Невероятная наука

Когда и если горячая сверхпроводимость будет найдена, техносфера нашей цивилизации претерпит серьезные изменения, а в обиходе появится множество новых устройств — от миниатюрных чувствительнейших антенн до новых эффективных электродвигателей и сетей передачи электроэнергии. О том, как это будет, можно судить по уже имеющемуся опыту использования сверхпроводников.

Двадцать шесть лет назад Георг Беднорц и Карл Мюллер открыли высокотемпературную сверхпроводимость, четверть века назад они получили Нобелевскую премию. Эти годы не прошли даром: в Германии начали прокладывать километровый кабель из высокотемпературного сверхпроводника, чтобы соединить две действующие трансформаторные подстанции в городе Эссене.

Закись азота, она же оксид диазота, оксид азота (I) или оксонитрид азота(I), известная также как веселящий газ, — неорганическое химическое соединение, молекула которого состоит из двух атомов азота и одного атома кислорода (N₂O). Этот бесцветный газ со сладковатым запахом открыл и впервые получил в 1772 году английский священник, химик, философ и общественный деятель Джозеф Пристли. После того как Гемфри Дэви показал, что вдыхание этого газа вызывает беспричинную радость, почти 70 лет в Великобритании устраивали вечеринки с веселящим газом (баллончики для вечеринок можно купить и сейчас).

Попробуем применить к термодинамикам термодинамический подход. Прежде всего составим список термодинамиков — способом, который социологи называют «метод снежного кома»: берем признанного термодинамика и включаем в список всех, кто упоминается в статьях о нем как термодинамик. Поскольку автор — немного физик, обратим внимание на устойчивость результата, то есть слабую зависимость от начальных условий. Так вот, результат устойчив…

Нет более прославленной физической теории, чем СТО — специальная теория относительности. Годом ее рождения считается 1905 год — момент публикации статьи молодого амбициозного теоретика Альберта Эйнштейна под скучным академическим названием «К электродинамике движущихся тел». Началась эпоха рождения новой физики — вслед за СТО появилась квантовая механика, в создании которой Эйнштейн также принял активное участие. В отличие от квантовой механики, знакомство с которой требует специальной математической подготовки, СТО представлялась понятной теорией, хотя и с сенсационными выводами.

Нобелевская премия за доказательство ускоренного расширения Вселенной оживила дискуссии об интерпретации этого явления. Не все приняли в качестве объяснения понятие о темной антигравитационной энергии, вводящее ad hoc пятый тип взаимодействия, новую физическую сущность непонятной природы. В эти рамки не вмещаются многие гравитационные парадоксы, например проблема «Пионеров» — американских космических аппаратов, которые необъяснимо тормозятся.

Молекулы — существа живые. В них все движется, и это движение вечное, его нельзя остановить, нельзя заморозить. В хаосе электронных вихрей есть точный порядок, бешеные колебания атомов и вращения атомных групп подчиняются строгому законодательству. Это законодательство — квантовое, оно задано квантовой механикой.

«Наклоните бутылку, когда станете ее открывать — тогда поверхность газообмена станет больше, и шампанское не выплеснется пеной», «вы неправильно наливаете шампанское, надо бокал наклонять под сорок пять градусов, тогда не будет много пузырьков», «ну кто же подает шампанское теплым», — подобные реплики часто можно услыхать за новогодним столом. Оказывается, за этими рекомендациями стоит высокая наука о фазовых превращениях, называемая еще физической химией, причем приложениями этой науки к пенным напиткам занимается не один ученый.

В пустынном уединенном месте, чтобы никто не мешал, жила-была лаборатория. С раннего утра и до позднего вечера ее сотрудники ковали ядерный меч для устрашения вероятного противника. Они были интеллектуальной элитой страны, и даже глубокой ночью в лабораторных окнах горел свет: там не только решали задачи по физике, математике и материаловедению, но и думали об устройстве мира.

Нобелевскую премию по физике в 2011 году получили руководители двух групп по изучению сверхновых в дальнем космосе, — Сол Перлмуттер из Лоуренсовской национальной лаборатории в Беркли и Брайен Шмидт, работавший тогда в Австралийском национальном университете, а также Адам Рейс, который внес важный вклад в расчет расстояний до этих сверхновых. Работа лауреатов подтвердила идеи теоретиков, что Вселенная может расширяться с ускорением.

Автор приводит формулу, которая решает программную задачу нобелевского лауреата Вернера Гейзенберга «Известны фундаментальные константы... Требуется доказать, что эти константы связаны функционально и должны быть приведены к одному параметру».

Физика описывает мир с помощью формул. И в большинстве из них есть некий коэффициент — константа, которая, принимая числовое значение, превращает этот мир из абстрактного в конкретный. А что будет, если удастся все константы связать одной формулой? Розенталь считает, что если бы это удалось, если бы такая формула не была бы чистой формальностью, плодом математических ухищрений, а доказывала бы глубокую связь между константами, тогда принцип целесообразности был бы опровергнут. Это значило бы, что наш мир возник не вследствие игры случая, который и обеспечил существование основных состояний, а закономерно.

Насекомые - одни из древнейших животных на земле. Они пережили разнообразные катаклизмы, но их органы чувств успешно выдержали испытания. Ареалы обитания летающих насекомых - одни из самых обширных среди животных, скорости полета - рекордные (относительная скорость ТУ-104 в два-три раза меньше). А значит, летающие насекомые должны обладать высокоразвитыми органами пространственной ориентации и навигации.

Совсем недавно физики могли только мечтать о том, чтобы заложить в компьютер химический состав какого-нибудь соединения и получить распечатку с наиболее энергетически выгодным расположением атомов в его кристаллической решетке, а также со значениями свойств этого вещества, такими, как твердость, модуль упругости или ширина запрещенной зоны. Даже возросшая за прошедшую четверть века мощность вычислительной техники не приблизила нас существенно к решению этой задачи: одной мощности оказалось недостаточно, потребовались принципиально новые теоретические подходы. Например, предсказание структуры средней сложности на лучших сегодняшних суперкомпьютерах методом перебора займет порядка 10²⁰ лет. Очевидно, что без концептуального рывка эта задача нерешаема.

Именно с алмаза, точнее, с попыток получить его искусственно, начинается история использования высокого давления для создания новых материалов. Алмаз сделали, но материал тверже алмаза сделать так и не удалось, горячей сверхпроводимости не достигли, и металлический водород не получили. Когда же появились мощные компьютеры, ситуация начала меняться.

Рассказ о двух женщинах, начавших заниматься наукой в те времена, когда она считалась сугубо мужским делом. Агнесс Луиза Вильгельмина Покелс первой провела большую серию опытов по влиянию различных веществ на поверхностное натяжение воды и, собственно, положила начало исследованиям в этой области. Она так и не получила специального образования, а ее лабораторией была кухня. Признание пришло только через 40 лет после публикации результатов. Катарине Блоджет повезло больше. Она родилась позже и по другую сторону океана, получила прекрасное образование и работала в «Дженерал электрик». Опубликовала 30 научных статей по поверхностно-активным веществам и получила восемь патентов, а слои Ленгмюра–Блоджет — явление настолько известное, что в специальной литературе сокращение «ЛБ» даже не расшифровывают. Но в чем-то эти две судьбы оказываются схожими.