Кристаллы. Жеоды сами по себе достаточно интересны. Это полые структуры, образованные породой, покрытые изнутри кристаллическими агрегатами. Но помимо обычных жеодов встречаются так называемые энгидроагаты - это жеоды, заполненные жидкостью. Образуются они, когда богатая минералами вода просачивается через вулканическую породу. В результате медленного осаждения кристалла на породе, жидкость может оказаться запертой внутри жеоды. Такое образование может сохранять жидкость в течение десятков миллионов лет!

#crystal

Явление. Можно ли заставить объект свободно двигаться в гравитационном поле с ускорением, большим ускорения свободного падения? Да запросто! Если взять твёрдый стержень, один из концов которого закреплен, а второй конец свободно отпустить, то с ускорением свободного падения будет двигаться только одна точка на стержне, так называемый центр удара, расположенный в 2/3 от закрепленного конца. Все точки выше центра удара будут ускоряться быстрее g, что и иллюстрирует представленная демонстрация.

#effect

Научная статья. Великие итальянские учёные разработали метод по получению пышного теста для пиццы без использования дрожжей! Зачем? Ну, им стало обидно, что люди с аллергией на дрожжи не могут насладиться величайшим блюдом, придуманным человечеством.

Тесто для классической пиццы должно быть пышным, и стандартный метод придания ему этой пышности заключается в использовании дрожжей, которые выделяют углекислый газ и создают необходимые пузырьки в объеме продукта. Как же добиться того же эффекта без использования дрожжей? Технологии помогут! У авторов исследования появилась идея применить метод, используемый при изготовлении пористых пластиков, таких, как пенополистирол. Для его изготовления применяется автоклав, внутри которого создаётся переменное давление, насыщающее материал газом. Авторы потратили тысячи денег налогоплательщиков, чтобы разработать технологию применения этого метода к тесту для пиццы, и у них получилось! Тесто действительно насыщается газом и приобретает так желаемую пышность. К сожалению, пока что технология очень сырая, и однородность пузырьков газа в объёме продукта оставляет желать лучшего. Но, как мы знаем, самый длинный путь начинается с одного шага. Если у вас дома завалялся автоклав, может и вы сможете внести свой вклад в одно из самых полезных научных исследований современности.

Статья опубликована в Physics of Fluids 4 февраля 2022 года.

#paper

Изображение. Обложка свежего номера Science посвящена общественным проблемам, с которыми сталкиваются учёные. Учёные не являются самыми популярными людьми современности. Но и им приходится иметь дело с реакцией общественности на свои исследования. Конечно, мало кому есть дело до исследователей, работающих в оторванных от повседневной жизни областях. Но для учёных, исследующих насущные вопросы, такие как эпидемии или климат, ситуация иная. И пандемия коронавируса в значительной мере обострила эти проблемы. Опросы, проведенные Science, показывают, что около 40% ученых, работающих в социально значимых областях, сталкиваются с оскорблениями или угрозами, связанными с их деятельностью. Поступают они обычно от заговорщиков всех мастей, не желающих принимать научные результаты. Иногда эти угрозы не ограничиваются социальными сетями. Как говорил Карл Саган, "наука несовершенна, но это лучший инструмент, который у нас есть". Поэтому давайте ей доверимся.

#scimage

APOD. Это звезда Шольца, абсолютно обычная маленькая звёздочка, красный карлик с массой 0.15 солнечных, расположенный в 20 световых годах от нас. Примечательным его делает лишь его история. Когда-то, около 70 000 лет назад, когда наши предки ещё бегали по африканским саваннам, он был самым близким соседом Солнца. Примерно в то время звезда Шольца приблизилась к Солнцу на минимальное расстояние около 0.8 световых лет. По имеющимся данным, это самое близкое сближение Солнца с другой звездой. Напомним, что на данный момент самая близкая к нам звезда, Проксима Центавра, расположена примерно в 4 световых годах от нас.

Звезда Шольца прошла через внешние слои облака Оорта, и может стать источником большого количества долгопериодических комет. Но доберутся они до нас ещё не скоро.

