і ферміонами іменують суперсиметрією. Тому нову версію стали називати суперсиметричною теорією струн або, коротше, теорією суперструн.
Спочатку в ній бачили кандидата на загальну теорію сильної взаємодії між елементарними частинками. Але саме на початку 1970-х з'явилася квантова хромодинаміка, надзвичайно ефективний спосіб опису сильних взаємодій, оснований на кварковій моделі. Вона чудово узгоджувалася з експериментами і до того ж не виходила за рамки квантової теорії поля, яка вважалася універсальною основою фундаментальних пояснень мікросвіту. Теорія струн на цьому фоні виглядала чистою екзотикою, яка до того ж не могла похвалитися ні внутрішньою стрункістю, ні експериментальними підтвердженнями. Тому майже всі фахівці її просто проігнорували.
Add a commentЗміна магнітних полюсів
Середа, 12 травня 2010, 18:01
Очікування катастроф закладене в людській природі. Починаючи, як мінімум, з біблійних часів, наші предки чекали чогось поганого: кінця світу, Страшного суду, другого пришестя. Чекали і боялися. Продовжують чекати і боятися і наші сучасники. Тільки сучасний світ пропонує набагато більше варіантів. Нобелівський лауреат з біології Френсіс Крік у своїй книзі «Життя на Землі, її зародження і сутність» наводить чотири основних причини, за якими людство може не дожити до кінця ХXI століття: глобальний збройний конфлікт з використанням зброї масового ураження, фатальне забруднення навколишнього середовища, вичерпання необхідних природних ресурсів, космічна катастрофа. Ці чотири класи причин розташовані у порядку спадання їх імовірності. Кожну з цих причин можна деталізувати і доповнювати залежно від сили уяви. У Х столітті люди боялися початку нового тисячоліття, в кінці XVI століття передвісником кінця світу визнали наднову зірку, на рубежі XIX і ХХ століть було модно боятися комет, що наближаються до Землі. Серед нових страшилок - небезпека «переполюсування», про яке говорять протягом кількох останніх років.
Мова ось про що. Магнітне поле нашої планети має досить складну форму, яку прийнято представляти у вигляді так званого мультипольного розкладу - тобто нескінченної суми елементарних в певному сенсі доданків. Перший доданок в цій сумі називається монопольним, але для Землі (а також для будь-якого іншого відомого нам космічного тіла) воно дорівнює нулю. Простіше кажучи, це означає, що будь-яка магнітна лінія, що почалася на поверхні Землі, на поверхні Землі і закінчується. Наступний за величиною доданок - дипольний. Його створює два нескінченно великих за зарядом магнітних монополя, розташованих нескінченно близько один до одного або кільцевий електричний струм нескінченно великої сили і нескінченно малого радіусу. Для Землі цей доданок значно більший за всі інші, тому що, як зараз прийнято вважати, її магнітне поле створюється вихровими рухами рідкого земного ядра. Заряди в ньому переміщуються не дуже швидко, так що струм виходить не дуже великий, зате дуже великий радіус. Але навіть цей великий радіус малий у порівнянні з радіусом Землі.
Це не означає, що дипольний момент обов'язково найбільший доданок в цій сумі. За деяких обставин він пропадає зовсім. Так сталося, наприклад, на Сонці десять років тому. Протягом майже цілого року - з березня 2000 по лютий 2001 року - на Сонці не було ні північного, ні південного магнітного полюсів, або, якщо формально вважати магнітним полюсом те місце, де магнітна силова лінія перетинає поверхню зірки або планети паралельно її радіусу, то їх було одночасно як мінімум по два. Магнітне поле при цьому поводить себе вкрай неспокійно, і в середньому сильно слабшає. Якби щось подібне відбулося на Землі, нас чекало б багато неприємностей: затяжна і незвично сильна магнітна буря супроводжувалася б ослабленням магнітного поля в середньому. Магнітосфера гірше справлялася б зі своєю найважливішим для біосфери функцією - захищати її від потоків заряджених частинок з космосу і з Сонця.
