Атомы

.В январе 2023 года ученные составили детальную карту расположения элементарных частиц в ядре атомного ядра.

Больше ста лет назад британский физик Эрнест Резенфорд провел ряд экспериментов, которые легли в основу нашего понимания строения атомов и радиоактивности. Открытие им атомного ядра (и первое искусственное превращение атомных ядер) привело к созданию новой концепции материи, согласно которой электроны, подобно планетам, движутся по орбитам вокруг атомного ядра, расположенного в центре. В 1911 году Резерфорд предположил, что ядро атома имеет положительный заряд, определяющий суммарное число электронов в атомной оболочке. В конечном итоге открытия Резерфорда, Нильса Бора, Ханса Гейгера и Петра Капицы показали, что атомное ядро действительно имеет положительный заряд, а окружающие его электроны (точнее, электронные облака) отрицательный. Примечательно, что открытия выдающихся физиков были сделаны без непосредственного наблюдения атомов, но сегодня все изменилось недавно исследователи из Брукхейвенской национальной лаборатории сообщили, что им удалось получить изображение ядра атома в электрическом поле. Впервые в истории.

Первое изображение атома

Атомы настолько малы, что увидеть их невооруженным глазом, даже с помощью самого мощного микроскопа, невозможно. По крайней мере так было до 2009 года, пока физики не сфотографировали атом и окружающие его электроны. На снимках, опубликованных в журнале Physical Review B, показаны подробные изображения электронного облака одиночного атома углерода.

Отметим, что это первый случай, когда ученым удалось непосредственно наблюдать внутреннюю структуру атома. До этого, начиная с 1980-х годов, физики отображали атомную структуру материала с помощью математики и методов визуализации.

Первый снимок атома углерода сделан учеными из Харьковского физико-технического института в Харькове, Украина в 2009 году. Полученные ими изображения электронов одного атома подтверждают принципы квантовой механики. На изображениb можно увидеть углеродную цепочку атомов.

Часть проблемы заключалась в том, что согласно принципам квантовой механики электрон не существует как отдельная точка, которую можно увидеть он распространяется вокруг ядра в облаке под названием орбиталь. Нежно-голубые сферы и расщепленные облака на изображении показывают два расположения электронов на орбиталях в атоме углерода. Эти структуры подтверждают ранние выводы ученых, так как соответствуют установленным принципам квантовой механики.

Больше по теме: Ученые наблюдали новый вид квантовой запутанности внутри атомных ядер

Метод электронной птихографии

Следующим шагом на пути к наблюдению атомной структуры стало изобретение ученых из Корнельского университета, которым удалось построить мощный детектор и установить мировой рекорд, утроив разрешение современного электронного микроскопа. Работа опубликована в научном журнале Science.

Этот инструмент представляет собой детектор пиксельной матрицы электронного микроскопа (EMPAD) со встроенными алгоритмами 3D-реконструкции, который смог уловить тепловое колебание атомов и получить их новое изображение в трех измерениях. До 2021 года все прошлые попытки представить и изучить отдельные атомы сводились к размытым изображениям.

Перед вами электронная птихографическая реконструкция кристалла ортоскандата празеодима (PrScO3), увеличенная в 100 миллионов раз.

Полученное в результате работы изображение стало возможным благодаря методу под название электронная птихография (ptychography) сканирующая техника получения изображений объектов, крайне малых размеров, таких как электроны и рентгеновское излучение.

Подробнее о том, как птихография позволит ученым обнаруживать отдельные атомы в трех измерениях и в каких еще областях науки можно применить эту технологию можно прочитать здесь.

Изображение ядра внутри атома

Итак, вот мы и подобрались к последнему по-настоящему поразительному открытию. На этот раз инструментом физиков стал не электронный микроскоп а релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC), в основе работы которого лежит принцип квантовой запутанности.

Напомним, что квантовой запутанностью называется связь двух (и более) частиц, свойства которых остаются одинаковыми вне зависимости от того, как далеко эти частицы находятся друг от друга. Альберт Эйнштейн, кстати, называл запутанность «сверхъестественной».

RHIC (The Relativistic Heavy Ion Collider) релятивистский коллайдер тяжелых ионов, расположенный в Брукхейвенской национальной лаборатории США.

Релятивистский коллайдер тяжелых ионов (RHIC) ускоритель частиц, предназначенный для изучения столкновений между тяжелыми ионами (золота, медь, уран и др.) на релятивистских скоростях. Как объясняют авторы изображения, принцип работы коллайдера напоминает метод позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), которая позволяет увидеть что происходит внутри мозга и других органов.

Читайте также: Главные научные открытия 2022 года по версии Hi-News.ru

Благодаря новому методу, физики смогли получить представление о внутреннем строении атомов, а также стать свидетелями нового типа квантовой запутанности. Исследование этого эффекта считается одним из самых перспективных в современной физике в ходе эксперимента ученые наблюдали за фотонами и ионами золота в момент их ускорения вокруг коллайдера RHIC и в результате заглянули внутрь атомных ядер.

Как увидеть атом?

Атомное ядро состоит из нейтронов и протонов, в составе которых находятся кварки и связывающие их глюоны. Благодаря серии квантовых флуктуаций в ходе эксперимента, фотоны вступили в взаимодействие с глюонами, образовав промежуточную частицу («ро»), немедленный распад которой образовал два так называемых «пиона» + и -. Полученная информация позволяет с детальной точностью отобразить расположение глюонов в ядре атома.

Перед вами интригующее изображение атома, наиболее приближенное к тому, как они на самом деле выглядят.

