Старейшая англоязычная газета Гонконга South China Morning Postсообщила, что китайские учёные создали работающий прототип микроволновой пушки на двигателях Стирлинга. Только представьте себе это чудо инженерной мысли в кузове грузовика (а она мобильная). Покрытые инеем хромированные части, окутанная клубами пара, ощетинившаяся излучателями. Настоящий стимпанк!
Пример двигателя Стирлинга. Изображение CSSC.
Двигатели Стирлинга работают с любым внешним источником тепла. У них замкнутое пространство для рабочего тела — газа или жидкости. По большому счёту под ними можно развести костёр и они начнут, например, вырабатывать электрическую энергию, если внутри установить линейный генератор. В случае микроволновой пушки двигатели Стирлинга в количестве четырёх штук работают как холодильники и, по-видимому, как генераторы. Сочетание технологий позволяет орудию работать непрерывно четыре часа. Как уверяют китайские учёные, благодаря двигателям потребление боевой микроволновой платформы составляет всего 1/5 часть от потребления похожих микроволновых пушек в случае батарейного, генераторного или сетевого питания.
Установка разработана учёными Северо-Западного института ядерных технологий в Сиане и Института электротехники Китайской академии наук в Пекине. В посвящённой разработке статье в журнале High Power Laser and Particle Beams, на который ссылается издание SCMP, утверждается, что пушка будет способна выводить из строя не только беспилотники, но также самолёты и даже спутники. Она способна вести огонь в движении на большой скорости из кузова грузовика, что сделает комплекс трудным для поражения противником.
Основой платформы стала сверхпроводящая катушка, создающая постоянное магнитное поле напряжённостью 4 Тесла. К примеру, это в 68 тыс. раз сильнее, чем напряжённость магнитного поля Земли. Даже Большой адронный коллайдер с кольцом ускорителя диаметром 27 км создаёт магнитные поля всего лишь в два раза сильнее. А здесь установка на колёсах. Она далека от совершенства, признаются разработчики, но следующие прототипы будут всё лучше и лучше. И когда-нибудь что-то подобное может быть принято на вооружение.
Чтобы двигатели Стирлинга могли отбирать тепло от сверхпроводящей катушки, для её изготовления был выбран такой высокотемпературный сверхпроводник, как редкоземельный оксид бария-меди (ReBCO). Двигатели Стирлинга не будут работать, если их остудить до температуры на 40-50 градусов Цельсия выше абсолютного нуля. Материал ReBCO обладает сверхпроводимостью как раз в этом диапазоне температур и необходимые для работы двигателей Стирлинга условия были соблюдены.
Редкоземельный оксид бария-меди китайцы традиционно покупали в США или у их союзников. Тогдашний президент США Дональд Трамп ввёл запрет на поставку в Китай этого материала, других и оборудования для их производства. Китайцам пришлось самим осваивать производство ReBCO, с чем они успешно справились. Более того, сейчас американские компании закупают ReBCO у китайского производителя Shanghai Superconductor, убедившись в лучшем качестве этой продукции в Китае, а не у производителей в США.
Кандинский 3.0 по запросу «Микроволновая пушка на паровом двигателе». Просто картинка.
К концу года Shanghai Superconductor обещает нарастить выпуск ленты ReBCO до 2000 км в год. Китаю ещё левитирующе скоростные поезда на сверхпроводящих магнитах строить, поэтому ленты нужно не просто много, а очень много. И для термоядерных реакторов сверхпроводящие магниты тоже нужны. В общем, не пушками едиными.
Мой канал в Телеграмме с ежедневными свежими короткими новостями науки, ИИ и технологий.
Физики из Университета Торонто разработали новый тип сверхпроводящего материала, который работает при температуре 10 градусов Цельсия. Это значительно выше, чем температура сверхпроводимости других материалов, которая обычно составляет несколько градусов ниже абсолютного нуля.
Новый материал, названный LaH10, состоит из лантана, водорода и гелия. Он обладает уникальными свойствами, которые позволяют ему поддерживать сверхпроводимость при более высоких температурах.
Это открытие может иметь важное значение для разработки новых технологий, таких как сверхпроводящие двигатели и кабели.
Данная подборка составлена из постов, которые я публиковал в своем телеграм-канале с физикой. Подборка состоит из классических опытов и демонстраций с кратким описанием.
1. Опыт Эрстеда
Известно, что вокруг движущихся заряженных частиц создается особый вид материи - магнитное поле. Следовательно, вокруг провода с током, который и является потоком большого количества заряженных частиц, также образуется магнитное поле. Этот вопрос был изучен Эрстедом в 1819 году.
Если поднести магнитную стрелку компаса к проводнику без тока, то проводник и стрелка никак не взаимодействуют. Однако при пропускании электрического тока стрелка поворачивается таким образом, чтобы направления магнитных полей от стрелки и от проводника совпадали.
Для демонстрации данного явления нужны токи порядка нескольких ампер, поэтому в качестве проводника используется медная трубка с большим сечением, чтобы сопротивление было как можно меньше.
2. Визуализация магнитного поля
При обсуждении магнитных полей используют термин - магнитная линия. Это такая условная линия, вдоль которой будут выстраиваться бесконечно маленькие магнитики, если их высыпать в достаточном количестве вокруг магнита. Магнитная индукция в любой точке направлена по касательной к магнитным линиям.
В видео показано несколько визуализаций магнитных линий от разных постоянных магнитов. В качестве визуализатора используют просто железные опилки.
