Юный техник, 2005 № 12

Так выглядит на стапеле один из модулей субмарины класса Virginia.

В. ЧЕТВЕРГОВ

Р.S.Субмарины, как вы уже поняли, отличаются и по своим размерам, и по водоизмещению. Бывают и лодки-малютки с экипажем из 1–2 человек и длиной всего 2–3 м, бывают и подводные ракетоносцы, длина которых измеряется сотнями метров, а в экипаже — до 200 человек.

На схеме приведены ориентировочные данные некоторых классов субмарин (по данным зарубежной печати). Под силуэтом каждой из них помечена длина в метрах. Сверху вниз показаны:

_{1. Немецкая подводная лодка класса 205–206 водоизмещением около 500 тонн. Скорость под водой 17 узлов. Вооружение — торпеды.}

_{2. Атакующая подлодка класса «Виктор-111» (СССР). Вооружение — торпеды. Подробности о силовой установке и водоизмещении неизвестны.}

_{3. Подлодка класса «Лос-Анджелес» (США) водоизмещением 2900 тонн. Вооружение — торпеды.}

_{4. Подлодка класса «Сиерва» (Россия) водоизмещением 8000 тонн. Вооружение — торпеды.}

_{5. Подлодка класса «Посейдон» (США) водоизмещением 8250 тонн. Вооружение — 16 баллистических ракет.}

_{6. Подлодка класса «Янки» (Россия) водоизмещением 9300 тонн. Вооружение — 16 баллистических ракет. Ориентировочная скорость 24 узла.}

_{7. Подлодка класса «Оскар» (Россия) водоизмещением 12 250 тонн. Вооружение — торпеды, крылатые ракеты.}

_{8. Подлодка класса «Дельта» (Россия) водоизмещением 13 250 тонн. Скорость — около 25 узлов. Вооружение — 16 баллистических ракет.}

_{9. Подлодка класса «Огайо» (США) водоизмещением 18 770 тонн. Скорость — 25 узлов. Вооружение — 24 баллистические ракеты.}

_{10. Подлодка класса «Тайфун» (Россия) водоизмещением 28 000 тонн. Скорость — 40 узлов. Вооружение — 20 баллистических ракет.}

НОВАЯ ЖИЗНЬ СТАРЫХ ИДЕЙ

Как отлить стекло из… стали?

Это известие некоторые информационные агентства и СМИ распространили как сенсацию: в Дармштадтском техническом университете (ФРГ) научились превращать металл в… стекло. Пока, впрочем, новый материал широкого применения в промышленности не нашел. Но, как уверяют его создатели, в скором будущем положение может в корне измениться.

Новое — это забытое старое?

Попробуем разобраться, в чем суть дела и насколько революционна новая технология. Для этого достаточно заглянуть хотя бы в наш журнал более чем 25-летней давности. В «ЮТ» № 11 за 1980 г. мы писали: «Оператор нажал кнопку, и из отверстия форсунки с огромной скоростью полетела струя раскаленного металла. Она падает на движущуюся гладкую ленту, охлаждаемую жидким гелием, тотчас застывает тонкой серебристой пленкой и становится… стеклом! В конце конвейера пленка свертывается на катушке в рулон.

Так в одной из лабораторий Центрального научно-исследовательского института черной металлургии получают необыкновенный материал, который условно именуют «металлическим стеклом».

И далее мы рассказали, в чем принципиальная разница между обычным металлом и металлическим стеклом. У металлов по мере застывания их расплавов атомы выстраиваются в определенном порядке, образуя так называемую кристаллическую решетку определенных геометрических форм. А вот в стекле — и в расплавленном и застывшем — атомы разбросаны в хаотическом беспорядке, который ученые называют аморфным строением вещества.

И у стекла, и у металла есть свои достоинства и недостатки. Кристаллическая решетка, например, хороша только тогда, когда она идеальная. Такого, увы, на практике не бывает. Расчеты показывают: на каждые 15–20 тысяч атомов один гуляет, так сказать, сам по себе. Его место в узле кристаллической решетки всегда свободно.

Кроме того, сама решетка по разным причинам теряет строгую форму. Это резко ухудшает свойства металлов — реальная прочность их примерно в 1000 раз меньше, чем могла быть при идеальной кристаллической решетке. А что бы случилось с металлом, не будь у него вообще никакой кристаллической решетки?.. Впервые об этом ученые задумались довольно давно. Еще в 60-е годы XX века они нашли два основных способа получать из жидкого металлического расплава металл в твердом, но аморфном состоянии. Как осуществили сверхбыстрое замораживание расплавленного металла в ЦНИИчермете, мы уже описали выше. На мчащейся ленте, охлаждаемой жидким гелием, скорость затвердевания достигает миллиона градусов в секунду. Иначе говоря, металл застывает за тысячные доли секунды!

