Волшебные трубки
Развитием темы графена – листка углерода толщиной всего в 1 атом – являются так называемые углеродные нанотрубки.
По сути они представляют собой скрученные в цилиндр листы графена, и могут быть как одинарными, так и многостенными: несколько нанотрубок разного диаметра, вложенных друг в друга.
Такие трубки наследуют некоторые уникальные свойства графена, а также обладают рядом собственных. Например, нити из таких нанотрубок обладают колоссальной прочностью на разрыв: они в 50 раз прочнее стали. А если учесть, что теоретически можно изготавливать углеродные нанотрубки любой длины, то новый материал может обладать широким спектром видов использования – вплоть до создания так называемого космического лифта, который будет выводить грузы на околоземную орбиту без использования дорогостоящих ракет – просто поднимая их с помощью троса с поверхности земли, подобно обычному лифту.
Правда, пока длина нанотрубок, которые мы умеем производить, измеряется лишь десятками миллиметров.
Целый класс интересных применений нанотрубок следует из их электромеханических свойств – например, способностью генерировать электричество при механическом воздействии на них и обратно. Так, если мы намотаем нанотрубку в виде соленоида на некое эластичное волокно, а потом станем это волокно сжимать и растягивать, будет вырабатываться электрический ток. При этом износ подобных систем при сжатии и растяжении ничтожен.
С помощью подобных «генераторов», которые получили название твистронов, можно преобразовывать в электричество практические любые периодические механические нагрузки: например, движение поверхности воды в процессе распространения по ней волн или даже движение человеческого тела (дыхание, движение ног при ходьбе и т.п.).
Что вы скажете о кроссовках, вырабатывающих при беге электричество для зарядки вашего телефона или плеера?
И наоборот: углеродные нити можно заставлять скручиваться и раскручиваться под действием тепла и света. Это открывает путь к созданию нового поколения электрических двигателей, и даже искусственных мышц, почти неподверженных износу.
И это далеко не всё: углеродные нанотрубки могут найти широкое применение в изготовлении новых поколений аккумуляторов и солнечных батарей, в электронике, медицине и так далее.
Именно поэтому исследованием свойств нанотрубок и способов их получения сегодня занимаются сотни научных коллективов по всему миру!
На видео – опыт по производству энергии нитью-твистроном и схематическое пояснение эффекта.
Развитием темы графена – листка углерода толщиной всего в 1 атом – являются так называемые углеродные нанотрубки.
По сути они представляют собой скрученные в цилиндр листы графена, и могут быть как одинарными, так и многостенными: несколько нанотрубок разного диаметра, вложенных друг в друга.
Такие трубки наследуют некоторые уникальные свойства графена, а также обладают рядом собственных. Например, нити из таких нанотрубок обладают колоссальной прочностью на разрыв: они в 50 раз прочнее стали. А если учесть, что теоретически можно изготавливать углеродные нанотрубки любой длины, то новый материал может обладать широким спектром видов использования – вплоть до создания так называемого космического лифта, который будет выводить грузы на околоземную орбиту без использования дорогостоящих ракет – просто поднимая их с помощью троса с поверхности земли, подобно обычному лифту.
Правда, пока длина нанотрубок, которые мы умеем производить, измеряется лишь десятками миллиметров.
Целый класс интересных применений нанотрубок следует из их электромеханических свойств – например, способностью генерировать электричество при механическом воздействии на них и обратно. Так, если мы намотаем нанотрубку в виде соленоида на некое эластичное волокно, а потом станем это волокно сжимать и растягивать, будет вырабатываться электрический ток. При этом износ подобных систем при сжатии и растяжении ничтожен.
С помощью подобных «генераторов», которые получили название твистронов, можно преобразовывать в электричество практические любые периодические механические нагрузки: например, движение поверхности воды в процессе распространения по ней волн или даже движение человеческого тела (дыхание, движение ног при ходьбе и т.п.).
Что вы скажете о кроссовках, вырабатывающих при беге электричество для зарядки вашего телефона или плеера?
И наоборот: углеродные нити можно заставлять скручиваться и раскручиваться под действием тепла и света. Это открывает путь к созданию нового поколения электрических двигателей, и даже искусственных мышц, почти неподверженных износу.
И это далеко не всё: углеродные нанотрубки могут найти широкое применение в изготовлении новых поколений аккумуляторов и солнечных батарей, в электронике, медицине и так далее.
Именно поэтому исследованием свойств нанотрубок и способов их получения сегодня занимаются сотни научных коллективов по всему миру!
На видео – опыт по производству энергии нитью-твистроном и схематическое пояснение эффекта.
👍3
This media is not supported in your browser
VIEW IN TELEGRAM
Добавление в горящую субстанцию (спирт) солей металлов окрашивает пламя в различные цвета, слева направо: литий, кальций, натрий, медь, стронций, калий.
Новая детализированная версия знаменитого фото сверхмассивной чёрной дыры в центре галактики М87. Видны завихрённые потоки вещества аккреционного диска (материи, которую постепенно втягивает в чёрную дыру), напоминающие спирали галактик или... банальный водоворот в воронке ванны или раковины.
Кстати, сходство этих явлений является отнюдь не поверхностным: к образованию спиралевидных структур во всех трёх случаях имеют отношение сходные процессы - распространение упругих возмущений в жидкости и газе. Хотя есть и различие: к примеру, в аккреционном диске чёрной дыры ключевую роль играет магнитное поле.
Кстати, сходство этих явлений является отнюдь не поверхностным: к образованию спиралевидных структур во всех трёх случаях имеют отношение сходные процессы - распространение упругих возмущений в жидкости и газе. Хотя есть и различие: к примеру, в аккреционном диске чёрной дыры ключевую роль играет магнитное поле.
А знаете ли вы, что наше Солнце становится всё горячее и светит всё ярче?
По оценкам учёных в настоящее время Солнце увеличивает свою светимость на 1 % каждые 100 миллионов лет. Когда Солнце только образовалось, оно светило примерно на 30 % слабее, чем сегодня. К концу своей жизни на главной последовательности (перед превращением в красный гигант через 5 миллиардов лет) Солнце будет светить примерно на 70 % ярче, чем сейчас.