3. Сила Ампера
Если поместить проводник, по которому течет электрический ток, в магнитное поле, то он начнет отклоняться. Причиной этому является сила Ампера.
Направление силы Ампера определяется по легендарному правилу левой руки. Берем левую руку, направляем четыре пальца по направлению тока, вектор магнитной индукции должен входить в ладонь, тогда большой палец указывает направление силы. Можете попробовать с векторами из видео.
Применение силы Ампера крайне обширно. Например, любые электродвигатели работают по закону Ампера.
4. Демонстрация силы Ампера - два параллельных проводника.
На видео показана классическая демонстрация закона Ампера.
Если пустить по двум расположенным близко проводникам ток, то они будут притягиваться, если токи направлены в одну сторону, и отталкиваться, если в разные стороны.
Объяснить данное поведение несложно. При прохождении тока каждый из проводников создает вокруг себя магнитное поле, как мы уже видели в опыте Эрстеда. То есть, левый проводник создает магнитное поле, в которое попадает правый, и наоборот. Таким образом, каждый проводник с током оказывается в магнитном поле, в результате чего возникает сила Ампера, притягивающая или отталкивающая проводники.
5. Демонстрация силы Ампера - рамка с током в магнитном поле.
Еще одна демонстрация силы Ампера. Если поместить рамку, по которой протекает ток, в магнитное поле, то на ее стороны начнет действовать сила Ампера, которая будет либо вращать рамку, либо ее растягивать.
Если рамка будет только одна, то она просто займет определенное положение, при котором силы Ампера направляются на ее растяжение, и вращение прекратится.
6. Электродвигатель
В электродвигателях используют тот же принцип - пускают по рамке ток и помещают ее в магнитное поле. Однако вместо одной рамки используют сразу несколько рамок, повернутых друг относительно друга. Это позволяет сделать движение непрерывным и плавным.
7. Электродвигатель из батарейки и магнитов №1
Широко известный опыт, который легко повторить самостоятельно.
Берем магнит, батарейку и медную проволоку. Загибаем проволоку в форму рамки с острием на одной стороне и кольцом на другой. Острие помещаем на полюс батарейки, батарейку ставим на магнит. Важно сделать кольцо таким, чтобы оно касалось магнита при вращении.
Объяснение крайне простое - при касании проволоки через нее протекает электрический ток благодаря батарейке. Как мы выяснили ранее, на проводник с током в магнитном поле (которое создает магнит) действует сила Ампера, которая и заставляет рамку вращаться.
8. Электродвигатель из батарейки и магнитов №2
Еще один своеобразный двигатель на батареечно-магнитной тяге. Повторить уже чуть сложнее, но можно.
Медная проволока закручивается в спиральку. Чем плотнее, тем лучше. Затем к полюсам батарейки цепляем по несколько магнитов и толкаем батарейку в спираль. Батарейка с магнитами движется по ней, как поезд по тоннелю.
Принцип работы прост. Сквозь магниты проходит электрический ток, поэтому по участку медной проволоки, который располагается между двумя магнитами, течет электрический ток. Как мы помним, вокруг проводника с током появляется магнитное поле. Таким образом, в системе есть два магнитных поля - от участка медной проволоки и от магнитов. Поля взаимодействуют друг с другом, и появляется движущая сила.
9. Сила Лоренца
Наряду с силой Ампера существует и другая сила в магнитном поле - сила Лоренца. Она действует на движущиеся заряженные частицы и также подчиняется правилу левой руки.
Если летящая заряженная частица попадет в магнитное поле, то перпендикулярно скорости на нее начнет действовать сила Лоренца, из-за чего частица будет двигаться по дуге окружности. Сила Лоренца не меняет скорость частицы, а только направление движения.
Вот эти два серых кольца называются катушкой Гельмгольца - просто две параллельных катушки медной проволоки. По ним идет ток, создавая вокруг колец магнитное поле, которое будет направлено от центра одного кольца к центру другого.
Из источника вылетает поток электронов, вызывающий свечение газа внутри колбы.
Поток электронов попадает в магнитное поле и начинает отклоняться под действием силы Лоренца. Степень отклонения и направление отклонения регулируется величиной и направлением тока в катушках. Красота же, ну!
10. Электромагнитная индукция
Познакомимся с еще одним интересным эффектом - электромагнитной индукцией!
Если поместить замкнутый проводник (подойдет даже кусочек провода, замкнутый сам на себя) в переменное магнитное поле, то по нему потечет электрический ток. Не нужно дополнительных проводов, батареек, гидроэлектростанций... Только замкнутый проводник и переменное магнитное поле.
Подчеркну, что ток будет течь только в процессе изменения магнитного поля. Как только магнитное поле установится неизменным, ток течь перестанет.
Есть три способа создать переменное магнитное поле. Все три продемонстрированы в видео.
1. Изменять магнитную индукцию. Если поле создается магнитом, то можно магнит перемещать. Если поле создается другим проводником с током, то достаточно постоянно менять силу тока.
Обратите внимание, что когда Павел Андреевич перемещает магнит - ток течет. Как только руки останавливаются - ток пропадает.
2. Изменять площадь проводника.
3. Поворачивать проводник.
11. Падение магнита в медной трубе. Токи Фуко.
Если взять магнит и отпустить его, то он испытает нечто вроде обычного падения. А вот если взять магнит и отпустить его в медную трубу, то он почему-то тоже падает, но гораздо медленнее. Это значит, что при падении появляется новая сила, которой без медной трубы не было.
