Физика

Никто не создал Вселенную и никто не управляет ею и нашей судьбой. Нет богов, рая и жизни после смерти; после нее большое черное ничто. У нас есть единственный уникальный короткий шанс — жизнь продолжительностью в среднем 2 млрд. секунд, чтобы постичь величие и красоту мира!

Стивен Хокинг

В Японии и Франции организовано производство электронных микроскопов с рабочим напряжением в 1 млн. в. А японская фирма «Хитачи» строит микроскопы с напряжением уже в 3 млн. в, а лаборатория электронной оптики в городе Тулузе (Франция) в 3,5 млн. в.

Разрешающая способность микроскопа фирмы «Хитачи» — 4,6 ангстрема, электронное увеличение — до 100000 крат (не считая возможного оптического увеличения). Высота всей установки около 12 м, вес — 67 т. (Япония, Франция).

                                                      ОЗОНОСФЕРА

Слой атмосферы на высоте от 10 до 50 километров называют озоносферой: здесь сосредоточена основная масса озона, содержащегося в атмосфере Земли. Общее количество этого газа, молекула которого состоит из трех атомов кислорода, мало: при нормальном давлении и температуре 0 оС он распределился бы по земной поверхности  слоем в 2 — 3 миллиметра. Но даже такое небольшое количество играет важную роль во всех биологических процессах на Земле. Озон верхних слоев атмосферы поглощает большую часть ультрафиолетовой радиации, которую посылает Солнце, и предохраняет все живое от чрезмерного влияния этих лучей.

За содержанием озона в атмосфере Земли наблюдают более 127 действующих в мире озонометрических станций. Как показали измерения, содержание озона в атмосфере зависит от времени года и от широты местности. Широкий пояс вдоль экватора, от 28- северной широты до 28 южной широты, занимающий почти половину поверхности земного шара, содержит небольшое количество озона. По-видимому, особый цвет «южного» загара и сильное, а иногда даже тяжелое влияние лучей тропического солнца на организм человека объясняются именно этим.

В поясе умеренных широт, 35 — 70в се-верной широты, количество озона самое большое. Сезонные его колебания практически совпадают с сезонными колебаниями солнечной, световой энергии, падающей на Землю. Максимум приходится на весенние месяцы, минимум — на осенне зимние. В высоких широтах, в арктическом поясе, озона сравнительно мало.

Тщательно проведенные измерения показа-ли, что содержание озона в атмосфере земли тесно связано с солнечной активностью. В поясе умеренных широт в годы максимальной солнечной активности со-держание озона повышается. В арктических зонах наблюдается тот же эффект, слегка сдвинутый по времени года: максимальное содержание озона в атмосфере приходится не на июнь, как в зоне средних широт, а на март и октябрь. Кстати, в эти месяцы в высоких широтах больше всего бывает полярных сияний. А вот в поясе, прилегающем к экватору и тропикам, в годы активного солнца количество озона заметно уменьшается по сравнению с обычными годами.

С начала семидесятых ученые начали проявлять тревогу, фиксируя уменьшение озона.  Это приведет к усиленному влиянию ультрафиолетовых лучей, что, в свою очередь, может вызвать нежелательные радиационные и генетические последствия. Одна из возможных причин — окислы азота в атмосфере.    

 

Секрет Бибереля

В один из июльских дней 1820 года на прием к русскому посланнику в Париже К. Поццо-ди-Борго пришел человек, отрекомендовавшийся Биберелем, владельцем мастерской по улице Варенье.

Он сообщил, что изобрел способ высококачественного лужения меди и желает открыть свое изобретение российскому правительству, если получит соразмерную важности изобретения награду. Одновременно изобретатель вручил посланнику медный луженый образец. и несколько листков с отпечатанными в типографии выдержками из отзывов крупных химиков о новом методе лужения.

Медная посуда была достаточно распространена, и вполне справедливым было следующее изречение одного из основателей русского Вольного экономического общества, И. Кельхена: «Что смерть и пагуба человеческому телу от вкушения растворенной воды угрожают, всякому столь же известно, как и ежедневное потребление сей посуды в наших кухнях и домоводствах».

Поэтому не только ремесленникам, но и правителям приходилось заниматься этой проблемой.

