Юный техник, 2012 № 01

«В построенном доме мы постарались воплотить все новации, подсмотренные в Дании — мировом лидере по части экостроительства, — подчеркнул Александр Елохов, директор Института «пассивного дома». — Даже тепло из выходящего в вентиляцию воздуха система заботливо отбирает и использует для обогрева. Есть здесь и возможность собирать дождевую воду. Правда, ее у нас можно использовать только для поливки газонов; применять при стирке, как в Дании, не получается — у нас, как выяснилось, дожди слишком грязные из-за атмосферной пыли».

Одна из основных новинок — геотермальный насос — работает так. Возле дома пробурили девять скважин глубиной по 20 м каждая. В них опущены тепловые трубы — устройства, которые умеют извлекать энергию из разницы температур на поверхности и в глубине. Одна эта система пока стоит больше миллиона рублей. Но ее стоимость резко снизится, когда строительство «активных домов» станет серийным и тепловые трубы будут выпускать в массовом порядке.

Да и вообще, наш бизнесмен и изобретатель из г. Иваново Николай Лобаев уверяет, что цена «активного дома» пока чересчур завышена. Он уже придумал технологию массового строительства, которая обеспечит доступным жильем из ткани и бетона людей с любым достатком. «Малоэтажное жилье будет стоить 10 тысяч рублей за квадратный метр, — говорит он. — Стало быть, дом площадью в 100 квадратных метров обойдется в 1 млн. рублей — столько стоит сегодня средний автомобиль».

«Изюминка» проекта Лобаева состоит в том, что пол, стены и потолок в сконструированном им доме — это единое целое, бетонный монолит, залитый в растянутую на жестком каркасе тканевую оболочку. Она же представляет собой специальный космический текстиль из базальта; ткань прочнее стали и не горит. Нанесенный на ткань рисунок позволит обойтись без штукатурки стен, даже без обоев. А все строительство займет максимум неделю.

Схема устройства «активного дома»:

_{1 — система активной вентиляции; 2 — крыша с теплоизоляцией; 3 — стены, не пропускающие тепло и холод; 4 — шкафы с электронной аппаратурой, управляющей системами дома.}

Интерьер «активного дома».

Сейчас предприниматель создает фирму, которая будет вести подобное строительство в массовом порядке, и уже вложил в дело больше 40 млн. рублей. Правда, не все получается легко. Ткань, придуманную у нас, пришлось заказывать в Турции, саму компанию регистрировать в США, а первую сертификацию проекта проходить в Китае. У нас же только методику испытаний для сертификации приходится согласовать в 28 организациях, хотя в Китае все это делается за месяц, в США — за 1,5 месяца. В России же, наверное, на бумажную волокиту придется потратить года три. Но отступать Лобаев пока не намерен; полагает, что лет через пять подобное строительство и в нашей стране будет поставлено на поток.

В. ВЛАДИМИРОВ

РАЗБЕРЕМСЯ, НЕ ТОРОПЯСЬ…

OPERA с неожиданным финалом

В конце сентября 2011 года из Европы пришла неожиданная весть.

Проект по изучению «осцилляций нейтрино», имеющий в английском оригинале сокращение OPERA, дал сенсационные результаты.

В результате этих «осцилляций» пучок нейтрино, сгенерированный в швейцарском научном центре CERN, прибывал в итальянскую лабораторию Gran Sasso на 60 наносекунд раньше, чем следовало бы — за 2 441 629 не вместо 2 441 689 нс.

То есть, говоря проще, получается, что дистанцию в 732 км частицы нейтрино одолели со сверхсветовой скоростью! Разница составляет всего 0,0025 %. Однако, по расчетам экспериментаторов, ошибка измерений составляет всего 10 наносекунд, а сам опыт был повторен более 16 000 раз. Так что научный факт налицо.

Пока ученые всего мира разбираются, как и почему так получилось, у нас есть возможность, не торопясь, прояснить, что же произошло?

Странный мистер нейтрино

Начать нам придется с того, что нейтрино, вокруг которого разгорелся весь сыр-бор, сама по себе весьма необычная частица. Еще в 1914 году английский физик Джеймс Чедвик, изучая явление бета-распада, при котором ядро элемента излучает электрон или позитрон, обнаружил, что при этой реакции часть энергии пропадает неизвестно куда. Пятнадцать лет физики ломали себе голову над явным нарушением закона сохранения энергии, пока в 1930 году швейцарский физик Вольфганг Паули не предположил, что часть энергии уносит с собой некая скрытная частица, которую не удается зарегистрировать.