Как мы недавно выяснили, если поместить замкнутый проводник в переменное магнитное поле, то по нему начинает течь ток. Так работает электромагнитная индукция.
Падающий магнит и создает переменное магнитное поле, которое возбуждает в медной трубке токи. Токи в объемных контурах называются токами Фуко. Эти самые токи Фуко создают вокруг себя новое магнитное поле. Получается целая цепочка превращений: падающий магнит создает переменное магнитное поле -> переменное магнитное поле создает токи Фуко -> токи Фуко создают новое магнитное поле. Соль ситуации в том, что это новое магнитное поле начинает 'противодействовать' магнитному полю магнита, результатом чего и является появление тормозящей силы.
12. Магнитный тормоз
Одно из распространенных применений электромагнитной индукции и токов Фуко - магнитный тормоз. Если проносить магнит над металлическими пластинами, то в пластинах будут возбуждаться токи Фуко, которые порождают вокруг пластин новое магнитное поле, тормозящее магнит.
Данное явление активно применяется в электромагнитных тормозах для поездов. Особенно оно актуально для сверхбыстрых поездов, для которых обычные тормоза являются уже крайне плохим решением.
13. Левитационная плавка
Еще одно из применений электромагнитной индукции - плавка и закалка металлов. На видео показана не хухры-мухры, а целая левитационная плавка!
Принцип работы прост - по катушке из толстенного медного проводника течет переменный ток, который создает переменное магнитное поле. Это поле возбуждает в железяке токи Фуко, которые и нагревают железо, и создают вокруг дополнительное магнитное поле, за счет которого деталь и держится.
Данный способ плавки активно используется в промышленности при работе с химически активными металлами и другими зверями.
14. Индукционная закалка
Помимо левитационной плавки с помощью электромагнитной индукции можно делать и обычную плавку, или, например, закалку.
На видео показан процесс закалки некоей шестерни с помощью электромагнитной индукции. По толстому медному проводнику течет переменный ток, приводящий к возникновению в металле шестерни токов Фуко, которые его и разогревают.
15. Электромагнитная индукция: кипячение воды в кювете.
Просто милый опыт, мне очень понравился.
На катушку, через которую течет ток и создает переменное магнитное поле, надета кювета - металлическая емкость, заполненная водой. По прошествии времени индукционные токи разогревают кювету, вода внутри тоже разогревается, начинает кипеть и вышибает пробку.
Реакция Валериана Ивановича бесценна :)
Если кювету не держать, то будет примерно так...
16. Гроб Магомета
Как мы уже видели ранее, магнит в медной трубе попадает под действие токов Фуко, вызываемых этим же магнитом, что приводит к чрезвычайно медленному падению.
Посмотрим на схожий опыт с электромагнитом. Серая пластина сделала из алюминия. Внутрь помещена катушка, вокруг которой при прохождении тока возникает магнитное поле. Данное магнитное поле генерирует в алюминии токи Фуко и заставляет катушку 'парить' над поверхностью.
Данный опыт при рассмотрении эффектов сверхпроводимости называют "Гроб Магомета", потому что гроб с телом пророка парил посреди Мекки. У физиков свои ассоциации, это точно!
17. Сверхпроводимость: эффект Мейсснера
Немножко посмотрим сверхпроводимость.
Существуют материалы, которые при охлаждении до низких температур (порядка температуры кипения жидкого азота) начинают обладать строго нулевым электрическим сопротивлением. Данное явление и называется сверхпроводимостью.
Если подвесить над сверхпроводником магнит, то внешнее магнитное поле будет создавать на поверхности сверхпроводника токи. Данные токи будут препятствовать проникновению магнитного поля вглубь материала. В таких случаях говорят, что сверхпроводник 'выталкивает' из себя магнитное поле, что и приводит к зависанию магнита. Явление называют эффектом Мейсснера, и именно оно показано на видео.
Еще несколько демонстраций, связанных с эффектом Мейсснера.
В видео:
1. Магнит поднимают, и проводник тянется за ним.
2. Раскручивают круглый магнит, висящий над сверхпроводником
3. Используют систему магнитов, которой можно придать любой наклон по отношению к сверхпроводнику.
18. Сверхпроводник на магнитных рельсах
Классический опыт, в котором сверхпроводник заставляют бегать по магнитным рельсам.
Обратите внимание на то, как автор опыта задает сверхпроводнику любое положение и ориентацию относительно магнитов.
Этот год стал годом научной драмы: от понимания происхождения человека и прорывов на Луне до расцвета искусственного интеллекта и новых пугающих изменений в климате.
1. Индийский луноход достиг обратной стороны Луны
В то время как западные миллиардеры занимались тем, что отправляли в космос ракеты, которые разбивались и сгорали, учёные из Индии спокойно делали то, чего никто до них не добился. Их лунный аппарат "Чандраян-3" стал первой миссией, достигшей южного полюса Луны - неизученного региона, где, как считается, существуют залежи замёрзшей воды. Я помню, как забилось моё сердце, когда по социальным сетям разлетелись снимки комнаты управления в Индии, на которых женщины-учёные старшего поколения празднуют своё невероятное достижение.
Успех "Чандраян-3", запущенного в июле 2023 года, показал всему миру, что Индия не только является крупным игроком в космосе, но и может успешно запустить лунный корабль за 75 миллионов долларов. Стоимость не маленькая, но она гораздо меньше бюджетов большинства других стран на лунную миссию.