#apod

История науки. Папа Римский Бенедикт XVI пытается перевести выдающегося английского физика Стивена Хокинга на тёмную сторону силы. Фото сделано в 2008 году на собрании Папской академии наук, на котором присутствовал и Хокинг. Позже, за два года до смерти, в 2016 году, Хокингу довелось встретиться и с папой Франциском.

Религиозным человеком Хокинг не был: "Я рассматриваю мозг как компьютер, который перестанет работать, когда его компоненты откажут. Для сломанных компьютеров нет ни рая, ни загробной жизни; это сказка для тех, кто боится темноты".

Тем не менее, саму возможность существования творца отрицать он тоже не смел: "Я считаю, что Вселенная управляется законами науки. Законы эти могли быть установлены богом, но бог не вмешивается, чтобы их нарушить".

#scihistory

Явление. Простенькая модель образования гравитационных волн при вращении двух массивных тел друг вокруг друга. На натянутом полотне, всё как мы любим.

Существование гравитационных волн предсказано общей теорией относительности уже сотню лет назад. Они представляют собой волновые возмущения самой метрики пространства-времени, порождаемые при колебании масс. Из-за того, что гравитация очень слабая сила, наблюдать гравитационные волны экспериментально мы научились совсем недавно, первое подтвержденное событие датировано 2015 годом. Для этого нужны поистине сверхвысокоточные многокилометровые интерферометры, способные измерять расстояние с точностью, превышающей размеры атомных ядер. С учетом всего этого, достаточно мощные и доступные для наблюдения гравитационные волны порождаются лишь очень высокоэнергетическими событиями, такими как слиняия черных дыр или нейтронных звёзд.

#effect

Изображение. Несколько красивых фотографий микрокультур, выращенных в чашках Петри. Фотографии сделаны на обычный смартфон с небольшой вспомогательной оптической системой. Автор, аспирант Университета Сан-Паулу, даже опубликовал научную статью, в которой делится подробностями обработки фотографий и утверждает, что предложенная им методика обработки снимков позволяет выяснить множество полезных характеристик фотографируемых культур.

#scimage

APOD. Совсем недавно, 21 марта, счетчик обнаруженных человечеством экзопланет - планет вокруг других звёзд - перевалил за 5000 штук. Мы добирались до этой цифры более тридцати лет от первой подтверждённой в 1991 году экзопланеты вокруг пульсара PSR 1257+12 (которая по совместительству является самой маленькой из всех найденных). На представленной анимации показано положение всех обнаруженных планет на небесной сфере относительно галактического диска. Цвет обозначает метод обнаружения - транзитный, доплеровский, астрометрический и т.д. Большинство найденных планет весьма велики - 30% являются газовыми гигантами (юпитерами), 35% ледяными гигантами (нептунами) и 31% суперземлями. Только оставшиеся 4% приходится на планеты, более-менее похожие на Землю. Связано это, по-видимому, не с тем, что их меньше, а с тем, что их сложнее найти. Ожидается, что с вводом в эксплуатацию обсерваторий следующего поколения новые экзопланеты будут находиться гораздо интенсивнее.

#apod

Новости науки. Для физика термин "информация" значит гораздо больше, чем мы под ним понимаем в повседневной жизни. Современная физика рассматривает информацию как вполне себе физическую величину, подчиняющуюся определённым законам. В 1968 году физик Рольф Ландауэр сформулировал принцип, носящий его имя, согласно которому необратимые операции над информацией неизбежно сопровождаются необратимыми физическими процессами. В более простой формулировке - если мы, например, стираем один бит информации, то это приводит к выделению определённого количества тепла (а значит, и к необратимому повышению энтропии). Принцип Ландауэра имеет глубокое философское значение, осмысление которого и заставило физиков рассматривать информацию, как физическую сущность. На сегодняшний день о принципе ещё спорят и пытаются опровергнуть, но только подтверждают. В квантовой механике информация также рассматривается, как сохраняющаяся физическая величина.

Со времён Эйнштейна мы знаем принцип эквивалентности массы и энергии. Повышение массы системы приводит к увеличению её энергии, а повышение энергии неизбежно выливается в увеличение массы. В 2019 году этот принцип был расширен. В новой формулировке к массе и энергии добавляется ещё и информация. Принцип эквивалентности массы-энергии-информации гласит, что при добавлении в систему одного бита информации, мы увеличиваем её массу и, соответственно, энергию на определённую величину. Теоретически даже было расчитано значение массы, соответствующей одному биту, оно составляет 3.19 × 10^-38 кг. Справедливость этого утверждения, например, означала бы, что заполненный жесткий диск весил бы больше, чем пустой. Причем не за счет дополнительных электронов, хранимых в ячейках памяти, а непосредственно за счет информации. В виду новизны и малой "массы" одного бита пока что никто не придумал, как этот принцип проверить.

