Новости физики

Сдесь мы выкладываем последние новости физики и высшей физики.

Сначала так...
ТАЙНЫ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ

Лазеры могут помочь восполнить пробел в одном из ключевых положений теории Эйнштейна о движении частиц, спустя столетие после первой её публикации. Эйнштейновская теория Броуновского движения проложила путь к нынешним успехам в развитии систем передачи информации через нанотехнологии и микросхемы.

Датские исследователи из Института Нильса Бора и национальной Лаборатории Ризо описали, как лазеры, которые действуют как “оптический пинцет,” могут обнаружить аномалию в Эйнштейновском учении о Броуновском движении, спустя 100 лет после его судьбоносной публикации.

Предполагаемый эксперимент, с помощью которого можно это осуществить, описан в специальном годовом выпуске журнала New Journal of Physics, посвящённом Эйнштейну.

Броуновское движение названо так по имени Роберта Броуна, биолога, который в 1827 году заметил, что частицы пыльцы в воде, рассматриваемые под микроскопом, находятся в постоянном хаотичном движении.

Эйнштейн объяснил это явление в 1905 году, когда опубликовал одну из своих знаменательных статей, изменивших физические представления о мире.

Он предложил теорию о том, что хаотичное движение твердых частиц в жидкости связано с их постоянными столкновениями с молекулами жидкости, и напоминает нечто - вроде “бесноватой тусовки фанов” или движения футбольного мяча от игрока к игроку во время матча.

Однако, в теории Эйнштейна оказался пропущен некий важный эффект обратного движения, когда двигающаяся частица нарушает движение самих молекул воды, которые отскакивают назад, заставляя при этом частицу вернуться (так называемый эффект отдачи).

Вследствие этого Эйнштейн описал Броуновское движение как результат случайных молекулярных столкновений, спектр которых представляет собой, так называемый, “белый шум” (уайт-шум).

Он полагал, что молекулы воды ударяют частицу со всех сторон и что случайные столкновения имеют одинаковую частоту , то есть частота шумов одинакова, или иначе, столкновения носят прямой характер.

Однако позднее, физики поняли, что в результате столкновений частиц возникают температурные явления, создающие дополнительные частоты - так называемые, блу-уайт помехи.

Датские физики пишут, что теперь теоретически обоснована возможность проследить блу-уайт эффект Броуновского движения, благодаря использованию “оптического микропинцета” - лазера.

Оптический микропинцет использует сфокусированный лазерный луч, чтобы поймать и изучить движение мироскопических объектов в трёхмерном пространстве.

Однако, этот процесс нарушается тонким эффектом обратных столкновений, как выяснилось, имеющем место в Броуновском движении, который, как говорят датские исследователи, теперь можно измерить.

Они утверждают, что настоящая статья проливает свет на возможности технологии “ оптического микропинцета” , которая позволит лучше понять поведение и движение молекул, поскольку если существует возможность отследить движение частиц и увидеть как они отклоняются, то можно изучить динамику Броуновского движения в мельчайших деталях.

Датские исследователи говорят, что теперь существует возможность измерить энергетический спектр блу-уайт термического шума в классическом Броуновском движении, однако, признают, что осуществлять этот эксперимент сейчас непрактично.

Такой эксперимент потребует наисовременнейшего и дорогостоящего лазерного оборудования, а то же время существует много других практических задач, более насущных и более доступных для выполнения, чем описанная.
это я так... Для начала...

Квантовый эффект Холла впервые наблюдался в отсутствии внешнего магнитного поля.
Необычное поведение электронов, называемое квантовым эффектом Холла (по аналогии с классическим эффектом Холла), до сих пор наблюдалось только в очень тонких "двумерных" пленках в присутствии сильного магнитного поля.

Группа Хасана показала, что оно может возникать также в трехмерных кристаллах висмут-сурьма без приложения магнитного поля. Это открытие, подтверждающее недавние предсказания, имеет большое теоретическое значение, а также, по мнению авторов, может пригодиться для разработки квантовых и "спинтронных" вычислительных устройств.

В 1879 году Эдвин Холл обнаружил, что при помещении проводника с постоянным током в магнитное поле возникает разность потенциалов, ориентированная перпендикулярно течению тока. Это явление получило название эффекта Холла. Он объясняется особенностями поведения электронов под воздействием магнитного поля.

В 1980 году Клаус фон Клитцинг обнаружил, что эффект Холла возникает также и в двумерном электронном газе (при температуре около абсолютного нуля и в сильном магнитном поле), причем он является квантованным: возникающее напряжение изменяется не непрерывно, а скачками. Открытие этого явления (квантового эффекта Холла) принесло фон Клитцингу Нобелевскую премию.

Дальнейшие исследования квантового эффекта Холла показали, что в веществах, соответствующих определенным критериям, он должен возникать и без магнитного поля: движение электронов в этих веществах на околосветовых скоростях приведет к возникновению собственного магнитного поля.
Группа Хасана обнаружила именно такой эффект в кристаллах висмут-сурьма Bi1-xSbx. Для наблюдения за поведением электронов в кристалле исследователи облучали его рентгеновскими фотонами.
Может это конечно не совсем в тему,но я старался...

МЕТАМАТЕРИАЛЫ МЕНЯЮТ ЗАКОНЫ ФИЗИКИ

Разрабатывая новые типы материалов, которые ломают давнишние законы природы, ученые из Университета Торонто разработали плоскую линзу, которая может значительно увеличить разрешение исследуемых ею объектов. Это в свою очередь, может привести к появлению меньших и в тоже время более эффективных антенн и устройств для сотовых телефонов, расширению плотности хранения данных на дисках CD-ROM и более сложных электронных схемах.

