длинные картинки физика

Физики решили «проблему Фейнмана» об инвертированном разбрызгивателе. Ответ очевидный, а вот объяснение — нет

В какую сторону будет вращаться обычный садовый опрыскиватель, если поток жидкости в нем обернуть вспять? Ответ на этот вопрос выглядит абсолютно очевидным. И он всегда разный в зависимости от степени понимания отвечающим физики протекающих процессов. Поэтому неудивительно, что загадка об инвертированном разбрызгивателе занимала лучшие умы человечества многие десятилетия. К счастью, американские ученые наконец-то теоретически и экспериментально обосновали по-настоящему правильное ее решение.

Разбрызгиватель, работающий в инвертированном режиме (вода движется к центру устройства через трубки-сопла внутрь). Хорошо видны формирующиеся внутри него вихри разного размера и направления

Для начала стоит упомянуть, что проблема инвертированного разбрызгивателя — наглядная иллюстрация закона Стиглера: Ричард Фейнман лишь популяризовал загадку, но сформулировал ее далеко не первым. Наиболее раннее упоминание этого теоретического вопроса встречается в труде The Science of Mechanics (1883 год) небезызвестного Эрнста Маха, именем которого названо число Маха. Экспериментальные попытки определить, в какую сторону будет вращаться инвертированный разбрызгиватель, стали предпринимать примерно с 1940-х годов.

Имя Фейнмана с этой задачей связано следующим образом. Во-первых, когда он услышал обсуждение проблемы инвертированного разбрызгивателя (как раз в 1940-е) коллегами-аспирантами, предложил провести эксперимент. И не где-нибудь, а в помещении циклотрона Принстонского университета. Опыт закончился феерично: задействованный в процессе стеклянный бак разорвало от избыточного давления. Результат оказался спорным, разбрызгиватель сначала немного дернулся вокруг своей оси, а затем замер и больше не двигался. Хотя вода через него продолжила проходить.

Во-вторых, именно Фейнман познакомил широкую публику с проблемой инвертированного разбрызгивателя. Она упоминается в его автобиографической книге «Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман» (1985 год). Хотя в среде популяризаторов науки и ученых эта задача и ранее ассоциировалась с его фамилией, чем гениальный физик явно не был доволен. Он справедливо указывал, что лавры первооткрывателя принадлежат не ему, а Маху.

60-дюймовый циклотрон в Лаборатории радиации им. Лоуренса Калифорнийского университета в Беркли

Упрощенно суть проблемы заключается в следующем. Полностью погрузим садовый S-образный вращающийся разбрызгиватель в большую емкость и попробуем откачать через него воду. В какую сторону будет вращаться разбрызгиватель и будет ли он это делать вообще? Возможных решений три:

1 - Он будет вращаться в сторону, противоположную «обычному» режиму разбрызгивания: вода же всасывается, следовательно, на срезе сопел возникает разрежение. Это объяснение наименее полное с точки зрения физики, но интуитивно кажется самым логичным.

2 - Он будет вращаться в ту же сторону, что и «обычный» разбрызгиватель: увлекаемая в него вода передает часть крутящего момента на изгибающееся сопло. Этот вариант требует как можно меньшего трения во всех вращающихся деталях разбрызгивателя.

Разбрызгиватель, работающий в режиме обычного опрыскивателя (вода движется от центра устройства через трубки-сопла наружу)

На протяжении последнего полувека различные исследователи проводили эксперименты, чтобы определить, какой из этих вариантов соответствует действительности. Но результаты были всегда неоднозначные. Даже в тех случаях, когда трение движущихся частей разбрызгивателя удавалось снизить практически полностью, он либо стоял на месте, либо едва заметно вращался в противоположную сторону. Полноценного ответа найти не получалось.

За решение эпохальной задачи взялась лаборатория прикладной математики Курантовского института математических наук (NYU Courant: Institute) — независимого подразделения Нью-Йоркского университета. В ней уже не раз отвечали на животрепещущие вопросы «жизни, Вселенной и вообще»: в 2018 году нашли рецепт идеальных мыльных пузырей, в 2021-м объяснили формирование загадочных каменных лесов, а в 2022-м изучили нюансы аэродинамики планеров с тончайшими крыльями (что позволяет делать самые эффективные бумажные самолетики). Новая научная работа плодотворной исследовательской организации опубликована в рецензируемом журнале Physical Review Letters.