Июль 2023 года стал чрезвычайно насыщенным месяцем для космических событий. Он начался с запуска спутника "Евклид", предназначенного для беспрецедентно детального изучения тёмной материи и тёмной энергии. Всего две недели спустя Китай успешно запустил первую в мире ракету на метановом топливе (Zhuque-2), продемонстрировав потенциально более экологичный способ космических путешествий, опять же при значительно меньших затратах. К тому же, метановый двигатель интересен не только тем, что он более экологичен, а тем, что 1) Он вырабатывает меньше сажи, а потому проще повторно использовать двигатель. 2) Метан потенциально можно добывать на Марсе.
Через две недели после посадки "Чандраян-3" был отправлен спать в очень холодную лунную ночь, но так и не проснулся; однако он сделал то, ради чего был отправлен: обнаружил серу на поверхности Луны и показал, что лунный грунт является хорошим изолятором. С увеличением разнообразия, снижением стоимости и экологичностью ракет, кажется, что человечество может оказаться на пороге новой, более доступной эры освоения космоса.
2. ИИ наконец-то начинает походить на настоящий ИИ
Стратосферный взлёт ChatGPT от OpenAI в этом году вызвал яростные дебаты в СМИ и других изданиях о будущей роли искусственного интеллекта и его последствиях для всех сфер жизни - от трудоустройства до здравоохранения.
Зачастую определить переломные технологические моменты можно лишь спустя долгое время, но 2023 год - один из тех редких годов, когда мы можем с уверенностью сказать, что мир за этот год сильно изменился. Это был год, когда искусственный интеллект (ИИ) наконец-то стал мейнстримом. Я имею в виду, конечно же, ChatGPT и его собратьев - большие языковые модели. Выпущенный в конце 2022 года, ChatGPT стал вирусным в 2023 году, поражая пользователей своим беглым изложением и, казалось, энциклопедическими знаниями. Технологическая индустрия, возглавляемая компаниями с триллионными оборотами, была поставлена в тупик успехом продукта компании, в которой работает всего несколько сотен человек. Сейчас, когда я пишу эту статью, идёт отчаянная борьба за лидерство на новом рынке "генеративного ИИ", о котором возвестил ChatGPT.
Почему ChatGPT добился такого впечатляющего успеха? Во-первых, он очень доступен. Любой человек с веб-браузером может получить доступ к самому сложному ИИ на планете. А во-вторых, он наконец-то стал похож на тот ИИ, который нам обещали - он был бы неуместен в кино, и он гораздо более речистый, чем компьютер из "Звёздного пути". Мы долгое время использовали ИИ, не осознавая этого, но наконец-то у нас появилось нечто реальное. Это не конец пути для ИИ, далеко не конец, но это действительно начало чего-то значительного.
Не'Кия Джексон (слева) и Калсиа Джонсон (справа) получают ключи от Нового Орлеана от мэра Латойи Кантрелл после того, как студенты нашли новое доказательство теоремы Пифагора.
В марте две девочки-подростка из Нового Орлеана, Калсиа Джонсон и Не'Кия Джексон, представили новое математическое доказательство теоремы Пифагора с помощью тригонометрии на региональной встрече Американского математического общества.
Что в этом особенного? В 1940 году в классической книге Элиши Лумиса "Пифагорейское предложение" был раздел "Почему невозможно найти доказательство с помощью тригонометрии, аналитической геометрии и алгебры". То есть, a^2 + b^2 = c^2 нельзя доказать с помощью sin^2(θ)+cos^2(θ)=1.
Это оттого, что у этих уравнений существует циклическая зависимость. Например: Если A верно, если верно B, и B верно, если верно A, то откуда нам знать, что A и B истинны?
Джонсон и Джексон не первые, кто вывел тригонометрическое доказательство теоремы Пифагора. Однако их доказательство с помощью "вафельного конуса" с использованием правила синуса и бесконечного геометрического ряда продемонстрировало большую креативность и математическую ловкость. В их подходе есть ограничения - например, он не работает, когда ∅=π/4 (45°). Но это поправимо.
В прошлом году Кэтрин Бирбалсинг, бывший советник по социальной мобильности при правительстве Великобритании, подверглась критике за то, что сказала, что девочки реже выбирают физику уровня A, потому что она включает "трудную математику". Достижения Джонсон и Джексон красноречиво говорят об обратном.
4. О нашей ранней миграции из Африки
Слепок черепа человека Херто, найденного в Эфиопии в 1997 году. Последние результаты исследования ДНК современных африканцев обогащают наши знания о предыстории человечества.
Наш вид происходит из Африки. В широком смысле это означает, что Homo sapiens появился на земле, которая сейчас называется Африкой, и большая часть нашей эволюции произошла там за последние полмиллиона лет. Остальной мир был заселён, когда несколько человек покинули эту панафриканскую колыбель в течение последних 100 000 лет. До недавнего времени об этом было известно в основном по костям давно умерших людей. Но восстановление ДНК из этих старых костей дало свои плоды. В октябре исследование, проведённое под руководством Сары Тишкофф из Университета Пенсильвании, показало, что небольшое количество ДНК неандертальцев в ныне живущих африканцах вошло в линию Homo sapiens ещё 250 000 лет назад где-то в Евразии, что означает, что мы покидали Африку несколько раз, и гораздо раньше, чем считалось.
Как были сделаны эти открытия? С помощью того, что парадоксальным образом упускалось из виду при изучении нашего африканского происхождения: на самом деле мы изучили геномы африканских людей.
Это может показаться незначительным и постепенным, но чем больше мы будем искать - особенно среди людей и областей, которые до сих пор были крайне мало представлены, - тем больше мы узнаем о нашей собственной истории.