Add a commentВизначена структурна формула HOOO
Понеділок, 10 травня 2010, 15:24
Фізики з Токійського університету вперше експериментально визначили просторову структуру молекули триоксиду водню (HOOO). Розроблена ними методика може застосовуватися і до інших схожих молекул.
Всім відомо, що основа органічного життя - складні вуглецеві молекули-ланцюжки. Виявляється, ланцюгові молекули можуть утворювати і інші елементи, навіть такі активні, як кисень. Наприклад, молекула озону (О3) – це найпростіший кисневий ланцюжок: трикутник з однією розірваною стороною.
У 1999 році було відкрито речовину триоксид водню (HOOO), яка має відігравати важливу роль у динаміці озону в атмосфері. Радикал HOOO виявився неміцною сполукою, що ускладнювало його вивчення в лабораторіїі досі його детальна просторова структура залишалася невідомою. Різноманітні теоретичні розрахунки також не змогли дати відповідь на питання, яка саме форма молекули найбільш стійка.
У статті, що з'явилася у випуску журналу Science, були розставлені всі крапки над і. Автори повідомляють про результати вивчення обертальних рівнів енергії цієї молекули, що дозволило їм точно визначити всі геометричні параметри (довжини O-O і H-O зв'язків та кути між ними) цієї молекули.
Add a commentПлащ-невидимка
Неділя, 09 травня 2010, 09:44
Не так багато можна перерахувати досліджень в області нових матеріалів, які однаково б зацікавили і керівництво Пентагону, і шанувальників нових казок про Гарі Потера, і навіть агресивних ромулан з серіалу «Стар Трек». Сховатися людині хотілося давно, - сховатися, немов героєві відомого роману Герберта Уелса, так щоб всіх бачити, і залишатися при цьому не видимим нікому. Але давно вже було доведено: це неможливо. Абсолютна невидимість суперечить природі зору: щоб бачити, людині треба спотворювати світлові промені і поглинати їх, зовсім непомітно таке не вдасться.
Перші і досить очевидні спроби обійти цю заборону робилися досить давно. Наприклад, Рей Олден з університету Північній Кароліні вже п'ять років намагається запатентувати свою ідею тканини-хамелеона: на ній встановлені мікровипромінювавчі, що імітують колір тіла, розташованого десь поблизу. Так, наприклад, танк, який їде прерією, замаскується в бурий колір, такий як у висохлої трави під днищем, завдяки встановленим там телекамерам.
У Андреа Алу, вихідця з Римського університету, що працює зараз в американському університеті Пенсільванії, є трохи краща ідея. Треба зробити так, щоб світло огинало тіло, рухаючись навколо нього немов «вода навколо скелі». Метафора, звичайно, красива, але як же цього добитися? Чи можливо це?
Як відомо, світловий промінь на межі двох середовищ може або відбиватися, або заломлюватися, а всередині середовища - поглинатися або проходити крізь нього. Все це описується відповідними коефіцієнтами: поглинання, заломлення, відбивання та проходження. Алу і його колезі з Пенсільванського університету Надер Інгете прийшла в голову думка порахувати, що відбудеться, якщо середовищ декілька і відповідні коефіцієнти у них різні. Ось, наприклад, є ідеальний провідник сферичної форми, оточений шаром діелектрика з нульовим поглинанням. Здавалося б, оптичний розмір провідника з діелектриком повинен стати більшим, ніж тільки у самого провідника. Так воно і буває майже завжди, але все ж таки можливі винятки. Розрахунок показує: якщо діелектрична проникність зовнішнього шару менше одиниці або взагалі негативна, то оптичний розмір всієї конструкції зменшиться.