"Это новая физика", говорит Джордж Элефзериадес, профессор Университета Торонто, специализирующийся на электромагнитных технологиях. Он наряду с другими авторами нового проекта опубликовал результаты своих исследований в статье, вышедшей 24 марта в выпуске журнала Applied Physics Letters. "Эти результаты обеспечивают возможность создания деталей, меньших, чем длина волны света."

Команда ученых работает в быстро развивающемся направлении по созданию метаматериалов - искусственно созданных веществ со свойствами, не наблюдающимися в природе. В обычных условиях, например, свет, проходящий через обычную абсолютно плоскую линзу из стекла, просто отклонится; свет же, проходящий через линзу, сделанную из метаматериалов, напротив, станет фокусироваться, будто бы он идет через выпуклую линзу.

Их исследование показывает, что когда недолговечные волны (слабые, но важные для оценки результатов наблюдений), теряющие силу довольно быстро сразу после излучения из источника, при пропускании через линзы из метаматериалов, только усиливаются. В то же самое время, линза исправляет фазу волн, собирая отклоняющиеся волны в пучок.

Линзы из метаматериалов, построенные для оптического спектра, будут использоваться, чтобы проектировать новое поколение электронных устройств в масштабе нанометров, для создания новых типов телескопов и микроскопов высокого разрешения, а также для разработки более мощных боевых лазеров, которые будут при той же энергии накачки давать на несколько порядков более мощный и разрушительный по силе импульс света. Не исключено, что именно эти лазеры будущего станут тем оружием, которым человечество сможет “крошить” прямо с Земли опасные астероиды, грозящие столкнуться с нашей планетой.

КАК ЭНЕРГИЯ СТАНОВИТСЯ ВЕЩЕСТВОМ?

Также как вещество может быть преобразовано в энергию, так и энергия может стать веществом. Проверкой этой теории, созданием субэлементарных частиц и определением их свойств, и занялись американские ученые.

Альберт Эйнштейн пришел к осознанию этого факта в 1905 году, когда впервые он сформулировал свою Специальную Теорию Относительности. Его известная формула E=mc2, работает в обе стороны. Как вещество может быть преобразовано в энергию, так и энергия может быть преобразована в вещество.

Проверить на практике этот постулат и решили 60 исследователей лаборатории Джефферсона. Они использовали пучок электронов и жидкий водород в качестве мишени для него, чтобы этой бомбардировкой получить необычную частицу, известную как каон. Уникальная структура каона могла бы доказать многие космологические теории, которые в своих оценках массы Вселенной, опираются на существование темного вещества, большую часть которого могли бы составлять элементарные частицы, типа каонов.

Предварительные результаты указывают, что образование каонов происходит из взаимодействий частиц света, известных как фотоны. Но фотоны создают нестабильные каоны, а все потому, что они также производят и другие частицы, известные как лямбда и сигма, с их собственной отличительной структурой кварка. Все они являются результатом постоянно вращающегося и сталкивающегося моря виртуальных частиц, которые не могут существовать в реальности без поддержки энергии лабораторных ускорителей.

Уже точно ясно, что как вещество, так и антивещество можно получить из чистой энергии, путем ее взаимодействия с веществом. В результате образуется большая масса вещества. Это доказывает справедливость Теории Эйнштейна.

Но когда мы разгадываем одну тайну - “из каких компонентов состоит нечто”, мы всегда тут же стакиваемся с другой загадкой – из чего состоят сами эти компоненты? Подобные задачи всегда будут стоять перед наукой на пути познания мира.

"Поэтому, когда эти частицы нами получаются, мы пробуем понять, как и из чего они образуются", говорит участник эксперимента Пит Марковитц, адъюнкт-профессор физики во Флоридском Международном Университете в Майами. "Анализируя их, мы пробуем придумать детальную модель того, как кварк 'живет' в атомном ядре."

Задача по получению каонов трудна тем, что компоненты каонов содержат и частицы антивещества – “антистранный” кварк, и один “верхний” кварк, из которого, как полагают, состоят основные компоненты вещества во Вселенной. Если частица антивещества сталкивается с любой частицей вещества, то обе частицы немедленно уничтожаясь, превращаются в энергию. Этот процесс легко отследить.

Ученые преуспели в создании достаточно многих каонов, чтобы на них исследовать внутренние детали частицы.

"В сущности, мы создавали каон из ничего, воздействуя на частицы энергией", говорит Марковитц. "Основная наша работа состояла в определении свойств созданной частицы. Мы хотели определить, какие компоненты каона подобны кварку, чтобы точно выяснить, из чего состоят сами каоны."

Планирование первого эксперимента по получению каона началось еще в 1993 году, когда Марковитц задумывал свою идею. Последующее исследование, которое заключается в изучении другой “странной” частицы вещества, известной как гиперон, намечено на 2004 год и вовлечет команду из 80 исследователей, большинство из которых работало над экспериментом по оценке свойств каона.
НЕплохо?

Очень даже.
"УЧЕНЫЕ ОСТАНОВИЛИ СВЕТ", - ЭТО СЕНСАЦИЯ ИЛИ ДЕМАГОГИЯ?

Недавно во всех СМИ прошло сообщение о том, что ученые загнали атомы натрия в магнитные ловушки и довели до температуры, всего в несколько миллионных градуса, отличающейся от абсолютного нуля, после чего получили некую субстанцию. Открытие заключалось в том, что если выключить лазер в момент, когда лазерный луч проходит непосредственно через эту субстанцию, то последняя задерживает фотоны, которые попали в ледяную ловушку смерзшихся атомов вещества. Если затем лазер включить снова, то почти остановившийся свет, оживает вновь и с достаточной скоростью выбирается наружу.