Но почему так происходит?
Солнце, как и любая другая звезда, существует в условиях равновесия двух сил: гравитации, стремящейся его сжать, и внутреннего давления, которое, наоборот, стремится расширить Солнце, увеличив его объём.
Это давление зависит от трёх основных параметров: оно пропорционально температуре, числу атомов, содержащихся внутри Солнца, и обратно пропорционально объёму Солнца.
При этом внутри Солнца постоянно идут термоядерные реакции, в которых ядра атомов водорода сливаются с образованием атомов гелия. Причём на образование одного ядра атома гелия расходуется, грубо говоря, четыре атома водорода. Иными словами, число атомов, из которых состоит Солнце, постепенно сокращается.
А значит, давление внутри Солнца постепенно уменьшается.
Чтобы скомпенсировать падение давления, Солнце постоянно немного сжимается. А при сжатии все газы нагреваются.
Возрастает и температура Солнца. С ростом температуры реакция термоядерного синтеза идёт ещё более интенсивно. Поэтому-то Солнце со временем светит всё ярче и ярче.
По оценкам учёных благодаря этому процессу Земля станет непригодной для жизни уже примерно через 1-1,5 миллиарда лет, превратившись в бескрайнюю пустыню без капли воды под плотным «одеялом» испарившихся океанов – в общем, Земля будет больше напоминать современную Венеру.
По оценкам учёных в настоящее время Солнце увеличивает свою светимость на 1 % каждые 100 миллионов лет. Когда Солнце только образовалось, оно светило примерно на 30 % слабее, чем сегодня. К концу своей жизни на главной последовательности (перед превращением в красный гигант через 5 миллиардов лет) Солнце будет светить примерно на 70 % ярче, чем сейчас.
Но почему так происходит?
Солнце, как и любая другая звезда, существует в условиях равновесия двух сил: гравитации, стремящейся его сжать, и внутреннего давления, которое, наоборот, стремится расширить Солнце, увеличив его объём.
Это давление зависит от трёх основных параметров: оно пропорционально температуре, числу атомов, содержащихся внутри Солнца, и обратно пропорционально объёму Солнца.
При этом внутри Солнца постоянно идут термоядерные реакции, в которых ядра атомов водорода сливаются с образованием атомов гелия. Причём на образование одного ядра атома гелия расходуется, грубо говоря, четыре атома водорода. Иными словами, число атомов, из которых состоит Солнце, постепенно сокращается.
А значит, давление внутри Солнца постепенно уменьшается.
Чтобы скомпенсировать падение давления, Солнце постоянно немного сжимается. А при сжатии все газы нагреваются.
Возрастает и температура Солнца. С ростом температуры реакция термоядерного синтеза идёт ещё более интенсивно. Поэтому-то Солнце со временем светит всё ярче и ярче.
По оценкам учёных благодаря этому процессу Земля станет непригодной для жизни уже примерно через 1-1,5 миллиарда лет, превратившись в бескрайнюю пустыню без капли воды под плотным «одеялом» испарившихся океанов – в общем, Земля будет больше напоминать современную Венеру.
👍2
Туманность Вуаль, также известная под названием Рыбачья сеть – след от взрыва сверхновой, случившегося примерно в 1400 световых годах от Земли примерно 8000 лет тому назад.
За это время высвободившийся в результате взрыва газ разлетелся на расстояние примерно 50 световых лет от центра взрыва. В итоге некоторые астрономы даже подразделяют Вуаль на несколько независимых туманностей.
За это время высвободившийся в результате взрыва газ разлетелся на расстояние примерно 50 световых лет от центра взрыва. В итоге некоторые астрономы даже подразделяют Вуаль на несколько независимых туманностей.
Нейтронные звёзды – крайне интересные объекты: очень плотные (объём Земли при такой плотности составлял бы всего 1 кубометр!), очень горячие, очень быстро вращающиеся и окружённые очень мощными магнитными полями.
Не менее интересен и процесс рождения нейтронных звёзд на последней стадии жизни звёзд больших масс.
В ядрах звёзд материя сжата их гравитацией до сверхплотных состояний. Причём чем больше звезда, тем плотнее сжато вещество. Но у этого сжатия есть предел. Дело в том, что существует наиболее плотная упаковка электронов, из которых, наряду с нейтронами и протонами атомных ядер, состоит звёздное вещество. Когда этот предел достигнут (о природе этого предела мы тут говорить не будем, дабы не погружаться в дебри квантовой физики; кому интересно,можете погуглить про запрет Паули или дождаться соответствующего материала тут), сжать вещество больше не представляется возможным, какие бы давления мы не прилагали.
Именно в таком состоянии максимального сжатия пребывает вещество звёздных ядер на поздних этапах их эволюции.
Когда звезда окончательно сжигает всё своё термоядерное топливо, и термоядерные реакции внутри неё прекращаются, давление внутри звезды резко падает, и её объём начинает быстро сокращаться под действием её собственной гравитации. При этом сжимаются внешние слои вещества звезды - ядро, как мы уже говорили, сжать особо не получается.
При сжатии все газы нагреваются, и газ звёзд – не исключение. Когда же нагрев достигает определённых величин, начинается процесс, именуемый нейтронизацией.
Суть его следующая: электроны звёздного вещества начинают захватываться атомными ядрами, а точнее, содержащимися в них протонами. Поглотившие электроны протоны превращаются в нейтроны, попутно порождая нейтрино - "специальные" крошечные частички.
В результате концентрация электронов в звёздном ядре быстро и резко падает. Ядро снова становится сжимаемым, и за очень короткое время его объём резко сокращается примерно в миллиард (!) раз – до таких значений плотности, при которых наиболее плотной упаковки достигают уже нейтроны.
Мы помним, что при сжатии вещество нагревается, и температура ядра возрастает до миллиардов градусов. Кроме того, по закону сохранения момента импульса скорость вращения такого ядра резко возрастает.