Звичайно, створити матеріал, діелектрична проникність якого була б меншою від діелектричної проникності вакууму, не так-то просто. Але такою властивістю володіє, наприклад, плазма. Відповідно, ним володіє і майже будь-який метал, оскільки електронний газ, що гуляє всередині кристалічної решітки, - це та ж плазма. Проблем тут дві: по-перше, метал - провідник, а не діелектрик, по-друге, діелектрична проникність залежить від частоти і стає меншою від проникності вакууму тільки поблизу так званої плазмової частоти, яка знаходиться далеко за межами видимого світла. От якщо б ховатися треба було не від блакитного, а від ультрафіолетового ока ...
Add a commentУ пошуках холодного ядерного синтезу
Субота, 08 травня 2010, 11:18
Проведено ще один експеримент, результати якого автори трактують на користь існування холодного ядерного синтезу.
Група вчених з університету Пердю (штат Індіана, США) під керівництвом Йібан Сюй Yiban Xu) і Адама Батта (Adam Butt) показали, що явище сонолюмінесценції призводить до протікання реакції ядерного синтезу. Про це свідчать утворені в ході реакції нейтрони. Сюй і Батт поставили лабораторний експеримент з використанням тієї ж тестової комірки, що й доктор Рузі Талейархан (Rusi Taleyarkhan) з Окриджської лабораторії в 2002 році, проте в якості джерела нейтронів використали Каліфорній-252. Його перевага полягає в тому, що він є безперервним, а не імпульсним, джерелом нейтронів.
Нагадаємо, що д-р Талейархан "зривав" малюсінькі бульбашки газу в холодній рідині під дією ультразвукових хвиль. Для утворення мікроскопічних бульбашок газу в рідкому ацетоні використовувався нейтронний пучок. При цьому в ацетоні атоми водню звичайного були замінені атомами дейтерію. Дослідникам вдалося зареєструвати як випромінювання світла та ударні хвилі колапсуючих бульбашок, так і супутнє їм випромінювання високоенергетичних нейтронів з енергією 2,5 МеВ. Нейтрони саме такої енергії повинні супроводжувати перетворення дейтерію в гелій. При цьому вдалося також зареєструвати підвищення рівня тритію - ще одного продукту реакції синтезу. Цього вдалося досягти завдяки тому, що при лусканні бульбашок температура досягала величезних значень.
Правда, експериментальних даних про температуру пухирців на той момент не було. Визначити її вдалося співробітникам Іллінойського університету (США) Кену Сусліку (Ken Suslik) і Девіду Фленнігену (David Flannigan) у березні 2005 року. Їм вдалося вперше експериментально показати, що температура в бульбашках при їх лусканні сягає 20 тис. градусів за Кельвіном, а спалахи світла, що супроводжують сонолюмінісценцію, були настільки яскравими, що були легко помітні неозброєним оком.
Add a commentОптичний пінцет
Понеділок, 03 травня 2010, 10:13
Група інженерів з Пенсільванського університету за допомогою білого лазера створила оптичний пінцет, який успішно ловить, утримує і пересуває мікроскопічні предмети, а в перспективі дозволить класифікувати їх методом лазерної спектроскопії.
Таким чином, як стверджує доктор Чживень Лю (Zhiwen Liu), його групі вдалося «однією з перших продемонструвати ефект об'ємного утримування (захоплення) і маніпулювання мікроскопічними об'єктами за допомогою білого лазера». Можливо, створений групою Лю оптичний пінцет можна буде використовувати для проведення оптичної розсіювальної спектроскопії утримуваного об'єкта в широкому діапазоні хвиль, повідомляється в прес-релізі Пенсільванського університету.
За допомогою цього пінцета дослідник зможе визначати розміри, форму, індекс рефракції і хімічний склад об'єкта. На сьогоднішній день група Лю продемонструвала працездатність оптичного пінцета на трьох типах полімерних мікросфер різних розмірів.
Установка білого лазера в конфокальній мікроскопії дозволила створити апарат для швидкісної зйомки (десяті частки секунди для створення одного кадру) спостережуваних об'єктів зі збереженням такої ж високої чіткості зображення, як і в звичайних приладах, які витрачають на створення одного кадру секунду і більше. На думку доктора Лю, розроблений під його керівництвом прилад може стати гарною підмогою біологам та медикам, оскільки багато біологічних процесів протікають як раз в інтервалах, що вимірюються десятими частками секунди.
