Архив номеров НиТ

Физика и математика

  • Помехоподавляющие фильтры - эффективное снижение помех от внутренних и внешних источников

    В последнее время количество подключаемых к сети радиоэлектронных средств постоянно растёт, что весьма негативным образом сказывается на состоянии линий электропередачи. К тому же, предполагается, что все радиоэлектронные средства осуществляют работу одновременно. Из-за этого во многих электрических цепях возникают помехи, которые следует подавить для нормального функционирования устройства.

  • Патент DE165546 Кристиана Хюльсмайера


    В 1886-1888 годах немецкий физик Генрих Герц провел эксперименты, в ходе которых он открыл существование электромагнитных волн, предсказанных теорией английского физика и математика Джеймса Максвелла, научился их генерировать и улавливать, а также обнаружил, что эти волны способны отражаться металлическими листами.
    В 1897 году русский физик и электротехник Александр Степанович Попов проводил опыты по радиотелеграфированию на кораблях Балтийского флота. Радиопередатчик был установлен на верхнем мостике транспорта «Европа», стоявшего на якоре, а радиоприемник — на крейсере «Африка». Во время этих опытов было обнаружено прекращение радиотелеграфной связи между этими кораблями при прохождении между ними крейсера «Лейтенант Ильин», т. е. имелось отражение радиоволн от корпуса и металлических частей этого крейсера. Но ни Герц, ни Попов не стали глубоко изучать это явление.

  • Что такое неодимовый магнит?

    Неодим является редкоземельным магнитным материалом. С его помощью можно достичь высокой степени сцепления с металлами, несмотря на небольшие размеры магнита. От обычных разновидностей магнита неодимовый аналог отличается наличием атомов лантаноидов. Кроме того, изделие имеет привлекательный внешний вид, который достигается благодаря тому, что магнит покрыт защитным никелированным слоем.

  • Проблемы обедненного урана


    Войска некоторых государств НАТО в ходе войн и военных конфликтов последнего десятилетия активно применяли в боевых действиях боеприпасы, содержащие так называемый обедненный уран (ОУ). По предположениям ряда экспертов, это стало причиной резкого увеличения числа онкологических заболеваний, в том числе лейкемии, среди миротворцев.

    Эти заболевания получили существенное распространение также и среди гражданского населения районов, подвергшихся бомбардировкам и обстрелам. Среди факторов поражения в абсолютном большинстве случаев отмечается высокая радиоактивность обедненного урана. Логически это вполне объяснимо с точки зрения общеобразовательного уровня неспециалиста, поскольку именно уран исторически играл основную роль как в открытии радиоактивности, так и в применении ядерных технологий (особенно имеющих крупномасштабные отрицательные последствия: атомные бомбардировки Хиросимы и Нагасаки; авария на Чернобыльской АЭС и трагедии на подводных атомоходах).
    Пентагон, ссылаясь на данные Всемирной организации здравоохранения, заявляет, что столь масштабного влияния на здоровье людей боеприпасы, содержащие обедненный уран, оказывать не могут.

  • Суперчисла в теории струн


    Еще в школе мы получили базовые знания о числах. Натуральные, рациональные, иррациональные, действительные числа и основные алгебраические операции над ними: сложение, вычитание, умножение и деление — чего же еще? Тем не менее математикам известно, что числовая система, которую мы изучаем в школе, т.е. множество действительных чисел, — лишь одна из возможных. Более того, другие системы зачастую оказываются полезнее для различных геометрических или физических приложений.

  • Фракталы во взаимно простых числах


    то произойдет с лучом света, если пустить его в замкнутую область, при этом границы области отражают луч? Вооружившись карандашом и листком в клетку, проведем эксперимент и посмотрим на его траекторию. Для простоты эксперимента будем использовать прямоугольную область.
    Алгоритм прост. Нарисовать траекторию можно на листке в клетку из школьной тетрадки. (рис. 2)
    Луч не сплошной, а периодический. Периодичность можно рассматривать как колебания векторов электрического и магнитного поля или как поток квантов — фотонов.
    Нарисуем прямоугольник со сторонами Q и P. Из угла пустим прерывистый луч под углом 45 градусов. Луч, отражаясь от сторон прямоугольника, рисует траекторию и исчезает в одном из углов. При этом, если размеры сторон Q и P — взаимно простые числа, получаем математический узор (если Q и P имеют общие делители, кроме 1 — луч опишет не полную траекторию) (рис. 2).
    Примечательным является то, что с разными значениями сторон (Q и P) получаются разные узоры (рис. 3).

