При высокой влажности можно наблюдать турбулентные потоки от ветряков невооружённым взглядом.
Ветряные турбины наряду с солнечными панелями кто-то считает чуть ли не единственным спасением нашей планеты. Но существуют исследования, которые показывают, как одна такая установка может уничтожить целую экосистему. При этом некоторые правительства почему-то называют ядерную энергетику опасной (Германия, как там себя чувствуешь? Ушки не горят?).
Ветряки и запчасти к ним надо производить. Это выбросы от заводов, автомобилей, грузовых поездов и кораблей, так что их не назвать полностью чистыми. Но есть и более серьезные последствия, причем непосредственно из-за работы этих установок.
Автор, понятное дело, не призывает положить болт на изменение климата, а пост не проплачен РосАтомом (к сожалению). Не буду долго вас мучать, начнём коротко и по делу.
Китайские исследователи из Лудонгского Университета в Яньтае с помощью новых спутников NASA «Landsat» изучили ветряные фермы Монголии. Данные оказались довольно интересными: влажность почвы рядом с установками падала каждый год на 4,4% и эта зона осушения постепенно расширялась. При этом, это не затрагивало территории без ветряных электростанций в тех же регионах страны.
В 2016 году западные исследователи из Шотландии обнаружили различные дебаффы для почвы от ветряных турбин. В своей научной работе они указали, что ветряки нарушают свободный обмен энергией и влагой непосредственно над землей, что приводит к нарушению естественных процессов в ней. В почве быстро накапливается углерод, из-за чего гибнут многие микроорганизмы, а вместе с ними территория перестает быть плодородной.
Различия между моделированием климата методами SCEN и CTL на 2020 год (белое) и реальными данными (цветное). Зима (левый столбец) и лето (правый столбец), дневная температура (a , b , в кельвинах), осадки (c , d , в мм в день), давление (e , f , в гПа). В областях с большим количеством ветряков различия наиболее существенные.
Началось же всё с американского исследования Лайминга Чжоу и его коллег аж в 2012 году. С помощью других спутников – NASA «MODIS» – они измеряли температуру грунта в радиусе километра от крупнейших ветропарков Техаса. Ночью земля была горячее на один градус, чем в зонах без ветряков. Это незначительное отклонение указывает на существенное изменение влажности. По мнению Чжоу, лопасти отправляют волны теплого воздуха к земле, которые «придавливают» влагу к грунту. Под ветряной турбиной создается тот самый, всеми ненавистный, парниковый эффект. Им даже пользуются местные фермеры, ведь растениям под установками не страшны никакие заморозки. Массовый характер это так и не приобрело из-за того, что гудящие ветряки не очень нравятся птицам, а значит в таких парниках процветают мелкие вредители.
Как мы все знаем из курса школьной физики (если вы, конечно, не экоактивист), если где-то переизбыток чего-то, то в другом месте этого не хватает – закон сохранения материи суров, но это закон. Ветряные парки «выжимают» досуха проходящий через них воздух и задерживают влагу, из-за чего местность вокруг постепенно высыхает.
Но ветряки могут быть виноваты в ещё более серьёзных изменениях климата. Французский исследователь Робер Вотар из Института Пьера-Симона в Париже вместе со своей командой пришел к выводу, что «зеленая энергетика» может делать сильно хуже, чем было до неё. Конкретно его исследование указывает на существенное замедление воздуха и изменение розы ветров в регионах, массово застроенных ветряками. В странах, где турбины любят значительно меньше, такая жопа не наблюдается. Основываясь на этом, Вотар предполагает, что ветряки могут негативно влиять на движение воздуха в атмосфере. Исследователи предлагают более углублённое изучение этого вопроса, прежде чем объявлять вентиляторы «спасением человечества».
Его слова подтверждают некоторые отчёты из Германии, которая сейчас больше других угорает по гигантским вентиляторам. Консалтинговая компания Deutsche Windguard отметила, что в период 2012-2019 средняя мощность ветряков упала в среднем на 30%. В ФРГ ветер постепенно замедляется, особенно в тех регионах, где активно применяют ветряки.
Если задержка влаги в пустынях может быть несущественной проблемой (хотя и там есть своя хрупкая экология), то вот глобальное замедление ветра может привести к катастрофическим последствиям: высохнут миллионы гектар плодородной земли, что приведёт к массовому голоду. Но, как вы уже догадались, политикам и крупному бизнесу эти исследования, как шлепок ладошкой по сраке.
Нефтяные транснациональные корпорации вообще очень спокойно себя чувствуют в мире победившей «зеленой энергетики» – они довольно часто выигрывают тендеры на их строительство. Например, британская BP и французская TotalEnergies полгода назад предложили правительству Германии 12,6 млрд евро за разрешение строить ветряки в Северном и Балтийском морях. По сути компании получают право «запланировать строительство», но этот договор никого ни к чему не обязывает. Сама бюрократическая процедура обходится дороже, чем непосредственно возведение турбин. Которые, к слову, до сих пор невозможно построить. Для начала, корпорациям нужно в два раза больше монтажных судов, а ради их покупки или аренды пока никто не чешется.
Добывать энергию без последствий это мем на уровне «бесплатных денег». У любого способа есть преимущества и недостатки. И если со всеми проблемами ядерной энергетики мы хорошо знакомы, то вот ветряки преподносят очень неприятные сюрпризы.
Из двух дьяволов лучше выбирать того, которого уже знаешь.
Великим ученым свойственны не только великие открытия, но и великие заблуждения, и это я сейчас без сарказма говорю: чтобы изобрести чрезвычайно правдоподобную, рабочую, но при этом ошибочную теорию, нужно на самом деле очень хорошо разбираться в своем предмете. Именно поэтому у приверженцев, например, гомеопатии нет и шанса для адекватной аргументации своих идей, а вот теория теплорода, несмотря на ошибочность, долгое время признавалась научным сообществом и самое главное – была основой для нескольких важнейших открытий.
Крошка-сын к отцу пришел, И спросила кроха: Теплород ведь – хорошо? Или это плохо?
Представьте, что вы не были прилежным учеником, прогуливали все уроки физики с 8го по 11й класс, а теперь выросли, и ваш ребенок вас спрашивает: «Дорогой родитель, почему батарея теплая?». Вы, конечно, скажете, что по батарее течет горячая вода, которая нагревает ее, а та в свою очередь передает тепло в комнату. Но дети гораздо дотошнее взрослых, и следующим вопросом скорее всего будет: «А как она передает тепло?» или еще хуже «А что такое тепло?».
Правильный ответ на этот вопрос далеко не очевиден даже современным взрослым, а уж в 18-м, начале 19 века, когда молекулярно-кинетическая теория не обладала достаточным математическим обоснованием (на самом деле, тогда еще даже не было подходящего матаппарата, чтобы полностью описать ее), абстрактная идея тепла не давала покоя ученым.
Люди, а особенно ученые, в принципе склонны к конкретике, так что вместо расплывчатой размазни-«теплоты» появился вполне себе логичный «теплотвор» или «теплород» - невидимая, практически невесомая субстанция, содержащаяся во всех веществах и способная передаваться от тела к телу. При этом, на волне хайпа атомизма теплороду приписали еще и корпускулярный состав, мол, это есть ничто иное как крошечные частицы, высвобождающиеся, например, при горении, которые заполняют «поры» в телах, рассеиваясь внутри, и таким образом нагревают их (стоит добавить, что так считали не все, но многие).
Думаю, ваш ребенок был бы вполне доволен таким ответом, ведь на самом деле он звучит потрясающе логично. Довольным осталось и большинство ученых, когда Антуан Лавуазье в 18 веке ввел определение теплорода в качестве отдельной субстанции.