Add a commentТетракварки таки існують?
Субота, 01 травня 2010, 10:50
Фізики виявили нові докази існування тетракварків - гіпотетичних частинок, які складаються з двох кварків і двох антикварків. Свої доводи вчені опублікували в журналі Physical Review Letters.
Кварки - це елементарні частинки з дробовим електричним зарядом, з них складаються частинки, названі адронами. До останніх, зокрема, належать протони, нейтрони і мезони. Кварки не зустрічаються у вільному вигляді, тому вченим доводиться вивчати їх характеристики за допомогою непрямих експериментів.
Кварки зв’язуються один з одним невипадковим чином. На даний момент фізикам відомі кілька можливих комбінацій кварків, кожна з яких відповідає певному адрону. Проте не виключено, що в природі можуть існувати й інші поєднання кварків. Одна з таких потенційних сполук - два кварки і два антикварки. Частинка, що містить таку комбінацію, була названа тетракварком.
Автори нової роботи припустили, що існування тертакварків може найкращим чином пояснити незвичайні експериментальні дані, отримані в ході дослідів на електрон-позитронному коллайдері KEKB, який знаходиться в Японії. Працюючі на KEKB вчені проводять зіткнення електронів з їх протилежно зарядженими "антиподами" - позитронами. При зіткненнях можуть утворюватися нові частинки, які дуже швидко розпадаються. За продуктами розпаду дослідники судять про природу народжених частинок.
Add a commentОтримано томографічне зображення молекулярної орбіталі
Вівторок, 27 квітня 2010, 19:02
Канадські вчені, використовуючи для реконструкції зображення метод комп'ютерної томографії, навчилися отримувати тривимірне зображення окремої молекулярної орбіталі.
Поняття одноелектронних хвильових функцій (орбіталей) було введено для опису електронної структури молекул і описує стан окремого електрона, що знаходиться в усередненому полі всіх інших електронів і ядер. Протягом десятиліть це поняття залишалося "математичною абстракцією", оскільки орбіталі не були доступні безпосередньому експериментальному спостереженню. З розвитком експериментальної техніки з'явилися методи, що дозволяють досить детально дослідити розподіл електронної густини в молекулах. З цією метою може використовуватися, наприклад, скануюча тунельна мікроскопія, яка дозволяє працювати з молекулами на поверхні твердого тіла (неминучою платою за це є викривлення розподілу електронної густини). Є й методи, що дозволяють працювати з молекулами в газовій фазі: такий, наприклад, варіант фотоелектронної спектроскопії, що дозволяє ніби "підсвічувати" молекулу електронами зсередини), що дає можливість реєструвати дифракційну картину, яка відображає розповсюдження електронної хвилі в тривимірному потенціалі молекули. Проте жоден з існуючих методів не дозволяв отримати неспотворене тривимірне зображення електронної хвильової функції (включаючи інформацію про її фазу).
Канадські вчені застосували для отримання тривимірного зображення окремих молекулярних орбіталей метод комп'ютерної томографії. Цей метод використовується для дослідження складних об'єктів: відновлення зображення об'єкта зі складною внутрішньою структурою відбувається на підставі аналізу просторового розподілу інтенсивності випромінювання, що пройшов через об'єкт (тривимірне зображення об'єкта реконструюється за великим набором одновимірних або двовимірних проекцій). Комп'ютерна томографія широко використовується в медицині, застосовується вона і в наукових дослідженнях, у тому числі і для дослідження настільки тендітних об'єктів, як атомні бозе-конденсати. Однак у всіх цих випадках мова йде про більш-менш розмірні об'єкти, а перед канадськими вченими стояло зовсім інше завдання.