Теоретически вычисленную частицу итальянский физик Энрико Ферми предложил назвать нейтрино, что в переводе означает «маленький нейтрон, нейтрончик». Потому как новая частица имела нулевой электрический заряд, как и нейтрон, но гораздо меньшую массу. (Некоторые физики и поныне полагают, что масса покоя нейтрино вообще равна нулю.)

Младший собрат нейтрона, хоть и спас закон сохранения энергии, но сам по себе является частицей весьма странной. Оказалось, например, что он запросто может пронизать земной шар, не задерживаясь. Более того, судя по расчетам, при достаточной энергии длина свободного пробега частицы составляет порядка 100 световых лет! Наконец, выяснилось, что Солнце непрерывно бомбардирует окружающее пространство, в том числе и нашу планету, огромными потоками нейтрино — через мишень площадью в 1 квадратный сантиметр за секунду проходит порядка 100 миллиардов частиц, но треть из них куда-то таинственно исчезает по пути.

Во второй половине XX века выяснилось, что существует несколько типов нейтрино — тау, мюонные и электронные. Причем у каждой частицы есть ее антипод — антинейтрино. Оказалось также, что во время полета нейтрино осциллирует, то есть может превращаться из частицы одного типа в частицу другого. Этот-то «маскарад» и путал изрядно теоретиков при расчетах…

Профессор Антонио Эредитато полагает, что поток нейтрино превысил скорость света.

Путь нейтрино из одной лаборатории в другую.

Можно ли ошибиться 16 111 раз?

В общем, хлопот с нейтринными странностями и так было немало. Но сенсация, облетевшая мир 23 сентября 2011 года, вообще повергла многих физиков в шок. Ученые, работающие в упомянутом уже проекте OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus — проект по изучению нейтринных осцилляций, использующий анализ эмульсионных пленок), не в силах более молчать, объявили, что мюонные нейтрино, похоже, способны двигаться со сверхсветовыми скоростями!

Это не первое заявление такого рода — в 2007 году MINOS обнаружил, что нейтрино от ускорителя в лаборатории Ферми приходят чуть раньше, чем следует. Но тогда ученые посчитали, что просто ошиблись в измерениях. В данном случае ошибка маловероятна. В рамках эксперимента ученым удалось зарегистрировать 16 111 событий, когда нейтрино приходили раньше расчетного нейтрино, времени. Неужто можно ошибаться столько раз?!

Схема эксперимента по запуску нейтрино

Ученые просят коллег, работающих на других ускорителях и детекторах, перепроверить их эксперименты и либо подтвердить, либо опровергнуть полученные результаты. При этом, как заявил Антонио Эредитато — представитель большого коллектива сотрудников OPERA (в проекте принимают участие 160 ученых из разных стран, включая Россию) — эксперимент сам по себе довольно прост: «Мы измеряем расстояние и время, а затем делим одно на другое — так же, как это делают в школе». И, стало быть, вероятность ошибки в расчетах не так уж велика, намекает исследователь.

Однако на самом деле Эредитато немного лукавит. Эксперименты его коллег достаточно сложны. Сначала в суперпротонном синхротроне (SPS), что расположен в CERN на границе Франции и Швейцарии и обычно используется для предварительного разгона пучков для Большого адронного коллайдера, каждые шесть секунд протоны бомбят графитовую мишень. В результате этого возникают мезоны, которые в полете начинают распадаться с выделением мюонных нейтрино (для этого частицам предоставлен туннель длиной в один километр). Затем частицы пролетают еще 730 км (расстояние измерено с точностью до 20 см), пересекают несколько государственных границ и оказываются в Италии, в Национальной лаборатории Гран-Сассо.

Здесь, под толщей горных пород в 1,4 км, располагается крупнейшая в мире лаборатория по изучению элементарных частиц. Горная порода позволяет свести к минимуму фон, создаваемый элементарными частицами, прилетающими из космоса. Частицы из CERN регистрируются при помощи детектора, состоящего из 150 тысяч фотоэмульсионных пластин, свинцовых прослоек толщиной около миллиметра и магнитного спектрографа.

И так раз за разом — более 16 000 экспериментов в течение нескольких лет. При этом всякий раз момент старта и момент прилета частиц фиксируется точнейшими атомными часами.

Сомнения, сомнения, сомнения…

Известие об этом научном эксперименте не то чтобы было воспринято научным миром в штыки, но с известной долей здорового скепсиса. Самым популярным объяснением обнаруженного феномена пока называют систематическую ошибку в измерениях. «Готов заложить на спор собственный дом, что в эксперимент где-то закралась погрешность», — приводит ScienceNOW слова Чен Кен Джуна, физика из Университета Стоуни-Брук.