Разумеется, вскоре были придуманы всякие уловки для объяснения различных тепловых явлений на основе теории «жидкой теплоты» (ладно, большинство представляли теплород скорее как газ или флюид). Например, быстрый нагрев тел объяснялся притяжением частиц теплорода к атомам вещества, а расширение тел при нагреве считалось следствием активного заполнения «пор» и налипания теплорода вокруг атомов, что увеличивало межатомные расстояния. Кроме того, предполагалось, что частицы теплорода отталкиваются друг от друга (как одинаковые заряды что ли?), а потому стремятся от горячего к холодному, туда, где побольше привлекательных свободных атомов и поменьше конкурентов – "теплородинок", тем самым сглаживая разницу температур. В общем, грамотно притянули, красиво склеили – вуаля! А если серьезно, теория теплорода выглядела очень даже обоснованно, интуитивно понятно, но что самое важное – она появилась очень вовремя.
Почему теплород – это хорошо.
Эпоха промышленной революции не просто так иногда зовется эпохой пара: паровые двигатели стали настоящим символом технического прогресса того времени. Так вот, Лавуазье со своими тепловыми изысками был нужен как никогда, чтобы, опираясь хоть на какую-то цельную и внятную теорию, можно было изучать новый источник энергии.
Во-первых, получилось удобное разъяснение идеи теплового равновесия. Если оставить теплый кофе на улице вечером, то он остынет, а его температура станет равна температуре окружающего воздуха. Если два одинаковых металлических бруска разной температуры привести в соприкосновение, их конечная температура будет примерно равна среднему арифметическому начальных значений (эт я грубо сейчас говорю, конечно, но суть понятна). Почему так? Все просто, ведь теплород в силу своей непреодолимой тяги к атомам вещества и отталкивания от себе подобных частиц, растекался максимально равномерно между телами и внутри них, достигая равновесия между силами притяжения и отталкивания.
Во-вторых, благодаря идее теплового флюида (и, конечно, заслугам химика Николя Клемана) наконец-то сложилась визуальная картина о таком важном понятии (которое до этого никак не могли четко зафиксировать в науке), как «количество теплоты», ну или как тогда считали «количестве теплорода». Мы все на уровне бытовой интуиции мы понимаем, что, например, чтобы нагреть до одинаковой температуры таз воды надо больше времени, чем чтобы нагреть кастрюлю. А теория теплорода подсказывает: все дело в концентрации теплорода в веществе. Конечно, чтобы она была одинаковой у тел разного объема, его потребуется разное количество. В общем, льем наш тепловой флюид в тело, пока не достигнем нужной температуры.
В-третьих, то, что большинством ученых теплород принимался за субстанцию, состоящую из частиц, позволяло применить к нему один из любимейших законов всех ученых: закон сохранения. Это было очень хорошо, прямо бальзам на сердца физиков. Если постулировать, что теплород, как и остальная материя, не может быть создан из ничего и исчезнуть в никуда, мы уже имеем красивое уравнение для описания любого теплового процесса. Количество теплорода «до» равняется количеству теплорода «после», а если вдруг не равняется – ищите, куда он мог сбежать. И самое главное – этот подход работал (ладно, не всегда).
Ну и вишенкой на торте стала триумфальная роль теплорода в термодинамике – еще совсем зеленой науке о тепловом движении. Молодой ученый Сади Карно, принимая теорию теплорода за основу*, ввел понятие о «потоке теплоты» как о силе, способной создавать механическое движение. Он сравнивал тепловой поток со столбом воды, падающим с высоты и раскручивающим водяную мельницу, и считал, что по этой аналогии и извлекается энергия из паровых двигателей. Таким образом, Карно выстроил первый теоретический принцип устройства всех тепловых машин (который до сих пор проходится в школах и университетах). Это однозначно был успех!
В общем, я надеюсь, всех этих хвалебных аргументов достаточно, чтобы понять, почему теория была так популярна. Думаю, если с серьезным лицом начать втирать это нынешнему школьнику, он вполне может уверовать в сие учение. Но, как говорят, чем выше забрался, тем больнее падать, и пик славы идеи теплорода стал началом ее конца.
А теперь почему, теплород — это все-таки плохо.
Не буду рассказывать про тех несогласных с Лавуазье (сюда, по-хорошему, надо записать и Ньютона с Галилеем, и Локка, и даже Платона…), которые не проявляли активности в борьбе с ошибочной теорией. В этом акте на сцене будет два главных героя** и имя первого из них - Бенджамин Томпсон, граф Румфорд, американский эмигрант и военный советник курфюрста Баварии, который своими экспериментами смог впервые наглядно показать нестыковки теории теплорода.
Аргумент первый (разминка): что там с массой?
Принимая теплород за субстанцию, можно справедливо предположить, что он должен иметь вес. Правда, в 18-19 вв, это не было жестким требованием (видимо, невесомые частицы были для того времени нормой), но проверить не мешало бы. Пускай масса частиц теплорода крайне мала, зато мы можем бахнуть его ооочень много, и попробовать зафиксировать разницу в весе, что Томпсон и сделал. Разумеется, эксперименты ничего не обнаружили, однако критика этого опыта сводилась к тому, что если теплород и имеет массу, то настолько легок, что обычными приборами разницу в весе увидеть невозможно.
Аргумент второй (коронный): нарушаем законы сохранения.
Помимо того, что Томпсон на досуге увлекался тепловыми явлениями, он управлял национальным арсеналом Баварии, где обнаружил, что при высверливании каналов в пушечных стволах инструментом, напоминающим огромную буровую головку, создается трение, которое производит огромное количество теплоты. Чтобы изучить этот эффект, Томпсон погрузил пушечный ствол под воду и приступил к высверливанию канала. Через два с половиной часа выделилось столько теплоты, что вода закипела.
В чем проблема? Да нет проблем, разве что мы только что открыли бесконечный источник теплорода, который по утверждениям невозможно создать из ничего. В статье, представленной на рассмотрение ведущей научной организации Британии, Королевскому обществу, Томпсон утверждал, что теория теплорода объясняет, почему теплота выделяется при горении, но ничего не говорит о трении. Иными словами, складывалось впечатление, что трение создает теплоту, а не освобождает ее, что шло вразрез с идеей о том, что теплота – неразрушимая субстанция.
Аргумент третий (похоронный): помощь Зевса
Очень большой проблемой оппозиционеров теплорода было отсутствие качественно проработанной альтернативы, ведь несмотря на большое число сторонников молекулярно-кинетической теории, вопросов к ней было чуть ли не больше, чем к теплороду: она все еще была слишком сырой с точки зрения математики. Плюс, эксперимент с трением не показывал одной важной связки: как соотносятся между собой механическая работа и тепло? Так что эксперименты Томпсона хотя и обсуждались, но не стали решающими в этом научном споре. И только спустя почти 50 лет, после введения грамотного определения энергии, работы и теплоты появилось финальное доказательство ошибочности теории теплорода.
Примерно в 1840 году, сидя в лаборатории, устроенной в доме родителей, наш второй герой – Джеймс Джоуль – физик энтузиаст, конструировал батареи, электромагниты и двигатели, чтобы изучать их работу. Одно из первых его наблюдений стало самым важным. Он заметил, что при прохождении электрического тока провод нагревается. Иными словами, электричество могло не только питать двигатель, но и давать теплоту.
Способность электричества создавать теплоту подкрепила общие сомнения в теории теплорода, которая гласила, что теплоту невозможно ни создать, ни уничтожить. А вскоре Клаузиусом и Больцманом была наконец-то доработана долгожданная молекулярно-кинетическая теория, считающаяся общепринятой на сегодняшний день.