В освобождённый сжавшимся ядром объём устремляется вещество из внешних слоёв звезды. Это крайне высокоэнергетический процесс, ведь в него вовлекаются массы, во много раз превышающие массу Солнца, причём скорость «падения» вещества может достигать четверти скорости света. Сталкиваясь с уплотнившимся ядром, потоки вещества как бы отражаются от него (как отскакивает от пола сброшенный с высоты мяч), устремляясь во внешнее пространство. Этому процессу также способствуют исходящие из ядра потоки нейтрино.
Разлёт вещества звезды, сопровождаемый сильным излучением, мы наблюдаем как взрыв сверхновой.
В результате основная часть массы звезды оказывается рассеянной в окружающем пространства в виде т.н. планетарной туманности. А сверхплотное ядро такой звезды, состоящее преимущественно из нейтронов, и образует то, что мы называем нейтронной звездой.
Не менее интересен и процесс рождения нейтронных звёзд на последней стадии жизни звёзд больших масс.
В ядрах звёзд материя сжата их гравитацией до сверхплотных состояний. Причём чем больше звезда, тем плотнее сжато вещество. Но у этого сжатия есть предел. Дело в том, что существует наиболее плотная упаковка электронов, из которых, наряду с нейтронами и протонами атомных ядер, состоит звёздное вещество. Когда этот предел достигнут (о природе этого предела мы тут говорить не будем, дабы не погружаться в дебри квантовой физики; кому интересно,можете погуглить про запрет Паули или дождаться соответствующего материала тут), сжать вещество больше не представляется возможным, какие бы давления мы не прилагали.
Именно в таком состоянии максимального сжатия пребывает вещество звёздных ядер на поздних этапах их эволюции.
Когда звезда окончательно сжигает всё своё термоядерное топливо, и термоядерные реакции внутри неё прекращаются, давление внутри звезды резко падает, и её объём начинает быстро сокращаться под действием её собственной гравитации. При этом сжимаются внешние слои вещества звезды - ядро, как мы уже говорили, сжать особо не получается.
При сжатии все газы нагреваются, и газ звёзд – не исключение. Когда же нагрев достигает определённых величин, начинается процесс, именуемый нейтронизацией.
Суть его следующая: электроны звёздного вещества начинают захватываться атомными ядрами, а точнее, содержащимися в них протонами. Поглотившие электроны протоны превращаются в нейтроны, попутно порождая нейтрино - "специальные" крошечные частички.
В результате концентрация электронов в звёздном ядре быстро и резко падает. Ядро снова становится сжимаемым, и за очень короткое время его объём резко сокращается примерно в миллиард (!) раз – до таких значений плотности, при которых наиболее плотной упаковки достигают уже нейтроны.
Мы помним, что при сжатии вещество нагревается, и температура ядра возрастает до миллиардов градусов. Кроме того, по закону сохранения момента импульса скорость вращения такого ядра резко возрастает.
В освобождённый сжавшимся ядром объём устремляется вещество из внешних слоёв звезды. Это крайне высокоэнергетический процесс, ведь в него вовлекаются массы, во много раз превышающие массу Солнца, причём скорость «падения» вещества может достигать четверти скорости света. Сталкиваясь с уплотнившимся ядром, потоки вещества как бы отражаются от него (как отскакивает от пола сброшенный с высоты мяч), устремляясь во внешнее пространство. Этому процессу также способствуют исходящие из ядра потоки нейтрино.
Разлёт вещества звезды, сопровождаемый сильным излучением, мы наблюдаем как взрыв сверхновой.
В результате основная часть массы звезды оказывается рассеянной в окружающем пространства в виде т.н. планетарной туманности. А сверхплотное ядро такой звезды, состоящее преимущественно из нейтронов, и образует то, что мы называем нейтронной звездой.
👍2
Одним из феноменальных свойств воды заключается в том, что горячая вода в некоторых ситуациях способна замёрзнуть быстрее, чем холодная.
В современной физике оно фигурирует как эффект Мпембы – по имени танзанийского школьника Эрасто Мпембы, в 1963 году попросившего объяснить этот эффект британского физика Денниса Осборна.
Осборн усомнился в существовании феномена и предложил школьнику провести научный эксперимент.
Эксперимент полностью подтвердил правоту Мпембы, и Осборн в 1969 году опубликовал его результате в журнале Physics Education, дав старт 50-летней научной дискуссии о причинах данного явления.
Лишь в 2013 году эффект Мпембы получил приемлемое объяснение в работе группы учёных во главе с Зи Чангом из Наньянгского технологического университета Сингапура.
Авторы теории полагают, что всё дело - в наличии у воды двух типов связей между атомами и молекулами.
Помимо обычной ковалентной связи, соединяющей атомы водорода и кислорода в молекулу H2O, в воде существуют ещё и т.н. водородные связи между водородом и кислородом в соседних молекулах. Подробнее об этом можно почитать здесь.
Так вот: Зи Чанг считает, что водородные связи способны также объяснить и эффект Мпембы. Нижеследующее изложение будет сильно упрощённым, но, на мой взгляд, передаёт суть явления.
Межмолекулярные и межатомные связи похожи на действие упругих сил: можно представить себе, что молекулы и атомы связаны друг с другом специальными «пружинками». Каждый атом водорода связан с двумя атомами кислорода с помощью двух «пружинок» разной природы: с атомом водорода «своего» атома – с помощью более короткой, но более упругой «пружинки» ковалентной связи и более длинной, но более слабой «пружинки» водородной.
При этом из-за наличия водородной «пружинки» ковалентная оказывается растянута несколько сильнее – то есть, в ней запасено чуть больше энергии, чем это было бы для одиночной молекулы воды (в отсутствие водородных связей, для лучшего понимания смотрите картинку).
Чем больше температура воды – тем меньше в ней водородных связей (водородные «пружинки» попросту рвутся из-за того, что молекулы движутся слишком быстро). А значит, тем меньше энергия, запасённая в ковалентных связях-«пружинках».
При охлаждении жидкости в ней начинает устанавливаться всё больше водородных связей.
При образовании каждой новой водородной связи происходит процесс «растягивания» ковалентной "пружинки", на который расходуется энергия. Это приводит к дополнительному охлаждению – не вследствие процессов обмена теплом с окружающей средой, а вследствие внутренних процессов в самой воде. В результате вода охлаждается быстрее, чем должна была бы.