При этом, многие, сославшись на Теорию Относительности Эйнштейна, сделали ошибочные утверждения, которые радостно подхватили и переозвучили все СМИ, что "при этом остановилось и время". На самом деле, со временем не все так просто как с лазерным лучом.

Как замедлять свет в среде известно давно, еще с тех пор как появилась ядерная энергетика. Остановить свет в среде - не такая уж сложная дилемма. Это мы наблюдаем каждый день, когда свет от лампочки или солнечный луч, поглощается различными телами. В данном эксперименте произошло нечто подобное, только скорость поглощения средой очень упала из-за сверхнизких температур, при которых проводился эксперимент.

Никакой остановки времени в этот момент не было, поскольку для фотона не существует понятия времени! Для самого фотона, как был момент его испускания, так он и остался, с какой скоростью фотон бы не двигался.

Остановить время можно только для объектов, обладающих массой, разогнав их до световой скорости или поместив в черную дыру. При этом, для них самих, время будет течь как и раньше, а со стороны внешнего наблюдателя будет видно, что часы таких объектов почти остановились.
Это конечно не новость, но мож сгодица?

СБЫЛАСЬ МЕЧТА ЭЙНШТЕЙНА? - ПРЕОБРАЗОВАНИЕ МАТЕРИИ В ЭНЕРГИЮ И ЭНЕРГИИ В МАТЕРИЮ СТАЛО ВОЗМОЖНЫМ НЕ ТОЛЬКО В ЛАБОРАТОРИИ...

В американской компании Black Lite Power Ink. путем многолетних исследований пришли к выводу о возможности не только высвобождать энергию из атомов водорода, но и проводить обратный метод - получать путем энергетического воздействия снова атомы вещества, и разработали технологию для осуществления этого процесса. Это позволяет надеяться на то, что реализация этих процессов станет возможным на промышленном уровне, а не будет ограничена уникальными и единичными научными достижениями, которые невозможно было применить вне пределов лабораторий.

Автор нового метода - Миллз Рэнделл Л., работающий в этой компании, заявляет, что «высвобождение энергии из атомов (молекул) водорода достигается путем стимуляции перехода электронов на квантовые энергетические уровни (с меньшими радиусами малых и больших полуосей) более низкие, чем энергетический уровень основного состояния. Все это в свою очередь достигается путем предоставления поглотителей энергии или методов по удалению энергии, резонансной по частоте с испускаемой энергией электронов, с целью стимулирования этих переходов, в соответствии с современной атомной теорией.»

«Наличие энергетической дыры и поглотителя энергии, обеспечивается за счет перехода по крайней мере одного электрона между участвующими в реакции субстанциями, включая атомы, ионы, молекулы и ионные и молекулярные соединения» - говорит Рэнделл. «В одном случае энергетическая дыра включает передачу t электронов от одной или нескольких субстанций, испускающих электроны, другой или нескольким другим субстанциям, поглощающим электроны, причем если из суммы энергии ионизации и/или электронного сродства субстанций, испускающих электроны, вычесть сумму энергии ионизации и/или электронного сродства субстанций, поглощающих электроны, то мы получим примерно m·27,21 эВ (m·48,6) для реакции перехода атомарного (молекулярного) водорода на энергетические уровни ниже энергии основного состояния. Здесь m и t - целые числа.»

По мнению Рэнделла, в результате неправильных гипотез или применения неправильных моделей и теорий тормозилось развитие практически полезных или функциональных систем и устройств, требующих точного понимания атомной структуры и способов передачи энергии. Например, он считает, что уравнение Шредингера не объясняет эффект аномального испускания тепла водородом в некоторых электролитических ячейках с электролитом в виде карбоната калия при помощи возникновения атомов (молекул) водорода с электронами на более низких энергетических уровнях. В результате, это тормозило прогресс в вопросах преобразования материи в энергию и энергии в материю. И если чего удавалось достичь, то все это было на уровне лабораторных открытий, имеющих ограниченное или неоптимальное коммерческое применение.

Реализация метода на практике позволит, по мнению Рэнделла, осуществлять выделения энергии и получения атомов (молекул), с электронами, находящимися на более низких энергетических уровнях. Это позволит нам получить новые материалы с новыми качествами, такими, как высокая термическая устойчивость и низкая реактивность. Эти низкоэнергоуровневые атомы и молекулы также эффективны для передачи тепла в установках по созданию низких температур, где они могут использоваться в качестве плавающего газа, в качестве энергоносителя в двигателях, таких как двигатель Стерлинга или турбинах, в качестве общего заменителя гелия, а также в качестве хладагента, действующего за счет поглощения энергии, включая тепловую энергию, когда электроны возбуждаются и переходят обратно на более высокий энергетический уровень.

