Физика&ИКТ

Изобретен самый легкий алюминий в мире. Он не тонет в воде

kurguzkeen — Sun, 26 Nov 2017 15:53:54 GMT

Химик Александр Болдырев из Государственного университета Юты и его коллеги из Южного федерального университета в Ростове-на-Дону, Илья Гетманский, Виталий Коваль, Руслан Миняев и Владимир Минкин, перестроили обыкновенный алюминий на молекулярном уровне с помощью компьютерного моделирования, получив ультралёгкую кристаллическую форму алюминия легче воды.

Ученые из Ростова-на-Дону начали с обыкновенной кристаллической решетки алмаза, а потом заменили каждый атом углерода на тетраэдр алюминия.

Вычисления команды показали, что такая структура создает новый, метастабильный, невероятно легкий кристаллический алюминий. И к их удивлению его плотность составила 0,61 грамм на кубический сантиметр, тогда как в обыкновенном алюминии она составляет 2,7 грамма на кубический сантиметр. То есть такой материал может легко плавать на поверхности воды.

Материал с такими свойствами пригодится и в космической промышленности, и в медицине, и в электрике, правда, пока надо еще выяснить, насколько прочным будет такой алюминий.

Тем не менее, это открытие уже знаменует совершенно новый подход к созданию новых материалов.

«Удивительный аспект этого исследования заключается в подходе, в использовании уже известной структуры для создания нового материала, — говорит Болдырев. — Такой подход прокладывает путь к новым открытиям».

Источник

Роскомнадзор предупредил пользователей о незаконности раздачи вайфая чужим квартирам

kurguzkeen — Sun, 26 Nov 2017 14:43:11 GMT

Роскомнадзор в своем паблике в «ВКонтакте» посоветовал пользователям не делиться вайфаем с соседними квартирами. Как утверждают в ведомстве, раздача доступа в интернет на больших территориях — в частности, в подъездах — расценивается законом как оказание услуг связи и подлежит лицензированию.

«К сожалению, раздавать Wi-Fi вы сможете только в пределах своей квартиры», — ответили в Роскомнадзоре на вопрос пользователя о том, как он может помочь людям, «обделенным доступом в интернет».

Как уточнили в ведомстве, согласно постановлению правительства РФ от 2004 года, без регистрации можно использовать только роутеры мощностью до 100 мВт или 20 дБм. Для установки более мощных аппаратов требуется получение в Роскомнадзоре разрешения на использование радиочастот и регистрация роутера в территориальном управлении ведомства.

«К сожалению, советуем вам улучшать мир в какой-нибудь другой области. Например, собирать батарейки и сдавать их на переработку», — отметили в Роскомнадзоре.

Создан материал с запрещенными механическими свойствами

kurguzkeen — Sun, 26 Nov 2017 14:31:40 GMT

Физики создали искусственный материал, который скручивается в ответ на прилагаемое постоянное усилие вдоль одной прямой. Это вещество — механический метаматериал, то есть его свойства определяются в первую очередь структурой, а не свойствами составных частей. Работа с описанием опубликована в журнале Science.

В стандартной механике сплошных сред кручение не может появляться в результате приложения действующей вдоль линии силы. Сжатие упругого тела в обычной ситуации всегда должно вызывать расширение в перпендикулярных оси сжатия направлениях. Однако исследователям из немецкого Технологического института Карлсруэ и французского Университета Франш-Конте удалось создать нарушающий это правило кристалл.

Созданный метаматериал скручивается на более чем 2° за каждый процент укорочения. Этого удалось достичь благодаря точной микроскопической сборке составляющих его частей. В начале физики численно смоделировали материал, чтобы узнать необходимую форму кубической ячейки материала. Затем выявленная структура была получена из полимера методом лазерной 3D-печати. Когда к ячейке прикладывается усилие, кольцевые структуры на каждой грани вращаются, утягивая за собой углы куба.

Также выяснилось, что если размер ячейки уменьшается, а размер всего тела остается неизменным, то это приводит к увеличению жесткости и уменьшению эффекта скручивания. Это также противоречит стандартным правилам классической механики сплошных сред, где деформация кручения в таком случае запрещена, а жесткость — это масштабно-инвариантная характеристика.

