Карл Саббаг - Веревка вокруг Земли и другие сюрпризы науки

• Название: Веревка вокруг Земли и другие сюрпризы науки
• Автор: Карл Саббаг
• Издательство: Ломоносовъ
• Жанр: Научпоп
• Год: 2012
• ISBN: 978-5-91678-144-1

Есть детские вопросы, на которые не каждый взрослый ответит: почему ночью небо темное? почему мы не проваливаемся сквозь пол? кто изобрел колесо? почему зеркало меняет местами только лево и право, а не верх и низ? Карл Саббаг подробно разбирает эти и многие другие загадки (да-да, загадки, причем Большой Науки!), и не просто разбирает, а легко, доходчиво, с хорошим юмором рассказывает об окружающих нас чудесах физики, химии, биологии, психологии и даже космологии. Вот еще вопросы: как работает Гугл? можно ли увидеть нейтрино? что такое пятый вкус, о котором никто не знает, кроме японцев? обижаются ли на нас собаки? кто был автором первого в истории мультфильма? Интересно? При чтении этой книги будет еще интереснее! Потому что именно с такой целью она и писалась: напомнить нам, что мир вокруг таинствен и удивителен.

Карл Саббаг (р. 1942) — британец палестинского происхождения, писатель, журналист, телевизионный продюсер. Автор многих научно-популярных книг, документальных фильмов и научно-популярных телесериалов.

---

Сейчас техника шагнула вперед настолько, что ученые получили возможность воздействовать на молекулы напрямую и создавать новые структуры, обладающие инновационными биологическими функциями.

Ища способы взаимодействия с этими микроскопическими объектами, ученые нацелили свое внимание на очень точно сфокусированные световые волны, позволяющие нагревать объекты и таким образом воздействовать на их структуру. В случае с «музыкальными инструментами» ученые сконструировали каркасы, содержавшие цепочки атомов кремния разной длины, вследствие чего они вибрировали на разных частотах, как гитарные струны. Эти кремниевые струны были зафиксированы с обоих концов, и, когда луч света нагревал их, создавалось напряжение, заставлявшее струны вибрировать на частоте, зависевшей от длины. Конечная цель этого исследования заключалась в том, чтобы отыскать менее энергоемкие способы управления электронными схемами и найти альтернативу нынешним проводам, чтобы они в наномасштабах перещеголяли струны наногитары. Подобными устройствами можно будет заменить преобразователи из кварцевых кристаллов, которые сейчас используются в сотовых телефонах. Наноустройства смогут выполнять ту же работу с гораздо меньшими затратами энергии.

У крошечных музыкальных инструментов, если все-таки заняться игрой на них, есть лишь один небольшой недостаток. Они не только столь малы, что их не увидишь без микроскопа (пятнадцать тысяч их уложатся в ряд длиной менее сантиметра), но эти инструменты еще и издают звуки такой высокой частоты, которая недоступна человеческому уху. Их диапазон на 17 000 октав выше, чем у нормальной гитары.

Нечестно по отношению к Бёйс-Баллоту?

Бедный старый голландский метеоролог Христофор Хенрик Дидерик Бёйс-Баллот (1817–1890) упустил свою порцию славы, и та досталась Кристиану Иоганну Доплеру, — а все благодаря эффекту, с которым в наши дни сталкивался каждый, кому довелось на большой скорости проехать мимо «скорой помощи» или полицейской машины, в которой включена сирена.

Любопытная деталь: до появления железных дорог никто даже и не замечал, что высота звука по мере приближения источника звука к слушающему, а также по мере последующего удаления от него изменяется. Может, до этого какой-нибудь обладатель отличного слуха и обращал внимание на подобные изменения, когда мимо него проносился всадник, играющий на трубе одну-единственную ноту, но, видимо, такие случаи происходили нечасто, да и откуда человеку было знать, что всадник, проезжая, не затрубил на другой высоте нарочно?

Эффект был назван в честь Доплера, поскольку именно этот австрийский физик первым заявил о его существовании, хотя и применительно к световым волнам. Он предположил, что, если бы звезды приближались к Земле, их свет казался бы более голубым, чем обычно, а если бы они удалялись, то более красным. Его открытие оказалось чрезвычайно ценным в последующие годы, когда астрономы, назвав это явление «спектральным смещением», стали использовать его для вычисления скорости, с которой звезды движутся по линии прямой видимости, а также для подтверждения идеи о расширении Вселенной (см. главу «Вселенная — это вам не сарай»).

Однако в нашей повседневной жизни гораздо большее значение имеет идея Бёйс-Баллота, предположившего, что тот же самый эффект может распространяться и на звуковые волны. В науке часто случается, что необычное наблюдение влечет за собой поиски его объяснения. Но здесь, наоборот, первым появилось объяснение, и Бёйс-Баллоту требовалось найти лишь способ проверить, применим ли этот эффект к звуку, и подкрепить идею объективными наблюдениями.