При этом в изначально менее нагретой жидкости уже существует большее количество установившихся водородных связей (и, соответственно, уже растянутых ковалентных «пружинок»). А значит, данный механизм «внутреннего охлаждения» для неё будет действовать менее выраженно.
Проще говоря, изначально процесс идёт так, как ему и положено идти: более холодная изначально вода остывает быстрее. Однако когда изначально более горячая жидкость достигает температуры около 5-8 градусов Цельсия, при которой начинают массово образовываться стойкие водородные связи, скорость её охлаждения существенно возрастает. И при определённых соотношениях начальных температур возможна ситуация, когда горячая вода на этом этапе охлаждения «обгонит» холодную и замёрзнет первой.
Впрочем, даже при правильно подобранных разницах температур эффект Мпембы проявляется достаточно слабо и существует множество причин, почему он может не проявиться вообще. Например, жидкость нужно охлаждать достаточно резко, к тому же используя небольшие сосуды.
Картинка ниже – иллюстрация из оригинальной статьи Зи Чанга. Белый шарик в центре – атом кислорода. Справа – атом водорода «своей» молекулы воды, соединённый с ним короткой пружинкой сильной ковалентной связи. Слева – атом водорода «чужой» молекулы воды, связанный с данным атомом кислорода длинной пружинкой слабой водородной связи.
В современной физике оно фигурирует как эффект Мпембы – по имени танзанийского школьника Эрасто Мпембы, в 1963 году попросившего объяснить этот эффект британского физика Денниса Осборна.
Осборн усомнился в существовании феномена и предложил школьнику провести научный эксперимент.
Эксперимент полностью подтвердил правоту Мпембы, и Осборн в 1969 году опубликовал его результате в журнале Physics Education, дав старт 50-летней научной дискуссии о причинах данного явления.
Лишь в 2013 году эффект Мпембы получил приемлемое объяснение в работе группы учёных во главе с Зи Чангом из Наньянгского технологического университета Сингапура.
Авторы теории полагают, что всё дело - в наличии у воды двух типов связей между атомами и молекулами.
Помимо обычной ковалентной связи, соединяющей атомы водорода и кислорода в молекулу H2O, в воде существуют ещё и т.н. водородные связи между водородом и кислородом в соседних молекулах. Подробнее об этом можно почитать здесь.
Так вот: Зи Чанг считает, что водородные связи способны также объяснить и эффект Мпембы. Нижеследующее изложение будет сильно упрощённым, но, на мой взгляд, передаёт суть явления.
Межмолекулярные и межатомные связи похожи на действие упругих сил: можно представить себе, что молекулы и атомы связаны друг с другом специальными «пружинками». Каждый атом водорода связан с двумя атомами кислорода с помощью двух «пружинок» разной природы: с атомом водорода «своего» атома – с помощью более короткой, но более упругой «пружинки» ковалентной связи и более длинной, но более слабой «пружинки» водородной.
При этом из-за наличия водородной «пружинки» ковалентная оказывается растянута несколько сильнее – то есть, в ней запасено чуть больше энергии, чем это было бы для одиночной молекулы воды (в отсутствие водородных связей, для лучшего понимания смотрите картинку).
Чем больше температура воды – тем меньше в ней водородных связей (водородные «пружинки» попросту рвутся из-за того, что молекулы движутся слишком быстро). А значит, тем меньше энергия, запасённая в ковалентных связях-«пружинках».
При охлаждении жидкости в ней начинает устанавливаться всё больше водородных связей.
При образовании каждой новой водородной связи происходит процесс «растягивания» ковалентной "пружинки", на который расходуется энергия. Это приводит к дополнительному охлаждению – не вследствие процессов обмена теплом с окружающей средой, а вследствие внутренних процессов в самой воде. В результате вода охлаждается быстрее, чем должна была бы.
При этом в изначально менее нагретой жидкости уже существует большее количество установившихся водородных связей (и, соответственно, уже растянутых ковалентных «пружинок»). А значит, данный механизм «внутреннего охлаждения» для неё будет действовать менее выраженно.
Проще говоря, изначально процесс идёт так, как ему и положено идти: более холодная изначально вода остывает быстрее. Однако когда изначально более горячая жидкость достигает температуры около 5-8 градусов Цельсия, при которой начинают массово образовываться стойкие водородные связи, скорость её охлаждения существенно возрастает. И при определённых соотношениях начальных температур возможна ситуация, когда горячая вода на этом этапе охлаждения «обгонит» холодную и замёрзнет первой.
Впрочем, даже при правильно подобранных разницах температур эффект Мпембы проявляется достаточно слабо и существует множество причин, почему он может не проявиться вообще. Например, жидкость нужно охлаждать достаточно резко, к тому же используя небольшие сосуды.
Картинка ниже – иллюстрация из оригинальной статьи Зи Чанга. Белый шарик в центре – атом кислорода. Справа – атом водорода «своей» молекулы воды, соединённый с ним короткой пружинкой сильной ковалентной связи. Слева – атом водорода «чужой» молекулы воды, связанный с данным атомом кислорода длинной пружинкой слабой водородной связи.
Мы уже говорили о том, что во Вселенной вращающиеся вокруг общего центра масс объекты имеют свойство располагаться в виде плоского диска. Есть и другое подобное правило: если некий компактный массивный объект в космосе активно притягивает к себе большие объёмы вещества, то с его полюсов фонтанируют струи вещества.
Наиболее широко известен данный эффект у чёрных дыр, особенно сверхмассивных чёрных дыр в центрах галактик: такие потоки ещё называют релятивистскими струями, или джетами.
Чёрные дыры звёздных масс тоже порождают подобные потоки - например, когда поглощают материю звезды, внутри которой рождаются.
Способны порождать подобное и нейтронные звёзды на ранних этапах своей жизни, когда они особенно горячи и быстро вращаются, порождая особо мощные магнитные поля. Правда, чаще они излучают не плазму, а потоки радио- или рентгеновского излучения.
Наконец, даже обычные звёзды на ранних этапаж своей эволюции, будучи окружёнными значительными массами вещества газопылевого облака, из которого появились, похоже, тоже способны порождать полярные фонтаны: они известны как объекты Хербига-Аро.