Тем не менее увидеть атом и его ядро собственными глазами невозможно. Новое изображение, опубликованное в начале 2023 года, сделано с большой выдержкой, но даже мощнейшие научные инструменты с трудом способны уловить элементарные частицы, так как они невероятно малы.

Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира науки и высоких технологий? Подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram так вы точно не пропустите ничего интересного!

Но вот что особенно важно и новое изображение структуры атомных ядер и предыдущие изображения, полученные в 2009 и 2021 годах, соответствуют теоретическим предсказаниям и фундаментальным принципам квантовой механики. К тому же это первое в истории экспериментальное наблюдение квантовой запутанности (и ее новой формы) между разнородными частицами.

Тем не менее субатомный мир остается загадкой для ученых, которые пытаются выяснить как формируется наша реальность. Задача непростая, согласитесь.

Все вокруг, включая нас самих состоит из крошечных, невидимых частиц, постоянно взаимодействующих между собой

Не пропустите: Мир в суперпозиции: три теории параллельных вселенных

К счастью, будущие эксперименты на RHIC (а также других коллайдерах и еще более мощных инструментах), позволят физикам не только детально изучить распределение глюонов внутри атомных ядер, но лучше понять сложно и таинственное устройство Вселенной. Больше о том, могут ли частицы появляться из ничего мы рассказывали в этой статье, рекомендуем к прочтению.

Одно из самых холодных мест во Вселенной находится на борту МКС

А вы знали, что на Международной космической станции (МКС) находится Лаборатория холодного атома (ЛХА) одно из самых холодных мест в известной Вселенной? ЛХА начала свою работу в июне 2018 года и является первой установкой на орбите, производящей целые облака «ультрахолодных» атомов, температура которых может достигать доли градуса выше абсолютного нуля, -273.15C минимального предела температуры, которую может иметь физическое тело во Вселенной. Все это космическое безобразие ученые затеяли, разумеется, ради квантовой физики. Так, спустя два года непрерывной работы им удалось создать странную квантовую материю, существование которой было предсказано больше столетия назад.

Четыре состояния материи это жидкость, газ, твердое тело и плазма.

Что происходит в лаборатории холодного атома?

В течение 25 лет физики использовали экзотическое состояние материи, состоящее из ультрахолодных атомов, чтобы исследовать квантовое поведение в макроскопическом масштабе. Но сделать это удалось лишь на борту МКС. Практически за два года работы ЛХА, физики из NASA создали пятое состояние материи конденсат Бозе-Энштейна, существование которого было предсказано Альбертом Эйнштейном и индийским математиком Сатьендрой Нат Бозе почти сто лет назад.

Конденсат позволяет ученым детально исследовать тайны квантовой физики: когда атомы охлаждаются от такой низкой температуры (273,15C), они могут образовывать единый макроскопический квантовый объект ультрахолодные атомные облака, которые начинают походить на один "суператом", а не на группу отдельных атомов.

Говоря простыми словами, в охлажденном состоянии приличное число атомов оказывается в минимально возможных квантовых состояниях вот почему квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне. Авторы научной работы считают, что конденсат Бозе-Энштейна позволит им изучить малоизведанный микромир. Полученные результаты, опубликованные в журнале Nature, доказывают, что микрогравитация (постоянная невесомость) ЛХА позволяет ученым создавать явления, создание которых на Земле невозможно.

Как пишет Nature, в конденсате, вероятно, сокрыты ответы к самой загадочной энергии во Вселенной темной энергии, которая отвечает за ее ускоряющееся расширение. Подробнее о поисках темной энергии читайте в нашем материале.

Самая крутая лаборатория Вселенной настроена на открытие квантового мира

Пятое состояние материи

Согласитесь, создание пятого состояния материи в космосе важное событие для мировой науки. Но как ученым это удалось? Для получения конденсата исследователи использовали атомы рубидия-87, лазеры и высокий вакуум, которые существовали дольше секунды при 200 триллионных долях градуса выше абсолютного нуля, наравне с некоторыми из самых успешных экспериментов на Земле. В будущих экспериментах команда планирует опуститься до рекордных 20 триллионных долей градуса и создать конденсат, способный существовать до 5 секунд.

Создание конденсата Бозе-Эйнштейна из рубидия (мягкого металла, напоминающего калий) стало возможным исключительно в условиях микрогравитации. Впервые получить атомы рубидия-87 ученым удалось в 1995 году, используя изобретенную в 1980-х методику лазерного охлаждения и магнитного испарительного охлаждения.

Квантовая физика очень и очень странная, но ее активно изучают. Чтобы не пропустить интересных открытий в этой области, подписывайтесь на наш канал в Google News

Так выглядит Лаборатория холодного атома, расположенная на борту МКС в июне 2018 года

Необходимо отметить, что полученный конденсат не первый, созданный в условиях микрогравитации. Ряд предыдущих экспериментов показал как эта фаза материи ведет себя во время пребывания в невесомости. Но ЛХА первая лаборатория существующая в этой среде постоянно. Ее успех не был ожидаем, учитывая, что сама лаборатория размером со среднестатистическую посудомоечную машину.

Более того, область применения полученного конденсата Бозе-Эйнштейна и его объяснение варьируется в зависимости от поиска темной энергии, гравитационных волн, а также испытаний общей теории относительности и др. Тем не менее, важность этого открытия сложно переоценить.

Какие эксперименты проводят на борту МКС?