И вот, буквально только что исследователь из университета Портсмута предложил реализуемый физический эксперимент для проверки принципа эквивалентности массы-энергии-информации. Эксперимент на самом деле весьма простой. При столкновении частицы и античастицы происходит их аннигиляция, сопровождающаяся выделением энергии. Например, когда сталкиваются электрон и его античастица - позитрон - происходит выделение двух высокоэнергетических гамма-квантов. Это давно известно и является манифестацией того самого принципа эквивалентности массы и энергии. Ученый утверждает, что если учитывать и информацию, которой обладают частицы, то в дополнение к двум гамма-квантам должны выделиться ещё два низкоэнергетических инфракрасных фотона с длиной волны около 50 мкм. Действительно, если мы удаляем из бытия частицу (а именно это происходит при аннигиляции), то мы неизбежно удаляем и информацию, которую она несёт.

Почему мы не замечали выделения таких фотонов ранее? Ведь аннигиляцию наблюдают уже очень давно. Ну, для этого нужно знать, что искать. Инфракрасное излучение присутствует повсеместно, и никому просто не приходило в голову искать два фотона в инфракрасном фотонном море. Теперь же, когда эксперимент и дизайн экспериментальной установки предложены, осталось только его провести, и тогда станет окончательно ясно, достойна ли информация занять почетное место в ряду фундаментальных физических величин нашей вселенной.

Работа опубликована в AIP Advances 4 марта 2022 года.

#news

Анимация. Одним из популярных способов описания динамики спинов в кристаллической решетке является модель Изинга. Каждая точка на экране это отдельный спин, который может иметь две ориентации - вверх или вниз (соответственно, быть белым или черным). Вещество ферромагнитно, это значит, что все спины очень хотят стать ориентированными в одном направлении. Препятствует этому температура. Если она велика, то тепловая энергия частиц превышает энергию магнитного взаимодействия, и частицы просто переключаются случайным образом. На представленной анимации температура постепенно уменьшается, благодаря чему магнитное взаимодействие играет всё большую роль и ориентирует частицы в конфигурацию из нескольких крупных магнитных доменов. Симуляция проводится без внешнего магнитного поля.

#animation

История науки. Изобретатель лазера Тед Майман позирует с синтетическим кристаллом рубина, послужившим рабочим телом для первого в истории лазера. Ориентировочно 1960 год.

Лазер принадлежит к тем немногим открытиям, которые полностью преобразили мир. Сложно назвать такую область науки или промышленности, в которой лазеры бы не использовались. Тем не менее, статью Маймана, описывающую первый рубиновый лазер, отказались публиковать в американском Physical Review Letters с формулировкой, что журнал не заинтересован в дальнейшей публикации статей, имеющих отношение к мазерам (мазеры были изобретены за несколько лет до этого. В них используется тот же принцип, что и в лазерах, но излучение генерируется в микроволновом диапазоне, а не в оптическом). В результате Майману пришлось отправить статью в британский Nature. Статья, кстати, занимает всего-лишь одну неполную страницу (да, в те годы такое ещё было возможным).

#scihistory

Изображение. Микрофотография бактерии (а точнее, двух бактериальных клеток) вида Klebsiella pneumoniae, удобно устроившихся на наноструктурированной подложке из диоксида титана. Такие наноструктуры в виде шипов производятся специально, чтобы придавать поверхности антибактериальные свойства. Шипы легко прокалывают клетки бактерий, что и произошло с левой клеткой. Правой, по-видимому, удалось избежать уничтожения. Но радости ей от этого всё равно мало. Изображение получено с помощью сканирующего электронного микроскопа.