Чтобы во всех деталях изучить происходящее с инвертированным разбрызгивателем, ученым пришлось попотеть. Сначала они создали наиболее полную модель устройства, провели все необходимые вычисления и рассчитали разные варианты развития событий в эксперименте. Для опыта исследователи собрали такую установку, в которой не только минимизировано трение, но и устранены возможные возмущения от потоков жидкости вокруг самого разбрызгивателя.

Во время эксперимента использовали не обычную воду — в нее добавили отражающие микрочастицы, которые ярко светились в лучах подсвечивающего лазера. Так получилось наглядно увидеть поток жидкости и все возникающие в нем турбулентности. Результатом экспериментов и моделирования стала удивительная картина: инвертированный разбрызгиватель действительно будет крутиться в сторону, противоположную «обычному» режиму работы. Только в 50 раз медленнее. Самое удивительное, что обнаружили исследователи: механизм этого вращения полностью идентичен таковому у «правильного», не инвертированного разбрызгивателя. И его секрет кроется в том, что происходит внутри устройства.

Схема эксперимента: (a) — разбрызгиватель в разрезе (он способен работать и в обычном и в инвертированном режиме); (b) — чертеж всей установки; (c) — иллюстрация, показывающая метод визуализации турбулентных потоков (в плоскости трубок-сопел работает «лазерная завеса», которая подсвечивает отражающие микрочастицы, двигающиеся вместе с водой)

Дело в том, что при всасывании воды, трубки-сопла тоже формируют струи, только не снаружи разбрызгивателя, а внутри. Даже если они расположены строго на противоположных сторонах кольца и оси их параллельны, получившиеся струи не обязательно столкнутся в центре. Ведь сопла изгибаются, меняют направление движения воды, а она, в свою очередь, получает от этого дополнительный импульс. И когда покидает трубку, часть этого импульса заставляет поток отклоняться от прямолинейной траектории.

В результате внутри разбрызгивателя возникает несколько вихрей, вращающихся в противоположные стороны. Но их размер, а вместе с тем скорость и объем вовлеченной воды, не одинаковый. Это приводит к неравномерному распределению момента силы в разных направлениях. И устройство вращается.

Вывод исследования можно кратко сформулировать так: будет ли фейнмановский разбрызгиватель вращаться и если да, то в какую сторону, — в первую очередь зависит от внутренней геометрии этого разбрызгивателя. В общем случае он будет едва заметно вращаться в обратную сторону, но если трение в его деталях велико, то это движение зафиксировать трудно.

Статья спизжена отсюда

Первые наблюдения сверхтяжелого кислорода-28 поставили под сомнение теории строения атомного ядра

Вопреки предсказаниям, кислород-28 оказался крайне неустойчивым. Физики не успели даже зарегистрировать такие ядра, хотя теоретически они должны быть дважды магическими, а значит — особенно стабильными.

Riken RI Beam Factory ускоряет тяжелые изотопы в кольцевом циклотроне, с помощью сверхпроводящих магнитов

Японские ученые впервые получили ядра кислорода-28, содержащие 20 нейтронов. Теоретически они должны быть дважды магическими и довольно долгоживущими. Однако срок существования кислорода-28 оказался настолько коротким, что даже зарегистрировать его напрямую не удалось. Похоже, современные представления об устройстве атомного ядра где-то сильно ошибаются. К таким выводам пришли Йосуке Кондо (Yosuke Kondo) и его коллеги в статье, опубликованной в журнале Nature.

Со школы мы знаем, что электроны в атоме занимают ряд оболочек, и полностью заполненная оболочка делает его химически инертным, как благородные газы. Схожим образом может быть устроено атомное ядро: протоны и нейтроны (нуклоны) заполняют одну оболочку за другой, полностью заполненная оболочка означает большую стабильность всей конструкции. Соответствующее количество нуклонов называют «магическим числом». А уж если ядро содержит магическое количество и протонов, и нейтронов, то оно особенно устойчиво.