Но и этого бывает недостаточно! А потому в специальном конструкторском бюро Института металлургии РАН имени А.А.Байкова использовали другой способ. Расплавленный металл прямо из тугоплавкого тигля пускают в тончайший зазор между охлаждаемыми медными валками. Замораживание идет сразу с обеих сторон, потому и скорость охлаждения гораздо выше — миллионы градусов в секунду!

Механизм этого воздействия работает по принципу стоп-кадра в кино: только что все было в движении — и вдруг застыло в самых неожиданных позах. Так и здесь. Атомы, моментально застывая, не успевают выстроиться в кристаллическую решетку. Холод как бы примораживает их к месту в том положении, в котором они находились в расплаве.

Под микроскопом видно: металл превратился в аморфную массу.

Нужна золотая середина…

От полученного металлостекла ожидали многого. Теоретики, например, полагали, что такому материалу может быть не страшна коррозия — ведь она начинается на поверхностных границах крохотных зерен-кристалликов, из которых состоит поверхность металла, вгрызается вглубь, постепенно разрушая структуру.

Действительность превзошла все ожидания. Да, у аморфного металла, как и предсказывали, уникальная коррозионная стойкость. Кузов автомобиля, сделанный из него, служил бы верой и правдой сотни лет без всяких смазок И покрытий. Кроме того, прочность металлостекла оказалась в десятки раз большей, чем у обычной стали! Оно вдобавок обладает замечательными магнитными свойствами, способностью к сверхпроводимости, у него очень малы потери энергии при перемагничивании…

Однако наряду с достоинствами у стеклометаллов обнаружились и свои недостатки. Они, к примеру, довольно хрупки — если нагрузка превысит определенный предел, могут сразу рассыпаться, подобно стеклу обычному.

А нельзя ли как-то соединить достоинства обоих классов материалов, оставив за скобками недостатки? Это и удалось сделать физикам Дармштадта. Недавно они получили материал, который обладает уровнем пластической деформации при комнатной температуре до 20 % (этим редко могут похвастать и многие из обычных металлов) и в то же время полным набором преимуществ стеклометалла. При деформации, например, такой материал повышает свою прочность, а не снижает ее, как обычно. Это очень удобно, скажем, при изготовлении детали штамповкой или ковкой. Берете довольно мягкую заготовку, а из-под штампа выходит гораздо более твердая и прочная деталь.

Чтобы получить один из таких сплавов, Фалько Байер, инженер-физик факультета материаловедения, готовит расплав электротехнической меди с добавлением циркония и алюминия, а затем охлаждает его со скоростью 250 градусов в секунду.

«Если охлаждать расплав быстрее, получится стеклометалл чистой воды, — поясняет физик. — Если охлаждать чересчур медленно — образуется обычная кристаллическая структура. Так что истина, как это часто бывает, где-то посередине».

Ф. Байер доволен: все получилось как надо…

Как показали исследования шлифов под микроскопом, в таких материалах образуются микроструктры, отличающиеся по своему строению от окружающего материала. Сами размеры таких включений не превышают нескольких нанометров, но и этого уже достаточно, чтобы стеклометалл вел себя совершенно иначе.

Кристаллики не дают распространяться микротрещинам, которые обычно и приводят к разрушению материала. А пластичность в сочетании с высокой коррозионной стойкостью — свойство, которое высоко ценится в современном машиностроении. Что еще очень ценно — получающиеся сплавы обладают весьма малой плотностью, то есть получаются весьма легкими. А значит, могут найти себе применение в авиации и космической отрасли.

И мало, и дорого…

Процесс получения новых материалов пока еще не отработан окончательно и позволяет получать лишь сравнительно небольшие образцы — прутки величиной со спичку, пластины размерами с визитную карточку. И все-таки материаловеды полагают, что отработка технологии получения новых сплавов — дело ближайших лет.

Скажем, коллектив сотрудников Окриджской национальной лаборатории (США) разработал дешевый сплав не на основе дорогих циркония и палладия, как большинство нынешних стеклометаллов, а на аморфном варианте стали, основной элемент которой составляет железо.