#scimage

Новости науки. Ученые из Японского общества содействия науке создали самую маленьку в мире распределительную станцию для поездов. Роль рельсов выполняют молекулы ДНК, а поездами служат специальные моторные белки (динеины), "запрограммированные" по этим рельсам перемещаться. Более того, определённым образом меняя структуру ДНК, ученые могут посылать разные белки в разных направлениях, тем самым осуществляя распределение "поездов". На видео показана анимация процесса, а затем и реальные данные, составленные по микроскопическим снимкам. Технология не только послужит более полному пониманию процессов, происходящих внутри клеток, но и может помочь адресно доставлять вещества в медицинских приложениях.

Статья опубликована в Science 10 марта 2022 года.

#news

APOD. Ещё один атмосферный снимок из наследия великого Cassini. Ледяная луна Диона с диаметром около 1000 км на фоне Сатурна и его колец. Снимок сделан 20 декабря 2010 года и дополнительно обработан астрономом-любителем.

#apod

Изображение. Флуоресценция это процесс, при котором вещество поглощает падающее на него излучение (или другой источник возбуждения) и переизлучает поступившую энергию на другой частоте. Частота излучения определяется структурой энергетических уровней вещества. На фотографии лазерный луч синего цвета проходит через набор кювет, содержащих различные флуоресцентные красители. Как видно, поглощенное излучение может переизлучаться на всех цветах радуги. Интересно, что возбуждение красителя происходит только на оптическом пути луча, а остальной объем вещества остаётся инертным.

#scimage

Новости науки. Насколько быстро способна работать твердотельная электроника? Большинство людей, вероятно, назовёт цифру порядка нескольких гигагерц (миллиарды переключений в секунду), имея в виду микропроцессоры. Однако, современная электроника способна генерировать сигналы даже в области нескольких терагерц (тысячи миллиардов переключений в секунду). Но предел ли это? На сегодняшний день - да, пока не будут изготовлены более совершенные устройства.

Но, быть может, что-то ограничивает скорость электроники на более фундаментальном уровне - на уровне физических законов? Именно на этот вопрос попытались ответить ученые из института квантовой оптики в немецком Гархинге.

На фундаментальном уровне работа твердотельного электронного устройства сводится к перемещению электронов между энергетическими уровнями (например, в полупроводнике). Грубо говоря, электроны на одном уровне замыкают ключ, на другом - размыкают его. Такие переходы крайне быстры и во всех практических приложениях их просто считают мгновенными, хотя таковыми они, конечно, не являются - типичное время их протекания составляет аттосекунды и фемтосекунды (10^-18 - 10^-15 c).

Только совсем недавно начали появляться лазеры, способные генерировать импульсы столь короткой длительности. Это позволило ученым заглянуть под вуаль электронных переходов. Они направили фемтосекундный лазерный импульс на материал, который в основном состоянии является изолятором. При этом часть электронов, поглощая энергию лазера, возбуждается и переходит на более высокие энергетические уровни, на которых они могут свободно перемещаться и переносить ток. Исследователи проанализировали динамику этого процесса и выяснили, что максимальным фундаментальным пределом для частоты переключения электронного устройства является примерно 1 петагерц (миллион гигагерц). Так что, как ни крути, а транзисторы на вашем смартфоне быстрее работать не станут.

Оговоримся, что речь, конечно, идёт о привычной твердотельной электронике. Никто не утверждает, что изготовление более быстрых устройств невозможно в принципе (по другим технологиям). С другой стороны, и подвести электронику к этому пределу вряд ли получится - помешают другие, чисто технологические ограничения.

Статья опубликована в Nature Communications 25 марта 2022 года.

#news

Явление. Искровая камера это уже довольно устаревший вид детекторов ионизирующего излучения, который активно использовался в середине прошлого века, но потом был вытеснен более совершенными приборами. Тем не менее, они всё ещё пригодны для ряда демонстраций. Например, для обнаружения космического излучения. Искровая камера состоит из ряда металлических пластин, между которыми создаётся высокое, но недостаточное для пробоя газа напряжение. Когда частица космического излучения пролетает между пластинами, она оставляет за собой трек ионизированного газа, благодаря которому напряжение пробоя на пути следования частицы понижается, и образуется искра (лавинный разряд).

Доходящие до поверхности космические лучи состоят в основном из мюонов (70%), а также электронов и протонов. Все эти типы можно обнаружить с помощью искровых камер.

#effect