В серии экспериментов по проверке метода Рэнделла проводился масс-спектроскопический анализ образцов электролизных газов, прошедших криогенную фильтрацию, из электролитической ячейки с электролитом в виде карбоната натрия и из электролитической ячейки с электролитом в виде карбоната калия, а также анализ образцов обычного водорода, анализ обычного водорода, прошедшего криогенную фильтрацию. Газы поступали только с криогенного фильтра, и при этом регистрировалась интенсивность пиков m/е=1 и m/е=2 при изменении ионизационного потенциала масс-спектрометра. После определения пиков m/е=1 и m/е=2, был измерен весь диапазон масс вплоть до пиков m/е=50. Во всех образцах, прошедших криогенную фильтрацию, единственными пиками, обнаруженными в этом диапазоне масс, были пики, соответствующие со следами загрязнения воздухом (аргон, азот, кислород, водяные пары) и следы СО2 . Масс-спектроскопический анализ был выполнен компанией "Shruder Analitikel and Consulting Laboratories Ink." с использованием AEI MS 30 с источником VG 7070, установленным на чувствительность 700. Энергия ионизации была откалибрована в пределах ±1 эВ. Объем испытываемого образца газа, вводимого в масс-спектрометр при каждом ионизационном потенциале, был одним и тем же за счет откачки газа из соединения между образцом и запорным краном спектрометра при открывании прохода между объемом, где был откачан газ, и емкостью с образцом. Наблюдавшиеся в экспериментах показатели, в особенности ионизационной энергии подтвердили с высокой точностью теоретически рассчитанную Рэнделлом ионизационную энергию согласно его уравнениям.

НОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ УНИКАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ МАЛОЙ ПЛОТНОСТИ ИСПОЛЬЗУЕТ СВОЙСТВА ЭНТРОПИИ

Физики Университета Штата Пенсильвания выяснили, что добавление “пуха” к коллоидным молекулам во время процессов энтропии может способствовать тому, чтобы они формировали предсказуемое множество кристаллических решеток. Управляемое энтропией явление представляет путь, который может использоваться учеными для конструктивных целей.

Ученые, во главе с физиком Университета Штата Пенсильвания Рэндаллом Д. Камиеном, исследовали эффекты свечения молекул полимера на других сферических молекулах, приостановленных в жидкости. Результаты исследования опубликованы 24 октября в выпуске журнала “Физической Химии B”.

Работа Камиена добавляет новое свидетельство того, что процесс Броуновского движения (энтропии) является гораздо большим, чем просто движение к универсальному беспорядку. Возможно, этот процесс может стать “игроком” в мире самособирающихся молекул.

Все процессы, идущие в природе, стремятся прийти к наибольшему хаосу, наибольшему беспорядку, одновременно поддерживая существование материи во Вселенной. Эти самые процессы обеспечивают выравнивание температуры. Тоже относится и к Броуновскому движению и ко всем процессам, действующим в комплексе, зависимо друг от друга.

Если любой, даже самый упорядоченный процесс начнет развиваться без внешних воздействий, то он всегда будет стремиться к наибольшему беспорядку. Навести порядок в системе можно лишь из вне, воздействуя на нее, затрачивая при этом энергию.

Сама мера беспорядка определяется величиной, введенной еще Л. Больцманом, и называемой - энтропия. Таким образом, в природе, постоянно идет необратимый процесс увеличения энтропии.

Однако процесс энтропии, где происходит движение нестабильных молекул, можно использовать для создания новых материалов.

Для этого достаточно ввести в стабильный процесс энтропии, происходящий в некоем сосуде, препятствие, например, в виде пуха, что и было проделано учеными.

Теоретическая работа Камиена была сосредоточена на коллоидах, приостановленных в жидкости препятствием. Коллоиды – это почти все молекулы вокруг нас, составляющие всевозможные предметы и тела - от молока до простой краски. Кристаллы, сформированные из коллоидных молекул формируют основание для нового класса функциональных материалов, которые могут использоваться в оптических выключателях, химических реакторах и молекулярных решетках.

"Поскольку размер коллоидных частиц и взаимодействующих с ними более мелких частиц - гармоничен", сказал Камиен, "это позволяет изготавливать нужные структуры химических соединений с желательными интервалами кристаллической решетки, что может быть использовано для придания им особых механических, тепловых и электрических свойств".

С тех пор, как сэр Уолтер Ралей обдумывал наиболее эффективные средства укладки пушечных ядер, приблизительно 400 лет назад, ученые подозревали, что свободная энергия энтропии, максимизируется упаковочными частицами настолько сильно, насколько возможно. Только в 1998 было доказано, что молекула в форме кубической кристаллической решетки максимизирует энтропию множества молекул формы совершенных сфер, но математическая тайна бесчисленных решеток, сформированных некоторыми молекулами неправильной формы осталась. Работа Камиена решает эту загадку, показывая пример того, как формирующиеся при энтропии молекулы становятся более сложными, когда небольшой пух вмешивается в процесс, замедляя скорость движения.

Коллоидные молекулы Камиена имели относительно плотное ядро, окруженное короной из сотен веретенообразных нитей химических соединений. Когда никакого пуха в процессе энтропии не было задействовано, частицы действительно организовывали самосбор в строгом порядке максимальной плотности, то есть в виде кубической структуры.

Если же пух задействован, то молекулы становятся менее плотными и эта плотность меняется в зависимости направления ввода пушинки (вертикально, горизонтально или по диагонали) в емкость, где происходит процесс.

"Старая теория базировалась на том, что при энтропии создаются наиболее плотные соединения", сказал Камиен. "Наша работа показывает, что все происходит наоборот, - молекулы становятся менее плотными. И чем больше разных соединений (типа пуха), замедляющих скорость реакции взаимодействия, участвуют в процессе, тем менее плотными будут конечные молекулы".

Рубидевый стандарт частоты нуждается в автоматической калибровке

Российский исследователь предложил ввести дополнительную возможность автоматической самокалибровки частоты стандарта по сигналам эталонной частоты в рубидиевый квантовый стандарт частоты пассивного типа. Это позволяет упростить и удешевить процесс калибровки, при сохранении ее точности.