5. Самый жаркий год в истории
Пожарный использует капельный факел для контролируемого выжигания во время лесного пожара недалеко от Вандерхуфа, Британская Колумбия, Канада, июль 2003
Согласно известной присказке, лягушка, брошенная в горячую воду, спасётся, но если лягушку держать в воде, медленно поднимая её температуру, то она не заметит опасности до самого конца. 2023 год станет самым жарким за всю историю наблюдений. Ранее этот рекорд был установлен семь лет назад, в 2016 году. Как сказал король Чарльз III на 28-й конференции по изменению климата, мы становимся невосприимчивыми к тому, что говорят нам рекорды.
Последствия жары нарастают. Более тёплые моря и более тёплая атмосфера способствовали событиям, которые принесли смерть и разрушения с ужасающей скоростью. В Ливии погибло более 10 000 человек, когда наводнение смыло город в море. Пожары охватили греческие острова и канадские леса. Тропический циклон "Фредди" обрушился на населённые пункты в восточной Африке, и без того страдающие от нищеты. Засуха и жара сделали некоторые регионы непригодными для жизни.
Хорошая новость заключается в том, что решения этой проблемы уже существуют. В прошлом году Великобритания произвела больше "зелёной" энергии, чем когда-либо прежде. Прогнозы искусственного интеллекта начали выполнять работу, с которой не могли справиться миллионы человеческих синоптиков, анализируя погодные и климатические данные с беспрецедентной скоростью. Спутник Nasa Swot начал измерять, где находится вся вода на Земле, помогая предотвратить будущие катастрофы.
Люди думают, что они умнее лягушек, но мы спасём себя, только если поймём, что мы сами и лягушки, и источник тепла, и психопаты-экспериментаторы.
6. Новая Crispr-терапия для лечения серповидно-клеточной болезни и бета-талассемии
Красные кровяные тельца человека с серповидно-клеточной болезнью. Британский регулятор одобрил инструмент геномного редактирования Crispr для лечения этого заболевания, а также бета-талассемии.
В последние годы расовое неравенство в здравоохранении получило широкую огласку. Для некоторых это стало причиной снижения доверия к медицинским наукам и услугам, включая профилактические меры, такие как вакцинация. Поэтому есть повод для радости в связи с тем, что Великобритания стала первопроходцем в биотехнологической терапии серповидно-клеточной болезни и бета-талассемии. Эти изнурительные, а иногда и смертельные заболевания, соответственно, чаще поражают чернокожее население и тех, кто имеет корни в южном Средиземноморье, на Ближнем Востоке, в Южной Азии и Африке. Впервые в мире британский регулятор лекарственных средств одобрил инструмент для редактирования генома Crispr-Cas9 под названием Casgevy для лечения заболеваний. Было показано, что эта терапия снимает изнурительные приступы боли при серповидно-клеточной болезни и устраняет или уменьшает потребность в переливании красных кровяных телец при талассемии по крайней мере на год.
Это радует, но ещё предстоит выяснить, как проявят себя потенциальные риски. Сохранятся ли положительные результаты в долгосрочной перспективе? Каковы последствия для безопасности? Например, существует вероятность того, что Crispr-Cas9 может иногда вносить непреднамеренные генетические изменения с неизвестным эффектом. Кроме того, стоимость такой терапии может достигать 2 млн долларов на человека. Будут ли эти заболевания и дальше оставаться в центре внимания при формировании бюджетов?
Тем не менее одобрение даёт повод для осторожного оптимизма - не в последнюю очередь потому, что включение групп, которые часто не учитываются, может ознаменовать небольшой, но важный сдвиг в сторону обеспечения более справедливого медицинского обслуживания.
7. Едим пирожные, заедаем Wegovy
Препарат Wegovy, впервые назначенный людям с диабетом, может помочь сотням миллионов людей, которые борются с ожирением, и, как оказалось, снижает риск сердечных приступов и инсультов.
В мире существует проблема с едой: 650 миллионов взрослых страдают ожирением, то есть имеют индекс массы тела (ИМТ) более 30 кг/м2 и потребляют больше калорий, чем может использовать их организм. С другой стороны, 735 миллионов человек во всём мире голодают. Однако от ожирения умирает больше людей, чем от недоедания. Поэтому открытие группы препаратов, известных как стимуляторы рецепторов глюкагоноподобного пептида-1 (GLP-1), можно только приветствовать. Изначально эти препараты GLP-1 были разрешены для борьбы с диабетом, а затем их стали использовать в качестве лекарств для снижения веса.
Wegovy, идеальный пример этих лекарств, работает, снижая уровень глюкозы в крови и заставляя людей быстрее чувствовать себя сытыми во время еды. В ходе двухлетнего клинического исследования, в котором приняли участие 304 человека, испытуемые, принимавшие Wegovy, потеряли 15 % массы тела, в то время как контрольные испытуемые потеряли только 3 %. Захватывающе, но в этом году мы также узнали из большого трёхлетнего исследования с участием пациентов с сердечно-сосудистыми заболеваниями, что Wegovy также снижает риск инсультов, инфарктов и смерти от сердечно-сосудистых заболеваний.
Может показаться, что теперь мы можем есть сколько угодно и получать за это инъекции, но у приёма Wegovy есть побочные эффекты, такие как тошнота, рвота, головные боли, усталость и возможный риск развития некоторых видов рака щитовидной железы. Кроме того, нам всё ещё нужно найти способ накормить голодающих.