Так что, если сегодня ребенок (не обязательно ваш) спросит вас, что такое тепло, вы гордо и без к̶о̶л̶е̶б̶а̶н̶и̶й̶ ̶раздумий ответите, что "теплота - это механические колебания атомов и молекул в твёрдых телах и жидкостях", что на самом деле, по своей сути - это просто очередная форма энергии, и никакой "тепловой субстанции" придумывать не нужно.
Вместо заключения.
В общем, теплород, не выглядел совсем уж кривым костылем по сравнению с несчастным флогистоном, потому что долгое время вполне сносно работал в ему отведенных рамках. А в качестве напоминания о "жидком тепле", мы до сих пор пользуемся выражением Сади Карно и Фурье о «потоке теплоты».
P.S. Есть небольшая доля иронии в том, что Томпсон - главный критик теории теплорода, женился на Марии-Анне Лавуазье, вдове нашего злосчастного химика и автора этой самой теории. Нужно отметить, что граф не выдержал свободолюбивого нрава женщины своего противника, и брак продлился совсем недолго.
*Очень хочется воткнуть одну важную ремарку: дело в том, что Сади Карно, в своих черновиках уже отказался от идеи теплорода, и даже называл его другим словом, более близким к понятию теплоты. К сожалению, он умер в сумасшедшем доме от эпидемии холеры в возрасте 36 лет и не успел доработать свои идеи.
** Ярым сторонником и практически основоположником противоположной – корпускулярно-волновой теории – был Михаил Ломоносов. Однако, его критика теплорода была лишь теоретическим доказательством от противного, так что эксперименты Томпсона являлись аргументом гораздо более весомым. Но Михаила Васильевича тож не забудем, он был очень яркой фигурой в научных спорах об этих двух теориях.
Источники: "Холодильник Эйнштейна" Пол Сен
Подпишись, чтобы не пропустить новые интересные посты!
Практика показала, что простое замачивание работает не так эффективно, как хотелось бы, особенно если речь идет о чем-то серьезнее вчерашней гречки. К счастью, человечество придумало ученых и инженеров, которые придумали использовать ультразвук. Строго говоря, ультразвук это все что выше 20 кГц. Хотя лично я перестаю слышать примерно 17 кГц и выше, и со временем этот порог снижается. Но мы отвлеклись…
Так вот, ультразвук - это не только ультра, но и звук, то есть колебания среды. Умные люди (Рэлей) открыли акустические течения, а уже другие умные люди поняли как это использовать. Идея в том, что при падении ультразвуковой волны на препятствие начинаются микротечения из-за сложения отражений волны от препятствия (по умному, дифракция). Эти микротечения очень быстро заменяют раствор, контактирующий с препятствием, а если туда добавить моющих средств, то получаем улучшение мойки в несколько раз. И при этом не надо перемещать огромные массы воды или ставить насосы и фильтры (колесные пары поездов кстати тоже полоскают иногда).
К тому же, получается гонять раствор в таких местах, где иначе не подлезть (ювелирная мойка например). Это не единственный эффект, улучшающий помоечные способности, но мне он нравится больше остальных.
Но не стоит заигрываться с УЗ-техникой: если повысить мощность, можно разрушить все что вы положите в свою УЗ-ванну, или даже разрушить саму ванну. Но об этом мы поговорим в другой раз.
Подпишись, чтобы не пропустить новые интересные посты!
Они валятся на нас с неба в таком невероятном количестве, что хоть лопатой греби, а лучше – трактором.
Мы ложками сыпем кристаллы в пищу, стараясь придать ей более привлекательный вкус.
Мы платим большие деньги, чтобы получить возможность полежать на россыпи мелких чистых кристаллов на берегу моря, и с удовольствием добавляем кристаллы в стакан, чтобы насладиться прохладным коктейлем.
Каждый, от мала до велика, радуется, когда ему дарят что-нибудь с кристаллами – будь это пресловутый айфон или колечко с бриллиантом.
Кроме того, что кристаллов вообще много, они бывают еще и разной формы. Причем вариантов – просто огромное количество. И единственное, что их объединяет (да и в общем-то является одной из основных характеристик кристаллов) – это наличие симметрии.
В любом кристалле всегда можно найти либо центр, либо плоскость, либо ось симметрии.
Представьте, что мы нашли у кристалла ось симметрии, и начали крутить кристалл вокруг неё. В зависимости от формы кристалла в процессе оборота на 360° он может совпасть повернутыми гранями с первоначальным положением несколько раз. Это количество называется порядком оси симметрии.
В зависимости от наличия и количества центров, плоскостей и осей симметрии, а также от их порядков, кристаллы делятся на группы, называемые сингониями. Всего их 7 штук. Ученые не были бы учеными, если бы не продолжили неистово классифицировать кристаллы и называть их всякими непроизносимыми словами, из которых хоть скороговорки составляй. Сами попробуйте: дитетрагонально-дипирамидальный, тетрагонально-трапецоэдрический, дитригонально-скаленоэдрический…
Повезло, что классификация по другому признаку произносится значительно легче.
Монокристалл – это один кристалл, живущий своей собственной жизнью отдельно от родителей. Например, очень самостоятельный горный хрусталь может вырасти до человеческого роста.
Поликристалл – это большая дружная семья, где все сидят друг у друга на шее и никак не хотят сепарироваться.
Случается, что семья кристаллов оказывается в заточении внутри замкнутой полости и вынуждена нарастать от стенок к центру. Такие геологические образования называются жеодами.
Когда семейство беспорядочно сросшихся кристаллов сидит на едином основании, оно называется друзой (что означает «щетка»). Такие дружные (или друзные?) кристаллы образуются кварцем, аметистом, цитрином и другими минералами.
Иногда кристаллы нарастают упорядоченно и направлены в стороны от центра, тогда друза называется цветком.
Друза – всего лишь один из существующих кристаллических агрегатов. Еще бывают параллельные сростки кристаллов (когда несколько кристаллов имеют единое направление) и двойники (когда два кристалла сращены вместе).
У горного хрусталя встречаются интересные игольчатые включения рутила, черного турмалина и некоторых других кристаллов, называемые «волосы Венеры».
При ориентированном нарастании кристаллов одного вида на другие получаются эпитаксии. Различают гомоэпитаксию, когда кристаллы состоят из одного вещества, но имеют разную форму, и гетероэпитаксию – тут очевидно, кристаллы состоят из разных веществ. Гетероэпитаксия возможна, когда эти вещества химически не взаимодействуют, например, кремний и сапфир.
При быстром росте кристалл захватывает много примесей, что вызывает дефекты и неровности текстуры. Из-за внутреннего напряжения в местах скопления примесей происходит расщепление кристалла. В результате последовательных расщеплений вместо одного крупного кристалла получается пучок, состоящий из множества пластинок, каждая из которых может начать развиваться как отдельный кристалл.
Это бывает похоже на раскрывающийся цветок. Пластинки гематита, например, могут сформировать кристалл, похожий на розу.
Когда расщепление происходит в течение всего времени роста кристалла многократно по радиальным направлениям, образуются сферолиты, или сферокристаллы. Такая форма характерна для малахита, гематита и некоторых других минералов. А при расщеплении по трещинам или в рыхлой среде могут образовываться дендриты – образования древовидной ветвящейся структуры.
А что же с самыми волшебными зимними кристаллами – снежинками и морозными узорами, которые теперь так сложно найти?
Узоры на окнах бывают двух типов: ветвистые - дендриты и трихиты, больше похожие на звезды.
Снежинки же — это так называемые скелетные кристаллы. Они формируются в условиях пресыщения кристалообразующим веществом, когда оно быстро нарастает на выступающих частях кристалла. При этом происходит отгон примесей на грани, что тормозит их рост.
И если снежинки всегда имеют 6 лучей, то в целом скелетные кристаллы могут быть абсолютно разными: иглоподобные, копьевидные, звездообразные, ступенчатые [картинка 4] и так другие.