  • Симуляция — путь к ядерному синтезу


    Физики из национальной лаборатории Сандия выяснили, что определенная разновидность системы для управляемого синтеза может обеспечить тысячекратное превышение энергетического выхода над затратами электричества, необходимого для розжига ядерной реакции.
    Исследованный, пока только в теории, метод получения энергии называется «намагниченный инерциальный синтез» (magnetized inertial fusion — MIF). Вкратце он работает так. Сначала готовят небольшую топливную капсулу цилиндрической формы. С внутренней стороны этой оболочки размещают замороженные дейтерий и тритий, а в центре — те же изотопы, но газообразные. Капсулу помещают в сердцевину машины. Там, чуть ниже и выше капсулы, расположены две электромагнитные катушки. При запуске аппарата сначала сравнительно маломощный лазер подогревает топливный заряд. Далее через катушки пропускается ток, который создает вертикальное магнитное поле, проникающее в оболочку топливного заряда. В следующее мгновение уже сама оболочка генерирует очень сильный импульс магнитного поля за счет прохождения через нее чрезвычайно большого тока (в десятки мегаампер).

  • Шаровая молния


    Шаровая молния — светящийся шар, который порой возникает при разряде линейной молнии, — одно из самых загадочных атмосферных явлений. Природа шаровой молнии до сих пор неизвестна, хотя первая научная публикация на эту тему — книга «Гром и молния» известного французского физика и астронома Франсуа Араго — была издана еще в 1838 году. Предлагаемая гипотеза — попытка объяснить механизм образования шаровой молнии на основе физики плазмы и газового разряда.

  • Этот нелинейный, нелинейный, нелинейный мир...


    Как родилась и эволюционирует наша Вселенная? Почему кольца Сатурна такие тонкие, но протяженные? Почему активность Солнца изменяется периодически с периодом около 11 лет? Что вызвало гибель динозавров? Отчего нас так пугают ослепительные вспышки молний, оглушительные удары грома, неистовые землетрясения, разбушевавшиеся вулканы? Отчего во время шторма возникает «девятый вал»? Почему цунами — столь грозная стихия? Почему рельеф снежных заносов волнистый? Почему у ягуара тело пятнистое, а хвост полосатый? И что объединяет эти совершенно не связанные между собой явления? Оказывается, все они — результат нелинейности.

  • Великий и ужасный большой адронный коллайдер


    Характерно, что запуск адронного коллайдера и будущие эксперименты с его использованием вызвали неподдельный интерес не только у физиков, как это обычно бывало, но и у «широких кругов общественности». Эксперименты и их вероятные мрачные последствия бурно обсуждались в Интернете, на телевидении и в печати. Газеты пестрели заголовками — «Большой адронный коллайдер — путь к катастрофе или открытиям?», «Большой адронный коллайдер — конец света!», «БАК: Будет Аннигиляционная Катастрофа?» и т.д. Страхи касались в первую очередь истории о страшной черной дыре, которая возникнет в месте столкновения частиц и, быстро разрастаясь, через некоторое время пожрет не только Женевский аэропорт и Юрские горы, но и всю нашу планету. Кроме того, было озвучено еще несколько апокалиптических сценариев, включающих превращение всех атомных ядер нашей планеты в так называемое «странное» вещество, разрушение протонов магнитными монополями и даже стремительное крушение привычной нам структуры всей Вселенной при расширении созданного в ускорителе пузыря «истинного» вакуума.