Материалы с произвольными упругими свойствами могут позволить создать механические аналоги оптических метаматериалов. Одним из предложенных авторами применений могут быть структуры, позволяющие направлять механические волны, например от землетрясений, вокруг определенных областей.

Источник

В МГУ научились генерировать истинно случайные числа

kurguzkeen — Sun, 26 Nov 2017 14:27:44 GMT

«Развитие современных квантовых технологий открыло новые перспективы для создания систем защищенной связи. Наиболее яркий пример — квантовая криптография. Для распределения секретных ключей в системах квантовой криптографии требуется большое количество случайных последовательностей 0 и 1. Для этих целей используются квантовые генераторы случайных чисел», — поясняет Сергей Кулик, доктор физико-математических наук, профессор кафедры квантовой электроники физического факультета МГУ.

Широко распространённые генераторы случайных обычно основаны либо на математических преобразованиях, либо на измерениях состояния физической системы. Как бы ни были сложны математические формулы или физические законы, заложенные в принцип генератора, их последовательности чисел получаются псевдослучайными, потому что их теоретически можно восстановить.

Учёные МГУ разработали и сконструировали такой генератор, последовательности чисел которых можно считать истинно случайными. Дело в том, что в основе действия новой разработки лежат законы релятивистской, а не классической физики. Исследователям удалось оптимально выбрать и сгруппировать фотоотсчёты для исходной последовательности и добиться скорости генерации случайной последовательности скоростью в 64 Мбит/с, 75 Мбит/с и 100 Мбит/с. Сгенерированные последовательности успешно прошли статистические тесты NIST на случайность.

«Результаты измерений над квантовой системой, приготовленной каждый раз в одном и том же состоянии, носят принципиально случайный характер. Поэтому истинная случайность имеет место только в квантовой области», — заключил Сергей Кулик.

Случайные числа широко используются в различных областях науки и техники, например, при вычислении многомерных интегралов, моделировании различных процессов методом Монте-Карло. Наиболее широкое применение случайные числа находят в криптографии. Случайные последовательности используются для секретных ключей в системах симметричного шифрования, генерации паролей, PIN кодов для различных типов пластиковых карт, кодов аутентификации, вероятностных алгоритмов и систем квантового распределения ключей. Практически для всех упомянутых применений требуются случайные числа, полученные исключительно с физических генераторов.

При реализации квантовых генераторов случайных чисел принципиально важно иметь математически доказуемый и физически экспериментально проверяемый процесс измерений над системой, из которого генерируется исходная случайная последовательность. Это позволяет быть уверенным, что происхождение случайности действительно имеет квантовую природу.

Результаты исследования опубликованы в журнале Laser Physics Letters.

Источник

Молнии вызывают ядерные реакции в небе

kurguzkeen — Sun, 26 Nov 2017 14:23:32 GMT

Молнии — это одно из самых необычных явлений природы. Электрический разряд от земли до неба легко может убить человека. Но оказывается, он еще может вызывать ядерные реакции.

Ученые уже давно знали, что грозы вызывают жесткое излучение. В частности, еще в декабре 2015 года из-за грозы в одном из японских городов зафиксировали всплеск гамма-излучения. Теперь же еще одна группа японских ученых нашла последовательные доказательства того, что эти гамма-лучи запускают меняющие атом реакции, сходные с теми, что происходят в ядерных реакторах.

Зимние грозы — довольно частое явление на побережье Японского моря. Новые данные были получены после замера нескольких ударов молний, произошедших 6 февраля 2017 года, согласно новой статье, опубликованной в Nature. Во время разрядов повышенный радиационный фон засекли четыре детектора, расположенные на расстоянии от 0,5 до 1,7 км друг от друга. Послесвечение от гамма-вспышки длилось около минуты. После анализа данных и энергии частиц исследователи пришли к выводу, что они наблюдали последствия действия гамма-лучей, выбивающих нейтроны из атомов азота.