И это только достаточно краткий обзор основных разновидностей форм кристаллов. Просто удивительно, как природе удается создавать такие фантастические фигуры. Давайте просто посмотрим на них и насладимся этой невероятной красотой.
Подпишись, чтобы не пропустить новые интересные посты!
Сегодня у нас на повестке дня обширная тема - а что мы не знаем, но уже можем хотеть знать? Если брать физику - да тут куда не дернись, везде стены. И даже если что-то начинает работать с учетом постулатов или еще каких костылей, то при копке поглубже обязательно уткнешься в очередной спин, который вроде и понятный, но что это и откуда не известно до сих пор.
Как правило, при подготовке магистерской диссертации, а иногда и уже на уровне бакалавриата, студенты не просто повторяют уже пройденный кем-то путь, делая в сотый раз один и тот же эксперимент или повторяя давно выверенные расчеты, а делают нечто новое, выходят за пределы известного мира. Да, часто это просто применение старых методов к новому материалу, причем не принципиально новому, а просто с новой пропорцией компонент для заполнения статистических данных, но когда там выскакивает аномалия и она повторяется, о да, это дорогого стоит. Или когда ты понимаешь, что учебник трактует процесс неправильно, нет тут никакой аморфности, просто атомных слоев недостаточно для всех классических пиков… Впрочем это я увлекся своими воспоминаниями, так или иначе это прекрасное чувство, когда ты ощущаешь, как сам раздвигаешь границы изведанного. А уж когда это публикуется в журнале и становится достоянием мировой науки, непередаваемое чувство!
Однако есть и обратная сторона - современная наука очень узкоспециалезированна, даже самые громкие открытия последних лет критичны только для своих областей, а новые теории протомятся не один десяток лет в ожидании, когда их смогут опровергнуть или подтвердить. Я защитил свою кандидатскую диссертацию по научной специальности 1.3.8 «Физика конденсированного состояния» и практически ничего не могу рассказать про ее 4ый пункт «Теоретическое и экспериментальное исследование воздействия различных видов излучений, высокотемпературной плазмы на природу изменений физических свойств конденсированных веществ». То есть разумеется, как студент я в курсе основ, но как ученому мне понадобится немало дней просто для изучения последних работ в этой области, что бы банально понимать о чем говорят на научной конференции.
Поэтому и взять на себя ответственность подготовить список современных проблем физики я не могу, однако мне есть что предложить заинтересованному читателю: давайте вместе ознакомимся с одной замечательной статьей безусловно выдающегося человека - Виталия Лазаревича Гинзбурга:
Гинзбург В. Л. "Какие проблемы физики и астрофизики представляются сейчас особенно важными и интересными (тридцать лет спустя, причем уже на пороге ХХI века)?" УФН 169 419–441 (1999).
Как очевидно из названия, этот обзор продолжает и развивает статью 1971 года, и также ставит своей целью не только показать масштабы современной (на тот момент физики). Однако куда более важная задача - вдохновить и направить молодое поколение физиков в те области науки, которые наиболее актуальны и интересны для человечества. Ну что же, давайте посмотрим уже на этот список, а я постараюсь по мере возможности рассказать, что именно входит в пункты и что с ними стало за прошедшие 25 лет.
Гинзбург В. Л. читает лекцию
Управляемый ядерный синтез.
До управляемого термояда всегда 50 лет) Эта известная в узких кругах шутка основывается на том, что человечеству регулярно обещают термоядерный реактор в ближайшие 50 лет, но очень долго он оставался реализован только в научно-фантастических произведениях. Однако экспериментальный китайский термоядерный реактор Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST, токамак HT-7U), расположенный в городе Хэфэй провинции Аньхой творит буквально чудеса и в этом году установил очередной рекорд по удержанию высокотемпературной плазмы в 403 секунды. А потом этот рекорд побил с результатом в 1056 секунд реактор HL-2A в Юго-Западном институте физики при CNNC в Чэнду, при этом температура была порядка 70 млн °C. Несмотря на то, что данное число является восьмизначным, для термоядерных реакторов оно не такое большое, этот ректор уже достигал 150 млн °C, пусть и при значительно меньшем времени работы. Так или иначе, это реальная заявка на возможность запуска электрогенерирующего реактора к 2030 году.
2. Высокотемпературная и комнатнотемпературная сверхпроводимость.
Если Вы внимательно следите за новостями, то и сами знаете, что последнее громкое «открытие» оказалось ничем, и, к сожалению, о реальных перспективах заметно увеличить текущие рекорды сверхпроводимости мне не известно.
3. Металлический водород. Другие экзотические вещества.
Наверняка еще с первых уроков химии и знакомства с таблицей Менделеева, Вы слышали, что водород может обладать как металлическими, так и неметаллическими свойствами. Однако получить чисто металлический водород еще не получилось, а моделирование говорит нам о том, что требуемые для этого давления находятся за пределами возможностей человечества, поскольку нам надо буквально вдавить один атом в другой. Ну а если мы сможем проворачивать такой фокус, то и другие новые вещества будут получаться просто за счет отхода от геометрии атомных структур из шариков.
4. Двумерная электронная жидкость (аномальный эффект Холла и некоторые другие эффекты).
К сожалению тут мне нечего рассказать, по сути двумерная электронная жидкость это тонкая пленка проводящей жидкости, воздействия на которую в третьем измерении будут давать особые эффекты. Особый интерес представляет дробный эффект Холла (Нобелевка 1998), поскольку он доказывает существование дробных зарядов - меньше заряда электрона, а раз такой заряд есть, то есть и его носители. Жидкость должна дать новый скачок по отношению к газу, с которым проводились известные В.Л. Гинзбургу эксперименты.
5. Некоторые вопросы физики твердого тела (гетероструктура в полупроводниках, переходы металл - диэлектрик, волны зарядовой и спиновой плотности, мезоскопика).
Зато тут можно писать и писать, но постараюсь все же кратко. Гетеро и наноструктуры - основа современной физики твердого тела. Лазеры, наночипы, преобразование солнечной энергии в электрическую, современная электроника и датчики, практически все зиждется на этих элементах. Главное достижение в этой сфере на мой взгляд - открытие потенциала и активное применение арсенида галлия, этого идеального засранца, готового впитать в себя кучу разных добавок, сместить, расширить или сузить запрещенную зону, но никак при этом не поменять кристаллическую структуру, а значит у веществ с разными свойствами будет идеальная бездефектная граница.
6. Фазовые переходы второго рода и родственные им. Некоторые примеры таких переходов. Охлаждение (в частности, лазерное) до сверхнизких температур. Бозе-эйнштейновская конденсация в газах.
Конденсат Бозэ-Эйнштейна (Нобелевка 2001), как много в этом слове. Особое вещество, в котором даже свет останавливается, может ли что-то быть еще более удивительным для физика? Разве что только тот факт, что в прошлом году его смогли создать не на мгновения, а в постоянном режиме https://doi.org/10.1038/s41586-022-04731-z Надеюсь в ближайшее время мы увидим много интересных результатов с ним, но в любом случае именно сейчас самое время задавать новые вопросы, например можно ли будет остановить время внутри этого конденсата?
7. Физика поверхности.
8. Жидкие кристаллы. Сегнетоэлектрики.
9. Фуллерены.
Пожалуй объединю эти 3 пункта в один, поскольку на мой взгляд они все интересны сейчас с одной точки зрения - замены полупроводниковой электроники. Под физикой поверхности В.Л. Гинзбург понимал физику всех нанообъектов, состоящих из поверхности, без возможности выделить внутреннюю часть. Сегнетоэлектрические пленки, фуллерены, углеродные нанотрубки, графен - все они в этой категории. Сможет ли FeRAM заменить уже привычные флешки и SSD? Появятся ли квантовые ноутбуки на прилавках магазинов? В любом случае ждем новых эффективных способов использования всех этих веществ, ну или их новых модификаций.
