Великая физика

Издательство «БИНОМ. Лаборатория знаний» выпустило книгу американского ученого и популяризатора науки Клиффорда Пиковера (Clifford A. Pickover) «Великая физика».

Клиффорд Пиковер работает в Нью-Йорке в Исследовательском центре IBM имени Томаса Уотсона. Он написал более 30 научно-популярных книг.

Книга «Великая физика» (в оригинале The Physics Book) была издана в 2011 году. Она состоит из 250 коротких эссе о различных физических открытиях, расположенных в хронологическом порядке. С некоторыми из них мы предлагаем познакомиться читателям Полит.ру.

Сонолюминисценция

Сонолюминесценция (СЛ) напоминает мне «световые оргáны» 1970-х гг., популярные на танцульках. Они создавали многоцветную подсветку, которая пульсировала в ритме музыки. Однако свет от СЛ, несомненно, намного жарче и короче, чем от ее психоделических аналогов!

Термин «сонолюминесцения» относится к испусканию коротких вспышек света при схлопывании пузырьков, порожденных в жидкости звуковой волной. Немецкие ученые Г. Френцель и Г. Шультес обнаружили это явление в 1934 г., когда проводили опыты с ультразвуком в емкости с фотопроявителем.На фотопленке получились мельчайшие точки от света, испущенного схлопывающимися пузырьками, появляющимися при включении звука. В 1989 г. физик Лоуренс Крам и его аспирант Фелипе Гайтан получили стабильную СЛ от одиночного пузырька, захваченного стоячей акустической волной: импульс света излучался всякий раз, когда волна сжимала пузырек.

Вообще говоря, СЛ может возникнуть, когда звуковая волна стимулирует образование газовой полости в жидкости (этот процесс называется кавитацией). При коллапсе газового пузырька создается сверхзвуковая ударная волна, и его температура повышается до значений, превышающих температуру на поверхности Солнца, – газ в пузырьке становится Плазмой. Схлопывание пузырька длится менее 50 пикосекунд (или 50 триллионных частей секунды). Вследствие столкновения частиц в плазме пузырек испускает синий свет и ультрафиолетовое излучение, а также рентгеновские лучи. В момент излучения диаметр пузырька примерно равен одному микрону – это размер бактерий. Температура в нем может подняться по крайней мере до 20 000 К – при такой температуре даже алмаз закипает! Некоторые ученые предполагали, что если бы температуру можно было поднять еще выше, СЛ пригодилась бы для получения термоядерного синтеза.

Раки-щелкуны умеют производить нечто похожее на сонолюминесценцию. Щелкая своими клешнями, они создают сжимающийся пузырек, генерирующий ударную волну. Она порождает громкий звук, оглушающий жертву, и тусклый свет, который можно зафиксировать с помощью фотоумножителей.

Дурацкая замазка

«Коллекция игрушек из “дурацкой замазки” (Silly Putty) в Национальном музее американской истории (Смитсоновского института) хранит множество удивительных историй о том, как этот необычный продукт стал американским явлением,– рассказывает говорит главный архивариус Джон Флекнер. – Мы заинтересовались этой коллекцией, потому что “дурацкая замазка” – замечательный пример изобретательности, предприимчивости и долговечности изобретений». (В России ее называют «жвачкой для рук» или используют кальку «хэндгам» с англ. handgum. – Прим. перев.)

«Дурацкая замазка» - пример неньютоновской жидкости

Это яркое пластичное вещество, с которым, возможно, вы сами играли в детстве, случайно изобрел в 1943 г. инженер Джеймс Райт из корпорации General Electric, когда соединил борную кислоту с кремний-органическим маслом. К его удивлению, полученный материал обладал удивительными свойствами, а изделия из него могли прыгать как резиновый мячик. (Дж. Райт занимался поисками синтетических заменителей натурального каучука, так что изобретение «дурацкой замазки» все-таки не было чистой случайностью. – Прим. перев.) Позже Питер Ходжсон, гуру американского маркетинга, распознал потенциальные возможности нового материала для производства игрушек и запустил производство пластиковых яиц. Брендом Silly Putty сегодня владеет фирма Crayola.