Это довольно интересно по целому ряду причин. Вы можете помнить, что главное для атомов углерода или азота — это количество протонов, но благодаря разному количеству нейтронов получаются разные изотопы. Таким образом, полученные результаты дают «раннее неизвестный канал для генерации редких изотопов углерода, азота и кислорода в естественных условиях на Земле».

Конечно, предстоит еще немало исследований, но это уже меняет наш взгляд на грозу. Теперь при каждом ударе молнии трудно будет забыть о том, что в эту самую секунду видишь работу временного ядерного реактора.

Источник

Неразбериха с размером протона

kurguzkeen — Sun, 19 Nov 2017 15:32:55 GMT

Одно из самых громких открытий в физике в 2010 году было определение зарядового размера мюонного водорода методами лазерной спектроскопии. Полученный результат оказался значительно меньше, причем отклонение от предыдущего значения было зафиксировано со статистической значимостью в 4σ. А сейчас команда ученых из института Макса Планка сделала новое спектроскопическое измерение обычного водорода (публикация в Science от 6 октября 2017). Определенное ими значение константы Ридберга и протонного радиуса оказались в замечательном согласовании с результатами 2010 года по мюонному водороду, но расходятся на 3.3σ с предыдущими измерениями.

Водород является простейшим химическим элементом. Согласно модели Бора, он состоит из одного протона и вращающегося вокруг него электрона. Теория квантовой электродинамики может предсказать значения энергетических уровней этой системы с точностью до 12-го знака после запятой. Поэтому водород играет важную роль в понимании Природы на микро уровне. Его изучение позволяет определять фундаментальные константы, такие как постоянная Ридберга и зарядовый радиус протона, с большой точностью.

Атом мюонного водорода отличается от обычного тем, что в нем электрон заменен своим собратом — мюоном. Мюон во всем похож на электрон: имеет такой же заряд и спин, только масса его в 200 раз больше массы электрона. Из-за этого орбита мюона вокруг протона намного меньше орбиты электрона. И поэтому мюон "чувствует" размер протона с большей точностью. В мюонном водороде протонный радиус влияет на положение спектральных линий на 7 порядков сильнее, чем в обычном водороде.

Большое различие между результатами, полученными с обычным водородом и мюонным породило большие дискуссии среди физиков о природе этой разницы. На самом деле, не все измерения с обычным водородом подтверждают эту разницу. Но так как такие эксперименты обычно не дают большой точности, приходится усреднять по многим экспериментам. Таким образом, чтобы решить эту загадку, необходимо разработать новый эксперимент с обычным водородом, более чувствительный чем предыдущие, желательно использовав новый экспериментальный подход.

Чтобы определить постоянную Ридберга и зарядовый радиус протона из спектроскопии обычного водорода, необходимо измерять две различные частоты переходов. Самый острый резонанс в водороде — это переход 1S-2S. Его частота была измерена в 2011 году с точностью до 15 знака после запятой. Эта точность была достигнута благодаря использованию "частотной гребенки", за изобретение которой Теодор Хенш в 2005 году получил Нобелевскую премию. Другой переход — это 2S-4P, который объединяет метастабильное 2S состояние с короткоживущим состоянием 4P.

В эксперименте этот переход возбуждался лазером с длиной волны 486 нм, и затем регистрировалось испущенное свечение. Атомы водорода охлаждались до 5.8 К, что уменьшает доплеровский сдвиг за счет теплового движения атомов, который является самым серьезным источником ошибок в таком эксперименте. Другой источник погрешности — это так называемая квантовая интерференция. Если бы было возможно исследовать один изолированный переход, спектральная линия была бы симметричной. Однако в данном случае возбуждение происходит также до двух других, более высоких энергетических уровней, 4P1/2 и 4P3/2. Поэтому спектральная линия получается немного несимметричной, что делает определение ее положения очень трудным. Хотя это очень слабый эффект, на необходимом уровне точности он становится весьма заметным.

Чтобы определить влияние квантовой интерференции, ученые произвели численное моделирование, которое оказалось в хорошем согласии с экспериментальными результатами. Моделирование позволило вывести форму спектральной линии. Используя выведенную форму спектра на экспериментальных данных, удалось определить положение спектральной линии с большой точностью.