«Все элементы, которые мы используем в наших сплавах, дешевы», — говорит один из разработчиков, Жао Пинг Лy. И в самом деле, новые сплавы снизили цену на аморфные металлы в среднем от 220 долларов до 33 долларов за килограмм. Однако обычная сталь пока что стоит все равно дешевле. Кроме того, ученым и раньше удавалось получать аналогичные сплавы, но в очень маленьких количествах.

Дело в том, что в бруске такой стали, размеры которого превышают 4 мм, начинаются процессы кристаллизации и, соответственно, уменьшается прочность. Лу с коллегами решил эту проблему, использовав смесь из железа, хрома, марганца, молибдена, углерода, бора и лишь с небольшой добавкой (1,5 %) иттрия.

Пока, впрочем, удалось изготовить брусок аморфной стали шириной 12 мм, но ученые уверены, что это только начало. Тем более что на горизонте уже обозначились первые заказчики, готовые вложить средства для быстрейшего достижения окончательных результатов. Так, большую заинтересованность в стеклометаллах проявил автомобильный концерн «Порше», несколько крупных международных фирм, выпускающих разнообразные агрегаты, приборы и устройства для авиакосмической промышленности, и даже производители металлической кухонной посуды высшего качества. Продолжают работу с металлостеклом и наши специалисты.

Известно, например, что для записи и хранения информации используются ферромагнитные материалы. И здесь аморфные металлы могут сказать свое веское слово. В России уже получены материалы, плотность записи па которых достигает 108 бит/см2. При этом размер области, хранящий один бит, не превышает 1 мкм2.

Такие материалы можно использовать не только для изготовления носителей информации, но и аморфных головок записи и считывания, например, для магнитофонов. Они относительно дешевы, обладают высокой износостойкостью (время работы порядка 10 000 часов), дают хорошее качество записи и воспроизведения.

С. НИКОЛАЕВ

ПО СЛЕДАМ СЕНСАЦИЙ

Если фотоны привести в порядок…

Нобелевская премия за 2005 год по физике присуждена американцам — Рою Глауберу и Джону Холлу, а также немецкому ученому Теодору Хэншу. Они удостоены ее «за вклад в квантовую теорию оптической когерентности и развитие лазерной спектроскопии», сообщила Шведская Королевская академия наук, которой Альфред Нобель в свое время и поручил отбирать лучшие работы.

Однако что такое оптическая когерентность и лазерная спектроскопия? Какую практическую ценность они имеют? Давайте попробуем разобраться в этом, а заодно и в самой квантовой теории.

Работы нынешних лауреатов можно считать продолжением исследований, которыми занимался еще в 20-е годы прошлого столетия физик Луи де Бройль — между прочим, отпрыск старинного рода французских герцогов.

Именно де Бройль положил конец классической оптике, где свет считали либо потоком частиц, либо электромагнитной волной. Он указал, что в зависимости от конкретных обстоятельств фотон может обладать либо преимущественно корпускулярными свойствами (т. е. может рассматриваться как материальная частичка), либо волновыми свойствами (т. е. имеет вид излучения).

Поначалу современники ученого не восприняли эту идею всерьез и даже подшучивали: дескать, принцип дуализма, то есть двойственности, позволяет и самому де Бройлю выступать в двух обличьях — и как физику, и как литератору.

Однако шутки прекратились, когда Луи де Бройль в 1929 году, в 37 лет — в возрасте, можно сказать, необычно юном для такой награды, — был удостоен Нобелевской премии. А еще несколько лет спустя стал членом Французской академии как писатель. Более того, он стал одним из основоположников своего рода квантовой философии — отрасли науки, которая позволила взглянуть на окружающий нас мир совершенно иными глазами.

Так со временем повышалась точность измерений в микромире.

Почему не состоялся конец света?

Сделать же это пришлось вот по какой причине. В конце XIX века многие физики пришли к выводу, что конец света не за горами в буквальном смысле этого слова. Полагая, что энергия звезд излучается непрерывно, подсчитали, что сравнительно скоро они должны прекратить свое существование, полностью истощив запасы материи и энергии. А если перестанут светить звезды, в том числе и наше Солнце, придет конец жизни на Земле.

Однако год проходил за годом, десятилетие за десятилетием, а звезды продолжали светить. Почему?

В 1900 году немецкий физик-теоретик Макс Планк выдвинул предположение: свет излучается не непрерывно, а отдельными порциями-квантами. Отсюда и экономия энергии.