А теперь плохая новость: мы пока не понимаем механику возникновения полярных струй. Они определённо связаны с магнетизмом, гравитацией и гидродинамикой; но как именно? Пока это загадка, относительно разрешения которой существуют лишь достаточно абстрактные качественные представления. Но учёные работают над тем, чтобы понять, почему так происходит.
Наиболее широко известен данный эффект у чёрных дыр, особенно сверхмассивных чёрных дыр в центрах галактик: такие потоки ещё называют релятивистскими струями, или джетами.
Чёрные дыры звёздных масс тоже порождают подобные потоки - например, когда поглощают материю звезды, внутри которой рождаются.
Способны порождать подобное и нейтронные звёзды на ранних этапах своей жизни, когда они особенно горячи и быстро вращаются, порождая особо мощные магнитные поля. Правда, чаще они излучают не плазму, а потоки радио- или рентгеновского излучения.
Наконец, даже обычные звёзды на ранних этапаж своей эволюции, будучи окружёнными значительными массами вещества газопылевого облака, из которого появились, похоже, тоже способны порождать полярные фонтаны: они известны как объекты Хербига-Аро.
А теперь плохая новость: мы пока не понимаем механику возникновения полярных струй. Они определённо связаны с магнетизмом, гравитацией и гидродинамикой; но как именно? Пока это загадка, относительно разрешения которой существуют лишь достаточно абстрактные качественные представления. Но учёные работают над тем, чтобы понять, почему так происходит.
👍1
Холодильник для антиматерии
На фото изображена экспериментальная установка для хранения и перевозки антипротонов - пожалуй, самого дорогого вещества на Земле.
Антипротон – это «злой двойник» обычного протона, имеющий одинаковую с ним массу, и равные по модулю, но противоположные по знаку остальные характеристики (электрический заряд и барионное число). При столкновении протона и антипротона (как и любых других частиц и античастиц) обе они аннигилируют – полностью превращаются в электромагнитное излучение.
Теоретически это делает антивещество «идеальным топливом», однако пока о практическом его использовании речь не идёт: стоимость производства 1 грамма антипротонов составляет около 25 миллиардов долларов США. Правда, это лишь в теории: на практике за всё время Человечество не произвело и миллионной доли грамма антивещества.
Пока что антипротоны и ещё более драгоценная вещь, антиатомы, состоящие из антипротонов, антинейтронов и позитронов («антиэлектронов») используются буквально поштучно в некоторых научных экспериментах в области физики элементарных частиц.
Несмотря на редкость антиматерии, учёным уже приходится придумывать способы обращения с этим драгоценным веществом. К примеру, в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН), где, кстати, находится крупнейшая установка по производству антипротонов, т.н. ELENA (Extra Low ENergy Antiproton) столкнулись с проблемой: как доставить «готовую продукцию» к «основному потребителю», установке ISOLDE (Isotope mass Separator On-Line facility), где изучают процессы, происходящие при столкновении античастиц и их систем с экзотическими атомами, имеющими сильно больше или сильно меньше нейтронов, чем им положено природой.
Расстояние между объектами составляет несколько сотен метров, но переправить антиматерию даже на это расстояние затруднительно: достаточно простого контакта с любым сделанным из обычной материи веществом, и драгоценная субстанция превратится в свет.
Для этого и спроектирована изображённая на картинке установка – электромагнитная ловушка, в которой антипротоны удерживаются в вакууме с помощью мощных магнитных и электрических полей без прямого контакта с веществом. Конструкцию можно будет грузить в кузов обычного грузовика, предусмотрена также система автономного электроснабжения на случай поломки транспортного средства по пути.
На фото изображена экспериментальная установка для хранения и перевозки антипротонов - пожалуй, самого дорогого вещества на Земле.
Антипротон – это «злой двойник» обычного протона, имеющий одинаковую с ним массу, и равные по модулю, но противоположные по знаку остальные характеристики (электрический заряд и барионное число). При столкновении протона и антипротона (как и любых других частиц и античастиц) обе они аннигилируют – полностью превращаются в электромагнитное излучение.
Теоретически это делает антивещество «идеальным топливом», однако пока о практическом его использовании речь не идёт: стоимость производства 1 грамма антипротонов составляет около 25 миллиардов долларов США. Правда, это лишь в теории: на практике за всё время Человечество не произвело и миллионной доли грамма антивещества.
Пока что антипротоны и ещё более драгоценная вещь, антиатомы, состоящие из антипротонов, антинейтронов и позитронов («антиэлектронов») используются буквально поштучно в некоторых научных экспериментах в области физики элементарных частиц.
Несмотря на редкость антиматерии, учёным уже приходится придумывать способы обращения с этим драгоценным веществом. К примеру, в Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН), где, кстати, находится крупнейшая установка по производству антипротонов, т.н. ELENA (Extra Low ENergy Antiproton) столкнулись с проблемой: как доставить «готовую продукцию» к «основному потребителю», установке ISOLDE (Isotope mass Separator On-Line facility), где изучают процессы, происходящие при столкновении античастиц и их систем с экзотическими атомами, имеющими сильно больше или сильно меньше нейтронов, чем им положено природой.
Расстояние между объектами составляет несколько сотен метров, но переправить антиматерию даже на это расстояние затруднительно: достаточно простого контакта с любым сделанным из обычной материи веществом, и драгоценная субстанция превратится в свет.
Для этого и спроектирована изображённая на картинке установка – электромагнитная ловушка, в которой антипротоны удерживаются в вакууме с помощью мощных магнитных и электрических полей без прямого контакта с веществом. Конструкцию можно будет грузить в кузов обычного грузовика, предусмотрена также система автономного электроснабжения на случай поломки транспортного средства по пути.
А вот так выглядит "цех по производству антиматерии" - установка ELENA (Extra Low ENergy Antiproton) в одной из лабораторий Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН).
Для производства антиматерии (точнее, антипротонов) поток обычных протонов, разогнанных до высоких скоростей, направляют на мишень, изготовленную из тяжёлых металлов. В процессе такой бомбардировки рождается множество частиц, в том числе и антипротоны. Задача установки ELENA - отделить их от других частиц и замедлить с околосветовых до условно небольших скоростей (официальное название установки - антипротонный замедлитель), на которых они могут быть использованы в дальнейших экспериментах.