Таким образом частота перехода 2S-4P была определена с относительной погрешностью около 1/250, что делает это вторым по качеству измерением в спектроскопии после измерения перехода 1S-2S. Сопоставив оба результата, была выведена постоянная Ридберга: R∞ = 10973731.568076(96) m^-1 и радиус протона: rp = 0.8335(95) fm.

Как уже было сказано, полученные значения находятся в хорошем согласии с ранее полученными для мюонного водорода. В то же время они расходятся со старыми результатами для обычного водорода. Что ж, пожелаем удачи ученым из института Макса Планка. Ведь большинство больших физических открытий в прошлом было сделано из небольших отклонений в экспериментальных данных от теоретических предсказаний!

Физики открыли более мощную реакцию, чем термоядерный синтез

kurguzkeen — Mon, 06 Nov 2017 15:42:17 GMT

Ученые нашли первые намеки на то, что кварки, субатомные частицы, могут сливаться друг с другом и выделять в десятки раз больше энергии, чем производят реакции в недрах звезд, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature.

"Столкновения тетракварков должны приводить к выделению примерно 200 МэВ энергии, что примерно в 10 раз больше, чем порождают термоядерные реакции. На сегодняшний день у подобных реакций нет практического применения, так как частицы, в которых они могут происходить, живут крайне недолго. С другой стороны, все это указывает на возможность существования стабильной экзотической материи, состоящей из "прелестных" кварков", — заявил Геральд Миллер (Gerald Miller), физик из университета Вашингтона в Сиэтле, комментируя открытие.

По современным представлениям, все элементарные частицы состоят из небольших объектов, которые физики называют кварками. Протоны, нейтроны и прочие "тяжелые" частицы, называемые барионами, содержат в себе три кварка. Их меньшие собратья, так называемые мезоны, содержат в себе два элемента – "обычный" кварк и антикварк, базовую составляющую антиматерии.

В принципе, существующие сегодня физические теории не исключают возможности того, что могут существовать элементарные частицы, состоящие из четырех и даже пяти кварков разного "цвета". Относительно недавно ученые начали находить признаки существования таких частиц, тетракварков и пентакварков, следы существования которых были найдены на БАК и на коллайдере Тэватрон.

Их обнаружение, а также открытие экзотического кси-бариона, сверхтяжелой частицы с двойным положительным зарядом, заставили Марека Карлинера (Marek Karliner) и Джонатана Рознера (Jonathan Rosner), физиков-теоретиков из университета Тель-Авива и Чикаго, задуматься о том, как могут возникать подобные частицы и почему они остаются стабильными необычно долго.

Анализируя их свойства, ученые пришли к выводу, что тетракварки и кси-барионы должны формироваться в ходе столкновений других, относительно легких нестабильных элементарных частиц, во время которых кварки внутри них будут взаимодействовать друг с другом, "меняться местами", терять энергию и образовать более тяжелые частицы.

К примеру, слияние двух лямбда-барионов, содержащих в себе один тяжелый и две легких кварка, будет приводить к рождению кси-барионов, содержащих в себе два тяжелых и один легкий кварк, и одного нейтрона, состоящего из трех легких кварков, а также выделению большого количества энергии.

Аналогичным образом, как отмечают физики, столкновение двух B-мезонов, частиц, которые сегодня считаются "окном" в мир "новой физики", приведет к рождению тяжелых тетракварков и выделению аналогичного количества энергии, а также гамма-излучения.

Этот процесс, как отмечают ученые, является своеобразным аналогом термоядерных реакций в недрах Солнца и других звезд – водород, гелий и другие легкие элементы в их центре постоянно сталкиваются и объединяются в более тяжелые элементы, такие как кислород, литий, углерод или железо, попутно выделяя огромные количества энергии. Как правило, чем тяжелее кварки внутри сталкивающихся частиц, тем больше энергии будет выделяться при "термокварковой" реакции.