В природе найдены пять таких дважды магических ядер, еще несколько получены искусственно. Самое распространенное из них — обычный кислород-16, включающий по восемь (магическое число) протонов и нейтронов. Теория предсказывает существование и дважды магического кислорода-28 (восемь протонов и 20 нейтронов), который также должен быть исключительно устойчив. Но на практике все оказалось не так. Возможно, новые результаты указывают на серьезные пробелы в нашем понимании атомных ядер и создающего их сильного взаимодействия.

Получить кислород-28 удалось на ускорителе Riken RI Beam Factory, который работает в исследовательском центре Нисина (Nishina) в японском городе Вако. Для этого физики разгоняли ядра кальция-48 в циклотроне и сталкивали их с бериллиевой мишенью, создавая фтор-29, содержащий те же 20 нейтронов, но на один протон больше, чем нужный изотоп кислорода. Поэтому фтор-29 отправляли дальше, прогоняя через жидкий водород, и тогда он терял протон, превращаясь в кислород-28.

Вопреки ожиданиям, срок его существования оказался настолько кратким, что зарегистрировать непосредственно этот изотоп не удалось. Ученые обнаружили лишь продукты его распада: кислород-24 и четыре нейтрона.

Стоит заметить, что сам кислород-24 несколько лет назад принес аналогичный сюрприз. Вопреки предсказаниям, это ядро весьма стабильно, срок его полураспада составляет более 60 миллисекунд. Иначе говоря, кислород-24 ведет себя так, словно он дважды магический, хотя в теории содержит лишь магическое число протонов, но не нейтронов.

Новые экспериментальные данные могут говорить о том, что магические числа далеко не так универсальны, как принято думать. Поэтому теперь физики планируют добраться до еще более тяжелого изотопа, кислорода-30, чтобы сравнить сроки полураспада целой серии ядер. Вероятно, эта работа подтвердит, что магические числа действительно не могут служить надежным предсказателем их стабильности, а количество нейтронов и протонов, которое делает ядро устойчивым, меняется более сложным образом.

Те же идеи, которые заставляли физиков ожидать стабильности от кислорода-28, стоят за концепцией «острова стабильности» — существования сверхтяжелых трансурановых элементов с большим сроком жизни. Их поиски идут уже не одно десятилетие, однако до сих пор без особенного успеха. Не исключено, что проблема с кислородом-28 может объяснять и трудности с достижением «острова стабильности».

Статья спизжена отсюда

Физикам впервые удалось создать квантовые «кольца Алисы»

Такие кольца из тысяч ультрахолодных атомов способны изменять квантовое состояние проходящих через них объектов. Более того, даже если просто наблюдать квантовые объекты через «кольцо Алисы», то они изменят свои наблюдаемые свойства.

Кольцо Алисы в представлении художника

Топологические дефекты бывают разными — скажем, нульмерными (точечными). Такими называют монополи и скирмионы. Одномерные (линейные) — это квантованные вихри в сверхтекучих жидкостях и сверхпроводниках (вихри Абрикосова), а также вихри в кристаллах (дислокации или потоки вакансий).

Остальные топологические дефекты, кроме упомянутых в предыдущем предложении, типа квантовых струн не наблюдались экспериментально, отчего многие ученые считают их существование сомнительным. Разумеется, многие топологические дефекты в сконденсированных средах — хотя и давно предсказанные — тоже сложно реализовать экспериментально, поэтому каждый опыт, знакомящий нас с новым типом дефектов, привлекает внимание множества исследовательских групп по всему миру.

Группа финских исследователей провела довольно сложный эксперимент как раз такого типа. В работе, вышедшей в журнале Nature Communications, они описали создание структуры из 250 тысяч атомов рубидия (это невероятно компактное образование), охлажденных до сверхнизких температур. Последнее требуется потому, что нужные квантовые эффекты без глубокого охлаждения наблюдать невозможно. Необходимая в этот раз температура была близка к абсолютному нулю, так что получить ее просто «в холодильнике» нельзя: авторы исследования замедляли движение нужной группы атомов в вакууме лазерными импульсами, тем самым понижая и температуру (это «торможение» отбирает у атомов тепловую энергию).