На самом деле в космосе проводят огромное количество научных экспериментов, каждый из которых уникален и позволяет лучше узнать Вселенную и нас самих. Так, одним из основных направлений космических исследований сегодня является выращивание на МКС большого количество разнообразных растений. За все время работы станции, космонавты выращивали ячмень, горох, редис, пшеницу, салатные культуры и др. Также постоянно ведутся исследования рака и болезни Паркинсона.

Вам будет интересно: Для чего ученые отправили марихуану на МКС?

Кроме того, проект Mayo Clinic культивирует стволовые клетки это позволит ученым понять почему некоторые виды рака оказываются устойчивыми к химиотерапии. чтобы улучшить наше понимание устойчивости рака к химиотерапии. О шести наиболее интересных научных экспериментов на борту Международной космической станции читайте в материале моего коллеги Ильи Хеля.

Перед вами электронная птихографическая реконструкция кристалла ортоскандата празеодима (PrScO3), увеличенная в 100 миллионов раз.

В 2018 году исследователи из Корнельского университета построили мощный детектор, который в сочетании с управляемым алгоритмом процессом птихографией (ptychography) установил мировой рекорд, утроив разрешение современного электронного микроскопа. Но каким бы успешным ни был этот подход, у него был один недостаток он работал только с ультратонкими образцами толщиной в несколько атомов (все, что было больше, заставило бы электроны рассеиваться таким образом, что их невозможно было бы распутать). Теперь та же команда исследователей установила новый рекорд с помощью нового мощного детектора пиксельной матрицы электронного микроскопа (EMPAD), который включает в себя еще более сложные алгоритмы 3D-реконструкции. Авторы научной работы отмечают, что разрешение настолько тонко настроено, что единственное размытие, которое остается это тепловое колебание самих атомов. Звучит сложно, не так ли? Предлагаем не бояться сложных терминов и пробуем разобраться, как новая форма электронной птихографии позволит ученым обнаруживать отдельные атомы в трех измерениях, а также к чему может привести их открытие.

Как увидеть невидимое?

Современная наука гласит, что атомы являются строительными блоками всего существующего. Но вряд ли такое объяснение устроит всех, ведь если атомы существуют, значит их можно увидеть. Но как? На первый взгляд может показаться, что существует простой способ доказать существование атомов: достаточно поместить их под микроскоп. Но такой подход не сработает. На самом деле, даже самые мощные микроскопы не могут визуализировать отдельные атомы.

Напомним, что увидеть тот или иной объект можно благодаря тому, как он отклоняет видимые световые волны. А вот атомы остаются для нас невидимыми, при этом они оказывают заметное влияние на некоторые вещи. Так, сотни лет назад, в 1785 году, голландский ученый Ян Ингенхуз изучал странное явление, в котором он не мог до конца разобраться: мельчайшие частицы угольной пыли метались по поверхности спирта в его лаборатории.

Это интересно: Почему ученые озабочены проблемой атома?

Примерно 50 лет спустя, в 1827 году, шотландский ботаник Роберт Браун описал нечто похожее, когда направил микроскоп на пыльцевые зерна. Браун заметил, что некоторые зерна выделяют крошечные частицы, которые затем удаляются от пыльцевого зерна в случайном дрожащем танце. Сначала ученый задался вопросом, действительно ли эти частицы были каким-то неизвестным организмом. Он повторил эксперимент с другими веществами, такими как каменная пыль, которая, как он знал, не была живой и снова увидел то же самое странное движение.

Специфический тип движения, который обнаружил Роберт Браун сегодня называется в его честь броуновское движение. Термин подразумевает беспорядочное движение микроскопических видимых взвешенных частиц твердого вещества в жидкости или газе, вызываемое тепловым движением частиц жидкости или газа.

Поиски объяснения продолжались до тех пор, пока Альберт Эйнштейн не предположил, что частицы пыльцевых зерен перемещались, потому что постоянно сталкивались с миллионами мельчайших молекул воды молекул, состоящих из атомов. К 1908 году наблюдения, подкрепленные расчетами, подтвердили реальность атомов. А еще через десять лет, разделяя отдельные атомы, физики начали понимать внутреннюю структуру этих мельчайших частиц.

Электронные микроскопы

Сегодня увидеть изображения отдельных атомов можно с помощью мощных электронных микроскопов, которые генерируют электронные лучи. Это возможно потому, что электронный луч может иметь длину волны в тысячи раз короче светового луча настолько короткую, что электронные волны могут быть отклонены крошечными атомами для создания изображения, а вот световые лучи сделать этого не могут.

Как отмечает в своей статье для BBC научный журналист Крис Бараньюк, такие изображения полезны для людей, которые хотят изучить атомную структуру специальных веществ например, тех, которые используются для изготовления батарей для электромобилей.

Птихография (ptychography) сканирующая техника получения изображений объектов, размеры которых значительно превышают поперечные размеры фокального пятна (электронов, рентгеновского излучения)

Как пишет Nature, ученые из Калифорнийского университета нашли способ создания потрясающе детальной 3D-реконструкции наночастиц платины в атомном масштабе.

Что же до исследования ученых из Корнельского университета, то с помощью новейшей формы электронной птихографии им удалось обнаружить отдельные атомы во всех трех измерениях. Такой способ, как объясняют авторы научной работы, может быть особенно полезен для визуализации полупроводников, катализаторов и квантовых материалов, в том числе используемых в квантовых вычислениях. Примечательно, что новый метод визуализации также можно применять к биологическим клеткам, тканям и даже к синапсным соединениям в мозге. Но как он работает?