  • Жизнь без сопротивления


    В 1908 году голландский физик Хейке Каммерлинг-Оннес в Лейденском университете перевел в жидкое состояние последний из инертных газов — гелий и открыл для физиков область температур близкую к абсолютному нулю. Это позволило ученому экспериментально исследовать температурную зависимость электропроводности металлов при 0К. Проведя эксперименты на платине и золоте и не удовлетворившись полученными результатами, физик провел эксперименты с ртутью, которые показали, что сопротивление ее при 4,2К (температура кипения гелия) становится столь малым, что его не удавалось измерить имеющимися приборами. Был проведен эксперимент с более совершенным оборудованием, и 28 апреля 1911 года Камерлинг-Оннес на заседании Королевской академии наук в Амстердаме сообщил об обнаруженном им удивительном явлении — полном исчезновении электрического сопротивления ртути, охлажденной жидким гелием до температур 4,15К. В это время шла оживленная дискуссия — обращается ли в ноль или остается конечным сопротивление чистого металла в абсолютном нуле температуры. Будучи сторонником первой точки зрения, Камерлинг-Оннес с удовлетворением воспринял полученный на ртути результат, однако вскоре осознал, что обращение сопротивления в ноль при низкой температуре является совсем иным эффектом. А мировая научная общественность осознала важность и фундаментальность сделанного открытия, и уже в 1913 году Каммерлинг-Оннесу была присуждена Нобелевская премия по физике.

  • Настольные ускорители


    Плазменные ускорители разгоняют электроны до нескольких сотен МэВ и при этом помещаются на лабораторном столе. В ускорителях нового типа в качестве источника энергии используется не СВЧ-излучение, а луч лазера или пучок заряженных частиц, а роль ускоряющей структуры играет ионизированный газ, т.е. плазма. Одним из основных элементов конструкции становится электрический пробой, поскольку он необходим для ионизации газа. Казалось бы, ни то, ни другое не подходит для ускорения элементарных частиц: и в лазерном луче, и в потоке заряженных частиц есть сильные электрические поля, но их векторы перпендикулярны направлению распространения.
    А ведь в ускорителе электрическое поле должно быть продольным, т.е. направленным в сторону движения разгоняемых частиц. Дело в том, что когда лазерный луч или пучок заряженных частиц проходит через плазму, в ней может возникать мощное продольное электрическое поле.

  • Великая теорема Ферма. Часть 2


    Прошло ровно 40 лет после смерти Ферма, когда в 1705 году в семье священника Пауля Эйлера появился на свет следующий гений математики, внесший первый вклад в решение теоремы Ферма. Леонард Эйлер долгое время жил и работал в России, где и умер в 1783 году, дожив до глубокой старости даже по современным меркам. Математическое наследие Леонарда Эйлера невероятно богато. Мы же коснемся лишь той его части, которая непосредственно относится к теореме Ферма.

  • Великая теорема Ферма


    Будучи юристом по профессии и занимаясь математикой на досуге, для праздного удовольствия, Пьер де Ферма — как он выразился сам — «… установил множество исключительно красивых теорем». При этом он не представил на суд ни одного доказательства, упомянув, что лично ему все эти задачи удалось решить, бросая, как показало время, вызов не одному поколению сильнейших математиков.

  • Суперлинзы


    Около 40 лет назад ученый В. Веселаго предположил, что существуют материалы, у которых показатель преломления имеет отрицательную величину. Световые волны в таком веществе могут передвигаться против движения распространения светового луча и вести себя нестандартно. Линзы, которые изготовлены из такого материала, — иметь чуть ли не волшебные характеристики. Но Веселаго в процессе своей работы и многолетних поисков не обнаружил ни одного вещества, имеющего подходящие электромагнитные свойства, у всех исследованных им материалов показатель преломления оказался положительным. Потому о его идее вскоре забыли. Вспомнили о ней только в начале 21 века.

  • В самом начале начала


    Физики воссоздали условия, которые существовали в момент рождения Вселенной, и получили поразительные результаты.
    В течение последних пяти лет сотни ученых используют мощнейший ускоритель Брукхейвенской национальной лаборатории для создания условий, существовавших в момент рождения Вселенной. В Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) сталкиваются два встречных пучка ядер золота, движущихся почти со скоростью света. Столкновения атомных ядер, в результате которых возникают чрезвычайно горячие, плотные сгустки материи и энергии, имитируют события первых микросекунд после Большого взрыва. В коротких мини-взрывах, как в зеркале, отражаются самые первые мгновения нашего мира, когда материя была ультрагорячим, сверхплотным варевом из кварков и глюонов, мечущихся во все стороны и постоянно сталкивающихся друг с другом. Адский суп был приправлен щепоткой электронов, фотонов и других легких элементарных частиц. Его температура составляла триллионы градусов, и он был в сотни тысяч раз горячее, чем солнечное ядро.