Принцип действия рубидиевых стандартов частоты (РСЧ) пассивного типа с оптической накачкой основан на стабилизации частоты кварцевого генератора по атомной линии изотопа рубидия. При этом номинальное значение частоты и систематическое изменение частоты с течением времени полностью определяются частотой и стабильностью атомной линии.

Для подстройки частоты кварцевого генератора к атомной линии изотопа рубидия используются схемы частотных автоподстроек (ЧАП), как, например, в рубидиевом стандарте частоты типа Ч1-50.

После изготовления и периодически в процессе эксплуатации требуется калибровка частоты РСЧ частоты по сигналу эталонной частоты.

Существуют автоматические способы коррекции частоты РСЧ, когда рубидиевый опорный генератор может находиться в режимах постоянной или периодической синхронизации частоты по сигналам спутниковых радионавигационных систем GLONASS и GPS.

Во всех известных описанных случаях в процессе калибровки сначала производятся измерение и сравнение выходной частоты РСЧ (5 мГц или 10 мГц) с эталонной частотой. Обычно сравнение ведется на тех же частотах 5 мГц или 10 мГц. Затем формируется сигнал управления частотой РСЧ, пропорциональный разности частоты РСЧ и частоты эталонного сигнала. Для калибровки кроме источника сигнала эталонной частоты необходим комплект частотно-измерительной аппаратуры, включающий электронно-счетный частотомер, частотный компаратор или микропроцессорное устройство, выполняющее аналогичные функции. При этом необходимость вести измерения в высокочастотном диапазоне предъявляет соответствующие требования к построению измерительных устройств и к методике проведения измерений.

Нижегородский исследователь Селиванов Сергей Иванович предложил создание рубидиевого стандарта частоты с расширенными функциональными возможностями, обладающего возможностью автоматической самокалибровки частоты по сигналу эталонной частоты. При этом для осуществления процесса калибровки не требуется дополнительной контрольно-измерительной аппаратуры, что упрощает и удешевляет процесс калибровки, а точность калибровки практически совпадает с точностью калибровки любым известным методом.

Сущность его предложения заключается в том, что известный рубидиевый стандарт частоты типа Ч1-50 должен быть дополнен аналого-цифровым (АЦП) и цифроаналоговым (ЦАП) преобразователями, регистром памяти, вторым буферным усилителем, аналоговым детектором и двухканальным ключевым устройством. Сигнал эталонной частоты через второй буферный усилитель и аналоговый детектор поступает на управляющий вход ключевого устройства. Кварцевый генератор стандарта отключается, и на входы синтезатора и умножителя частоты подается сигнал эталонной частоты, а сигнал ошибки с выхода интегратора - на вход АЦП и далее в регистр памяти. С выхода ЦАП сохраненный сигнал ошибки в аналоговой форме подается на устройство управления током подмагничивания соленоида рубидиевого дискриминатора. В момент равенства сигнала ошибки нулю запись в регистр памяти блокируется.

Данная технология позволяет получить дополнительную возможность автоматической самокалибровки частоты стандарта по сигналам эталонной частоты.

НАУКА ПРИЗНАЕТ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТОРСИОННЫХ ПОЛЕЙ, НО ПОКА ТОЛЬКО НА МИКРОУРОВНЕ.

Исследователи, изучающие физические и химические процессы в микромасштабах, которые меньше толщины человеческого волоса, обнаружили, что жидкость, циркулирующая в микроскопическом водовороте может достигать радиального ускорения, которое в миллион раз превосходит силу тяжести или достигает 1 миллион Gs.

Для сравнения мощи этой цифры достаточно представить, что пилот реактивного истребителя, выполняя сложные фигуры пилотажа, может испытывать нагрузки в 10-12 Gs, а при естественном состоянии на земле мы испытываем силу тяжести в 1 Gs.

"В физической перспективе это пока не настолько удивительно и значимо, поскольку число Gs повышается с увеличением скорости и при сокращении радиуса", сказал Дэниел Чиу, доцент химии в Университете Вашингтона, в чьей лаборатории проводилось исследование.

Удивительно было только то, какое ускорение было достигнуто в тот момент, когда радиус вихря был уменьшен до микромасштабов.

В таких масштабах, которые соответствовали половине толщины человеческого волоса, меньше чем одна биллионная литра воды достигла ускорения в более чем 1 миллион Gs. Мощь этого ускорения была настолько сильна, что пенопласт размером в 1 микрон (1 миллионная метра), который был использован в качестве маркера для отображения силы потока воды, полностью отделился от жидкости в вихре.

Результаты исследования Чиу и его коллег: докторанта Дж. Патрика Шелби, Дэвида Лим и Джейсона Куо были опубликованы 4 сентября в журнале Nature.

Исследование спонсировалось Национальным Научным Фондом в плане изучения свойств микрофлюидной среды на разнообразие практических применений. Например, некоторые исследователи предвидят время, когда микрофлюидальные системы смогут использоваться где-нибудь для быстрого анализа биологических образцов. Некоторые предполагают, что подобные системы могут использоваться в медицине для безболезненного взятия образцов крови, которые затем в течение минуты выдают результаты анализа.

Чиу обращает внимание, что есть большие, мощные центрифуги, работающие на частные и государственные проекты, которые могут достигать ускорений в несколько сотен тысяч Gs, некоторые из которых возможно даже превышают 1 миллион. Любые материалы, с которыми большинство людей знакомо, были бы деформированы или полностью разрушены, если бы подверглись таким силам воздействия.