10. Поведение вещества в сверхсильных магнитных полях.
В первую очередь это фундаментальный вопрос про нейтронные звезды, какие силы там сжимают атомы так, что электронная оболочка полностью входит в ядро? К сожалению с экспериментальным изучением тут все грустно, поскольку даже самые мощные магниты в сверхпроводящем состоянии хоть и генерируют сверхсильные магнитные поля в импульсном режиме, но это время меньше одной миллисекунды, а сам магнит, скорее всего, будет значительно поврежден.
Лет 5 бы назад, я сказал что это очень интересный раздел физики (а может и не физики, а логики, математики или теории игр), изучающий очень сложные реальные процессы с таким количеством факторов, что малейшее изменение одного из них приведет в изменению всех процессов в системе, эффект бабочки, вот это вот все. Этому посвящено уйма статей, разобрано куча примеров, но сейчас, на мой взгляд, все они меркнут перед нейронными сетями. Сможем ли мы предугадывать их развитие? Насколько должен быть сложен ИИ, что бы его посчитали за личность, возможна ли в принципе хоть какая-то модель человечности?
12. Сверхмощные лазеры, разеры, гразеры.
Ну тут сравнительно просто, в 2020 году китайский лазер SULF достигнул мощности 13 петаватт. Пета это 10 в 15 степени, квадриллион. Следующая за терабайтом единица измерения информации петабайт. Но на самом деле такая мощность достигается за счет сверхмалого времени излучения, всего 23 фемтосекунды. А сама переданная энергия - всего 300 джоулей, 5 секунд работы обычной 60 ваттной лампочки. Но для проведения эксперимент со сверхвысокими энергиями это очень важно, особенно для заглядывания внутрь атома.
13. Сверхтяжелые элементы. Экзотические ядра.
Последний открытый на сегодня элемент Теннессин носит 117 номер, признан 30 декабря 2015 года, впервые получен в 2009. Оганесон под 118 номером был открыт немного раньше. Здесь все внимание к Острову стабильности элементов, поскольку что Теннессин, что Оганесон в природе не встречаются и имеют микросекундные периоды полураспада. Если удастся синтезировать сверхтяжелые ядра с магическими числами нуклонов, они могут оказаться куда стабильнее своих соседей. Однако помимо вопросов к самой концепции Острова стабильности, есть и проблемы с магическими числами - останутся ли они такими же, как и у «обычных» легких и средних атомов? Или квантовые эффекты и сверхплотность их изменят? Ждем новых результатов из Дубны, стабильные сверхтяжелые элементы многое расскажут о структуре атомных ядер.
14. Спектр масс. Кварки и глюоны. Квантовая хромодинамика.
Как устроены протон, нейтрон и электрон? Можно ли получить отдельные кварки? Действительно ли при зарождении вселенной была кварк-глюонная плазма? Насколько глубоко мы можем заглянуть в природу сильного взаимодействия? Большая часть этих вопросов остается без изменений, хотя теоретических моделей стало заметно больше, кварк-глюонная плазма теперь считается жидкость, но экспериментального подтверждения вряд ли мы дождемся в ближайшие 20-30 лет.
15. Единая теория слабого и электромагнитного взаимодействия. W+ и Zо бозоны. Лептоны.
Наверно это одно из немногих указанных в списке направлений, которое можно закрыть. Теория разработана, экспериментально доказана, бозоны и лептоны описаны. Связь заряженных лептонов и их нейтрино не совсем очевидна, но относится либо к предыдущему, либо к следующему разделу.
16. Великое объединение. Суперобъединение. Распад протона. Масса нейтрино. Магнитные монополи.
Если с объединением слабого и электромагнитного взаимодействия все более-менее понятно, то вот как туда добавить сильное - это очень интересный вопрос. Идейно для этого нам нужны сверхэнергии, коллайдер для этих целей будет со всю солнечную систему, поэтому человечеству нужен принципиально другой подход. Возможно как раз лазеры смогут сделать нечто подобное, но пока это все на уровне даже не стройных гипотез, а только идейных предположений. С нейтрино все тоже сложно - масса у него должна быть, поскольку у него есть колебательные процессы по переходы в другие нейтрино и анти-нейтрино (Нобелевка 2015), когда ее определят - придется перекраивать современную Стандартную модель, а мы только-только поймали бозон Хиггса и заставили ее хоть как-то работать *усиленно прячет гравитон в шкаф*. Магнитный монополь - этой теме уже больше 100 лет, но никаких предпосылок к его обнаружению или созданию у нас нет, но если найдет - то все современные теоретические представления о электродинамике придется перекраивать под новые уравнения Максвелла, вот это будет реально резкий скачок в технологиях. Но мое образование магнитчика говорит, что это в принципе не возможно.
17. Фундаментальная длина. Взаимодействие частиц при высоких и сверхвысоких энергиях. Коллайдеры.
Про экспериментальное подтверждение существования бозона Хиггса, «частицы Бога», наверно трубили все СМИ, но это было уже 10 лет назад (Нобелевка 2013). Большой адронный коллайдер ушел в ремонт, но явно скоро вернется с новыми энергиями и новыми частицами, может и нейтрино изучим получше, в любом случае новые открытия должны уточнить Стандартную модель, а этот вопрос уже давно назрел и сейчас является самым важным для физики элементарных частиц.
18. Несохранение СР-инвариантности.
Несмотря на такое странное название, само описание проблемы можно записать иначе - Почему вокруг нас так мало антивещества? Нарушение симметрии вещества и антивещества это очень важный теоретический вопрос, возможно именно с него начнется подробный разбор физики Большого взрыва и вызвавших его процессов. Масла в огонь подливает и квантовая хромодинамика - теория сильного взаимодействия элементарных частиц - ибо там симметрия есть и все хорошо. Текущие идеи, которые могут это объяснить, упираются в необходимость существования новой частицы - аксиона, а он порождает свою кучу вопросов. Копаем дальше, пока аксион это только гипотеза, но зато объясняющая много интересных эффектов.
19. Нелинейные явления в вакууме и в сверхсильных электромагнитных полях. Фазовые переходы в вакууме.
Вакуум, как много он в себе таит. На самом деле физический и технический вакуум это родственные понятия, но имеющие фундаментальное отличие - для физики не столь критично удаление вещества, ей необходимо убрать взаимодействие из системы. Так, квантовый вакуум это просто основное состояние вещества. И в начале времен был именно он, вакуум как особая среда со своими законами взаимодействия объектов, которая может сама передавать различные волны. Беда этого направления в том, что такой вакуум становится аналогом «эфира», а это очень непопулярный в наше время подход. Остается надеяться на смельчаков, что смогут вопреки стереотипам добиться научного прогресса в этой сфере
20. Струны. М-теория.
21. Экспериментальная проверка общей теории относительности.
22. Гравитационные волны, их детектирование.
Снова объединю 3 вопроса в один. Общая теория относительности - это про теорию гравитации, а специальная - про скорость света. Теория струн должна породить новую квантовую теорию гравитации. Гравитационные волны обнаружены экспериментально (Нобелевка 2017), поэтому формально 21 и 22 пункты просто закрыты. Однако именно они позволяют заметно продвинуть теорию струн вперед, по крайней мере отсекая лишнее. Например в 2020 году были опровергнуты некоторые версии теории струн, основанные на особых аксионах, а сами эти аксионы признали невозможными. Тема очень сложная, это передовой край современной квантовой и космической теории, но вот в чем мой вопрос - если сейчас мы говорим, что частицы это не точки, а струны, не станет ли потом каждая точка этой струны нитью? Раз уж мы превращаем точку в линию, что мешает нам линию сделать поверхность, а потом добавить еще и третье измерение? Думаю тут человечеству работы не на одно столетие
23. Космологическая проблема. Инфляция. L-член. Связь между космологией и физикой высоких энергий.