  • Кристаллохимия


    В последние годы можно очень часто услышать слова «наночастицы» и «нанотехнологии», причем в абсолютно различных областях не только науки, но и повседневной жизни. Пиком моды считается возможность прибавить приставку нано- к любой продукции и любой технологии. Но, как правило, эта популярная приставка до сих пор остается загадочной для большинства потребителей, пользующихся продукцией, созданной якобы с применением нанотехнологий.
    Нанотехнология определяется как совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм хотя бы в одном измерении, и в результате этого получившие принципиально новые качества, позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба. Частицы размерами от 1 до 100 нанометров обычно называют «наночастицами». Наноматериалы — материалы, созданные с использованием наночастиц и (или) посредством нанотехнологий, обладающие какими-либо уникальными свойствами, обусловленными присутствием этих частиц в материале. Основными наноматериалами являются: углеродные нанотрубки, графен, фуллерен.

  • Старт в микро-космос


    В проекте Большого адронного коллайдера (коллайдер — это ускоритель со встречными пучками. — Прим. ред.) отразились все характерные особенности современной физики частиц. Эта область естествознания сегодня, как никогда ранее, имеет ярко выраженный интернациональный характер, интегрируя научно-исследовательские программы развитых стран мира. Проверка предсказаний существующих теорий, поиск и открытие новых фундаментальных частиц и закономерностей требуют создания ускорителей на предельно доступные энергии и регистрирующих приборов, способных обрабатывать в ходе эксперимента колоссальные объемы данных. Решение столь сложных задач по силам лишь большим международным коллаборациям ученых, специалистов во многих областях науки и техники, обладающим значительными интеллектуальными и материальными ресурсами и современными промышленными технологиями.
    Ведущие научные центры России, такие как Институт ядерной физики СО РАН, Институт ядерных исследований, Петербургский институт ядерной физики, ФИАН, Петербургский физтех, Институт физики высоких энергий, Курчатовский институт и другие, с самого начала активно участвовали в проекте. Один пример: только сотрудники ИЯФ СО РАН разработали, изготовили, установили и наладили 360 дипольных и 180 квадрупольных магнитов для инжекционных каналов коллайдера, сверхвысоковакуумное оборудование, электронный охладитель тяжелых ионов и множество другой высокотехнологичной аппаратуры суммарным весом около 5000 т!

  • Фотополимер — материал XXI века


    Термин «фотополимер» традиционно связывают со стоматологами, а также с чем-то инновационным и надежным. Первая волна моды на эти материалы, похоже, прошла, но вскоре, очевидно, сменится второй. Пока сдерживающим фактором выступают дороговизна или неразвитость производства компонентов. Но как не раз было в производстве пластмасс, подобные затруднения иногда решаются одним патентом в течение полугода, после чего идет рост популярности материала.

    Теоретические вопросы фотополимеризации композиций изобилуют спецтерминами. Наиболее уместно разделить их на фотосшиваемые и фотополимеризуемые материалы. Фотосшиваемые материалы уже являются полуполимерами (например, эфиры ПВС и коричной кислоты, поливинилциннаматы), для окончательного сшивания которых требуется облучение. Фотополимеризующиеся — как правило, композиции нескольких отверждаемых олигомеров и мономеров, полимеризующихся по классическому механизму при помощи фотоинициаторов или фотоинициируемых групп в своей полимерной цепи.

