13 сентября
Бионика: учимся у природы
13 сентября 1960 года – день рождения бионики. Этот термин впервые прозвучал на американском национальном симпозиуме «Живые прототипы – ключ к новой технике».
Природа и люди строят по одним и тем же законам. Так почему бы нам не поучиться у мудрой природы? Бионика возникла на стыке биологии и инженерного искусства. Слово новое, а идея очень старая – еще Леонардо да Винчи пытался «позаимствовать» у птиц конструкцию летательного аппарата с машущими крыльями. Часто бывало и так: инженеры после долгих поисков находили свои решения, а потом оказывалось, что их идеи давно реализованы в природе. Современные высотные сооружения построены по тем же законам, что и стебли злаков. А конструкция Эйфелевой башни в точности повторяет строение большой берцовой кости человека – совпадают даже углы между несущими элементами. Или пример из истории авиации. Долгое время серьезной проблемой был флаттер – внезапно возникающие на определенной скорости вибрации крыльев, из-за которых самолет разваливался в воздухе за несколько секунд. После многочисленных аварий конструкторы нашли выход: крылья стали делать с утолщением на конце. Аналогичные утолщения были затем обнаружены на концах крыльев стрекозы. У глубоководных моллюсков инженеры позаимствовали идею слоистых конструкций: прочные ракушки моллюсков состоят из чередующихся жестких и мягких пластинок; когда жесткая пластинка трескается, то деформация поглощается мягким слоем и трещина не идет дальше. Бионика подтверждает: большинство человеческих изобретений уже «запатентовано» природой.
14 сентября
Рябь на ткани пространства
14 сентября 2015 года впервые были детектированы гравитационные волны.
Не часто в науке случаются открытия, которые ждали своего часа целых сто лет! Общая теория относительности, завершенная Эйнштейном к 1915–1916 гг. (см. 11 мая), предсказала существование гравитационных волн, подобных ряби на ткани пространства, создаваемой при движении массивных тел. «Охота на волны» началась в 1970-е годы. Идея детектирования такова: отслеживается расстояние между двумя не связанными друг с другом подвешенными зеркалами. Из-за колебаний пространства, вызванных гравитационной волной, это расстояние тоже колеблется, что может почувствовать лазерный луч благодаря явлению интерференции. Заметить смещение зеркал на расстояние порядка атомного – не проблема, но для детектирования ожидаемой гравитационной волны требуется зафиксировать смещение на тысячные доли размера атомного ядра! Фантастическая точность! И вот американский проект LIGO, включающий два идентичных детектора, отстоящих друг от друга на 3 тысячи км, впервые зафиксировал гравитационный сигнал из космоса! Наличие двух детекторов позволяет исключить случайный сигнал. А по разности прихода сигнала к детекторам можно определить, из какой части неба он пришел. Как выяснилось, это был гравитационный всплеск от слияния двух черных дыр в далекой галактике на расстоянии около 1,3 млрд световых лет. Такие события – большая редкость (ожидаемая частота в отдельной галактике – раз в тысячи лет). Конечно, если бы такое событие произошло в нашей Галактике, было бы гораздо проще его зафиксировать.
15 сентября
«Три кварка для мистера Марка»
15 сентября 1929 года родился американский физик Гелл-Манн, автор теории кварков, Нобелевский лауреат.
Благодаря современным ускорителям открыто более 300 элементарных частиц. Невозможно представить, чтобы все они были первичными кирпичиками материи! В 1964 году Гелл-Манн и, независимо от него, Дж. Цвейг предположили, что большинство этих частиц построены из двух или трех точечных фундаментальных частиц, названных кварками. Последующие исследования подтвердили правильность этой гипотезы. Правда, к 1995 году число кварков пришлось увеличить до шести (см. 10 ноября). Каждому кварку соответствует свой антикварк. Но хотя частицы и состоят из кварков, выбить эти кварки из них невозможно, они намертво «заключены» внутри частиц. Сталкивая на ускорителях частицы с огромными энергиями, мы не выбиваем из них кварки, а рождаем все новые и новые частицы.
Все кварки имеют дробные электрические заряды: +2/3 и –1/3 (в долях элементарного заряда). Протон и нейтрон, входящие в состав атомных ядер, состоят из самых легких кварков: u (от англ. up – верхний) с зарядом +2/3 и d (от англ. down – нижний) с зарядом –1/3. Кварковый состав протона uud (просуммируйте заряды этих кварков). Угадайте, а каков кварковый состав нейтрона?
Интересно, что необычное слово «кварк» имеет литературное происхождение. Это слово Гелл-Манн нашел в фантастическом романе Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану». Герой романа видит сон, в котором чайки кричат загадочные слова: «Три кварка для мистера Марка!» Таинственность слова вполне отвечает загадочной природе кварков.
16 сентября
«Осторожно! Немецкий воздух!»
16 сентября 1804 года французский физик и химик Жозеф Луи Гей-Люссак (1778–1850) совершил полет на воздушном шаре с научной целью, поднявшись на высоту 7 км.
Гей-Люссак был не просто кабинетным ученым. 26-летний Жозеф-Луи совершил два полета на воздушном шаре. Он обнаружил, что на высоте 7 км интенсивность земного магнетизма заметно не изменяется, и установил, что воздух имеет тот же состав, что и у поверхности Земли.
А вам имя Гей-Люссака наверняка знакомо по одному из законов школьной физики: объем газа при постоянном давлении пропорционален его абсолютной температуре. Когда в 1802 году Гей-Люссак проводил в Париже свои знаменитые опыты по тепловому расширению газов, ему были нужны стеклянные трубки, которые тогда вырабатывались стеклодувами только в Германии. Когда ученый их выписал, французские таможенники наложили такую высокую пошлину, что он не мог выкупить посылку. Об этом узнал его коллега Александр Гумбольд и решил помочь Гей-Люссаку. Он посоветовал отправителям запаять концы трубок и наклеить на них этикетки: «Осторожно! Немецкий воздух!» Воздух? Таможенного тарифа на воздух не существовало, и на этот раз трубки дошли до французского ученого без всяких пошлин.
Гей-Люссак во время одного из своих химических опытов лишился глаза. Как-то раз епископ Сиезский, самонадеянный богослов, сказал ему:
– Не понимаю, как можно быть ученым, имея всего один глаз! Что можно увидеть одним глазом?
– Да побольше вашего, – не растерялся Гей-Люссак. – Вот, например, я вижу у вас два глаза, а вы у меня только один!
17 сентября
«Превратить магнетизм в электричество»
Так написал Фарадей в своей записной книжке в 1822 году, после открытия Эрстедом и Ампером магнитных свойств тока (см. 24 сентября). В течение нескольких лет Фарадей возвращался к попыткам решить поставленную самому себе задачу – получить ток с помощью магнита, но безуспешно. Неудачи объяснялись тем, что он использовал постоянные токи и неподвижные магниты. Такие же попытки предпринимали Ампер и Араго в Париже и Джозеф Генри в Америке. Первого успеха Фарадей добился в конце августа 1831 года. На один сердечник были намотаны две обмотки; одна соединялась с источником тока, а другая – с гальванометром. При замыкании и размыкании первой цепи во второй цепи появлялся кратковременный ток. Это устройство стало прототипом современных трансформаторов. А 17 сентября 1831 года Фарадею удалось, наконец, получить ток с помощью одного лишь магнита, внося его внутрь спирали. Так было открыто явление электромагнитной индукции. Ключами к его пониманию стали опыты Фарадея. Полное изучение этого явления и формулировка закона потребовали еще 20 лет работы.