24. Нейтронные звезды и пульсары. Сверхновые звезды.
25. Черные дыры. Космические струны.
26. Квазары и ядра галактик. Образование галактик.
Расширяем объединение, теперь аж 4 пункта. К сожалению я не астрофизик, да и описать все эти проблемы очень сложно, не начиная перечислять конкретные новые объекты. Нобелевки 2011, 2019 и 2020 подтверждают важность новых открытий, возможности новых телескопов и фотографии горизонта событий черной дыры открывают огромный простор для получения информации, общая теория относительности экспериментально подтверждена, а значит можно все это описывать ее рамках. Но Вселенная воистину безгранична, поэтому эти пункты никогда не будут закрыты.
27. Проблема темной материи (скрытой массы) и ее детектирования.
В начале 2010-х ученые активно изучали ряд столкновений галактик, поскольку данные телескопа Хаббл позволяли проанализировать не только сам факт столкновения, но и получающееся распределение массы. Тогда и было подтверждено, что там находятся объекты, у которых есть масса, но нет электромагнитного взаимодействия с окружением, то есть та самая темная материя (DOI 10.1088/0004-637X/747/2/96). Однако это подтверждает лишь факт ее существования, как определять ее местоположение без столкновения галактик пока не известно, но вряд ли ближайшие лет 50-100 совершат революцию в этой сфере.
28. Происхождение космических лучей со сверхвысокой энергией.
Если открыть какой-нибудь учебник по астрофизике или космологии, где есть тема космических лучей со сверхвысокой энергией, там будет безапелляционно заявлено, что их источник - взрыв сверхновой. Но что именно там происходит, как это влияет на итоговые лучи, есть ли такие лучи от Большого взрыва - это вопросы физики будущего.
29. Гамма-всплески. Гиперновые.
Гамма-всплеск это огромный выброс гамма излучения за доли мгновения (от 10 миллисекунд до 2 секунд) происходящий в результате столкновения двух нейтронных звезд или нейтронной звезды и черной дыры. А уж если две черные дыры столкнутся… Так же как и взрыв гиперновой - это огромный поток энергии, если он произойдет в ближайшем окружении нашей системы - выжить на Земле будет невозможно. Однако по оценкам в нашей галактике Млечный путь такие события происходят раз в 100 млн лет, и как правило, в дальних от нас частях, однако 450 млн лет назад произошло ордовикско-силурийское вымирание. Это не одно вымирание, их было как минимум 2 всплеска с разбежкой в 1 млн лет, оно могло быть вызвано и внутренними факторами - тогда вся жизнь была только в океанах и уровень/температура воды могли все резко изменить. Однако одна из гипотез говорит о том, что 10 секундная вспышка гиперновой в шести тысячах световых лет от Земли снесла почти весь озоновый слой, а значит создала условия для вымирания многих видов. Если бы к тому времени жизнь выбралась на поверхность, это вымирание вполне могло переплюнуть пермское, но сейчас оно на втором месте.
30. Нейтринная физика и астрономия. Нейтринные осцилляции.
В 16 пункте я уже писал о Нобелевке 2015 года, это огромный скачок в изучении нейтрино и он очень важен для всей теории элементарных частиц. Помимо коллайдеров мы можем использовать сверхмощные космические лучи, но только как наблюдатели. Остается надеяться, что нам повезет, и правильный телескоп окажется в правильном месте в правильное время, что бы их изучить, а пока - мы знаем только верхний порог массы нейтрино, о конкретных значениях можно только мечтать.
Вот такой замечательный список, но я бы хотел добавить пару пунктов.
Исторически материаловедение относилось скорее к химии, чем к физике, однако наноструктурированные материалы открывают новые вехи в науке и технике, при этом не всегда их можно отнести к физике поверхности 7 пункта. Новые материалы это всегда трудный путь проб и ошибок, в первую очередь тут я жду биобезопасные материалы для кибернетических протезов, позволяющие беспроблемно интегрировать их в человеческое тело. Уже очень многое сделано в этом плане, но их все еще стараются изолировать от органики, вот бы можно было контачить напрямую с «мясом». *100000100101000011111010001000001100010000011000011101110000110000100001100101000011100010000111100100000100001101101000011010110000010000011110100001111001000011110110000111000100010000011000100000110000111000100010011101000011010*
Второй пункт - высокоэнтропийные сплавы. К ним относят все то, что имеет больше 5 компонентов, для сплавов это очень много, кто видел хотя бы 3х элементную фазовую диаграмму прекрасно меня поймет. Это новый этап для человечества, там много всего неизведанного и судящего новые этапы технического прогресса.
На сим я заканчиваю, поблагодарим Виталия Лазаревича Гинзбурга за его титанический труд в области популяризации науки, ведь и без этого его научная биография заслуживает отдельного рассказа.
Подпишись, чтобы не пропустить новые интересные посты!
Представьте разлетевшиеся в стороны прозрачные осколки, красные подтеки на полу и вашу досаду...
... Досаду от своего таланта утилизировать дорогие вина самым дурацким способом, разбивая бокалы об пол.
Все мы порой рукожопы, и было бы круто, если бы можно было вернуть всё обратно, да? Представьте, например, как кусочки разбитого стекла сползаются обратно в изящный бокал, вино бордовыми щупальцами заползает в него, а досада превращается в радость предвкушения. Заснимите это на камеру и вам, разумеется, никто не поверит. Скажут, мол: кого ты пытаешься обмануть, ты же просто прокрутил видео в другую сторону.
Но почему это выглядит так неестественно? Почему мы не наблюдаем, как семена одуванчика прикрепляются обратно к сердцевине цветка ветром и никто никогда не видел, как в чашке молоко отделяется от кофе? Почему мы вообще называем один процесс обратным, как бы подразумевая, что есть некий истинный, прямой путь, а этот - противоположный. И первым объяснением, которое приходит в голову, будет физика. Наверняка это невозможно, потому что какие-то физические законы запрещают некоторым процессам протекать в обратную сторону. Это было бы и правда очень удобным объяснением, осталось лишь понять, какие это законы. И вот, где начинаются проблемы.
Давайте попробуем рассмотреть процесс вблизи, и на примере зёрнышка одуванчика, парящего в воздухе, понять, в какой момент его движение нарушит закон физики. Оно совсем недавно оторвалось от цветка и сейчас дрейфует в потоках воздуха: у него нет цели, только путь – и в общем-то, этот путь может быть... любым. Вправо-влево, вверх-вниз, по спирали, да не важно. Пока мы наблюдаем за перемещениями лишь одного отдельного семечка, мы не поймем, какова тенденция его движений и куда оно стремится. И вот парадокс: даже если оно в этот момент плывет обратно по направлению к цветку, чтобы прирасти обратно, мы не увидим ничего противоестественного в его перемещениях. Просто подхваченное ветром семечко, просто летит фиг пойми куда.
Выходит, нет такого закона, который запрещал бы зернам одуванчика вернуться к цветку под порывами ветра, а частицам стекла под влиянием каких-то спонтанных волнений воздуха перегруппироваться обратно в ёмкость. Для каждого семечка, кусочка, каждой молекулы работают одни и те же правила, и физика ничего нам не говорит про невозможность подобных перемещений. А мы, к сожалению, не можем просто отмахнуться и сказать, что физические законы запрещают обратные процессы. Это не причина, по которой мы их не наблюдаем.