Но в микроскопических масштабах материалы более стойкие, сказал Чиу. Это показал эксперимент с пенопластом, все микрошарики которого остались целыми. Подобные свойства можно как-то использовать на практике, чем ученые планируют заняться.
Знаете у меня уже почти нет сил набирать...Но я так просто не сдаюсь! Никогда!

Бесконечно ли всемогущество теории суперструн?


Теория суперструн, язык и объекты которой могут показаться чем-то совершенно не относящимся к нашему миру, недавно столкнулась с неожиданной проблемой: есть подозрения, что она способна описать какой угодно мир, а значит, не может предсказать ничего. Сейчас физики пытаются разобраться, так ли «всемогущественна» эта теория
Теория суперструн — один из основных кандидатов на полное описание всех взаимодействий элементарных частиц, в том числе и гравитации, при сверхвысокой концентрации энергии. Требования математической самосогласованности и соответствия реальному миру привели физиков к одной единственно возможной всеобъемлющей суперструнной теории, к единственно возможному фундаментальному «закону упорядоченности» нашего мира — так называемой М-теории. (Конечно, если отказаться от гипотезы частиц-струн, то появляются и другие возможности описания.)

После открытия М-теории физики надеялись, что вскоре будут полностью объяснены свойства окружающей нас вселенной: то есть, мира при низкой энергии. Но в последующие годы эти надежды стали рушиться и в конце концов привели к кризису в теории струн. Однако после периода отчаяния физики вновь взялись за дело, и постепенно стали проясняться возможные пути выхода из кризиса. Знаковой стала недавняя статья B. S. Acharya, M. R. Douglas, hep-th/0606212, в которой делается попытка ответить на ключевой вопрос — конечно ли число тех вариантов устройства нашего мира, которые дает теория суперструн.

Суть кризиса в теории суперструн состоит, вкратце, в следующем. М-теория описывает «жизнь» протяженных объектов в 11-мерном пространстве-времени при очень высокой температуре. 11-мерное пространство — это не прихоть, а единственный способ удовлетворить сразу всем налагаемым условиям. Если мы хотим получить из этой теории свойства нашего мира, то мы должны постепенно понижать температуру и смотреть, что происходит с этим 11-мерным пространством и летающими в нем объектами.

Так получается, что 7 из этих 11 измерений становятся неустойчивыми и спонтанно сворачиваются в маленькие самозамкнутые конфигурации, оставляя «большими» три пространственных измерения плюс время — то есть нашу Вселенную. Детали этого механизма еще не вполне изучены, и на сегодняшний день кажется, что в теории суперструн возможно огромное число разных конфигураций свернутого пространства. Каждая такая конфигурация приведет к «конечной вселенной» со своими характеристиками: силой взаимодействий, массами частиц и т. д. Всю эту совокупность конечных вселенных, которую можно получить из одной-единственной теории путем разных «сверток», физики назвали «ландшафтом» теории.

Беда теории суперструн состоит в том, что она не может (пока) предсказать, какая именно свертка реализуется в реальности, а значит, не может предсказать, в какую именно конечную вселенную превратится М-теория при понижении температуры. Многие опасаются, что из теории суперструн можно получить вообще любое конечное состояние нашего мира; иными словами, что ландшафт теории суперструн бесконечен. В самом худшем варианте это будет означать, что такую теорию вообще нельзя опровергнуть: любой результат любого эксперимента можно будет объяснить в рамках теории суперструн.

Однако суперструнщики надеются, что при внимательном изучении вопроса всё же вскроется механизм, диктующий, как именно должно сворачиваться пространство. Найти такой механизм — очень сложная математическая задача, и потому многие исследователи предпочитают подойти к проблеме с другой стороны — изучить свойства «ландшафта», выяснить, сколько и каких вселенных можно получить после разнообразных сворачиваний лишних измерений.

Ясно, что прежде, чем рассуждать, много таких вариантов или мало, надо доказать, что их вообще конечное число. Статья hep-th/0606212 как раз посвящена попытке доказательства того, что количество вариантов, не противоречащих наблюдательным данным, конечно.

Откуда в этой теории может взяться бесконечное количество вариантов? Прежде всего, из-за разнообразных топологий сворачивания лишних измерений. Для иллюстрации представим, сколькими разными способами можно завязать узлы на веревке. Очевидно, таких возможностей бесконечно много, потому что навязывание новых и новых узлов будет приводить к новой конфигурации. Однако сразу же понятно и другое: если толщина веревки не меньше какого-то заданного числа и длина — не больше какого-то предела, то на такой веревке можно навязать лишь конечное число узлов. Узлы могут по-разному выглядеть и переплетаться, но в конце концов получится, что из любой заданной веревки можно получить лишь конечное число типов заузливания.

Очень похожие требования используются и авторами статьи. Слишком «тонкая веревка» отвечает слишком большой вакуумной плотности энергии, а слишком большой объем свернутого пространства неизбежно приведет к большому числу новых сверхлегких частиц. Ни того, ни другого в нашем мире не наблюдается. Поэтому, в принципе, вариантов свертки может быть бесконечно много, но лишь конечное их число не противоречит эксперименту.

Переформулировав физические требования на строгом математическом языке, авторы заметили, что это условие точь-в-точь совпадает с теоремой конечности Чигера из римановой геометрии. Есть, правда, одно «но»: эта теорема справедлива только для гладких сворачиваний, без изломов, а в теории струн допускаются и свертки с изломами. Для полного доказательства потребуется обобщить теорему и для таких ситуаций, и авторы уже наметили пути доказательства.

