Веревка вокруг Земли и другие сюрпризы науки - Карл Саббаг

Атомы и молекулы

Самое маленькое в мире трио

Ксилофон, гитара и барабан — каждый инструмент по размеру не больше клетки-эритроцита — стали результатом исследований в бурно развивающейся отрасли науки — нанотехнологии. Эта технология, предсказанная почти тридцать лет назад американским инженером-провидцем Эриком Дрекслером, а еще раньше — физиком-теоретиком, лауреатом Нобелевской премии (и по совместительству барабанщиком) Ричардом Фейнманом, стремительно развивается, и вот уже благодаря ей ученые могут, управляя атомами и молекулами, создавать геометрические фигуры, конструкции и даже маленькие устройства — настолько крошечные, что их не разглядеть не только невооруженным глазом, но даже порой и в оптический микроскоп.

Возможности нанотехнологии безграничны. Все, что имеет для человека хоть какое-то значение, состоит из молекул — от генов до микрочипов, от медикаментов до вредных примесей в воде и в воздухе. До возникновения нанотехнологии попытки видоизменить или «отремонтировать» атомы и молекулы всегда осуществлялись не напрямую, поскольку мы не могли видеть объекты воздействия, а тем более манипулировать ими. Между тем структура этих молекул порой была известна досконально, и ученые видели, какие изменения могут потребоваться, чтобы создать более эффективное лекарство, вывести более урожайную сельскохозяйственную культуру или изготовить более миниатюрную микросхему, но, образно говоря, их пальцы были слишком велики и неуклюжи, чтобы воплотить эти изменения в жизнь.

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».