Тем не менее, каким-то образом, при масштабировании, мы начинаем чувствовать подвох. Взглянем на ситуацию с чуть более дальнего ракурса, и вот, группа семян, покорно летящая в одном направлении, уже начинает вызывать подозрения. И если мы не имеем права говорить, что такой процесс невозможен, то у нас есть другой потрясающий ход: просто назовем процесс маловероятным. Причем настолько маловероятным, что практически невозможным, лол))
Что нам нужно сделать, чтобы восстановить бокал вина в изначальное состояние? Каждый кусочек, каждую каплю и молекулу нам придется развернуть и направить в конкретную точку пространства, относительно других молекул. Просто представьте, как много различных конфигураций разбитого стекла после падения существует, какими миллионными способами могут разлететься в воздухе семена одуванчика, а вот их изначальное состояние - лишь одно единственное. Именно его особенность и исключительность делает обратные процессы столь маловероятными.
И именно этот смысл несет в себе идея энтропии.
Вообще слово "энтропия" из-за своего абстрактного понятия и заумного звучания сейчас используют как попало и где попало. Недавно я вот увидел его в рекламном объявлении бизнес-курсов в варианте "энтропия коммерческой организации" (чес слово, я не знаю, что они имели в виду). В физике же очень часто ее определяют как "меру беспорядка, неупорядоченности", "меру хаоса" - если изволите. Многие, кстати, на это определение презрительно цыкают, но вообще-то оно очень неплохое для начала.
Энтропия позволяет нам количественно описать разницу между целым и разбитым бокалом. Первое - высокоупорядоченная структура, составляющая нечто уникальное и конкретное, второе - один из тысяч вариантов беспорядочной конфигурации осколков и капель. Тогда у первого, еще целого бокала, энтропия гораздо ниже, чем у разбитого, а у семян одуванчика на стебле - ниже, чем у кучки летающих семян в воздухе. Уловили, да? Чем упорядоченнее система, тем ниже ее энтропия.
Таким образом, состояния с более высокой энтропией имеют более высокий шанс на существование: если вам угодно, можно сказать, что в окружающем мире более предпочтительны процессы с повышением энтропии, а сама энтропия так и стремится постоянно возрастать. Звучит знакомо? Разумеется, ведь это второе начало термодинамики - "в изолированной системе энтропия либо остаётся неизменной, либо возрастает".
Считать беспорядок нас научил великий Больцман (на его могиле высечена формула энтропии), физик с печальной судьбой, идеи которого не приняло научное общество его времени. Он показал, что второе начало термодинамики о рассеивании энергии - имеет статистический характер. Это есть ничто иное, как естественная тенденция систем переходить от упорядоченного состояние в беспорядочное, от низкой энтропии к высокой. И причина - умилительно проста: в природе существует гораздо больше вариантов хаотичных систем, чем систем упорядоченных, и вероятность хаоса выше чем порядка.
И это не закон физики, это логика чисел и теории вероятности, которые делают энтропию - фундаментальным определением в физике. Альберт Эйнштейн называл энтропию и второй закон термодинамики единственными открытиями в устройстве мира, которые никогда не будут опровергнуты. Он считал, что и его теория относительности и законы Ньютона - лишь модели, приблизительно описывающие мир, которые впоследствии будут дополнять и уточнять. А второе начало термодинамики даже нельзя назвать моделью, ибо оно опирается на законы чистейшей математики, потому оно нерушимо и потому, если вы накосячили и разбили бокал, не ждите пока он склеится обратно - идите за новым.
Второй закон термодинамики гласит, что при движении «вперед» во времени энтропия изолированной системы может увеличиваться, но не уменьшаться. Таким вот удивительным образом, измерение энтропии — это в общем-то, способ отличить прошлое от будущего, который называется термодинамической стрелой времени. И это же утверждение рождает одну из самых популярных нерешенных загадок физики: почему?... *театральная паузка*
Почему время имеет направление? И чем оно так отличается от пространства, где мы можем без особых усилий двигаться вперед-назад?
Есть и еще один вопрос. Двигаясь назад во времени, по второму закону термодинамики, мы будем постепенно уменьшать и уменьшать энтропию, пока не придем к некой начальной крайне высокоупорядоченной точке с самой низкой энтропией - началу нашей Вселенной. Ну и там Большой Взрыв и все такое, по классике. Проблема лишь в том, почему у ранней Вселенной была такая низкая энтропия? Можно сравнить разбивание бокала с Большим взрывом: будь мы в нем маленькой капелькой вина, мы бы сейчас с вами зависли где-то среди медленно разлетающихся осколков на пути к полному беспорядку. Но мы-то знаем, как сделали бокал, как его загнали в такое низкоэнтропийное состояние. А вот как в низкоэнтропийное состояние загнали Вселенную - это еще одна нерешенная проблема.
Накинем еще парочку вопросов вдогонку. Описанная выше тенденция систем стремиться от порядка к беспорядку, в принципе, уже может стать ответом на наш вопрос о том, почему видео с бокалом вина, собирающимся по кусочкам с пола, воспринималось бы нами как прокрученное в обратную сторону. Да, это событие возможно, просто его вероятность столь мала, что с точки зрения нашего жизненного опыта, оно выглядит неестественным, и мозг скорее расценит это как трюк. Но почему?
Связь физического времени с нашим его восприятием - наверное, самый философский вопрос из перечисленных. Я специально несколько раз акцентировал внимание на том, что наш мозг так привычен к понятиям прошлого и будущего, что некоторые процессы автоматически расценивает как прямые, а некоторые как обратные. Мы замечаем ход времени, просто глядя на разбивающийся окал. Кроме того, из-за того, что время имеет направление, существуют такие более глубокие понятия, как опыт, память (мы же не можем вспомнить будущее, верно?) и воля (мы можем повлиять на будущее, но не на прошлое).
Различается ли физически настоящее время от прошлого и будущего, или это просто состояние сознания? И если наше ощущение времени - лишь эволюционная адаптация мозга к увеличению энтропии в мире, то можем ли мы выйти за рамки этого восприятия и отстраниться от него?
Пожалуй, на сегодняшний день это один из самых общих нерешенных вопросов в физике - энтропия, как стрела времени.
Подпишись, чтобы не пропустить новые интересные посты!
Хотел бы я сегодня начать как обычно с «Nanomachines, son!», но в этот раз предлагаю окунуться чуть поглубже. Сегодня уже неоднократно вспоминали старания А. Лавуазье, который все описывал движением мельчайших частиц – атомов. И тут надо отметить, что не он один, корпускулярное описание мирозданья тогда было явно на коне. Вот только что это за атомы такие, и главное, как именно они работают – надо было еще узнать.
Любая историческая справка скажет Вам, что история атомизма начинается с Демокрита, а это почти 2,5 тысячи лет назад. Для него атом являлся неделимой частицей вещества, обладающей истинным бытием, не разрушающейся и не возникающей. И этот подход замечательно работал: цветок источает свои атомы, и мы чувствуем запах; у камня атомы неровные, поэтому держатся друг за друга, а у воды гладкие – поэтому она течет; у огня они острые – поэтому они колют атомы человека и обжигают его. Да, человеческая душа тоже состоит из атомов, поэтому от нее можно отделить кусочек. В общем, очень удобная теория, поэтому и атомы тепла, перетекающие из одного тела в другое, тоже хорошо подходили для описания теплопереноса.
Больше двух тысяч лет этот подход хоть и получал периодические удары, но в целом оставался верен себе. Пока не наступил 1897 год, когда Джозеф Томсон доказал существование электронов, при этом пояснив, что они одинаковые и входят в каждое вещество. А еще предположил, что они меньше атома, т.е. атом можно разделить. И вот тут возникла проблема, поскольку по Демокриту атом – не разрушающаяся частица бытия, а у нас запчасть от него. Значит, все-таки атом разрушается. На этом моменте Демокритовский атом и тот атом, который мы знаем из курса школьной физики или химии окончательно разошлись, при этом сохранив свои одинаковые названия.