  • Неслышимый голос Вселенной


    В 1905 г. Альберт Эйнштейн предложил частную теорию относительности и опроверг представление о свете как о колебаниях гипотетической среды — эфира. Великий физик утверждал, что, в отличие от звуковых, световые волны могут распространяться в вакууме и для их существования не требуется какой-либо материальной среды. Это справедливо и в общей теории относительности, и в квантовой механике. Вплоть до сегодняшнего дня все экспериментальные данные в масштабах от субъядерного до галактического успешно объясняются названными теориями.
    Тем не менее существует серьезная концептуальная проблема: с позиций современной науки общая теория относительности и квантовая механика несовместимы. Гравитация, которую общая теория относительности приписывает искривлению пространственно-временного континуума, никак не вписывается в рамки квантовой механики. Физики сделали лишь небольшой шаг к пониманию сильно искривленной структуры пространства-времени, которая, согласно квантовой механике, должна наблюдаться на чрезвычайно малых расстояниях.

  • Когерентные волны материи


    Нас окружают предметы определенных размеров; мы точно знаем, где кончается наше тело, и уверены, что на одном стуле комфортно сидеть только одному. Однако в мире очень маленьких вещей, или в микроквантовом мире, все не так прозаично: стул и стол, уменьшенные примерно в десять миллиардов раз, до размеров атомов, потеряют свои четкие границы и даже могут занять одно место в пространстве, ничуть не мешая друг другу. Причина в том, что объекты квантового мира больше похожи на волны, проникающие друг в друга, чем на ограниченные в пространстве предметы. Поэтому в микроквантовом мире можно сидеть на одном стуле и втроем, и вдесятером.

  • Единая физика к 2050 году?


    Одна из главных задач физики — постигать замечательное разнообразие природы единым способом. Самые большие научные достижения прошлого были шагами к этой цели: объединение земной и небесной механики Исааком Ньютоном в 17 столетии; оптики с теорией электричества и магнетизма Джеймсом Клерком Максвеллом в 19 столетии; геометрии пространства-времени и гравитации Альбертом Эйнштейном с 1905 по 1916 год; а также химии и атомной физики в квантовой механике в 20-ых годах.
    Эйнштейн посвятил последние 30 лет своей жизни неудачному поиску «единой теории поля», которая объединила бы общую теорию относительности (его собственную теорию пространства-времени и гравитации) с теорией электромагнетизма Максвелла. Продвижение к объединению было сделано позже, но в другом направлении. Наша теперешняя теория элементарных частиц и сил, известная как Стандартная Модель физики элементарных частиц, достигла объединения электромагнетизма со слабыми взаимодействиями — сил, управляющих взаимопревращением нейтронов и протонов в радиоактивных процессах и в недрах звезд. Стандартная Модель дает отдельное, но похожее описание сильного взаимодействия, удерживающего кварки внутри протонов и нейтронов, а протоны и нейтроны вместе внутри атомных ядер.

  • Прошлое и будущее ЦЕРН


    ЦЕРН (CERN) — крупнейший в мире и единственный в своем роде научно-исследовательский центр в области физики элементарных частиц расположен к западу от Женевы на территории Швейцарии и Франции, у подножия горного массива Юра, геологические и сейсмические условия которого позволяют без опасения строить ускорители элементарных частиц.

  • Этот суперсимметричный параллельный мир


    Идея о существовании параллельного мира владеет человеком с незапамятных времен. Пожалуй, впервые она посетила кроманьонцев. Они оставили тысячи наскальных рисунков, которые отражали их отношение к неведомым силам параллельного мира, того мира, куда уходят души усопших соплеменников и погибших на охоте животных. Позже потомки этих древних обитателей нашей планеты строили дольмены, пирамиды и мавзолеи с одной лишь целью — обеспечить общение с обитателями параллельного мира.

  • Струнный концерт для вселенной


    В ближайшем будущем физика может вернуться к пифагорейской идее мировых гармоний. Но, разумеется, на новом уровне. В 1968 году два молодых теоретика из ЦЕРНа, Габриэле Венециано и Махико Сузуки, занимались математическим анализом столкновений пионов (в устаревшей номенклатуре – пи-мезонов). Венециано и Сузуки независимо друг от друга заметили, что амплитуду парного рассеяния высокоэнергетичных пионов можно очень точно выразить с помощью малоизвестной бета-функции, которую в 1730 году придумал Леонард Эйлер. В чистом виде ее используют редко, и говорят, что церновские физики наткнулись на бета-функцию случайно, просматривая математические справочники.