Другие ученые не столь эмоциональны в своих высказываниях, однако тоже отмечают, что результат нынешних экспериментов — не первая попытка опровергнуть постулат Эйнштейна о пределе скорости света. Вместе с тем во всех работах подобного рода рано или поздно обнаруживались ошибки. Стало быть, возможно, обнаружатся они и в этой работе.

Так, скажем, заместитель директора Института ядерных исследований РАН Леонид Безруков не преминул отметить, что данная задачка только кажется школьной. На самом деле она гораздо сложнее, а стало быть, и выше вероятность ошибки. Для окончательного суждения следует подождать повторения данного эксперимента в других лабораториях. А на это потребуется от нескольких месяцев до нескольких лет.

Академик Борис Иоффе из Института теоретической и экспериментальной физики полагает, что, кроме всего прочего, в сообщении доктора Антонио Эредитато и его коллег несомненно присутствует и так называемый человеческий фактор. Обнаружив нечто непонятное, они поспешили объявить о своем праве первооткрывателей, а уже потом вместе со всеми будут разбираться, что к чему.

Член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук Валерий Трубицын полагает, что поспешить исследователей заставило осознание важности обнаруженного ими открытия.

Некоторые исследователи отмечают, что данный результат может стать основой экзотических физических теорий, которые, например, предполагают наличие дополнительных измерений в нашем мире. Может оказаться, что нейтрино просто проскакивают из пункта А в пункт В по более короткому маршруту. (Как если бы червь прополз сквозь яблоко по прогрызенному им ходу вместо того, чтобы огибать плод по окружности.)

В общем, вариантов пока много. Какой из них окажется верным, покажет будущее.

Кстати…

И ВРЕМЕНИ НАСТУПИТ КОНЕЦ?

Обратить внимание на данный эксперимент с участием нейтрино нам посоветовал один из наших читателей, скрывшийся под ником КОК и назвавший себя независимым экспертом. Он напомнил, что это не единственное скандальное открытие нашего времени. «Не так давно, — пишет он по электронной почте, — международная группа физиков смоделировала в лаборатории и конец времени. Работа исследователей пока не принята к публикации, но ее препринт можно найти на сайте arXiv.org».

Для своих экспериментов авторы использовали метаматериалы — особый тип материалов, свойства которых зависят, прежде всего, от их структуры, а не от химического состава. Прохождение света сквозь некоторые из таких материалов описывается теми же уравнениями, которые описывают пространство и время.

Так вот, согласно их выкладкам получается, что через 3,7 млрд. лет время вообще может прекратить свое течение. «И что тогда случится, наверное, даже Всевышний пока представить себе не может», — отмечает КОК. Проверить истинное имя нашего информатора мы пока не смогли, как и подлинность приведенной им информации.

ПРЕМИИ

Почему разбегаются галактики?

Нобелевская премия по физике 2011 года вручена американцам Солу Перлмуттеру и Адаму Риссу, а также австралийцу Брайану Шмидту за открытие разбегания галактик. Или, говоря официальным языком, ученых наградили «за исследования процессов расширения Вселенной в рамках изучения отдаленных сверхновых звезд». Суть же их работы такова.

Поначалу люди полагали, что мир вокруг них незыблем. Плоская Земля, считалась, покоилась на китах или черепахах, прикрытая сверху хрустальным куполам небосвода, который был прибит для прочности серебряными и золотыми гвоздиками звезд.

Позднее выяснилось, что Земля не плоская, а круглая, как шар. И представляет собой вовсе не центр Вселенной, а всего лишь одну из планет, обегающих год от года Солнце по замкнутым орбитам. Само же наше светило — всего лишь одна из звезд, расположенных на периферии галактики Млечный Путь. Причем галактика эта тоже оказалась вовсе не в центре, а на окраине Вселенной…

Более того, наблюдаемое нами положение звезд, созвездий и галактик вовсе не незыблемо. Все они разбегаются от центра вследствие Большого Взрыва, произошедшего, как считалось, около 20 млрд. лет тому назад. Со временем и расстоянием ударная сила этого взрыва ослабеет, движение небесных тел прекратится. Они остановятся, а затем, движимые силой гравитации, которая, как известно, притягивает небесные тела друг к другу, начнут сближаться, все ускоряя свой бег. И врежутся друг в друга с такой силой, что произойдет новый Большой Взрыв и все начнется сначала…

В итоге у теоретиков получилась законченная картина, которая вроде бы вполне подтверждалась экспериментальными данными. В 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл по так называемому красному смещению света звезд выявил, что светила и в самом деле движутся от центра.