Смена парадигмы

Итак, команда инженеров Корнельского университета разработала новый метод электронной микроскопии, мощность которого позволяет им с легкостью установить местонахождение атомов. Метод, который, согласно исследованию, опубликованному в журнале Science, опирается на электронный микроскоп в сочетании со сложными алгоритмами 3D-реконструкции установил новый рекорд в видении атомов.

Все, что мы видим вокруг себя, состоит из этих крошечных частиц.

Отмечу, что прошлые попытки представить и изучить отдельные атомы сводились к размытым изображениям. Но теперь ученые действительно могут наблюдать, как атомы дрожат и вибрируют размытость движения на новых изображениях свидетельствует о точности полученных данных, а не о технической неисправности. В официальном пресс-релизе исследования авторы отмечают, что «вибрация» и «движение» атомов происходит при конечной температуре.

Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира науки и высоких технологий? Подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram, чтобы не пропустить ничего интересного!

Хотя новый метод требует много времени и вычислительных затрат, его можно было бы сделать более эффективным с помощью более мощных компьютеров в сочетании с машинным обучением и более быстрыми детекторами. «Мы хотим применить это ко всему, что делаем», пишут авторы исследования. Ну а мы с вами будем ждать результатов , параллельно желая физикам удачи.

В ходе нового исследования физики использовали новый материал толщиной с атом и инновационную новую систему визуализации, чтобы показать, что электроны могут вести себя как вода. Интересно, что гидродинамика электронов то есть то, как они движутся долгое время была в некотором роде научной загадкой, поскольку субатомные частицы летают быстрее, чем может наблюдать человеческий глаз.

Наш мир устроен сложнее, чем может показаться на первый взгляд. И хотя все мы любим простые ответы на сложные вопросы, они редко оказываются верными. Так, в начале XIX века английский химик Джон Дальтон, разработал новую теорию атома, которая хоть и не объясняла все наблюдаемые явления, но предваряла новые возможности в понимании того, как объединяются атомы и образуются химические вещества. Интересно, что до Дальтона в научных кругах преобладала идея о маленьких неделимых частицах, предложенная еще Демокритом и Левкипом, однако атом долгое время не представлял интереса для науки. И хотя Дальтон не сомневался, что атомы неделимы, наблюдалось нечто, казавшееся легче них самих. В те годы физики выдвинули предположение, согласно которому электрический заряд состоял из некоторых электрических атомов и аналогов, а в 1894 году ирландский физик Джордж Стони предложил называть «атом электричества» электроном. С тех пор утекло много воды, причем даже больше, чем можно было бы ожидать. Недавно исследователи из Бостонского университета создали новый образец металла, в котором движение электронов протекает так же, как вода течет по трубе. Новое открытие потенциально может привести к созданию нового типа электронного устройства.

Что такое электрон?

На самом деле ответить на вопрос о том, что представляет электрон не так уж и просто. Чтобы понять, как ученые пришли к выводу о его существовании, ненадолго обратимся к истории.

После того, как Стони озвучил термин «электрон», другие ученые работали над катодными лучами пучками, испускаемыми заряженными пластинами внутри стеклянных трубок, в которых практически не было воздуха. Со временем британский физик Уильям Крукс обнаружил, что эти пучки состоят из отрицательно заряженного вещества.

Научный прорыв состоялся в 1897 году, когда другой британский физик Дж. Дж. Томсон установил, что катодные лучи ни что иное, как поток отдельных частиц с одинаковыми массами и зарядами. Имея массу, составляющую примерно 1/1000 массы атома водорода, они казались крохотными.

И несмотря на то, что физики не до конца понимали, что эти странные субатомы собой представляли, термин «электрон» вошел во всеобщее употребление, а сам электрон позиционировался как носитель заряда. При этом вплоть до 1905 года научное сообщество полагало, что никаких атомов нет, однако в модели атома, выведенной из открытий Резерфорда, было кое-что привлекательное.

В классическом эксперименте с катодными лучами пучок направлен на широкий конец трубки (слева на рисунке), за исключением тех участков, для которых лучи блокируются металлическим крестом.

В самом сердце атома находилось тяжелое, положительно заряженное ядро, вокруг которого обращались крохотные электроны. Можно было подумать, что атом это наша Солнечная система в миниатюре, где в качестве Солнца выступает ядро, а электроны в качестве планет.

Интересуетесь наукой и хотите всегда быть в курсе последних научных открытий? Подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram чтобы не пропустить ничего интересного!

Но несмотря на всю красоту этой модели, сегодня физики не рассматривают ее в качестве модели атома всерьез. Дело в том, что все, что движется по орбите ускоряется, а электрон, движущийся с ускорением, теряет энергию в форме света. Конец этой «путанице» с электроном, как известно, положил молодой физик Нильс Бор. Подробнее о работе выдающегося ученого и не только читайте в этой статье.

«Текучесть» электрона

Итак, сегодня под электроном ученые понимают стабильную отрицательно заряженную элементарную частицу. Она считается фундаментальной и является одной из основных структурных единиц вещества. Следует также отметить, что все электроны одинаковы, вне зависимости от того в состав какого атома они входят.

К основным свойствам электронов относят образование электронных оболочкек атомов. Движение электронов способствует возникновению электрического тока во многих проводниках. При ускорении электроны создают рентгеновское излучение, а также позволяют физикам изучать строение атомных ядер.

Но, как оказалось, электроны умеют кое-что еще. В новом исследовании, опубликованном в научном журнале Nature Communications, ученые сообщили об открытии нового типа металла, в котором электроны двигают текучим образом как вода вода в трубе путем взаимодействия с квазичастицами, под названием фононы.