Облегченно вздохнув — конец света, похоже, откладывается, — идею Планка подхватили другие ученые. И разработали в конце концов новое научное направление — квантовую механику.

Правильнее, наверное, было бы назвать ее, как уже говорилось, квантовой философией, поскольку механика традиционно имеет дело с некими механизмами, «грубыми железками», а здесь приходится оперировать квантами света — фотонами, частицами, меньше которых и придумать что-либо трудно. Однако на практике почему- то прижилось название «квантовая механика». Будем им пользоваться и мы.

«Шагом марш!»

Следующий шаг сделал всем известный Альберт Эйнштейн. В 1905 году он показал, что предложенные Планком электромагнитные кванты позволяют объяснить фотоэффект — явление, при котором падающий на поверхность металла свет вызывает поток электронов. Именно за это, кстати, а вовсе не за теорию относительности, как думают многие, Эйнштейн в 1921 году был удостоен Нобелевской премии.

Далее в мире науки происходило много еще чего интересного. В частности, в середине XX века были изобретены новые источники света — квантовые генераторы, или лазеры, за создание которых американец Ч. Таунс и два наших физика — Н.Г. Басов и А.М. Прохоров — также были удостоены Нобелевской премии.

Тогда же впервые выступил на сцену и один из нынешних лауреатов. А именно Рой Глаубер из Гарвардского университета в 1963 году заложил основы квантовой оптической теории. Проще говоря, установил, что свет, излучаемый обычной лампой, представляет собой поток неупорядоченных фотонов. Излучение же лазера — это уже марширующая колонна частиц, которая обладает своими особенностями. Используя их, можно послать лазерный луч на куда большее расстояние, чем, скажем, «достает» свет обычной керосиновой лампы или даже электрического прожектора.

Теории Глаубера, как и других исследователей, были затем положены в основу создания лазеров для самых различных целей, в том числе и сверхмощных, боевых.

Слева направо: Дж. Холл, Р. Глаубер, Т.Хэнш.

И один в поле воин

Далее за дело взялись Джон Холл из Колорадского университета (США) и Теодор Хэнш из Института имени Макса Планка (ФРГ). Они поняли, что даже в луче лазера каждый из фотонов, как бы ни были они похожи, продолжает сохранять свою индивидуальность.

Как удалось это установить? Ученые использовали для сортировки своего рода сито. А если точнее — «спектральную гребенку». Так в обиходе физиков называется прибор величиной с обувную коробку. В нем стоит особый лазер, который выдает набор спектральных частот, который является своего рода физическим отображением известного в математике тригонометрического ряда Фурье. Если на это эталонное излучение наложить с помощью зеркал излучение другого, контролируемого, лазера, произойдет интерференция — лучи, в зависимости от фазы, будут складываться и вычитаться. И там, где частоты одинаковы, наложившиеся волны нейтрализуют друг друга и в спектре образуется провал (или провалы), т. е. затемнение. По ним и судят о частоте контролируемого лазера.

Такую «гребенку» теперь используют в точнейших физических экспериментах, продвигающих вперед науку. Их результаты затем были использованы при разработке высокоточных часов и спутниковых устройств глобального позиционирования (GPS). Кроме того, они помогли также конструированию лазеров нового поколения, голографических систем, трехмерного телевидения…

Используют подобные исследования и для изучения микромира. Так, в 2003 году сотрудники Калифорнийского технологического института сумели загнать в лазерную ловушку одинокий атом цезия. Это достижение назвали демонстрацией «одноатомного» лазера, который сможет найти применение в квантово-информационных технологиях.

Тонкость тут такая. Обычно лазер, как уже говорилось, фотоны испускает как бы коллективно, маршевыми колоннами. Однако и в современном бою, и в нынешней науке эффективность любого действия зависит прежде всего от того, насколько правильно и быстро будет действовать каждый солдат или отдельная частица. Поэтому «одноатомный» лазер — это, кроме всего прочего, принципиальный шаг к созданию квантовых компьютеров.

Идея их создания возникла 15–20 лет назад. И теперь говорят, что на задачу, которую обычный компьютер решал бы тысячу лет, квантовый компьютер затратит всего несколько часов. Однако чтобы он реально заработал, да еще с таким быстродействием, как запланировано, необходимо еще немало потрудиться. Проблема в том, что квантовое состояние атомов и иных частиц очень хрупко, неустойчиво, подвержено даже слабым помехам и шумам. Поэтому реальные квантовые компьютеры вряд ли появятся раньше чем через 20–25 лет.

Станислав ЗИГУНЕНКО