Что такое красное смещение?.. Чтобы понять это, нам придется вспомнить еще и об эффекте Доплера. В 1842 году австрийский физик Кристиан Доплер, стоя на железнодорожной платформе, обратил внимание, что гудок подъезжающего поезда кажется выше, чем гудок отъезжающего. Это происходит потому, что звуковые волны, исходящие от приближающегося поезда, как бы сжимаются, а отъезжающего — напротив, растягиваются.

Нобелевские лауреаты А. Рисс, С. Перлмуттер, Б. Шмидт.

Замеченный эффект перенесли в оптическую область и поняли, что спектр приближающегося источника света должен давать большую голубизну, а удаляющегося — смещаться в красную сторону.

В итоге по красному смещению Хабблу и удалось определить, что галактики удаляются от нас и друг от друга. И все бы ничего, если бы за прошедшие десятилетия, а именно к 1998 году, ученые вдруг не обнаружили, что Вселенная расширяется с ускорением. Открытие было сделано благодаря космическому телескопу «Хаббл», сделавшему, в частности, снимки сверхновых типа Iа. Изучая удаленные от Земли вспышки сверхновых, ученые обнаружили, что они как минимум на четверть тусклее, чем предсказывает теория. А это означает, что звезды расположены дальше, чем предполагалось. Что возможно лишь в том случае, если небесные объекты движутся с ускорением.

Первым такое предположение высказал Сол Перлмуттер, руководитель проекта «Сверхновые для космологии» (Supernova Cosmology Project, SCP). Он был так удивлен, что попросил своих коллег перепроверить результаты. Данные подтвердили, что космос не просто расширяется, но расширяется с ускорением.

Наблюдения были затем перепроверены еще не раз и теперь наличие ускорения признается твердо установленным фактом. А из этого уже следует, что Вселенная наша моложе, чем предполагалось ранее. Если раньше речь шла о 20 млрд. лет, то теперь теоретики полагают, что ей всего 14–15 млрд. лет, а то и меньше.

Но какова причина этого разбегания? Из закона всемирного тяготения следует, что небесные тела притягиваются друг к другу. И если сила этого притяжения, судя по скорости движения галактик, больше, чем считалось ранее, значит, во Вселенной есть какие-то невидимые массы, которые и обеспечивают дополнительное ускорение за счет притяжения.

Стали искать эти скрытые массы, одновременно подсчитывая, какова должна быть их величина. Выяснили, что у многих галактик-гигантов есть спутники — более мелкие галактики. Есть такие и у нашей Галактики. Их называют Магеллановыми Облаками. В соответствии с законом Кеплера, с увеличением расстояния от центра основной Галактики скорость их «убегания» должна убывать. Но измерение скоростей показало, что этого не происходит, они остаются постоянными.

Расчет показал, что такое может быть, если в центре нашей галактики Млечный Путь, кроме видимых звезд, имеются и другие массы, распределенные вокруг центрального галактического диска. Их так и назвали — скрытыми. И до недавнего времени полагали: раз они не светятся, то обнаружить их невозможно. Но теперь выяснилось, что скрытые массы выдают свое присутствие, образуя так называемые гравитационные линзы.

Вот как объясняет суть этого явления один из ведущих астрофизиков мира, главный научный сотрудник Института космических исследований РАН, директор Института астрофизики Общества им. Макса Планка (Германия) академик Рашид Сюняев. «Представим себе, что за большой по размеру скрытой массой находится далекая галактика, — рассуждает он. — Так вот вид ее под влиянием гравитационного воздействия скрытой массы будет искажаться. В результате земной наблюдатель увидит не одну, а, скажем, две совершенно одинаковые галактики»… То есть, говоря иначе, гравитационная линза сработает, словно призма, и поделит изображение надвое, выдав таким образом свое существование.

Сегодняшние теоретики выяснили, что область, где расположена скрытая масса в виде сферической короны, распространяется от центра нашей Галактики на 650 тысяч световых лет. Чтобы уравновесить движение звезд и галактик-спутников, в этой короне должна быть сосредоточена масса, превосходящая массу всех видимых звезд примерно на порядок, то есть в 10 раз! А состоит эта корона из потухших звезд, черных дыр, остывших белых карликов, межзвездной пыли и прочих малозаметных объектов Вселенной, полагают астрономы.

Приведенные ими расчеты показывают: чтобы получилась видимая нами картина Вселенной, расклад в ней должен быть такой. На все видимые галактики, звезды и планеты и приходится не более 3–5 процентов всего вещества. Еще около 30 процентов приходится на скрытую массу. Остальную же силу, растаскивающую галактики от центра с ускорением, обеспечивает так называемая темная энергия. Что она собой представляет, толком пока не понимает никто. Единственное предположение: эта энергия обладает антигравитацией. А потому и отталкивает галактики друг от друга.