Считается, что фононы возникают в результате колебаний в кристаллической структуре. Но это, мягко говоря, не совсем обычно в металлах электроны действуют как отдельные частицы то есть не набирают импульс, как группа.

Композит из ниобия и германия (NbGe2) небольших кристаллов нового материала, прикреплен к устройству для исследования поведения новой электронно-фононной жидкости. Вставка показывает расположение атомов материала.

Столь необычное поведение электронов, как оказалось, вызывает металлический сверхпроводник, который представляет собой синтез ниобия и германия, называемый дитетрелидом NbGe2 (рисунок выше). И хотя считается, что электроны «протекают» через материалы, обычно они не движутся по проводникам, как жидкость, а скорее, больше похожи на газ, отскакивая от примесей и дефектов в проводнике.

Читайте также: Корпускулярно-волновой дуализм подтвердили экспериментально. Что это значит?

К чему может привести новое открытие?

Ученые и раньше подозревали, что гидродинамический поток электронов, подобный жидкости, возможен, поэтому исследователи из Института Вейцмана решили проверить это с помощью уникальной методики изображения электронов, протекающих аналогично воде, текущей по трубе. Их успех является первым случаем визуализации «потока жидких электронов», что может привести к разработке новых электронных устройств.

Для наблюдения физики использовали графен наноматериал, разработанный в Манчестерском университете, толщиной в один атом углерода, который можно содержать в исключительной чистоте.

Графен революционный материал 21 столетия. Это самый прочный, самый легкий и электропроводящий вариант углеродного соединения.

Читайте также: Новый электронный микроскоп позволяет увидеть атомы живых клеток

Профессор Шахал Илани и команда кафедры физики конденсированных сред Института затем визуализировали поток электронов с помощью наноразмерного детектора, построенного из транзистора из углеродных нанотрубок, который может отображать свойства протекающих электронов с беспрецедентной чувствительностью.

Наша техника, по крайней мере, в 1000 раз чувствительнее альтернативных методов; это позволяет нам отображать явления, которые ранее можно было изучать только косвенно, сказал доктор Джозеф Сульпицио из команды Вейцмана.

Команда создала наноразмерные «каналы», предназначенные для направления текущих электронов, и увидела отличительную черту гидродинамического потока: точно так же, как вода в трубе, электроны в графене текли быстрее в центре каналов и замедлялись у стен.

Электричество это, по сути, обмен электронами в потоке, называемом током, через проводящую среду, поэтому движение электронов представляет большой интерес для технологических фирм, учитывая растущую зависимость общества от электричества.

Знание того, что электроны могут имитировать структуру обычной жидкости, теперь может повлиять на конструкцию электронных устройств, в том числе тех, которые требуют меньшего энергопотребления.

Следующий шаг, как отмечают исследователи, заключается в поиске других материалов в этой гидродинамической области с помощью электрон-фононных взаимодействий. Команда физиков также занимается контролем электронных гидродинамических жидкостей в таких материалах и разработкой новых электронных устройств. Так что будущее как электрона, так и наше с вами вероятно, будет полно удивительных открытий. Ждем с нетерпением.

Перед вами список землеподобных планет, которые находятся в зоне обитаемости своих звезд. Недавно астрономы пришли к выводу, что наши радиосигналы достигли 75 звездных систем. Так что вполне возможно, нас кто-то слышит

Одним из моих любимых мультипликационных персонажей является Люррр правитель планеты Омикрон Персей 8 из уже культовой Футурамы. И хотя выглядит он не самым привлекательным образом, его супруга явно находит его симпатичным. Но речь не об этом, в конце концов мы с вами собрались не обсуждать внешность вымышленных инопланетных персонажей (хотя тема довольно занятная). Люррр в этой истории интересен тем, что больше всего на свете любитсмотреть земные телесериалы. Но так как Омикрон Персей 8 находится от Земли на расстоянии 1000 световых лет, телесигнал достиг их планеты когда земляне дружно отпраздновали трехтысячный год. Любимым же шоу инопланетного правителя оказался сериал 1990-х «Одинокая женщина адвокат» (у нее, кстати, самая короткая юбка в мире), но вещание передачи было прервано из-за пролитого на пульты управления пива. Что и послужило причиной вторжения омикронцев на нашу планету в 3000 году. Классный сюжет, правда? Но если говорить серьезно, то может ли нечто хотя бы отдаленно похожее на сюжет Футурамы произойти на самом деле? Ведь наша планета и правда вещает в открытый космос, причем уже более ста лет. К тому же, результаты нового исследования показали, что наши радиосигналы достигли 75 звездных систем. И кто знает какие телешоу могут понравится тамошним обитателям.

Нас кто-нибудь слышит?

Оглушительная космическая тишина наряду с расстояниями, представить которые мы не в силах, могут заставить любого мечтателя загрустить. Но новейшие открытия, сделанные с помощью мощнейших инструментов, напротив, воодушевляют. Ведь даже если нас и другую разумную цивилизацию разделяют сотни и миллионы световых лет, мы по-прежнему можем общаться. И для этого общения нет необходимости знать друг друга в лицо.

Если в наблюдаемой Вселенной есть или когда-то существовала разумная жизнь, она наверняка оставила что-то после себя, как это сделали мы, запустив в 1977 году космические аппараты «Вояджер» и «Пионер». Прямо сейчас они рассекают межзвездное пространство, являясь единственным материальным свидетельством того, что мы существуем. Или существовали в зависимости от того, кто и когда найдет наше послание.