Детальное моделирование кольца Алисы, выходящего из монополя

После доведения до такого состояния все эти атомы начали вести себя как единый квантовый объект, чье состояние можно переключать внешним магнитным полем. Создав в этой среде монополь, ученые затем смогли наблюдать, как он спонтанно деформируется в вихревое кольцо — то самое «кольцо Алисы».

Топологический монополь и кольцо Алисы в конденсате Бозе – Эйнштейна со спином 1

Свидетельства наличия кольца Алисы возле края конденсата

Более того, согласно моделированию, если какой-то объект пройдет через «кольцо Алисы» или просто будет наблюдаться через него, его заряд сменится на противоположный. На данном этапе ученые работают над тем, чтобы научиться пропускать монополи (практически нульмерные объекты) через такое кольцо и после этого фиксировать, меняется ли знак их заряда на противоположный с точки зрения наблюдателя. Тогда удалось бы перейти от собственно создания «кольца Алисы» к подтверждению его давно предсказанных экзотических возможностей.

Тоже самое, но возможно чуть более понятным языком (7:44, если время не подцепилось)

Статья спизжена отсюда

p.s. постите кто-нибудь кроме меня, а то я всю годноту не перезалью

Ученые: кинжал Тутанхамона сделан из метеоритного железа! Почему это важно?

"Ученые изучили один из кинжалов, найденных на мумии Тутанхамона, и подтвердили давно бытовавшее мнение, что кинжал фараона сделан из металла внеземного происхождения, а именно – из метеоритного железа. Сенсация? Не совсем. Железный кинжал в гробнице бронзового века – лишь часть более масштабной и весьма увлекательной истории о роли современных технологий в "возрождении исторической науки".

Тутанхамон жил, правил и умер в XIV веке до нашей эры, когда все прогрессивное человечество довольствовалось бронзой, а до распространения железа в Египте оставалось еще несколько столетий. В 1922 году археолог Говард Картер обнаружил гробницу юного фараона, снизу доверху заполненную сокровищами. Публику больше всего поразило невероятное количество золота, но ученых уже тогда крайне заинтересовали найденные в гробнице предметы из другого металла, более редкого и ценного: железа.

В гробнице нашли 16 миниатюрных железных лезвий, небольшой железный подголовник, браслет с железным амулетом "око Гора", а на теле фараона, под погребальными бинтами, обнаружились два кинжала: один с золотым клинком, второй – с железным.

Железный кинжал (ныне в коллекции Египетского музея в Каире) еще в 1925 году описал Говард Картер: "богато украшенный золотой кинжал с хрустальным навершием". Металл, из которого сделано лезвие, Картер не указал – хотя подозревал, что это железо, причем именно метеоритное.

В 1970-м и в 1994 годах ученые уже пытались выяснить, из чего сделано лезвие загадочного кинжала, но исследования дали сомнительные и противоречивые результаты. Главная заслуга современных исследователей в том, что они положили конец многолетним спорам и сомнениям.

Египетско-итальянская группа ученых под руководством Даниэлы Комелли (Daniela Comelli), физика из Миланского технического университета, провела анализ клинка с помощью современного прибора: рентгенофлуоресцентного спектрометра. Прибор, что немаловажно, переносной: не кинжал вывезли из музея для исследования, а прибор привезли к кинжалу.

Научная статья содержит подробное описание кинжала фараона: "Искусно выкованный клинок из однородного металла, не тронутого коррозией, дополнен богато украшенной золотой рукоятью с навершием из горного хрусталя, а также золотыми ножнами с цветочным узором в виде лилий с одной стороны и узором из стилизованных перьев и головой шакала с другой".

Внимание ученых привлекли два факта: отсутствие коррозии (ржавчины) на клинке и мастерство древнего кузнеца, очевидно обладавшего навыками работы с крайне редким в ту эпоху металлом.