Однако это будет лишь полдела. Даже при одном и том же сворачивании пространства устройство гравитации на нем может быть самым разным, и необходимо доказать, что таких вариантов тоже конечное число. Авторы показали, что для этого достаточно будет доказать два утверждения. Первое — что пространство всех возможных устройств гравитации ограниченно, и второе —что слишком близкие точки этого пространства (то есть слишком похожие реализации гравитации) не отличаются с точки зрения физики. Грубо говоря, «разными» считаются вселенные, которые отличаются заметно, а не сотым знаком после запятой в каком-нибудь параметре.

Авторы выяснили, что некоторые не доказанные пока математические гипотезы после «перевода» на нужный язык как раз подойдут и для разрешения этого вопроса. Как только доказательства этих утверждений будут получены, можно будет объединить две идеи — конечное число сверток и конечное число решений для каждой свертки, — и конечность физически осмысленных решений в теории струн будет доказана.

Впрочем, даже если этот подход приведет к успеху, он всё равно не сможет хотя бы приблизительно дать ответ на вопрос, сколько именно решений возможно в теории суперструн. Для решения этого вопроса и выхода из кризиса потребуются новые идеи.

СОЗДАН ПЕРВЫЙ ЛЕГКО НАСТРАИВАЕМЫЙ ПЛАСТМАССОВЫЙ МАГНИТ, РАБОТАЮЩИЙ ПРИ ДОВОЛЬНО ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ ПО МЕРКАМ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ.

Дешевая, гибкая электроника и лучшее хранение компьютерных данных. Всего этого можно достичь, если получит развитие сверхлегкий пластмассовый магнит, разработанный учеными Государственного Университета Штата Огайо.

С коллегами из Университета Штата Юта, исследователи разработали пластичный материал, который приобретает свойства магнита, когда на него направлен синий свет лазера. Освещение зеленым светом спектра видоизменяет этот эффект.

Хотя до получения возможных приложений еще очень далеко, эта технология могла бы развить и совершенствовать магнитооптическую систему записи и стирания данных.

Пластмассовые магниты – не новость, они уже разрабатывались во многих институтах. И все же, полученные до этого магниты - малочувствительные, а полученный в Государственном Университете Штата Огайо - первый материал, который превосходит магнетические свойства обычных магнитов в 1,5 раза и работает при рекордно высоких температурах для такого рода магнитов. Функции магнита проявляются при температуре 75 К (приблизительно -200°C). Эта температура, которая приближается к значениям, при которых работают современные "высокотемпературные" сверхпроводники, что является ключевым фактором для предоставления возможности развитию коммерческих приложений этой технологии.

Магнит был разработан в результате 25-летних совместных трудов между Артуром Эпштейном, профессором физики и химии, директором Исследовательского Центра Материалов в Государственном Университете Штата Огайо и Джоулом Мельником, профессором химии в Университете Штата Юта. Они описали свойства своего магнита в статье журнала Physical Review Letters.

Хотя по нашим обыденным понятиям рабочая температура магнита довольно холодная и далека от комнатной, это первый шаг к созданию будущих легких форм электроники.

"Теперь, когда доказана возможность делать магниты из органики или пластмассы, мы можем использовать то, что мы знаем относительно органической химии, чтобы и далее улучшить его свойства", сказал Эпштейн. "Вероятно, мы сможем когда-нибудь даже улучшить эту технологию так, что она будет работать при комнатной температуре."

Пластмассовый магнит сделан из полимера, в котором присутствует тетрацианэтилен (TCNE) объединенный с ионами марганца (атомами марганца с удаленными электронами).

Эпштейн и его коллеги внесли порошок ионов марганца в тонкую пленку TCNE. После того, как они "зарядили" материал шестичасовым непрерывным потоком синего лазерного света, магнит приобрел магнетические свойства на уровне 150 процентов от его нормального уровня, причем сохранял их даже в темноте.

Зеленый лазерный свет реверсирововал этот эффект, уменьшив магнетические свойства материала до 60 процентов от его нормального уровня.

Почему свет оказывает такое влияние? Исследователи полагают, что различные длины волн синего и зеленого света заставляют TCNE молекулы различными способами изменять свою форму.

Как только одна молекула в магните изменяет форму, меняются ее магнетические свойства, и это поощряет соседние молекулы осуществлять такое же преобразование. Иными словами – это “эффект домино”.

Во всем мире, ученые и инженеры работают над тем, чтобы разработать лучший способ хранения компьютерных данных, основанный на свете и магнетизме. Теоретически, такие магнитооптические системы работали бы быстрее и намного более эффективнее, чем традиционная электроника. Легко настраиваемый магнит был бы более надежным источником хранения информации, поскольку не зависел бы вообще от электричества. На таком диске информация записывалась и стиралась только за счет магнитных свойств.

Поскольку новый магнит работает при температурах 75 К, это устройство может использоваться, если его поместить в обычный спецхолодильник или залить жидким азотом. Сегодня жидкий азот стоит меньше чем молоко – примерно 2 доллара за галлон. Но такие приложения пока еще далеки от практического воплощения. Потребуется улучшить свойства магнита до более высоких температур прежде, чем пойдет речь о путях его коммерческого применения.

Французские физики научились создавать с помощью света длинные и тонкие жидкие оптоволокна. Это большой шаг на пути к созданию сложных оптофлюидных устройств — симбиозов оптики и микрофлюидики.

Устройства, выполняющие механические действия по команде компьютера, — роботы — давно стали частью нашей жизни. Многопрограммные стиральные машины, автоматизированные производственные линии на предприятиях, межпланетный аппарат Феникс, копающийся в марсианском грунте...