8. Заявление о получении высокотемпературного сверхпроводника было встречено в штыки
Уже несколько десятилетий учёные находятся в поисках "святого Грааля" - сверхпроводника комнатной температуры. Сверхпроводник - это материал, который проводит электрический ток без сопротивления, но это замечательное свойство наблюдается только при температуре более чем на 100 градусов ниже комнатной.
В июле южнокорейская команда под руководством Сукбэ Ли и Джи-Хун Кима заявила о создании первого сверхпроводника комнатной температуры при нормальном давлении из соединения на основе свинца под названием LK-99. Такой прорыв мог бы позволить создать силовые кабели, проводящие ток без потерь мощности и уменьшить размеры МРТ-сканеров.
Ли, Ким и их коллеги разместили двеработы на сайте arXiv, где исследования иногда публикуются до рецензирования. Это вызвало бурю восторга и скептицизма: лаборатории по всему миру бросились пытаться воспроизвести результаты исследований, а LK-99 даже стал трендом в Twitter (теперь он известен как X).
К концу августа ведущие лаборатории не смогли воспроизвести результаты. В настоящее время все сходятся во мнении, что существованию важнейших признаков сверхпроводимости при комнатной температуре найдено недостаточно доказательств.
Чему учит нас эта история? Она показывает, что прежде чем делать поспешные выводы, необходимо тщательно изучить характеристики материалов, и что научное рецензирование может быть конструктивным и захватывающим. Даже если LK-99 не является святым Граалем, это не должно сдерживать поиски настоящего сверхпроводника при комнатной температуре и может открыть неожиданные пути для новых захватывающих исследований.
9. Уменьшение численности птиц связано с гербицидами и пестицидами
Белохвост (Saxicola rubetra) на поле масличного рапса. С 1980 года численность диких птиц в Европе сократилась на четверть (550 миллионов). Наиболее резкое сокращение наблюдается среди сельскохозяйственных птиц, и новое исследование предполагает, что причиной этого является использование пестицидов и удобрений.
Этот год стал рекордным - и не в лучшую сторону, если говорить об окружающей среде. Наряду с глобальным потеплением разворачивается ещё одна экологическая катастрофа: стремительная гибель дикой природы.
Несмотря на свою актуальность, кризис биоразнообразия освещается в восемь раз меньше, чем климатическая катастрофа. Поэтому, несмотря на то, что я обычно люблю позитивные исследования (такие как повторное обнаружение длинноклювой ехидны Аттенборо или изучение того, почему приматы любят двигаться по кругу), для своей подборки года я выбрал исследование, посвящённое сокращению численности европейских птиц.
За последние четыре десятилетия количество птиц в Европе сократилось на ошеломляющие 550 миллионов. До сих пор считалось, что основными причинами этого являются потеря среды обитания и загрязнение окружающей среды. Но команда исследователей под руководством Станисласа Ригала изучила данные о 170 видах птиц на 20 000 объектов в 28 странах, включая записи, собранные учёными-любителями, и пришла к выводу, что главным убийцей птиц является интенсификация сельского хозяйства. Точнее, это повышенное использование пестицидов и удобрений, которые не только лишают птиц пищи, но и напрямую влияют на их здоровье.
Такие масштабные исследования имеют решающее значение для влияния на принятие решений и приоритеты политики. Будем надеяться, что 2024 год принесёт положительные изменения в этой области.
10. Надежда на модели эмбрионов на основе стволовых клеток
Сканирование модели человеческого эмбриона из лаборатории Якоба Ханны в Институте Вейцмана, Израиль. Такие модели могут оказаться жизненно важными для нашего будущего понимания выкидышей и генетических заболеваний.
В июне на нас обрушился шквал статей и препринтов, описывающих, как можно начать с культур плюрипотентных стволовых клеток и, поместив их в пробирки, получить структуры, напоминающие ранние постимплантационные человеческие эмбрионы. Эту тему широко освещали в СМИ, в том числе на первых полосах некоторых газет. Наука, безусловно, заслуживает внимания - эксперименты показывают поразительную способность стволовых клеток дифференцироваться в соответствующие ткани, которые самоорганизуются в нужный паттерн. Однако, возможно, интерес СМИ вызвала и довольно жёсткая конкуренция между несколькими группами, участвовавшими в проекте.
Есть надежда, что модели эмбрионов на основе стволовых клеток станут практичной и "более этичной" альтернативой работе с обычными эмбрионами. Учёные смогут многое узнать о том, как мы развиваемся, и что идёт не так при врождённых заболеваниях, выкидышах и нередко неудачном искусственном оплодотворении (ЭКО), и, возможно, найти решения этих проблем.
Однако на данный момент ясно, что даже самые лучшие модели не эквивалентны нормальным человеческим эмбрионам, и самый строгий тест - спросить, можно ли их имплантировать в матку, - это то, что, по общему мнению, не следует пытаться делать. В настоящее время подавляющее большинство, возможно 99%, агрегатов, которые помещаются в культуру, не дают ничего, напоминающего человеческий эмбрион. Для того чтобы эти модели нашли применение, необходимо повысить их эффективность.
Редкое электронное состояние достигается благодаря особому кубическому расположению атомов (на фото), которое напоминает японское искусство ”кагоме". Полученные результаты дают ученым новый способ исследовать редкие электронные состояния в 3D материалах.
Электроны движутся через проводящий материал, подобно пассажирам поездов в разгар часа пик. Заряженные частицы могут толкаться и сталкиваться друг с другом, но по большей части им нет дела до других электронов, поскольку они несутся вперед, каждый со своей собственной энергией.