Пластинки Вояджеров несут на себе не только научную информацию о человеческой цивилизации, но и нашу музыку, изображения и приветствия на 55 языках.

Больше по теме: В поисках межзвездных памятников или что останется после нас?

Но даже если никто никогда не обнаружит пластинки Вояджеров и Пионеров (или обнаружит, но не сможет расшифровать), они не единственное, что может рассказать обитателям иных миров о нашей цивилизации. Помните еще одно послание, которое астрономы отправили из ныне не существующей обсерватории Аресибо? Построенный в 1963 году, телескоп Аресибо использовался для исследований в области радиоастрономии, физики атмосферы и радиолокационных наблюдений объектов Солнечной системы.

Напомним, что радиосигнал был отправлен 16 ноября 1974 года в направлении шарового звездного скопления в созвездии Геркулеса M13 (Messier 13), что расположилось на расстоянии 25000 световых лет от Земли. И, как, вероятно, уже догадались наши постоянные читатели, авторами зашифрованного послания стали астрономы Фрэнк Дрейк и Карл Саган.

Радиосигнал длился 169 секунд, а длина волны составила 12,6 см. Послание Аресибо состоит из 1679 цифр и начинается с перечисления чисел от одного до десяти в двоичной системе. Сразу после следуют числа протонов в атомах азота, углерода, водорода, кислорода и фосфора основных элементов углеродной жизни. Третья часть послания описывает строительные блоки ДНК нуклеотиды, а четвертая часть спираль ДНК.

Мы отправили в космос множество сигналов и кто-нибудь, возможно, нас услышал.

Так что если в звездном скоплении М13 есть разумная жизнь, они уже очень скоро узнают о нашем существовании. Необходимо, однако, отметить, что сегодня М13 не находится в том же месте, что и в 1974 году, из-за орбиты скопления вокруг центра Млечного Пути. Но так как собственное движение М13 невелико, сообщение должно благополучно достигнуть адресата.

Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира науки и высоких технологий? Читайте нас на платформе Пульс от Mail.ru, чтобы не пропустить ничего интересного!

В каких звездных системах нас услышат?

Астрономы уже давно пытаются понять насколько далеко распространяются наши радиосигналы как те, что мы отправляем намеренно в направлении определенных созвездий, так и те, что транслируются по радио и телевидению. Недавно астрономы из Корнельского университета вычислили размер сферы, которую наши радиосигналы охватили с тех пор, как покинули Землю, а также сосчитали звезды, которые находятся внутри нее. Полученные результаты показали, что потенциальные обитатели далеких миров должны быть в состоянии видеть Землю, проходящую мимо Солнца.

Более того, авторы научной работы, опубликованной на сервере препринтов airxiv (а значит не прошедшей экспертную оценку), составили новую 3D-карту галактики, на которой показаны звезды, которых достигли наши радиосигналы и которые могут в ответ видеть и слышать нас.

Вряд ли столько пространства пропадает впустую вы только посмотрите, сколько созвездий!

Читайте также: Потеря для науки разрушен телескоп, с помощью которого ученые искали инопланетян

Новая звездная карта

Как отмечают авторы нового исследования, их работа стала возможной благодаря каталогу Gaia новой 3D-карте нашей галактики, показывающей расстояние и движение более 100 миллионов звезд. Данные получены с космического аппарата Gaia Европейского космического агентства, который был запущен в 2013 году и отображает положение и движение около 1 миллиарда астрономических объектов.

Полученная карта дает астрономам совершенно новый способ изучения нашей галактической среды. Поскольку Gaia измеряет, как звезды движутся относительно друг друга, исследователи могут определить, как долго мы были видны их обитателям. По мнению астрономов, 75 звездных систем, которые могут видеть нас или скоро увидят, находятся в пределах сферы в 100 световых лет. Астрономы уже наблюдали экзопланеты, вращающиеся вокруг четырех из них.

Карта распространения радиоволн исходящих от Земли

Эти системы, как правило, хорошо изучены. Так, звездная система Ross128 является 13-й по близости к Солнцу и второй по близости с транзитной экзопланетой размером с Землю. А еще есть звездная система Траппист-1 с семью планетами размером с Землю, четыре из которых четыре расположились в обитаемой зоне. Ну а пока вы читаете эту статью, наши сигналы продолжают бороздить близлежащий космос.

Это интересно: Стоит ли искать инопланетную жизнь?

Как пишет издание Discover Magazine, авторы нового исследования также выбирают звездные системы, которые будут принимать наши сигналы в ближайшие 200 лет или около того, и также смогут нас видеть. «По меньшей мере 1715 звезд в пределах 326 световых лет находятся в правильном положении, чтобы обнаружить жизнь на транзитной Земле со времен ранней человеческой цивилизации, и еще 319 звезд войдут в эту особую точку обзора в ближайшие 5000 лет», отмечают астрономы.

Скалистые экзопланеты

Согласно имеющимся данным, по крайней мере у 25 процентов звезд имеются скалистые экзопланеты. Таким образом, в этой популяции должно быть по крайней мере 508 скалистых планет с хорошим видом на Землю. «Ограничение выбора расстоянием, пройденным радиоволнами от Земли — около 100 световых лет-приводит к примерно 29 потенциально обитаемым мирам, которые могли видеть прохождение Земли, а также обнаруживать радиоволны с нашей планеты», пишут авторы нового исследования.