В 1768 году в Пруссии был даже издан специальный королевский указ,. которым предписывался способ лужения меди английским оловом и нашатырем.

В 1792 году русское Вольное экономическое общество объявило, что выдаст награду «тому, кто железную и медную посуду, дабы не было нужды в полуде, разумеет покрыть твердым глазуром, который должен быть не дороже полуды и легко починиваться мог».

Награда так и осталась неврученной.

Понимая важность проблемы, Поццо-ди-Борго отправил полученные сведения министру внутренних дел России. Из министерства внутренних дел материалы были направлены на заключение управляющему Санкт-Петербургским литейным заводом А. А. Фуллону.

Полученное в ответ заключение гласило следующее: «Судя по образцу луженой способом Бибереля меди, олово положено в значительной толщине, и потому медь не есть уже луженая, а плакированная наподобие серебряного по-крытия. Но подлежит при том знать, сколь велики расходы на сей способ лужения, и можно ли производить оное простыми средствами.

Что касается до средств, употребляемых при означенном лужении, то оные ни мне, ни художникам подведомственного литейного завода неизвестны».

 

После этого заключения дело перекочевало в министерство финансов, ведавшее фабриками и заводами. Там оно пролежало около года. Только в октябре 1821 года Поццо-ди-Борго получил заключительное письмо, содержавшее ответ на предложение изобретателя: «Не отвергая пользы сего нового изобретения, я долгом считаю сообщить Вам, что правительство наше не имеет надобности выписывать г. Бибереля для открытия его изобретения, а тем более с назначением за то какой либо значительной награды. Впрочем, если г. Биберель признает для собственной пользы удобным приехать в Россию и сим делом заниматься, то сие может исполнить без всякого участия в том правительства, которое в подобных случаях никогда не оставляет без приличного одобрения людей, действительно споспешествующих каких-либо изобретений для общей пользы».

На этом дело было закрыто.

Что же можно сказать сейчас по поводу предложения Бибереля!

Отзывы парижских ученых о его новшестве датированы 1811 — 1812 годами. Следовательно, сначала Биберель хотел внедрить изобретение у себя на родине. Лишь через десять лет, решился он обратиться со своим предложением к русскому правительству, по видимому, отчаявшись получить вожделенную награду во Франции. Как видно из цитированных выше документов, и эта попытка оказалась безуспешной. Тайна изобретения так и умерла вместе с его автором, но, возможно, в каком нибудь из парижских архивов ждут. своего открывателя записки ученого неудачника.

Сейчас мы умеем получать слой полуды любой заданной толщины посредством гальванопластики. Но гальваническое лужение, дает покрытие с меньшей химической стойкостью в жидких средах, чем при горячем лужении.

Следовательно, Биберель знал секрет получения толстого равномерного слоя полуды негальваническим путем.

Мы несколько недооцениваем технические достижения наших далеких предков. История человечества может предстать в искаженном виде только потому, что раньше люди не могли достаточно бережно хранить документы.

Действительно, мы живем в такое время, когда об ускорителях частиц, лазерных станках, сверхзвуковых лайнерах, новых веществах с заранее заданными свойствами говорят как о чем то само собой разумеющемся. Исполненные гордыни за техническое могущество, мы с некоторым пренебрежением, как на подмастерьев, взираем на мастеров прошлых эпох: «Ну что они там могли!»

А они еще за 800 лет до европейцев умели выплавлять платину и за два тысячелетия — алюминий. Мы же, гордецы, теряемся в догадках: как это они делали, не зная ничего об электричестве? Или начинаем гадать: каким способом римлянам удавалось выплавлять стеклянные блоки весом по нескольку тонн?

Древние индусы могли сверлить алмазы, а греки измерили диаметр земного шара. Римляне изобрели бетон, а египтяне — протезы для ампутированных рук, В Александрии 2300 лет назад существовали автоматы по продаже воды, а на Крите за 1500 лет до нашей эры использовался прибор, предсказывающий бурю.