Ну, а что будет дальше? Есть, по крайней мере, два варианта ответа на этот вопрос. Согласно первому, сила темной энергии не беспредельна. И когда галактики выйдут за пределы сферы ее влияния, ускорение их движения постепенно сойдет на нет. И тогда в дело снова вступят силы гравитации, которые и заставят Вселенную снова сжаться, о чем мы уже говорили ранее. Галактики, в конце концов, столкнутся, грядет новый Большой Взрыв и…. получится своего рода вселенский «вечный двигатель»…

Согласно второму варианту, темная энергия будет продолжать свою работу и дальше, вследствие чего Вселенная будет расширяться бесконечно долго, становясь все более холодной и пустой. То есть через десятки миллиардов лет земные астрономы (если таковые еще будут) вдруг заметят, что с ночного небосклона станут исчезать многие созвездия и ночное небо будет все более и более темным…

Какой вариант более вероятен, попытался понять в 2009 году сотрудник Института космических исследований РАН и Гарвард-Смитсоновского астрофизического центра США доктор физико-математических наук Алексей Вихлинин.

«С помощью мощных оптических и рентгеновских телескопов по всему миру, а также американской космической обсерватории «Чандра» мы с коллегами несколько лет изучали наиболее массивные скопления из тысяч галактик, подобных нашей, — рассказал ученый. — Выяснилось, что в период молодости Вселенной галактики активно прибавляли в массе, а примерно 5 млрд. лет назад начали активно «худеть». С тех пор массы не растут».

Исходя из этих наблюдений, Вихлинин и его коллеги разработали модель происходящих событий. Темную энергию они описали некой величиной, физический смысл которой можно сравнить с жесткостью пружины. «От величины этой «жесткости» зависит будущее Вселенной, — уточнил Вихлинин. — Если она такая, как мы сегодня наблюдаем, то темная энергия не сможет растащить находящиеся по соседству галактики, например наш Млечный Путь и туманность Андромеды. Под действием сил тяготения они когда-нибудь сольются; начало этого процесса наблюдается уже сегодня. Но на больших расстояниях темная энергия возьмет свое, и галактики в конце концов уплывут за горизонт нашего мира.

Что станет с родной Вселенной, если «жесткость» вселенской «пружины» увеличится? «Тогда расширение будет происходить более быстрыми темпами, и дело может кончиться Большим разрывом: вначале галактик, потом Солнечной системы, планет, других небесных тел, — предупреждает ученый. — Какой сценарий окажется более правдоподобным, должны показать предстоящие эксперименты».

Понять ход процесса ученые хотят при помощи российско-германской орбитальной астрофизической обсерватории «Спектр-Рентген-Гамма», запуск которой запланирован на 2012 год. А уточнить характеристики загадочной силы исследователи надеются в ходе проекта «Экспедиция за темной энергией». Сейчас он находится в стадии разработки; запуск зонда, специально предназначенного для наблюдения за сверхновыми, запланирован на 2014 год. Научный руководитель программы — Сол Перлмуттер.

Возможно, в скором времени обнаружатся и новые эффекты, способные разгонять звезды. Так, причиной ускорения могут оказаться гигантские волны пространства-времени, масштаб которых превышает размер видимой части Вселенной, говорят исследователи.

Ну, а пока суд да дело, темной энергией заинтересовались не только теоретики, но и практики. Ведь если темная энергия создает антигравитацию, то, разобравшись в ее сути, можно устроить подлинную революцию в мире транспорта. Долой нынешние подъемные краны, самолеты и ракеты! Антигравитация сможет поднимать в воздух, выводить в космос целые летающие острова. Да и сами мы сможет летать, куда угодно и как угодно…

И за такое открытие уж точно дадут еще одну Нобелевскую премию.

ГОРИЗОНТЫ НАУКИ И ТЕХНИКИ

«Червоточина» ведет в неизвестность

Англичане все не устают удивляться прозорливости своего математика-сказочника Льюиса Кэрролла. И действительно, в своих сказках про Алису он сумел предсказать некоторые эффекты и явления, в сути которых ученые только-только начали разбираться в наши дни.

Так, скажем, будущим путешественникам в космосе, которые захотят кратчайшим путем через скачок в пространстве и времени оказаться на другом краю Вселенной, придется столкнуться с непредсказуемостью, подобно сказочной Алисе, провалившейся в кроличью нору. К такой аналогии прибегают ученые Роман Буний и Стивен Хсу из Университета Орегона (США), пишет журнал New Scientist.