За всё время существования ЦЕРН здесь получили несколько нанограммов (миллиардных долей грамма) антивещества.
Для производства антиматерии (точнее, антипротонов) поток обычных протонов, разогнанных до высоких скоростей, направляют на мишень, изготовленную из тяжёлых металлов. В процессе такой бомбардировки рождается множество частиц, в том числе и антипротоны. Задача установки ELENA - отделить их от других частиц и замедлить с околосветовых до условно небольших скоростей (официальное название установки - антипротонный замедлитель), на которых они могут быть использованы в дальнейших экспериментах.
За всё время существования ЦЕРН здесь получили несколько нанограммов (миллиардных долей грамма) антивещества.
This media is not supported in your browser
VIEW IN TELEGRAM
Тушить горящее на сковороде масло водой - очень плохая идея. Вообще физика тушения водой состоит в изоляции горящего вещества от кислорода. Но с маслом это не работает: оно легче воды, и вода в нём банально тонет, в результате контакт с воздухом не прекращается. Более того: как можно видеть в данном видео, горение становится более интенсивным.
Дело в том, что горит ведь не само масло, а его пары, поднимающиеся с поверхности. Температура масла на сковороде существенно больше 100 градусов, так что вода почти моментально вскипает, разбрызгивая масло и существенно увеличивая площадь испарения. Короче, результат вам не понравится.
Самый простой способ потушить горящее масло - накрыть сковороду крышкой. Это надёжно прекратит приток кислорода и горение. Если крышки под рукой нет, подойдёт толстая натуральная ткань (не синтетика - она сама отлично горит), также можно засыпать огонь негорючим сыпучим веществом - солью, содой, землёй из цветочного горшка и т.п.
Дело в том, что горит ведь не само масло, а его пары, поднимающиеся с поверхности. Температура масла на сковороде существенно больше 100 градусов, так что вода почти моментально вскипает, разбрызгивая масло и существенно увеличивая площадь испарения. Короче, результат вам не понравится.
Самый простой способ потушить горящее масло - накрыть сковороду крышкой. Это надёжно прекратит приток кислорода и горение. Если крышки под рукой нет, подойдёт толстая натуральная ткань (не синтетика - она сама отлично горит), также можно засыпать огонь негорючим сыпучим веществом - солью, содой, землёй из цветочного горшка и т.п.
Почему полосы на Юпитере более яркие, чем на Сатурне? Чтобы ответить на этот вопрос, сначала надо разобраться, почему эти полосы вообще возникают? Причина - тот же механизм циркуляций в атмосфере, который мы видим и на Земле: в одних точках планеты более горячий воздух поднимается вверх, в других - более холодный опускается вниз. Так вот: контрастный цвет полос объясняется тем, что в более горячих полосах аммиак, содержащийся в атмосфере планеты, замерзает, образуя отражающие солнечный свет ледяные облака.
Но почему тогда полосы на Юпитере заметно контрастнее чем на Сатурне?
Причина в том, что Сатурн находится дальше от Солнца, и средняя температура на нём ниже: порядка -170 Цельсия против примерно -110 у Юпитера. Из-за этого аммиак на Юпитере в различных зонах атмосферы то замерзает, то тает, существенно меняя оптические свойства атмосферы в той или иной атмосферной ячейке. На Сатурне же он весь находится в твёрдом состоянии во всех зонах, и поэтому столь резкого чередования не происходит, хотя оно есть.
Но почему тогда полосы на Юпитере заметно контрастнее чем на Сатурне?
Причина в том, что Сатурн находится дальше от Солнца, и средняя температура на нём ниже: порядка -170 Цельсия против примерно -110 у Юпитера. Из-за этого аммиак на Юпитере в различных зонах атмосферы то замерзает, то тает, существенно меняя оптические свойства атмосферы в той или иной атмосферной ячейке. На Сатурне же он весь находится в твёрдом состоянии во всех зонах, и поэтому столь резкого чередования не происходит, хотя оно есть.
Так называемая проблема трёх тел - одна из вещей, которые в своё время поразили моё воображение при изучении физики: оказывается, что в принципе невозможно рассчитать в общем виде траекторию движения трёх тел, находящихся в гравитационном взаимодействии друг с другом.
То есть, мы можем записать уравнение (дифференциальное, разумеется) движения этих точек. Но проблема в том, что в общем виде оно не решается. Мы можем, впрочем, численно решить его для частного случая такой системы (зная массы, начальные положения и начальные скорости точек, описать эволюцию этой системы за какой-то промежуток времени), но не более того. И это не потому, что мы плохо знаем математику: доказано, что общего решения такой задачи не существует в принципе.
Другой вариант - попытаться поискать такие наборы начальных условий, при которых движение трёх лет будет устойчивым: то есть, они не будут сталкиваться или разлетаться, а будут описывать некую одну и ту же орбиту, пусть подчас и весьма сложную.
До 21 века было известно всего 8 таких решений. Шесть из них касались случая, когда все три тела в начальный момент времени находятся на одной прямой. Ещё одно решение, так называемое решение Лагранжа, описывает движение тел равной массы, находящихся в углах равностороннего треугольника (Лагранж показал, что этот треугольник остаётся равносторонним и в ходе эволюции системы).
В 2013 году с помощью суперкомпьютеров сербские учёные Милован Шуваков и Велько Дмитрашинович нашли ещё 13 таких решений для тел равной массы. А в 2018 году в Шанхайском университете обнаружили ещё 234 новых решения.
Между тем, системы из трёх тел (например, трёх гравитационно связанных звёзд) в космосе встречаются не то чтобы редко: ближайшая к нам звёздная система Альфа Центавра, например, является тройной.
Интересным свойством таких систем является их неустойчивость: в результате сложных взаимных перемещений частей системы одна из них может в определённый момент времени обрести значительную скорость и быть как бы выброшенной за пределы системы. Частным случаем наличия таких решений задачи трёх тел является манёвр, известный как гравитационная праща, который уже сегодня применяют в космических полётах.