Конечно, возможность существования жизни в этих мирах совершенно неизвестна. Но следующее поколение космических телескопов должно позволить астрономам изучить эти миры более подробно, определить состав их атмосферы и, возможно, увидеть континенты и океаны.

Правитель планеты Омикрон Персей 8 за своим любимым занятием.

Не пропустите: NASA отправило в космос карту, по которой инопланетяне смогут найти путь к Земле

А вот для аналогично оснащенных инопланетных глаз Земля уже давно выглядит интересной мишенью. Жизнь впервые появилась здесь около 4 миллиардов лет назад, в конечном итоге придав нашей атмосфере богатое содержание кислорода и других биомаркеров, таких как метан. Если инопланетные астрономы обнаружат подобные условия в других местах, это вызовет у них интерес. А еще может быть так, что кто-то прямо как Люррр из «Футурамы» каждый вечер слушает Bohemian Rapsody или бесчисленные радиопередачи, что нарушают молчание бескрайнего космоса.

Можете ли вы представить себе мир, в котором не нужны никакие дополнительные источники энергии? Мир, в котором не надо будет задумываться о том, как экономить энергию. Она будет если и не бесплатной, то очень дешевой. А теперь представьте Солнце, которое каждую секунду вырабатывает столько энергии, сколько человечество не израсходовало за всю свою историю и не израсходует еще долго. Как же мы можем реализовать получение энергии Солнца на нашей планете? Оказывается, уже более 60 лет существуют технологии, которые способны обеспечить нас почти неисчерпаемыми источниками энергии за минимальные деньги и с использованием почти бесплатного топлива. Резонный вопрос: почему мы не пользуемся такой возможностью?

Что такое токамак

Само слово токамак ничего не обозначает — это просто сокращение, которое потом стало полноценным словом. Его используют не только в России, но и за рубежом, так как именно в нашей стране эту штуку придумали и именно у нас они долгое время активно развивались.

Токамак - тороидальная камера с магнитными катушками. Только и всего.

Суть токамака сводится к тому, чтобы создать магнитное поле, в котором будет протекать реакция термоядерного синтеза. Так как температура такой реакции не просто высокая, а буквально запредельная (несколько миллионов градусов Цельсия), ее нельзя проводить просто внутри какой-то камеры — она расплавится задолго до достижения рабочей температуры.

Такая температура достигается из-за того, что внутри токамака вещество находится в четвертом агрегатном состоянии, которое достигается при таких высоких температурах. Такое состояние называется плазма.

Кто изобрел токамак

Первым, кто предложил использовать термоядерный синтез, в том числе и для промышленных целей, был советский физик О.А. Лаврентьев. Сделал он это в своей работе 1950 года. Именно с его работы началось изучение способов использования термоядерного синтеза.

О.А. Лаврентьев также является отцом водородной бомбы.

Спустя год другие физики — А.Д. Сахаров и И.Е. Тамм — развили идею и сказали, что термоядерная реакция должна поддерживаться внутри замкнутой камеры тороидальной формы.

Тор (тороид) представляет собой объемную фигуру, получающуюся в результате вращения кольца вокруг центра вращения. Грубыми примерами тора могут служить пончик, бублик или велосипедная камера, вынутая из колеса.

Термин для обозначение токамака был предложен учеником академика Курчатова — И.Н. Головиным. Правда, в его варианте это должен был быть Токамаг (тороидальная камера магнитная), но позже стали использовать более благозвучное слово Токамак.

А.Д. Сахаров и И.Е. Тамм

Первый действующий токамак был построен в 1954 году, но до 1968 года они существовали только в СССР, так как мало кто верил в существование внутри камеры такой высокой температуры. Только после того, как в токамаке Т-3 в Институте атомной энергии им И.В. Курчатов побывали английские ученые и на своем оборудовании подтвердили существование температуры 11,6 миллиона градусов Цельсия, это привело к взрывному росту популярности и исследований в этом направлении в мире.

Токамак и сейчас считается самым перспективным способом получения энергии термоядерного синтеза и изучения плазмы, как агрегатного состояния вещества.

На Земле плазма в естественной среде встречается только в молнии и северном сиянии, в космосе из нее состоит буквально все - звезды, туманности, межзвездное пространство.

Как работает токамак

Для создания внутри токамака магнитного поля, он составляется из секций, внутри которых намотаны катушки. Так как они идут по всей длине камеры и создают что-то вроде замкнутого тоннеля, получающееся магнитное поле называют тороидальным. Это и есть рабочая зона установки.

Конструкци токамака.

Перед началом работы из камеры токамака откачивают воздух, а вместо этого заполняют его смесью дейтерия и трития. Они и являются основой реакции термоядерного синтеза.

Дейтерий - изотоп водорода, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона. Тритий - изотоп водорода, ядро которого состоит из протона и двух нейтронов.

Преимущество использования этих двух элементов в том, что они очень дешевые. Дейтерий очень легко получается из воды, которой на нашей планете более чем достаточно, а тритий синтезируется пусть и чуть более сложным способом, но это тоже не является большой проблемой.

Когда камера заполнена, в ней создается вихревое электрическое поле, которое поддерживают плазму внутри камеры, а заодно разогревает ее, доводя до той самой температуры в несколько миллионов градусов.

Сейчас тут работают люди, а скоро будет 150 миллионов градусов.

Так как поле и нагрев создаются за счет увеличения тока в индукторе, а он не может увеличиваться бесконечно, время существования плазмы в стабильном состоянии пока не превышает нескольких секунд. Это и является главной причиной того, что мы пока не можем использовать токамаки в качестве источника промышленного получения энергии. Существую способы решения этой проблемы, в том числе с использованием микроволнового излучения, но пока работы в этом направлении еще ведутся.