Add a commentМіфи нашого часу
Четвер, 15 квітня 2010, 17:11
Міфи супроводжували людство протягом усієї його історії. Їх породжували, з одного боку, обмеженість нашого знання і страх перед незрозумілим, а з іншого боку - прагнення пояснити незрозуміле. Здавалося б, у міру розвитку науки міфів повинно було поменшати. Але на зміну старим, розвінчаним, приходять нові міфи нашого часу. І часто їх створюють не звичайні люди, а самі вчені.
Чорна діра в колайдері
Чорні діри в теорії
Всупереч усталеній думці, створеній застереженнями вчених і журналістів на кшталт «американські вчені встановили, що в центрі Галактики знаходиться надмасивна чорна діра », або «ось телескоп Хаббл сфотографував, як чорна діра поглинає сусідню зірку» експериментально не доведено існування жодної чорної діри. Є лише кандидати - об'єкти, що володіють аномально високим гравітаційним полем та іншими прикметами чорної діри. Більш того, в деяких теоріях, наприклад в релятивістській теорії гравітації чорні діри взагалі відсутні. Отже, це гіпотетичний об'єкт, що існує в обмеженому числі теорій. Звідки він може взятися в реальному експерименті на Великому адронному колайдері?
При ударі розігнані протони розлітаються на складові - кварки і якісь інші частинки, кілька з яких через малий розмір може виявитися в дуже сильній близькості одне від одного. В якій близькості? У такій, що їх сумарний обсяг і маса виявляться достатніми для перетину сфери Шварцшильда, після чого речовина колапсує в чорну діру. Якщо велика частина виділеної при зіткненні енергії (14 ТеВ) передасться цим двом частинкам, то їхня маса буде значна, адже вона дорівнює енергії, поділеній на квадрат швидкості світла. А от їх об’єм для такої маси завеликий. Адже навіть для подвоєної маси розігнаних до 7 ТеВ протонів радіус сфери Шварцшильда складає всього 10-51 м. Це дуже мало, набагато менше ніж розраховується зі співвідношення невизначеності планківської довжини (10-35 м), коли взагалі є сенс говорити про розміри. Ніякий партон в таку сферу запхнути не можна, так що, здавалося б, історію з чорними дірами колайдера на цьому можна закінчити.
Проте за минулий час з'явилися нові аргументи, які пов'язані з гіпотезою про те, що у нашого світу є додаткові виміри крім трьох просторових і одного тимчасового. Add a comment
Нанотехнології: назад у майбутнє
Понеділок, 12 квітня 2010, 19:26
Кажуть, що нанотехнології - це наше майбутнє. Насправді користуємося ми ними давно, просто не знаємо, що вони «нано». Більш того, нанотехнології застосовували вже три тисячі років тому. У статті розповідається про те, як майстри і вчені різних часів і і народів маніпулювали нанооб'єктами, ще не розуміючи, що роблять саме це. І якщо вже їхні технології заслуговують модною приставки «нано», то сучасним хімікам тим більше не варто упускати цю можливість.
Засновник нанотехнологій - знаменитий американський фізик і лауреат Нобелівської премії Річард Фейнман. Він досить докладно розглянув наслідки безмежної мініатюризації з позицій теоретичної фізики в своєму відому виступі перед Американським фізичним суспільством в грудні 1959 року. Щоправда термін «нанотехнології» був введений пізніше, а широке розповсюдження отримав тільки в останні роки.
Однак той факт, що дрібні частинки різних речовин володіють іншими властивостями, ніж та ж речовина з більш великими розмірами частинок, був відомий давно. Люди займалися нанотехнологіями і не здогадувалися про це. Звичайно, не можна говорити про широке і усвідомлене використання таких технологій, оскільки в багатьох випадках секрет виробництва просто передавали з покоління в покоління, не вдаючись у причини унікальних властивостей матеріалів. Add a comment
Більше статтей...
Сторінка 4 з 4
<< Початок < Попередня 1 2 3 4 Наступна > Кінець >>