А можно ли сделать жидкого робота? Представьте себе маленькую герметичную коробочку, наполненную различными жидкостями. К ней подходят электрические кабели и трубки, подводящие и отводящие жидкости. Под действием сигналов с компьютера в этой коробочке жидкости перетекают туда-сюда, смешиваются или, наоборот, разделяются на фракции, вступают в химические реакции и т. д. Эту коробочку можно считать настоящим «жидким роботом», правда, конечно, не антропоморфным. Разработкой и изучением таких устройств занимается специальный раздел гидродинамики — микрофлюидика.

Главная область применения таких устройств — автоматизация химических и биохимических работ. Как обычный компьютер может заменить собой толпу людей, складывающих и умножающих числа вручную, так же и микрофлюидное устройство призвано заменить ученого, переливающего растворы из одной пробирки в другую и анализирующего полученную смесь .
Такие «лаборатории на чипе» уже вовсю используются исследователями (есть даже научный журнал Lab on a chip), а некоторые образцы уже даже появились в продаже. Кстати, недавняя работа по экспериментальному наблюдению дарвиновской эволюции в размножающихся молекулах РНК тоже проводилась внутри микрофлюидного устройства.

В последние годы в микрофлюидике возникло новое направление исследований — оптофлюидика, симбиоз оптики и микрофлюидики. Свет в отпофлюидном устройстве может не только служить инструментом наблюдения (как это происходит, например, в оптофлюидном микроскопе), но и принимать непосредственное участие в его работе — например, управляя микропотоками жидкости, которые в свою очередь отклоняют и фокусируют лазерный луч. Гибкость и быстрота управления делают оптофлюидные устройства даже более перспективными, чем обычные микрофлюидные.

Если базовым элементом обычного робота является, условно говоря, «рука с моторчиком», то для оптофлюидного устройства таким элементом будет динамическое «жидкое оптоволокно» — тонкий столбик жидкости, образующийся под действием света и проводящий световой луч туда, куда нужно, наподобие обычного оптоволокна. Для того чтобы минимизировать действие силы тяжести, обычно берут две несмешивающихся жидкости чуть отличающейся плотности. В обычных условиях менее плотная жидкость просто лежит поверх более плотной, но если посветить сверху лазером, то свет может «продавить» границу раздела жидкостей и создать нужный столбик одной жидкости внутри другой.

Такая простая схема наталкивается, однако, на одну трудность — жидкость не может сама по себе держать цилиндрическую форму. Цилиндр жидкости высотой, превышающей длину окружности, быстро разбивается на отдельные капли за счет сил поверхностного натяжения (это можно увидеть невооруженным глазом, проследив по дуге за кусочком водяной струи, бьющей из шланга).

Долгое время этого не удавалось решить эту проблему. Предлагались различные схемы стабилизации цилиндрических каналов жидкости, но максимум, чего удалось добиться, это удлинения цилиндров вдвое. В этой ситуации недавняя работа французских физиков, опубликованная в журнале Physical Review Letters, стала большим шагом вперед. В ней сообщается о создании устойчивых (по крайней мере в течение нескольких минут) жидких оптоволокон длиной до сотни (!) диаметров за счет стабилизации канала тем же самым лазерным лучом, который его и создает.
Экспиримент:
Кюветка высотой 1 мм наполнялась смесью толуола, додецилсульфата натрия, n-бутанола и воды в определенных пропорциях. При нагреве до 35°C эта смесь распадалась на две жидкие фазы с разной концентрацией воды. Более тяжелая фаза располагалась внизу, более легкая — вверху, и, поскольку они обладали разными коэффициентом преломления (причем больший коэффициент преломления был у верхней жидкости), между ними образовывалась хорошо заметная граница раздела. Более легкая фаза, кстати, полностью смачивала стенки кюветки.

Через эту кюветку сверх вниз светили хорошо сфокусированным лазером (диаметр луча составлял всего несколько микрон) мощностью чуть меньше 1 Вт. Этот лазер продавливал границу раздела и создавал тонкий канал более легкой жидкости внутри более плотной, по которому лазерный луч и распространялся. От распада на капли этот длинный канал удерживало световое давление лазерного луча внутри, который не мог выйти наружу из-за полного внутреннего отражения.

Варьируя детали эксперимента, ученые сделали ряд интересных наблюдений. Если лазерный луч достаточно тонок, то образуется жидкое оптоволокно строго постоянного диаметра — диаметр не меняется ни с течением времени, ни вдоль длины канала. Однако если лазер чуть расфокусировать, то происходит интересная вещь. Диаметр цилиндрического канала перестает быть фиксированным и начинает скачкообразно меняться между двумя значениями (при диаметре луча 7 микрон диаметр канала прыгает между 10 и 12 микронами).

Авторы говорят, что такое поведение неудивительно. Они построили теоретическую модель устойчивости канала и выяснили, что для более широкого лазерного луча существует несколько решений уравнений, отвечающих устойчивым каналам разной толщины. Наблюдаемые скачки как раз и отвечают переходу от одного решения к другому под действием случайных флуктуаций.

Таким образом, открыта прямая дорога на пути к конструированию сложных и функционально-гибких оптофлюидных устройств. Теперь можно пытаться сделать каналы сложной формы, исследовать взаимодействие между несколькими каналами, смотреть, как канал ведет себя в поперечном потоке жидкости, и многое другое. Будущее покажет, какое практическое применение найдет эта новая технология.

что?? Ну дают...