Долой элементарность!

Научные достижения за истекшую неделю, разумеется, не ограничиваются новостями, опубликованными в нашей рубрике. Мы старались отбирать самое интересное, но и кроме этого произошло немало увлекательного - особенно в исследованиях и разработках, связанных с микромиром. В частности, ученые поняли, где искать элементарные частицы, из которых предположительно состоят неделимые кварки, собрались измерять массу фотона, придумали броуновский двигатель и узнали, что напряженность электрического поля в живой клетке составляет несколько миллионов вольт на метр. Предлагаем читателю краткий обзор новостей науки.

Шведские физики придумали, как можно проверить гипотезу о том, что даже кварки и лептоны не являются истинно элементарными частицами, а состоят из преонов. Статья будет опубликована в Physical Review Letters, препринт выложен на arXiv.org.

По мнению исследователей, если преоны существуют, то во Вселенной можно надеяться обнаружить устойчивые сгустки "преонной" материи. Такие сгустки состоят из преонов, не объединившихся в более сложные частицы. Сгустки не очень массивны (не больше 100 масс Земли), но очень малы (меньше метра в диаметре). Нижняя граница размера не установлена: вполне может существовать преоновый сгусток размером с горошину и массой примерно с Луну.

Увидеть столь маленькие объекты в космосе, разумеется, нельзя, но можно обнаружить их по косвенным эффектам: в частности, по искривлению света (а также других электромагнитных волн, особенно гамма-волн) под их гравитационным влиянием.

Используя отдельные фотоны (которые пока еще считаются элементарными частицами), австралийские физики научились проводить исключительно точные измерения длин. Исследователи могут теперь точно зафиксировать разницу длин, которая в десятки тысяч раз меньше диаметра человеческого волоса. Точнее, по их словам, уже практически невозможно: не позволяют законы квантовой механики.

Американские ученые тем временем решили измерить сами фотоны: выяснить, нет ли у них ненулевой массы порядка 10^-49 грамм. По современным теориям считается, что нет, но физики придумали новый сверхточный интерферометр, который позволит в очередной раз проверить закон Кулона (сила взаимодействия двух зарядов обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними). Если окажется, что закон Кулона хоть чуть-чуть, да нарушается, то придется внести исправления в основы современной теоретической физики и, в частности, признать массу фотона ненулевой.

Переходя от элементарных частиц к частицам очень маленьким, но все же уже побольше, упомянем бельгийских физиков, которые придумали броуновский холодильник, он же броуновский двигатель. Устройство использует дармовое движение, которым наполнен наш мир: тепловое движение атомов и молекул (им, в частности, вызывается хаотическое движение твердых частиц в газе или жидкости - броуновское движение).

Устройство состоит из двух микроскопических спиралей особой формы, насаженных на ось и разделенных тонкой мембраной. Одна спираль находится в теплом газе, другая в холодном. Когда устройство работает как двигатель, то внешняя сила к нему не прикладывается. Молекулы теплого газа сталкиваются со спиралью, передавая ей свою кинетическую энергию. Часть этой энергии по оси попадает к нижней спирали, которая передает ее молекулам холодного газа. За счет формы спиралей (сложнее всего, по словам исследователей, было именно определить форму спирали) возникает вращающий момент, и двигатель начинает крутиться. По расчетам, он может делать более тысячи оборотов в секунду - в зависимости от перепада температур.

Когда же устройство работает как холодильник, то к нему прикладывается внешняя сила: вращающая спираль в обратном направлении. Соединенные осью спирали отбирают кинетическую энергию у молекул холодного газа и передают ее молекулам теплого (как и система, действующая в обычном пищевом холодильнике). Устройство может использоваться, например, для охлаждения микросхем в компьютере.

Размер спирали броуновского двигателя-холодильника должен составить не более двенадцати нанометров, а диаметр сферического вольтметра, созданного сотрудниками Мичиганского университета, уже целых тридцать нанометров. По словам исследователей, вольтметр в тысячу раз меньше самого маленького из ранее существовавших измерителей напряжения. Смысл устройства в том, что оно позволило измерить напряженность электрического поля внутри живой клетки.

В клетку вводится не один, а сразу много вольтметров, каждый представляет собой наночастицу, покрытую специальной краской, цвет которой зависит от напряженности электрического поля, в котором она находится. Если направить на частицы поток синего света, они принимают красный и зеленый цвета. Соотношение красного и зеленого в клетке позволяет установить напряженность поля.

До сих пор этого никто не делал: ученым удавалось лишь измерить электрическое поле в клеточной мембране. Предполагалось, что в цитозоле (основном компоненте цитоплазмы) напряженность электрического поля близка к нулю, однако мичиганские исследователи получили совершенно иной результат. Несколько серий измерений показали, что напряженность может достигать 15 миллионов вольт на метр (для сравнения: в обычном доме напряженность электрического поля составляет пять-десять вольт на метр, непосредственно под ЛЭП - десять тысяч вольт на метр). Откуда берутся такие огромные значения и что с ними делать, пока не очень понятно.

Разумеется, новые открытия делаются и в масштабах побольше: и в привычном для нас земном, и во всегда популярном космическом.

Так, геологи составили подробнейшую топографическую карту одного из самых плоских мест на планете - солончака Салар-де-Уюни в Боливии. Карта пригодится для калибровки спутниковых радаров и альтиметров, а замечательным свойством солончака является то, что те небольшие неровности, которые на нем все же существуют, отлично коррелируют с участками, где гравитационное поле Земли немного выше (за счет неоднородности земной коры).

Астрономы же нашли очень молодые звездные системы (им также повезло на молодые галактики), отчасти поняли, как электроны ускоряются до невероятных скоростей во время солнечных вспышек, и промоделировали взаимодействие межзвездного газа и темной материи. Напомним также, что именно специалистов по "самому большому" - астрономов - физики призывают искать "самое маленькое" - гипотетические преоны.

Коротко говоря, наука не стоит на месте. Прогресс налицо, а значит, на следующей неделе нас будут ждать не менее увлекательные новости. Оставайтесь с нами.