Можно вспомнить и таинственное зеркало Архи-меда, которым этот мудрый грек поджег в море парусные корабли неприятеля. Некоторые совре-менные физики выдвигают гипотезу, согласно ко-торой Архимед изобрел квантовый генератор! Да, да, речь может идти о лазере, работающем на солнечной энергии. Другого логического объяснения здесь пока нет. Античный мудрец мог и не догадываться о квантах света, но подобрать кристалл для примитивного лазера ему вполне мог помочь случай.

А химиков-экспериментаторов тысячи самых невероятных опытов приводили к поразительным открытиям.

Они широко пользовались тем, что мы сейчас называем катализаторами. Фарфор и нержавеющую сталь они изготовляли такого качества, которое и ныне труднодостижимо. Они знали тайны холодно-го света, герметизации, пайки золота. Сметливые умельцы еще в Х\/I веке овладели искусством фотографии, а в ХI\/ — производством различных кислот. Они нашли наркотики, активизирующие психические силы, удивительные по своей универсальности противоядия, очень сильные взрывчатые смеси. Алхимики «оккупировали» не только средневековье. Они трудились при египетских фараонах, процветали в эллинистическом мире, у этрусков, византийцев, кельтов, арабов и «дотянули» свое родословное древо вплоть до нашего века.

Теперь читатель сам может представить, как много разных веществ, приемов, механизмов и способов открывалось по разным причинам дважды. (Подводные лодки и телеграфные аппараты изобретали, по крайней мере, четыре раза.) Довольно часто такие явления объясняются тем, что открытия опережали возможности эпохи. Стоит напомнить о трагической фигуре Симона Стуртеванта, предложения, которого так и не были поняты, а реализованы были сто лет спустя на совсем другой основе.

Эксцентрический философ и алхимик, священник и экономист, изобретатель фаянсовой посуды и борец против истребления лесов в Европе, Стуртевант свободно оперировал критериями прямой экономической выгоды и перспектив промышленности в будущем. Он хорошо разбирался в чертежном деле, моделировании процессов, изготовлении механизмов. В 1612 году им был создан «Трактат о металлах», в котором он предлагал «обработку, плавку и изготовление железа и стали производить с помощью каменного угля». В тогдашней металлургии, основанной целиком на древесном угле, эту мысль по своей «еретичности» можно сравнить лишь с идеями Коперника о вращении планет вокруг Солнца…

Свои «металлургические» идеи изобретатель вы-сказал задолго до того, как взошла заря промышленного века. Самобытное изобретение не приняли, не поняли, хотя ежегодные доходы от него Стуртевант определял в баснословной цифре: 330 тысяч фунтов стерлингов. Современные специалисты подтверждают ее точность.

Стуртевант написал обширный труд «Эвретика», где разобрал -аспекты технических приемов. Его работу можно рассматривать, как первую научную экспериментальную работу отошедшую от методов алхимии. Он утверждал, что наука для металлургии может дать больше, чем практика. Компаньоны, укравшие у него документы, не смог-ли в них разобраться. В Х\/III веке англичане во второй раз разработали метод изготовления железа на каменном угле.

Биберель скорее всего где-то около 1810 года  открыл именно гальванопластику, то есть почти на 30 лет опередил академика Якоби. Наполеон назвал химерой идею парохода. Английские министры не посчитали нужным выделить деньги на создание механических счетных машин. Этот список, увы, весьма пространен.

В Багдадском музее древностей хранятся уникальные сосуды из обожженной глины. Им около трех тысяч лет. Историки утверждают, что подобные «кувшинчики» в Месопотамии никогда не употреблялись для бытовых нужд.

Когда археологи, откопавшие сосуды на берегах Тигра, присмотрелись к их содержимому, они беспредельно удивились: внутри находились разъеденные специфической коррозией медные цилиндрики и бруски. Когда-то они были тщательно залиты битумом. для чего все это? Эксперименты показали, что в присутствии уксуса такой сосуд становится электрическим элементом! Был сделан вывод, что придворные ювелиры употребляли подобные «вольтовы батареи» для покрытия одного металла другим.