Но когда электроны материала оказываются в ловушке вместе, они могут перейти в одно и то же энергетическое состояние и вести себя как единое целое. В физике это состояние известно как электронная "плоская полоса". Ученые предсказывают, что когда электроны находятся в таком состоянии, они могут начать ощущать квантовые эффекты других электронов и действовать скоординированными квантовыми способами. Тогда может проявиться экзотическое поведение, такое как сверхпроводимость и уникальные формы магнетизма.
Физики из Массачусетского технологического института успешно захватили электроны в чистый кристалл. Впервые ученым удалось создать плоскую электронную полосу в трехмерном материале. С помощью некоторых химических манипуляций исследователи также показали, что они могут превратить кристалл в сверхпроводник — материал, который проводит электричество с нулевым сопротивлением.
Атомная геометрия кристалла делает возможным состояние захваченных электронов. Синтезированный физиками кристалл имеет расположение атомов, напоминающее плетеные узоры в "кагоме", японском искусстве плетения корзин. В этой специфической геометрии исследователи обнаружили, что электроны были "заключены в клетку", а не прыгали между атомами и располагались в одной и той же энергетической полосе.
Предисловие: после опровержения высокотемпературной сверхпроводимости в LK-99, в которую, признаться, мало кто верил, у читателя могли возникнуть вопросы о том, как вообще сверхпроводимость проявляется, почему высокотемпературные сверхпроводники уже не лежат в каждом доме и что за БКШ такое? Далее постараемся максимально просто в этом разобраться. По традиции, длиннопост.
Ещё со школьных времён мы знаем о трёх агрегатных состояниях: твёрдом, жидком и газообразном, в которых с переменным успехом могут находиться все вещества. Для начала разберемся, как такие состояния можно охарактеризовать с точки зрения энергии и её уровней.
Рассмотрим частицы газа - у них большая энергия, они не связаны друг с другом и могут преодолевать гравитацию, поэтому могут занимать весь доступный объём, равномерно по нему распределяясь. Если мы будем уменьшать энергию частиц, то есть охлаждать газ, то он перейдёт в жидкое состояние. У частиц энергии уже не так много, они уже не могут самостоятельно преодолеть взаимную силу притяжения и гравитацию, поэтому принимают форму сосуда, но всё ещё легко отделимы друг от друга. Охладим вещество ещё сильнее, теперь частицам энергетически выгоднее образовывать постоянные связи, то есть кристаллическую решётку, и становиться твёрдым телом. Тогда они уже не могут свободно перемещаться, но всё ещё могут колебаться около своих постоянных положений. Также эти связи тяжелее разорвать, поэтому, собственно, вещество и твёрдое.
Конечно, стоит оговориться, что это общая схема, и переход также зависит от внешних условий. Так, например, гелий может становиться жидким, но не может кристаллизоваться при атмосферном давлении при понижении температуры. Или углекислый газ из газового состояния переходит сразу в твёрдое (сухой лёд). Однако, общий принцип, что при понижении температуры частицы переходят в более низкое энергетическое состояние остаётся верен.
Понижения температуры сейчас бы не помешало...
Если мы продолжим охлаждать вещество ещё сильнее, до температур близких к абсолютному нулю, то можем заметить проявление квантовых эффектов, таких как сверхтекучесть и сверхпроводимость. Они возникают, потому что мы опускаем вещество на самый низкий энергетический уровень. Но тут возникает особенность в виде разделения всех частиц на 2 группы: бозоны и фермионы по их свойству, а именно - спину.
Бозоны, например, протоны и нейтроны, а значит и ядро атома, обладают целочисленным спином: 0, 1, 2, ... Их можно описать с помощью статистики Бозе-Эйнштейна, которая говорит нам, что на самом низком энергетическом уровне может находиться сколько угодно много частиц. Любое взаимодействие - это частица получает или отдаёт энергию. Но из-за квантования уровней, если энергия для передачи не равна энергии до следующего уровня, она не передаётся. То есть взаимодействия с другими частицами не происходит, и вещество течёт без изменения энергии, то есть без трения. Это и есть сверхтекучесть.
Главные статистики
С другой стороны, сопротивление проводника тоже можно описать, как потери энергии электрона на взаимодействие (потерянная энергия затем высвобождается в виде тепла, поэтому проводники нагреваются). Однако, электрон имеет полуцелый спин (+1/2, +3/2, ...) и является фермионом. Фермионы описываются статистикой Ферми-Дирака и подчиняются принципу Паули, то есть на одном уровне не может находиться два фермиона с одинаковыми квантовыми числами. Электроны не могут опуститься на самый низкий уровень все вместе - у каждого из них должен быть свой отдельный уровень. Это означает, что при низких температурах у электрона по-прежнему остаётся большой простор для обмена энергией - он может принимать или отдавать, то есть вещество всё ещё будет обладать сопротивлением.
В этот момент на сцену выходит БКШ-теория, названная в честь Бардина, Купера и Шриффера. Для дальнейшего повествования нам важен только Купер. Он предложил механизм объединения двух электронов в одну квазичастицу. Так как электроны не могут находиться на самом низком энергетическом уровне, но в состояние с наименьшей энергией хочется, они придумали объединяться друг с другом в куперовские пары. Это не означает, что они сливаются вместе, это означает, что между ними образовывается связь, и их можно считать одной частицей с целочисленным спином, то есть бозоном, то есть они могут вместе оказаться на нижнем энергетическом уровне.