Практических, в том числе военных, применений у этого открытий пока нет, однако оно говорит о том, что во Вселенной теоретически могут существовать скопления экзотической, но при этом стабильной материи или частиц, почти полностью состоящих из b-кварков или других тяжелых субатомных частиц. Их открытие, как заключают ученые, может полностью перевернуть современные теории о рождении и эволюции Вселенной.

Принцип Арнольда: некоторые примеры из физики

kurguzkeen — Mon, 06 Nov 2017 15:28:52 GMT

Вы что-нибудь слышали о принципе Арнольда? Если вкратце, то он утверждает, что открытия редко носят имя того, кто это открытие сделал. Принцип назван в честь знаменитого советского математика Владимира Арнольда, который как раз активно занимался восстановлением справедливости в отношении в основном советских математиков. Сам же принцип был предложен не менее знаменитым физиком Майклом Берри (это тот самый, который фигурирует в фазах Берри и совместно с Геймом левитировал лягушку, за что награждён Шнобелевской премией). Берри также дополнил принцип ещё более сильным утверждением имени себя: «Ничто не открывается впервые».

Обратимся, однако, к физике. Здесь одним из примеров принципа Арнольда может служить число Авогадро, которое на самом деле впервые было определено Иоганном Лошмидтом (в честь него названо число Лошмидта, отличающееся от числа Авогадро только постоянным множителем, равным молярному объёму). Сам Авогадро лишь выдвинул гипотезу, что число молекул идеального газа не зависит от вида газа, а определяется только лишь его температурой и объёмом — это число при нормальных условиях для 1 моля газа и называется теперь числом Авогадро. Эта гипотеза впоследствии подтвердилась и справедливо получила название закона Авогадро.

А. Авогадро

Другой пример — это модель Ландау — Зинера — Штюкельберга, описывающая принципиально неадиабатические переходы между пересекающимися квантовыми уровнями. Эта модель была независимо описана не только тремя упомянутыми в её названии учёными, но ещё и Этторе Майорана. В англоязычной литературе, кстати, в названии моделине фигурирует и Штюкельберг.

Ещё одним примером, тоже связанным с именем Ландау, могут считаться так называемые уровни Ландау — задача о квантовании движения электрона в постоянном магнитном поле. Помимо Ландау к этой задаче приложили руку В. А. Фок, за два года до Ландау решивший задачу об осцилляторе в магнитном поле, и Исидор Раби, решивший задачу об электроне Дирака в магнитном поле. Кроме того, задачу о нерелятивистской заряженной частице в однородном магнитном поле в том же году, что и Ландау, решили Френкель и Бронштейн. Никто из них, правда, в отличие от Ландау не связал решаемые задачи с явлением диамагнетизма.

Л. Д. Ландау

Более очевидный пример, аналогичные которому встречаются, видимо, не так уж редко — это нестационарный эффект Казимира. На самом деле, сам Казимир предсказал только стационарный эффект, а нестационарный был исследован Муром только через 20 лет. Отличие между двумя эффектами не только чисто технические — подумаешь, здесь двигаются зеркала, а здесь нет. В нестационарном эффекте Казимира наблюдается совершенно новая особенность — генерация реальных фотонов. Поэтому нестационарный эффект Казимира вполне мог бы носить имя эффекта Мура.

Х. Казимир

Ну и последний пример, который я хотел бы сегодня привести, — это резонансы Шумана. Несмотря на то что именно Шуман стоит у истоков современных исследований этого явления, сами резонансы были предсказаны ещё Тесла и Фицджеральдом. Тесла, однако, не знал о существовании ионосферы и подсчитал положение резонансов неверно. Фицджеральд же всё подсчитал верно ещё в 1893 году — на 60 лет раньше Шумана и на 10 лет раньше Теслы.

Дж. Ф. Фицджеральд

Прозрачные солнечные панели позволят отказаться от углеводородного топлива

kurguzkeen — Mon, 06 Nov 2017 15:13:12 GMT

Инженеры Мичиганского университета создали новое поколение прозрачных солнечных батарей, которые могут поглощать невидимое (ультрафиолетовое и инфракрасное) излучение, преобразуя его в электроэнергию. В теории, разработка позволяет превратить в солнечный фотоэлектрический элемент практически любой объект с прозрачной поверхностью — от окон жилых домов до экранов смартфонов.