Контакта стенок токамака с плазмой нет и поэтому они не плавятся, но они все равно испытывают серьезные нагрузки. Из-за этого стенки делаются из бериллия и нарезаются маленькими квадратными пластинками. Так им проще отводить тепло.

Впрочем, микроволновое излучение и так применяется внутри токамака, так как только электромагнитного поля недостаточно для нагрева плазмы до температуры, необходимой для осуществления термоядерной реакции.

Обычная физика частиц четко говорит нам, что ядра с одинаковым зарядом отталкиваются друг от друга. Но при достижении сверхвысоких температур, они начинают вести себя иначе, образуя ядро гелия плюс один свободный нейтрон. Именно в этот момент и высвобождается огромное количество энергии. В обычных условиях она тратится на взаимодействие атомов между собой.

Знаменита компания Lockheed Martin запатентовала компактный реактор синтеза

Самый большой термоядерный реактор

Конечно, можно сказать, что самый большой термоядерный реактор — это Солнце, но все это условно, есть звезды и побольше. Самый большой термоядерный реактор на Земле — это Международный экспериментальный термоядерный реактор (ИТЭР или ITER). Он строится на юге Франции с 2007 года и, как и большой адронный коллайдер, является международным проектом.

Получение первой плазмы было намечено на 2020 год, а первого электричества в сети - на 2027 год, но сроки уже не выполняются из-за того, что в проекте много участников (каждый по-своему тормозит проект) и из-за того, что такого еще никто не делал.

Для того, чтобы описать его возможности, достаточно только сказать, что внутри него будет достигаться температура в 150 миллионов градусов Цельсия. Это в 10 раз больше, чем внутри солнечного ядра. Представить себе такие значения просто невозможно.

Кто строит токамак ITER.

Когда ИТЭР будет достроен (о чем мы обязательно расскажем в нашем новостном Telegram-канале), он станет основной изучения термоядерного синтеза для дальнейшего изучения этой реакции атомов, как потенциального источника энергии будущего.

Из интересных цифр ИТЭР можно отметить размер токамака, который составит 28 метров в диаметре и 28 метров в высоту. Проектная мощность составляет 0,5 ГВт (в 2,5 больше самого мощного из того, что есть сейчас). Магнитное поле составит 10 Тесла (магнитное поле Земли составляет 0,00005 Тесла).

Стоимость проекта составляет всего 15 миллиардов долларов. Для сравнения, на МКС потратили за 28 лет 53 миллиарда долларов, а на подготовку к ЧМ по футболу в Катаре в 2022 году - около 130 миллиардов долларов.

Безопасна ли реакция термоядерного синтеза

Главным преимуществом реакции термоядерного синтеза, проходящей внутри токамака, является ее безопасность. Можно удивиться, как такое возможно при достижении таких высоких температур, но это действительно так.

Все из-за того, что плотность плазмы в миллион раз меньше плотности атмосферы. Благодаря такой особенности работы, взрыв из-за внутреннего давления просто невозможен. Да и если температура начнет падать, плазма просто будет, как говорят физики, осыпаться. Плюс, топливо подается в течение всей реакции и для ее остановки достаточно просто прекратить его подачу. Например, атомную станцию просто выключить нельзя и я уже рассказывал, почему.

Единственной опасностью является только то, что изотоп трития обладает небольшой радиоактивностью. Впрочем, она не такая высокая, чтобы переживать по этому поводу. Она существенно ниже, чем у топлива для атомной станции. Например, период полураспада уранового топлива составляет почти 5 миллиардов лет (то есть почти никогда), а трития — всего 12 лет. Да и используется его минимальное количество.

Всего 80 грамм смеси дейтерия и трития в токамаке выдают столько же энергии, сколько 1 000 тонн угля при сжигании. Вот и считайте.

А еще можно добавить, что технологию реакции термоядерного синтеза нельзя применить в военных целях. Создание плазмы вне токамака пока невозможно, а использование его самого в качестве оружия слабо осуществимо из-за того, что он не взрывается.

Почему энергию не получают из термоядерного синтеза

Несмотря на всю перспективность технологии и то, что о ней заговорили уже более 70 лет назад, пока не получается добиться промышленной работы таких устройств. До сих пор в них есть, что дорабатывать. Например, возможность продолжительной работы и дальнейшее повышение температуры плазмы.

Только представьте себе, как это маленькое солнце будет обеспечивать нас энергией в будущем.

Когда эта проблема будет решена, мы получим на Земле небольшой кусочек Солнца, и тогда можно будет говорить, что мы достигли совершенства в выработке энергии. Конечно, могут изобрести и другие еще более эффективные способы получения энергии, но именно термоядерный синтез сейчас может изменить очень многое. Самое главное, что мы получим не только возможность не выключать свет ради экономии.

А еще выделение энергии выбвает таким: Океаны Земли нагреваются так, словно каждую секунду в них падает пять атомных бомб

Главным плюсом перехода на такой источник энергии является то, что когда вся энергия будет добываться именно из термоядерного синтеза, мы максимально снизим воздействие на нашу планету. Нам будет не нужно ископаемое топливо, мы обойдемся без атомных станций, а заодно пересядем на электрический транспорт и сможем существенно продлить жизнь нашей планете. Может, и улетать никуда не придется.

Внутри этой камеры температура поднимается до нескольких миллионов градусов Цельсия.

Последние комментарии