Chad куперовская пара и Virgin обычный электрон
Механизм образования куперовских пар на данный момент общепринят для объяснения сверхпроводимости при сверхнизких температурах (единицы кельвин). Такая пара, находящаяся в низком энергетическом состоянии, не отдаёт свою энергию (потому что нечего отдавать) и не принимает (потому что её недостаточно для разрыва пары, и перехода электрона на уровень выше), поэтому переносит заряд без взаимодействия, то есть без сопротивления.
Однако, сверхнизкие температуры на дороге не валяются. Каждый провод или магнит не поместишь в банку с жидким гелием или машину замкнутого цикла. Как минимум хочется уйти от температур в единицы кельвин до температуры жидкого азота (77 Кельвин) или даже до комнатных температур. При таких температурах низкими энергетическими уровнями и не пахнет, с чего бы электронам объединяться в пары? С того, что выбора мы им просто не оставим. Если один энергетический уровень отделить от остальных большой энергетической щелью, то электроны не смогут упасть вниз (столько энергий у них никто не возьмёт) и не смогут подняться вверх (столько энергии им никто не даст), тогда единственное, что им останется - объединиться в пару, чтобы остаться на уровне, и проводить ток без сопротивления.
Сказать просто, а вот сделать...
На практике, однако, это удаётся далеко не всегда, так как общей теории для высокотемпературных сверхпроводников нет, и мы не можем предсказать в какой конфигурации появится сверхпроводимость. Скорее всего, структура такого сверхпроводника должна быть слоистой, для получения нужных энергетических уровней. И скорее всего, в его составе будет медь или железо, так как основные рекордсмены имеют их в своём составе.
Для большей информации нужна теория, которая бы описывала и предсказывала сверхпроводимость при комнатной температуре. А для постройки такой теории нужно больше экспериментальных данных. В итоге, это долгий экспериментальный путь изготовления, измерения и анализа, чтобы наметить основные закономерности и получить применимый на практике результат.
Скоро ли будет найден сверхпроводник, который обеспечит нас летающими машинами и почти бесконечной энергией? Судя по результатам, не особо скоро. Но
Не прошло и месяца после публикации 23 июля препринта корейскими учёными Сокпэ Ли, Чжихун Ким и Янг-Ван Квон об открытии материала LK-99 с температурой сверхпроводимости <127°С (400°К) [1].
Несколько десятков групп по всему миру начали создавать и исследовать образцы LK-99. Горячая сверхпроводимость стала первым научным результатом, который бурно обсуждают в соцсетях по всему миру.
Корейские ученые нашли два доказательства сверхпроводимости LK-99: магнитная левитация и резкое падение сопротивления практически до нуля при температуре около 127°С.
Повторить сенсационные результаты не удалось никому, хотя некоторые группы наблюдали что-то похожее.
Оказывается, оба эффекта можно объяснить и без предположения о сверхпроводящей природе LK-99.
Объяснения были даны в сообщении научного журналиста Дэна Гаристо 16 августа на сайте журнала Nature [2], который подытожил результаты исследований. Его вывод: LK-99 не является сверхпроводником. К сожалению.
Магнитная левитация (эффект Мейснера) считается одним из убедительных признаков сверхпроводника. Видео опубликовал один из членов корейской группы Хён-Так Тим [3]. Образец LK-99 парил в воздухе, но одним концом упирался в магнит. Некоторые научные группы наблюдали тот же эффект.
Сейчас исследователи считают, что "полулевитация" образцов LK-99 наблюдалась из-за ферромагнитных примесей. Деррик ван Геннеп, бывший исследователь из Гарварда, сконструировал гранулу из прессованной графитовой стружки с приклеенными к ней железными опилками. Образец вёл себя так же, как и LK-99. Ниже приведены три видео левитации в магнитном поле: LK-99, графитовой стружки с металлическими опилками и сверхпроводника.
Частичная левитация LK-99 над магнитом [3]
Графитовый образец, покрытый ферромагнитной стружкой, парит над магнитом так же как LK-99. Видео Деррека ван Геннепа на Твиттере (Х) [4]
Эффект Мейснера в сверхпроводнике
Формула LK-99 CuO2P6Pb9, все компоненты: медь, фосфор, свинец - не ферромагнетики. Скорее всего, у корейцев и у других исследователей, которые наблюдали эффект «полулевитации», в образцах LK-99 были примеси.
Резкое падение сопротивления при температуре <127°С
Как оказалось, ещё в 1950х открыли эффект резкого спада удельного сопротивления сульфида меди Cu2S с 0,02 Ом·см до 0,002 Ом·см при температуре около <127°С (400°К) (график ниже) [5]. Тёплые сверхпроводники, открытые в конце 1980х включали в себя сульфиды меди. Корейцы отмечали в LК-99 примеси сульфидов меди, которые возможно и вызвали резкий спад сопротивления при переходной температуре около 100°С (373°К). К сожалению, очень низкое сопротивление, это ещё не сверхпроводимость.
Поскольку корейские ученые наблюдали оба эффекта: и резкое падение сопротивления, и магнитную левитацию, то они сделали вывод, что LK-99 это сверхпроводник, работающий при температурах <127°С. Похоже, что поторопились.
Проверки LK-99 продолжаются, но скорее всего он не является горячим сверхпроводником. Было бы правильно, если бы корейские ученые дали свои образцы для исследований, но они на контакт не выходят.
Может быть когда-нибудь "горячую" сверхпроводимость и найдут, теорией она не запрещена.