По словам ученых, технология "улавливания" фотонов способна удовлетворить почти 100% спроса на электричество в США и существенно снизить зависимость государства от ископаемого топлива. Первые коммерческие продукты, в которых будет реализована эта разработка, появятся в течение ближайших лет.

Система основана на ультратонком, прозрачном материале, который поглощает излучение ультрафиолетового и инфракрасного спектра, невидимое человеческому глазу, направляет его к краям поверхности и превращает в энергию при помощи тонких полосок фотогальванических солнечных элементов.

Правда, пока новая технология отстает от размещаемых на крыше солнечных панелей, показывая эффективность преобразования солнечного света в электричество в 5% против 15–18%. Тем не менее, говорят исследователи, производительность прозрачных панелей может быть утроена.

Эксперты видят в разработке огромный потенциал, сообщает Newsweek. По расчетам, от 5 до 7 миллиардов квадратных метров стеклянных поверхностей в США может быть использовано для удовлетворения 40% потребностей страны в энергии, а в случае усовершенствования технологии — около 100%.

Астрономы разгадали загадку полярных сияний Юпитера

kurguzkeen — Mon, 25 Sep 2017 13:13:48 GMT

Долгое время ученые полагали, что у полярных сияний Юпитера и Земли один и тот же механизм действия. Исследования космического аппарата Juno показали, что все это время астрономы глубоко заблуждались.

Не все полярные сияния похожи друг на друга. К примеру, сияния на Юпитере намного сильнее аналогичных на Земле, а потому исследователи первоначально предполагали, что они вызваны теми же процессами, что порождают самые яркие полярные явления на нашей планете. Однако наблюдение космического исследовательского аппарата Juno показали, что астрономы ошибались.

«На протяжении многих лет мы были уверены, что понимаем механику полярных сияний Юпитера. Но когда Juno прошел сквозь магнитные поля прямо над активным сиянием, мы увидели совсем не то, что ожидали», говорит астроном Джон Кларк из Бостонского университета. Его коллеги, Барри Маук и его команда из из Университета Джона Хопкинса в Мэриленде, проанализировали данные Juno и обнаружили, что вероятная причина полярных сияний на Юпитере отличается от земной. Как известно, на нашей планете наиболее сильные полярные сияния являются результатом возникновения мощных электрических полей вдоль магнитных линий Земли. Это создает точки возврата, или каспы — каналы на полюсах, через которые низкоэнергетичные заряженные частицы солнечного ветра попадают в атмосферу. В свою очередь, это вызывает возбуждение атомов и молекул газов, входящих в ее состав, и они начинают светиться.

Но в случае Юпитера все иначе. Ученые выяснили, что, хоть каспы на газовом гиганте в 30 раз шире, чем на Земле, они попросту не согласуются с полярными сияниями. Маук уверен, что источник этого атмосферного явления на Юпитере другой: как ни парадоксально, скорее всего он тот же, что вызывает самое тусклое свечение на нашей планете. Имеется в виду рябь магнитного поля: некоторые электроны накапливают достаточное количество энергии, чтобы осветить небо, когда они попадают в газовую среду верхних слоев атмосферы. А поскольку Юпитер является планетой-гигантом, электрические потенциалы могут стать настолько сильными, что становятся неустойчивыми и вызывают волновой эффект, который провоцирует турбулентность. Как следствие, электроны так сильно ускоряются, что в больших количествах создают на небе ослепительные вспышки.

Астрономы часто используют модель магнитосферы Земли для того, чтобы выстраивать гипотезы относительно атмосферных физических явлений других планет, но этот метод по очевидным причинам нельзя назвать универсальным. Увы, это лучшее, что может предложить современная наука: пока очередной исследовательский аппарат не отправит на Землю набор данных прямого анализа атмосферы того или иного небесного тела, приходится прибегать к сравнительному методу.

Источник