К началу Х1Х века наука об электричестве сделала огромные успехи. Электрохимические явления уже не были новостью. Трактат Гальвани «Об электрических силах» вышел в 1791 году. Бесчисленное множество физиков, химиков, философов и просто любознательных людей увлеклись опытами с электричеством. Занялся ими и Алессандро Вольта. В ноябре 1801 года его пригласили во Францию показать свои новые опыты. Ученые смогли наблюдать разложение солей и окисление металлических пластинок. Подобные эксперименты затем повторили другие в Италии, Голландии и Англии. Немецкий физик Вильгельм Крюкшеяк одним из первых заметил, что в растворах солей метал-лов, пропуская ток, металл отлагается на том проводнике, на котором при разложении кислотных растворов освобождается водород.

Гэмфри Дэви в 1807 году разложил с помощью тока едкий калий и едкий натр, получив два новых металла, которым он и дал названия. Опыты Дэви знаменовали собой отделение электрохимии от физики.

Диапазон подобных экспериментов все время расширялся. В университете итальянского города Павия физику Луиджи Бруньятели удалось первому осуществить по серебрение, оцинкование и омеднение электродов. Он сумел позолотить две большие серебряные медали, погрузив их в насыщенный раствор аммиачного золота. Такой успех приветствовал сам великий Вольта.

В самом начале века во Франции стали известны глубокие теоретические работы флорентинца Фаброни и англичанина Воланстона по химическому действию электрического тона. Кроме того, широко обсуждались работы в той же области англичанина Кавендиша, француза Готро, голландца Троствика.

От этой серии теоретических трудов и оригинальных экспериментов до сугубо практических выводов был уже один шаг.

Итак, как нам кажется, речь может идти о первом и «преждевременном» открытии именно практической гальванопластики.

Тайна шаровой молнии

Ежегодно на  земном шаре бушует около 16 миллионов гроз. Подсчитано также, что на каждую тысячу разрядов обычной, линейной молнии приходится две -три шаровые. Следовательно, каждый год наземном шаре возникают по крайней мере сотни тысяч шаровых молний. Но в отличие от линейной молнии, которая отмечает свой «выход» громовым разрядом, шаровая молния появляется весьма скромно. Время жизни шаровой молнии — укладывается в промежуток от нескольких мгновений до нескольких минут.

Иногда ее рождение сопровождается небольшим треском, иногда происходит совершенно бесшумно. Обычно ее замечают только лишь в непосредственной близости от себя. Вот почему встречи, с «электрическим огненным клубком» редки и неожиданны.

С оставление «портрета» шаровой молнии началось более ста лет назад. Первую сводку наблюдений «огненных шаров из грозовых туч» дал еще в !838 году известный французский астроном и физик Франсуа Араго. «В Дижоне, аббат Ришар увидел в церкви довольно яркое красное пламя, державшееся в воздухе в трех футах от церковного помоста. Это пламя поднялось потом на высоту 15 футов и увеличилось в размерах. Затем последовал грохот, подобный выстрелу из пушки…»

Как же выглядит «портрет» шаровой молнии в наши дни? Все свидетели сходятся, прежде всего, на том, что шаровая молния неуловима, своенравна и разнообразна. Наблюдались молнии величиной с горошину; однако на большой высоте, случалось, проплывали молнии диаметром в десятки метров… Но чаще шаровая молния имеет размеры апельсина. И не всегда она шаровидная! Встречались экземпляры грушевидной, яйцеобразной, миндалевидной формы.

Для описания окраски шаровой молнии потребовались все цвета радуги. Порой она бывает ослепительно белой, порой голубоватой, зеленоватой,желтой, ярко-красной или тускло-красной, как гаснущий уголь. Иногда ее свечение пульсирует, она искрится и трещит, оставляя за собой шлейф золотых и серебряных искр. Бывает, она выбрасывает снопы света, точно бенгальский фейерверк, а затем застывает, окруженная лиловым или сиреневым сиянием.

Но чаще всего шаровая молния красного цвета. Реже всего возникают зеленые молнии или молнии смешанной окраски. Однажды наблюдалась даже черная молния! Она появилась в сентябре 1877 года в кухне одно-го дома. Это был черный шар, «словно из плотного дыма», диаметром в 25 — 30 сантиметров.

Свою окраску шаровые молнии меняют не часто, и то лишь, как правило, после так называемого «промежуточного взрыва». Так, однажды вначале желто-огненный, шар после взрыва стал красно-голубым.