В наши дни к кремний-органическому полимеру добавляют другие материалы. Вот один из рецептов: около 65% диметилксилоксана, 17% кремнезема (кристаллического кварца), 9% тиксотрола ST (производные касторового масла), 4% полидиметилксилоксана, 1% декаметилциклопентасилоксана, 1% глицерина и 1% титановых белил. Изделия из этого материала не только прыгают, но и рвутся при резком растягивании. Оставленная в покое «дурацкая замазка» течет как жидкость и через какое-то время образует лужу.

В 2009 г. студенты провели опыт, сбросив двадцатикилограммовый шар из «дурацкой замазки» с крыши 11-этажного здания в Университете штата Северная Каролина. Шар ударился о землю и разлетелся на множество кусочков. «Дурацкая замазка» – пример неньютоновской жидкости с меняющейся вязкостью (зависящей, например, от приложенных сил). Это отличает ее от «ньютоновской жидкости», которая течет как вода. Вязкость ньютоновской жидкости зависит от температуры и давления, но не от сил, действующих на нее.

Зыбучий песок – другой пример неньютоновской жидкости. Если вы когда-нибудь застрянете в зыбучем песке, двигайтесь медленно и плавно, тогда он поведет себя как жидкость, и вам будет легче из него выбраться. В обратном случае зыбучий песок станет подобен твердому телу, из которого вырваться гораздо труднее.

Эффект Казимира

Эффектом Казимира чаще всего называют возникновение странной силы притяжения между двумя незаряженными параллельными пластинами в вакууме. Один из способов понять, что такое эффект Казимира, – это попытаться представить себе природу вакуума в соответствии с квантовой теорией поля.

Диаметр сферы на изображении, полученном в сканирующем электронном микроскопе, слегка превышает одну десятую миллиметра. Она движется к не показанной здесь гладкой пластинке благодаря эффекту Казимира. Исследования этого явления помогают ученым лучше предсказывать поведение частей сверхмалых устройств.

«Он далеко не пуст, – пишут физики Стивен Ройкрофт и Джон Свейн. – Вакуум наполнен флуктуирующими электромагнитные волнами, от которых просто невозможно избавиться. Он как океан – там всегда присутствуют волны, и остановить их нельзя. Эти флуктуирующие колебания имеют разные длины волн, и их присутствие означает, что даже в пустом пространстве есть некоторое количество энергии». Ее называют энергией нулевых колебаний.

Если две параллельные пластинки находятся очень близко друг от друга (например, на расстоянии нескольких нанометров), то длинные волны не помещаются между ними и количество энергии вакуума между пластинками будет меньше, чем снаружи. Это заставит пластины притягиваться друг к другу. Такое притяжение было впервые предсказано в 1948 г. голландским физиком Хендриком Казимиром.

Теоретики размышляли над различными приложениями эффекта Казимира. Например, предполагалось, что его «отрицательная плотность энергии» может использоваться для укрепления кровли туннелей («кротовых нор») между различными областями пространства–времени или же для создания левитирующих устройств на основе теоретического предсказания советского физика Евгения Лифшица, утверждавшего, что при некоторых условиях силы притяжения в эффекте Казимира сменятся силами отталкивания. Сегодня ученые работают над созданием роботизированных устройств в масштабах микро- и нанометров, и при создании таких крошечных устройств наверняка придется учитывать эффект Казимира.

В квантовой теории вакуум действительно рассматривается как море призрачных виртуальных частиц, то появляющихся, то исчезающих. С этой точки зрения, эффект Казимира возникает из-за того, что в пространстве между пластинами находится меньше виртуальных фотонов, поскольку там запрещены некоторые длины волн. Избыточное давление фотонов снаружи пластин стремится прижать их друг к другу. Отметим, что силы Казимира можно интерпретировать и в рамках других подходов без использования представлений об энергии нулевых колебаний.