На картинке - орбиты движения тел в том самом решении Лагранжа с треугольниками.
То есть, мы можем записать уравнение (дифференциальное, разумеется) движения этих точек. Но проблема в том, что в общем виде оно не решается. Мы можем, впрочем, численно решить его для частного случая такой системы (зная массы, начальные положения и начальные скорости точек, описать эволюцию этой системы за какой-то промежуток времени), но не более того. И это не потому, что мы плохо знаем математику: доказано, что общего решения такой задачи не существует в принципе.
Другой вариант - попытаться поискать такие наборы начальных условий, при которых движение трёх лет будет устойчивым: то есть, они не будут сталкиваться или разлетаться, а будут описывать некую одну и ту же орбиту, пусть подчас и весьма сложную.
До 21 века было известно всего 8 таких решений. Шесть из них касались случая, когда все три тела в начальный момент времени находятся на одной прямой. Ещё одно решение, так называемое решение Лагранжа, описывает движение тел равной массы, находящихся в углах равностороннего треугольника (Лагранж показал, что этот треугольник остаётся равносторонним и в ходе эволюции системы).
В 2013 году с помощью суперкомпьютеров сербские учёные Милован Шуваков и Велько Дмитрашинович нашли ещё 13 таких решений для тел равной массы. А в 2018 году в Шанхайском университете обнаружили ещё 234 новых решения.
Между тем, системы из трёх тел (например, трёх гравитационно связанных звёзд) в космосе встречаются не то чтобы редко: ближайшая к нам звёздная система Альфа Центавра, например, является тройной.
Интересным свойством таких систем является их неустойчивость: в результате сложных взаимных перемещений частей системы одна из них может в определённый момент времени обрести значительную скорость и быть как бы выброшенной за пределы системы. Частным случаем наличия таких решений задачи трёх тел является манёвр, известный как гравитационная праща, который уже сегодня применяют в космических полётах.
На картинке - орбиты движения тел в том самом решении Лагранжа с треугольниками.
Небольшое дополнение к предыдущей публикации.
Проблема трёх тел получила довольно широкую известность благодаря одноимённому фантастическому роману китайского автора Лю Цысиня, в котором Земля оказывается под угрозой нашествия инопланетян из тройной звёздной системы, страдающих от катастроф, связанных с катастрофической нестабильности движения звёзд этой системы: планета то перегревается, то, наоборот, оказывается полностью замороженной.
Так вот. При всей безусловной годности первой книги, являющей собой хороший образец редкой в наши дни настоящей научной фантастики, и условной годности второй книги трилогии (в третьей автора, на мой взгляд, понесло куда-то не туда), уже в первой книге содержится, к сожалению, большая научная ошибка. Трисолярис, родная система инопланетян, не мог бы оставаться тройной звездой долгое время: средний срок жизни плотных тройных систем оценивается в 10 миллионов лет, по истечение которых они как правило избавляются от третьего компонента (его выбрасывает "гравитационная рогатка"), превращаясь в довольно стабильные двойные системы.
Для сравнения, для развития жизни на Земле до появления человека понадобилось около 3,5 миллиарда лет.
Не факт, что условия жизни на планете в такой системе в результате станут более пригодными для жизни. Однако важен факт: вряд ли тройная система сможет существовать достаточно долго для того, чтобы на ней успела развиться разумная жизнь (даже если это вообще возможно).
А так-то книга, повторюсь, рекомендуется к прочтению ценителями жанра.
Проблема трёх тел получила довольно широкую известность благодаря одноимённому фантастическому роману китайского автора Лю Цысиня, в котором Земля оказывается под угрозой нашествия инопланетян из тройной звёздной системы, страдающих от катастроф, связанных с катастрофической нестабильности движения звёзд этой системы: планета то перегревается, то, наоборот, оказывается полностью замороженной.
Так вот. При всей безусловной годности первой книги, являющей собой хороший образец редкой в наши дни настоящей научной фантастики, и условной годности второй книги трилогии (в третьей автора, на мой взгляд, понесло куда-то не туда), уже в первой книге содержится, к сожалению, большая научная ошибка. Трисолярис, родная система инопланетян, не мог бы оставаться тройной звездой долгое время: средний срок жизни плотных тройных систем оценивается в 10 миллионов лет, по истечение которых они как правило избавляются от третьего компонента (его выбрасывает "гравитационная рогатка"), превращаясь в довольно стабильные двойные системы.
Для сравнения, для развития жизни на Земле до появления человека понадобилось около 3,5 миллиарда лет.
Не факт, что условия жизни на планете в такой системе в результате станут более пригодными для жизни. Однако важен факт: вряд ли тройная система сможет существовать достаточно долго для того, чтобы на ней успела развиться разумная жизнь (даже если это вообще возможно).
А так-то книга, повторюсь, рекомендуется к прочтению ценителями жанра.
Telegram
Физика в картинках
Так называемая проблема трёх тел - одна из вещей, которые в своё время поразили моё воображение при изучении физики: оказывается, что в принципе невозможно рассчитать в общем виде траекторию движения трёх тел, находящихся в гравитационном взаимодействии…
Это дрон "Индженьюити" - вероятно, первый человеческий летательный аппарат, который совершит управляемый полёт в атмосфере другой планеты - а точнее, Марса.
Разработанный НАСА "марсолёт" уже доставлен на Марс и благополучно пережил первую марсианскую ночь. Сейчас он заряжает батареи перед первым полётом, пока учёные с Земли проводят диагностику всех систем дрона.
Первый полёт "Индженьюити" запланирован на 11 апреля. Это будет первым полётом земного летательного аппарата в разреженной атмосфере Марса.
Фото сделано марсоходом "Пресервенс".
Разработанный НАСА "марсолёт" уже доставлен на Марс и благополучно пережил первую марсианскую ночь. Сейчас он заряжает батареи перед первым полётом, пока учёные с Земли проводят диагностику всех систем дрона.
Первый полёт "Индженьюити" запланирован на 11 апреля. Это будет первым полётом земного летательного аппарата в разреженной атмосфере Марса.
Фото сделано марсоходом "Пресервенс".