Молнии, хотя и редко, могут соединяться или, наоборот, делиться. Соединяются они друг с другом примерно так, как сливаются капли жира в тарелке супа.

Статистика появления шаровой молнии в разное время суток показала, что она возникает в основном как следствие грозы, но предпочтительней во второй половине дня.

 Наблюдения, проведенные однажды в Европе, дали вот какой результат: весной шаровая молния возникала 27 раз, летом — 91, осенью — 15, а зимой… 12 раз. Но ведь бывают и зимние грозы? Да, но статистика показала, что шаровая молния не всегда связана с ними по времени появления.

Шаровая молния может парить на одном месте, а может перемещаться со скоростью в сотни и тысячи километров в час по ветру и против ветра. Она способна «уклоняться» от раскрытых форточек и окон, а бывает, наоборот, проникает в замочные скважины, дымоходы, проскальзывает по проводам. Но не брезгует она и более крупными отверстиями, ведущими в закрытые помещения.

…Самолет стоял на взлетной площадке. Внезапно в пилотскую кабину вошла шаровая молния диаметром в 10 — 12 сантиметров. Из кабины она плавно проплыла в салон, не причинив вреда пассажирам. Взорвалась она в хвосте, произведя значительные разрушения.

 В 1901 году,- в Уральске во время грозы ослепительный огненный шар медленно опустился к земле и коснулся девушки, стоявшей на пороге дома. Тотчас она упала на землю. Девушка казалась уснувшей. В действительности она была мертва. Молния повредила ей затылок, спину, левое бедро, оставив черный след.

Наблюдения летчиков добавили к «портрету» еще несколько деталей. Прежде всего то, что на большой высоте существуют молнии гораздо более крупные, чем у земной поверхности. Кроме того, скорость полета, как оказалось, вовсе не избавляет самолет от визита «огненной гостьи».

…12 декабря 1956 года, в 90 километрах от города Комсомольска в транспортный самолет ЛИ-2 попала шаровая молния. Самолет летел на высоте 3000 метров в сплошной облачности. По курсу самолета появился огненный шар диаметром 25 — 30 сантиметров мутно-красного цвета. В полуметре от носа самолета молния свернула в сторону и начала огибать фонарь летчика. Встретив лопасть левого винта, огненный шар взорвался: вдоль левой части фюзеляжа прошла огненная полоса. Взрыв сопровождался ослепительной белой вспышкой. Звук был настолько громким, что заглушил шум моторов. Самолет рез-ко подбросило вверх. При посадке обнаружилось повреждение лопасти левого винта…

Однажды столкновение с самолетом произошло во время снегопада. Удар шаровой молнии оставил большую вмятину на фюзеляже, прожег обшивку и оплавил кромку руля поворота.

Энергию шаровой молнии прямо измерить еще никому не удалось. О ее концентрации приходится судить по косвенным признакам.

Скажем, по таким: во время сильного ливня молния, взорвавшись рассыпалась по мокрой соломенной крыше. И крыша тотчас запылала под ливнем!

Можно насчитать около пятидесяти гипотез, которые пытаются объяснить природу шаровой молнии.

 «Ее наполняет гремучий газ», что это клубок наэлектризованных газов, или своеобразная лейденская банка, сгусток высоко ионизированного газа, плазменный газ, в котором электроны сорваны со своих орбит. Но все они не укладываются в обстоятельство существования в течении нескольких  минут.

 Подобные сгустки плазмы  удалось получить и в лаборатории. Но эти сгустки плазмы разительно отличались от шаровой молнии.

Они оказались нестойкими, короткоживущими и распадались тотчас при удалении от фокуса.

Еще одна гипотеза утверждала, что НЛО — это либо сама шаровая молния, либо плазменные образования, ей подобные — смелое предположение. Но как остроумно заметил один ученый, «..объяснить шаровую молнию посредством НЛО все равно что меньшее незнание прикрыть большим».

стабилизация плазмы обратными связями

«Тока-мак», «Огра», «Ураган» — эти названия в свое время, обошли страницы журналов и газет.