Раз атом состоит из частей – нужна новая модель, первый общеизвестный вариант предложил в 1904 г. как раз Дж. Томсон. В литературе за ней закрепилось название «Пудинговая», поскольку она описывала атом как некоторую размазанную по пространству положительно заряженную массу с вкраплениями «изюминок»-электронов.
В том же 1904 году японский физик Хантаро Нагаока предложил свою планетарную модель, по аналогии со строением Сатурна – сверхмассивное ядро и кольца электронов. Однако с размерами ядра и колец были проблемы, поэтому уже в 1908 Нагаока сам отказался от этой теории. Мировое научное сообщество обратило внимание на его работы только после торжества более продвинутой планетарной модели, которую предложил ученик Дж. Томсона – Эрнест Резерфорд.
В 1911 году на основе экспериментальных данных 1909 года других ученых Э. Резерфорд описал атом как крохотное положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются электроны. При этом ядро имеет в сто раз меньший радиус, чем атом, но содержит в себе практически всю массу. Именно эту схему мы знаем как «Планетарную модель атома» или «Модель атома Резерфорда».
У нее был очень важный недостаток – движущиеся электроны создают электромагнитные волны, а значит, теряют энергию. Тогда они должны со временем упасть на ядро. При этом расчетное время всего 0,01 наносекунды. В 1913 году эту проблему попытался решить Нильс Бор, который зафиксировал орбиты движения электронов. Именно эта модель обычно преподается в старшей школе и иногда даже называется моделью атома Резерфорда, хотя ее названия «Боровская модель атома» или «Модель атома Бора-Резерфорда».
Однако она тоже не была лишена недостатков. Во-первых, это достаточно странный симбиоз классической (для движения электрона) и квантовой (для фиксации орбит) теорий, во вторых – если у нас на внешней оболочке больше одного атома, она не работает, что куда критичнее. Это было одним из многих противоречий, с которыми столкнулись ученые того времени, и которое было разрешено только с развитием квантовой механики.
Современная модель атома является квантово-механической, она развивает идеи Бора, но более подробно описывает движение электрона. Хотя на самом деле как раз менее подробно… Есть такая замечательная штука, как Принцип неопределенностей Гейзенберга, который гласит, что невозможно одновременно с точностью определить координаты и скорость квантовой частицы. А электрон в атоме это как раз квантовая частица, причем точность для него – как раз около размера этого самого атома. Поэтому мы не можем описать движения электрона как движение Земли вокруг Солнца или чего-то подобного, мы можем только говорить о том, что есть электронное облако – некоторая зона, в которой точно находится электрон.
Квантово-механическая модель атома тоже не является конечной точкой, но на данный момент – это все, что может наука сказать про строение атома. Остается надеяться, что она не будет такой же долгоиграющей, как Демокритов атом.
Подпишись, чтобы не пропустить новые интересные посты!
Привет, котаны! Пока многие греют жёпки на пляже, поговорим об опасности, которая ждёт в море.
Rip current - так будет на буржуйском. У нас же можно услышать вариации: отбойное течение, отбойная волна, разрывное течение, рип, тягун. Это явление представляет собой вид морских и океанических прибрежных течений, направленных перпендикулярно берегу в сторону моря. Понимаете, на что я намекаю? Да, это та штука, которая поможет вам заплыть подальше без вашего желания.
Отбойные течения возникают во время волнений, когда приливная вода начинает отходить от берега с разной интенсивностью. Разрывное течение образуется из-за того, что ветер и разбивающиеся волны толкают поверхностные воды к суше. Это вызывает небольшое повышение уровня воды вдоль берега. Этот избыток воды будет стремиться вернуться в открытую воду по пути наименьшего сопротивления. Когда есть локальная область, которая немного глубже, например, разрыв в прибрежной песчаной косе или рифе, это может позволить воде легче поступать в море, и это инициирует течение через этот разрыв.
Вода, поднявшаяся вблизи пляжа, течет вдоль берега к разрыву в виде "питающих течений". Избыток воды вытекает под прямым углом к пляжу в узком течении, называемом "горловиной" разрыва. "Горловина" - это место, где течение наиболее быстрое. Когда вода в разрывном течении выходит за пределы линий набегающих волн, поток расходится вбок, теряет мощность и рассеивается в так называемом "напоре" разрыва.
Отбойные течения могут образовываться у берегов океанов, морей и крупных озер всякий раз, когда есть волны достаточной энергии. Они часто возникают на постепенно понижающемся берегу, где разбивающиеся волны приближаются к берегу параллельно ему, или где подводный рельеф способствует оттоку в одной конкретной области. Местоположение некоторых из них повторяется всегда в одних и тех же местах, но тягуны могут внезапно появляться и исчезать в разных местах вдоль пляжа. Появление и исчезновение отбойных течений зависит от рельефа дна и точного направления, с которого приходят прибой и волны. Разрывные течения возникают везде, где наблюдается сильная изменчивость разбивания волн вдоль берега. Эта изменчивость может быть вызвана такими особенностями, как песчаные отмели, пирсы и пристани, и даже пересекающимися волнами. Они часто располагаются в местах, где есть разрыв в рифе или низкая зона на песчаной косе. Такие течения, как только они сформировались, могут ещё углублять канал песчаной отмели.
То есть самые опасные рипы ожидают нас в мелководных морях с пологим и песчаным берегом, особенно при наличии рядом песчаных кос, островков и мелей. Привет Анапе, Туапсе, Азовскому и Балтийскому морю! Хотя явление это, конечно, международное.
Не стоит забывать, что отбойные течения начинаются у самого берега. Причём скорость и сила их такова, что они могут сбить с ног и подхватить вас, даже если вы в воде по колено. Отдать швартовы: скорость течения может быть 2,5-3 м/с. Хорошая новость: тягун не утянет вас на дно. Быстро движется только верхний слой воды. Также течения неширокие: не более 50 метров, обычно их ширина 10-20 метров. Ну, и всё когда-нибудь кончается, рипы тоже ослабевают с расстоянием.
О главном. Что делать, если вы попались? Банальность: не паникуйте. Не пытайтесь грести к берегу, бесполезно бороться со стихией, не тратьте силы. Спокойно, в удобном темпе, просто начинайте плыть параллельно берегой линии. Мы же помним, что тягун берегу перпендикулярен и вовсе не широкий. Уже выплыв из течения, нужно проплыть ещё дальше вдоль берега, потому что около него тягун расширяется, а попасть в него снова нам не нужно. И вот потом тихонько гребём к бережку за валерианкой и пивом.
Ещё один гениальный совет: если вы отдыхаете на оборудованных спасателями пляжах - они всегда предупреждают о наличии отбойных течений. Попробуйте их слушать. Например, когда я жила в Анапе, предупреждение о тягунах в море давали и вовсе по городской системе оповещения.
Если же пляж дикий, то стоит знать, как определить месторасположение отбойного течения с берега.
Если между волн есть видимый канал бурлящей воды, уходящей в море, то очевидно - что-то тут не то. Это рип. Но также часто в этом месте, наоборот, тихая и спокойная внешне вода. Это рип. Если видите перпендикулярно уходящую в море полосу воды, отличающейся по цвету от окружающего морюшка, лучше не лезть в это место. Скорее всего, это рип. Также, если в одном месте растительность, пена, пузыри постоянно движутся в сторону моря - нам с ними не по пути. Наконец, если между волнами, набегающими на берег, есть разрыв в несколько метров... Именно, это рип.