Зачем нам лететь на Луну? Например, за дешёвой электроэнергией
И я говорю сейчас не о гелии-3 – идеальном топливе для термоядерных реакторов, которое на Земле не встречается. Возможно, Луна сможет давать нам электричество в значительных объёмах и до того, как мы освоим термоядерный синтез: речь идёт о проекте так называемого лунного энергетического пояса – полосы из солнечных электростанций, которая протянется вдоль всей окружности Луны по её экватору.
Солнечные батареи на Луне будут работать куда эффективнее их земных аналогов: на Луне нет рассеивающей и поглощающей свет атмосферы, кроме того, по той же причине там не бывает пасмурных дней. Там также нет ветра, который будет поднимать в воздух загрязняющую батареи пыль – в общем, КПД будет существенно выше, чем у земных солнечных станций.
По имеющимся оценкам, Лунный пояс шириной в 400 километров будет производить около 10 петаватт электроэнергии – это около половины всей потребляемой на Земле электрической мощности.
Правда, в теории все те же плюсы мы получим и при размещении батарей на орбите Земли. Но по сравнению с этим у лунного варианта есть одно колоссальное преимущество: в теории мы можем наладить производство батарей на Луне из местных материалов. По сути нам будет достаточно доставить на Луну лишь технику и, возможно, ограниченное количество материалов, которые всё-таки проще привезти с Земли. В результате стоимость создания Лунного пояса существенно уменьшится: по существующим оценкам, она составит около 200 триллионов долларов, что примерно в 6-15 раз меньше, чем стоимость строительства электростанций аналогичной мощности на Земле.
Доставлять произведённую на Луне электроэнергию на Землю можно посредством направленных пучков радиоволн или же мощных лазеров, «нацеленных» на специальные приёмники на поверхности Земли.
Разумеется, для того, чтобы начать реализацию такого проекта, на Луне предстоит построить весьма развитую инфраструктуру, и даже при максимальном применении робототехники для создания и обслуживания комплекса потребуется работа на Луне сотен человек в течение долгого времени.
Проработать соответствующие технологии помогут проекты лунных баз, разрабатываемые США, Россией, Китаем и другими странами – к сожалению, отдельно друг от друга, а не совместными силами.
На картинке – иллюстрация того, как это всё может выглядеть, а также того, как будет выглядеть «окольцованная» Луна с Земли.
И я говорю сейчас не о гелии-3 – идеальном топливе для термоядерных реакторов, которое на Земле не встречается. Возможно, Луна сможет давать нам электричество в значительных объёмах и до того, как мы освоим термоядерный синтез: речь идёт о проекте так называемого лунного энергетического пояса – полосы из солнечных электростанций, которая протянется вдоль всей окружности Луны по её экватору.
Солнечные батареи на Луне будут работать куда эффективнее их земных аналогов: на Луне нет рассеивающей и поглощающей свет атмосферы, кроме того, по той же причине там не бывает пасмурных дней. Там также нет ветра, который будет поднимать в воздух загрязняющую батареи пыль – в общем, КПД будет существенно выше, чем у земных солнечных станций.
По имеющимся оценкам, Лунный пояс шириной в 400 километров будет производить около 10 петаватт электроэнергии – это около половины всей потребляемой на Земле электрической мощности.
Правда, в теории все те же плюсы мы получим и при размещении батарей на орбите Земли. Но по сравнению с этим у лунного варианта есть одно колоссальное преимущество: в теории мы можем наладить производство батарей на Луне из местных материалов. По сути нам будет достаточно доставить на Луну лишь технику и, возможно, ограниченное количество материалов, которые всё-таки проще привезти с Земли. В результате стоимость создания Лунного пояса существенно уменьшится: по существующим оценкам, она составит около 200 триллионов долларов, что примерно в 6-15 раз меньше, чем стоимость строительства электростанций аналогичной мощности на Земле.
Доставлять произведённую на Луне электроэнергию на Землю можно посредством направленных пучков радиоволн или же мощных лазеров, «нацеленных» на специальные приёмники на поверхности Земли.
Разумеется, для того, чтобы начать реализацию такого проекта, на Луне предстоит построить весьма развитую инфраструктуру, и даже при максимальном применении робототехники для создания и обслуживания комплекса потребуется работа на Луне сотен человек в течение долгого времени.
Проработать соответствующие технологии помогут проекты лунных баз, разрабатываемые США, Россией, Китаем и другими странами – к сожалению, отдельно друг от друга, а не совместными силами.
На картинке – иллюстрация того, как это всё может выглядеть, а также того, как будет выглядеть «окольцованная» Луна с Земли.
...но основным коммерческим интересом на Луне всё-таки считаются планы по добыче там гелия-3. Это такой лёгкий изотоп гелия, в котором на 1 нейтрон меньше, чем в обычном гелии-4.
Гелий-3 на Земле не встречается, его производят искусственно. На Луне же он лежит просто так.
Гелий-3 является почти идеальным топливом для термоядерного синтеза. Проблема в том, что пока мы не умеем инициировать в нём термоядерные реакции, но мы активно учимся.
По оценкам учёных, эта задача будет решена через 20-30 лет. И если окажется, что гелий-3 нужен уже, а взять его негде, будет обидно.
Так что если мы всерьёз нацелены на термоядрный синтез как новый источник энергии, то лететь на Луну надо, причём как можно быстрее.
На фото - одна из визуализаций процесса добычи гелия-3 на луне в открытых карьерах с помощью горного комбайна.
Гелий-3 на Земле не встречается, его производят искусственно. На Луне же он лежит просто так.
Гелий-3 является почти идеальным топливом для термоядерного синтеза. Проблема в том, что пока мы не умеем инициировать в нём термоядерные реакции, но мы активно учимся.
По оценкам учёных, эта задача будет решена через 20-30 лет. И если окажется, что гелий-3 нужен уже, а взять его негде, будет обидно.
Так что если мы всерьёз нацелены на термоядрный синтез как новый источник энергии, то лететь на Луну надо, причём как можно быстрее.
На фото - одна из визуализаций процесса добычи гелия-3 на луне в открытых карьерах с помощью горного комбайна.