 Поражало время жизни «черной плазмы», микромгновение, в течение которого держится плазма в этих ловушках, — 0,01 секунды; 0,1 секунды! Вначале плазма жила десятки миллисекунд, потом сотни микросекунд. И это были мировые рекорды.

Эксперименты тогда молодых лауреатов премии Ленинского комсомола, ученых Института атомной энергии имени И. В. Курчатова Арсенина В.В. и кандидата физико-математических наук, Чуянова В.А, были направлены на то, чтобы удержать плазму в ловушке. Лишь решив эту проблему, можно открыть путь к управляемым термоядерным реакциям, а значит, получить океаны энергии.

Иногда процессы, происходящие в бездне космоса, могут служить прообразом и моделью для земных дел физиков. Но нельзя воспринимать это сопоставление непосредственно. Подсказка с небес не так уж отчетлива. Порой она сбивает с толку.

В ночи мы видим звездный свет, а в жаркий полдень солнце слепит. Иначе и не представишь себе звездное вещество — как нечто раскаленное, яркое, блестящее. Между тем земная высокотемпературная плазма черна. Разогретая до многих миллионов градусов, она не испускает света. Обычные излучательные механизмы атомов тут безнадежно повреждены. Это оркестр, где с инструментов сорваны струны…

В формировании солнца и звездных его сверстниц, этих громадных средоточий плазмы, представляющих со-бой естественные термоядерные реакторы, участвуют гигантские силы тяготения, которые невыразимо слабы в облачке разреженного газа на лабораторном стенде. Потому-то исследователи ищут свои, особые способы удержания и формирования плазмы.

Материя в своем изначальном виде — совершенно капризное создание.

Электроны и голые атомные ядра со страшной скоростью мечутся в сосуде, испаряя его стенки, отравляясь этими испарениями, и при этом охлаждаются.

Одно время физиками овладело оптимистическое настроение. Казалось, плазма почти в сачке, ее можно поймать в простейшую сеть из магнитных силовых линий, способных изолировать плазму от стенок сосуда. Тогда электроны и ядра движутся по кругам и спиралям.

Начались поиски формы магнитного поля: «бутылки>, «баранки», «жгуты», свитые из силовых линий, «сети» и «верши». Но отыскание подходящей формы поля — это лишь один из вариантов решения проблемы и, надо сказать, не оптимальный. В невидимых сетях магнитной-ловушки плазма, не смирилась. Она лишь продемонстрировала свою изменчивость. Плазменный шнур перетягивается, извивается, ускользает из «сети» разными способами и старается непременно «лизнуть» стенки сосуда.

 Идею эксперимента предложили ещё в 1965 году сотрудники института А. Морозов и Л. Соловьев. Мысль такая: в том месте, где плазма выпячивается наружу, усилить внешнее магнитное поле, а там, где желобок, — ослабить его. Соответственно увеличивается или уменьшается сила, действующая на плазму. Эта сила удерживает плазму в положении равновесия. Описание на языке магнитного давления относится к плотной плазме. Эксперименты с такой плазмой трудны. Осуществить идею удалось в опытах с разреженной плазмой. Для этого пришлось сформулировать соответствующую теорию с обратной связью.

Теория, а в последующем и установка, предельно просты. Плазменный язычок приближается к стенке. Чтобы почувствовать это, нужен датчик, который воспринимает электрическое поле, сопутствующее язычку. Сигнал очень слабый. С помощью усилителя его делают ощутимым и через цепь обратной связи подают к управляющему электроду. Он, в свою очередь, создает уже сильное управляющее «контрполе». Язычку дается соразмерный, пропорциональный, строго рассчитанный отпор и он отступает.

К счастью, язычков не так уж много, и они достаточно широки. Поэтому сторожевых постов и управляющих электродов установлено несколько по окружности стенки. Каждый осуществляет слежку за определенным участком фронта.

Более точная картина процесса дана на приведенных здесь схемах и в пояснениях к ним.

Наступает знаменательный и, быть может, многообещающий этап. К управлению плазмой подключается кибернетика. Тогда работа ученых была одна из вех на пути обширных изысканий. Она показала, насколько хорошо изучены повадки плазмы: ведь чем лучше узнан предмет, тем тоньше на него можно воздействовать.