Железная дорога на паровой тяге тогда находилась еще на этапе становления, но это был самый быстрый способ перемещения, позволяющий проверить теорию. В 1845 году голландцы, жившие вдоль железной дороги, соединявшей Утрехт и Маарсен, в течение двух дней наблюдали странную картину: вагон-платформа с компанией трубачей, оглушительно и душераздирающе (ну, во всяком случае, немелодично) дующих в трубы, катался по путям туда-сюда мимо группы музыкантов — обладателей превосходного слуха, а те записывали ноты, которые они слышали, пока платформа приближалась и проезжала мимо. Собранные данные подтвердили, что теория Доплера применима и к звуку: когда платформа проезжала мимо и удалялась, высокие ноты сменялись более низкими, а сила звука зависела от скорости поезда.

Объясняется это явление просто. Высота звука напрямую связана с количеством звуковых волн, достигающих уха за секунду. Если источник звука приближается к слушателю, за секунду прибывает больше волн, чем если бы он стоял без движения; а если источник удаляется, волн долетает все меньше. Кстати, то же правило действует и когда слушатель движется навстречу неподвижному источнику звука или удаляется от него, хотя это менее распространенная в реальных условиях ситуация. Представьте, что вы плывете на лодке по озеру с регулярно пробегающими волнами, вызванными ветром. Вы минуете больше волн в минуту, если плывете против ветра, и меньше — если ветер попутный. Пока в один прекрасный момент, когда ваша скорость сравняется со скоростью волн, вам не начнет казаться, что они стоят на месте.

Хоть эффект Доплера применительно к звуку так и не был назван в честь Бёйс-Баллота, имя этого ученого все-таки было увековечено, причем в главной области его деятельности — в метеорологии. Его имя присвоили закону. Закон Бёйс-Баллота гласит, что если вы стоите спиной к ветру в Северном полушарии, то зона пониженного давления будет находиться от вас слева. Это потому, что ветер движется по кругу против часовой стрелки, а в центре круга располагается зона пониженного давления. В Южном полушарии все наоборот.

И от атомной бомбы бывает польза

На заре эры покорения атома изобретение новой и чрезвычайно мощной атомной бомбы вызвало в мире такой энтузиазм, что многие страны занялись созданием собственного страшного оружия и, расценивая это как укрепление своих стратегических позиций, принялись испытывать его в удаленных от человеческого жилья уголках Земли, к примеру на островах Тихоокеанского бассейна. В 1950-е и 1960-е годы после испытаний водородной бомбы в местах взрывов наблюдался чрезвычайно высокий уровень радиации, от которой пострадали многие местные жители, а также проводивший испытания персонал, — создателям бомбы пока еще не хватало знаний о возможных последствиях. Но радиоактивность, возникавшая в ходе взрывов, затронула не только непосредственно места испытаний — она охватила гораздо большую площадь: радиоактивные частицы попали в атмосферу и были подхвачены потоками воздуха, перемещающимися вокруг земного шара. Некоторые частицы оказались в пище, особенно опасны были атомы стронция-90 и цезия-137, продолжающие излучать радиацию на протяжении весьма длительного времени. Даже сейчас, когда испытания атомного оружия в слоях атмосферы остались в далеком прошлом, в организмах новорожденных находят следы стронция-90 — об этом свидетельствуют ученые, собирающие молочные зубы. Поскольку в природе стронций-90 не встречается, значит, эти атомы остались после испытаний ядерного оружия.

Но внимание ученых привлек другой изотоп, углерод-14, также образовавшийся в процессе испытаний атомной бомбы в атмосфере. После осуществления серии исследовательских проектов стало ясно: в грибовидном облаке от ядерного взрыва была и своя «ложка меда».

В 1992 году некий австрийский ученый-криминалист столкнулся с необычной проблемой. В одной венской квартире были найдены трупы двух престарелых сестер. Тела успели мумифицироваться, выходит, старушки умерли еще несколько лет назад, но никто из соседей этого не заметил. При других обстоятельствах эта печальная история, в которой вроде не содержалось никакого состава преступления, не привлекла бы внимания полиции и судмедэкспертов. Но у каждой из женщин имелись пенсионные накопления и страховые полисы, оформленные в разных фирмах. Так что, если бы одна старушка пережила другую (а было не похоже, чтобы они обе умерли в одночасье), она бы унаследовала пенсию и страховку сестры, и эти значительные суммы перекочевали бы на счета в ее собственной страховой компании.

Археологи, датируя свои находки, используют изотоп углерод-14, хотя этот метод работает без погрешностей, только если найденным предметам не более нескольких сотен лет. Но двоим венским физикам-дозиметристам пришла в голову другая идея. Уровень углерода-14 в атмосфере из года в год меняется. В период между 1950 годом и концом 1960-х из-за испытаний ядерного оружия этот показатель достиг пика, а потом стал потихоньку снижаться. Впрочем, он до сих пор выше, чем был до 1950 года.

Атмосферный углерод-14 попадает в клетки человеческого организма, и его количество отражает содержание углерода-14 в атмосфере в те времена, когда клетки только формировались. Некоторые клетки тела остаются неизменными на протяжении всей жизни, так что по содержанию в них углерода-14 можно вычислить дату рождения. А другие клетки делятся и делятся, так что количество искомого изотопа в них должно соответствовать году, когда эти клетки образовались.