Данные рентгенофлуоресцентного анализа подтверждают метеоритное происхождение железа, что и объясняет отсутствие коррозии. "Метеоритное железо четко определяется по высокому содержанию никеля", — говорит руководитель исследования Даниэла Комелли.

Действительно, железные метеориты состоят в основном из железа и никеля, с небольшими примесями кобальта, фосфора, серы и углерода. В артефактах, произведенных из железной руды земного происхождения, содержание никеля обычно не превышает 4%, тогда как железное лезвие кинжала Тутанхамона содержит почти 11% никеля. Еще одно подтверждение внеземного происхождения металла – присутствие в железном сплаве кобальта (0,6%).

Сведения о химическом составе метеоритов давно не новость, но для определения этого состава обычно применяются методы, не слишком подходящие для исследования редчайших произведений древнего искусства – такие как инструментальный нейтронно-активационный анализ или масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой. Ученые под руководством Даниэлы Комелли применили не только подходящий неинвазивный метод, но и удобный, с учетом ценности объекта исследования, переносной прибор.

Физики на этом не остановились и решили выяснить, где именно древние египтяне нашли этот метеорит. "Мы изучили характеристики всех метеоритов, найденных в радиусе 2000 км от Красного моря, из них выделили 20 железных. Из двух десятков только один, метеорит Харга [названный так по ближайшему к месту находки оазису – прим. ред.], имеет то же процентное содержание никеля и кобальта, что и железо кинжала Тутанхамона", — рассказала Даниэла Комелли в интервью Discovery News.

Фрагмент этого метеорита был найден в 2000 году на плато возле портового горда Мерса Матрух, в 240 км к западу от Александрии.

Ливийское стекло образуется в результате ударного воздействия метеорита или кометы на песок, и называется так по единственному месту на планете, где его можно найти: в Ливийской (Западной) пустыне Египта. Прежде чем кусок небесного стекла превратился в скарабея для фараона, кто-то нашел и пронес его через пустыню, преодолев расстояние не менее 800 км…

В своем исследовании ученые не могли не упомянуть древнейшие артефакты из метеоритного железа, найденные на территории Египта. Девять железных бусин были обнаружены в захоронении так называемой герзейской культуры (около 3200 года до нашей эры) на западном берегу Нила, возле современного города Аль-Гирза. Металл, упавший с неба, древний мастер раскатал в тонкие пластинки и затем скрутил в бусинки, оставив отверстие для нанизывания.

Поскольку в исследовании кинжала Тутанхамона принимали участие не только физики, но и историки, научная статья в журнале Meteoritics and Planetary Science содержит (помимо труднопроизносимых названий технических процедур) несколько любопытных исторических предположений.

Например, историки сделали вывод о чрезвычайной символической и сакральной ценности "небесного металла" для древних египтян – куски железа, падающие с неба, не могли расцениваться иначе как послания богов. Это представляется вполне очевидным, но интересно другое: сам термин "железо" в древних месопотамских, хеттских и египетских текстах всегда упоминается в связи с небом, а один из древнеегипетских иероглифов, значение которого буквально переводится как "небесное железо", с XIII века до нашей эры начинает употребляться для обозначения всех видов обычного, земного железа. Примерно в это время в Карнаке появляются записи о явлении, очень напоминающем падение метеорита.

Говоря о кинжале Тутанхамона, Даниэла Комелли привлекает особое внимание к высокому качеству обработки железного лезвия. "Основная сложность работы с железом — высокая температура его плавления, 1538 °C. Кузнецы древности не могли нагреть руду в достаточной степени, чтобы получить металл и, соответственно, не могли выковать из железа ни орудия, ни оружие", пишут авторы исследования. Тем не менее лезвие кинжала Тутанхамона было именно выковано. Выходит, уже в XIV веке до н.э. кузнецы обладали необходимыми навыками для работы с железом, что противоречит современным представлениям о металлургических знаниях древних египтян.

В статье также приводятся фрагменты дипломатической переписки XIV века до нашей эры (так называемый Амарнский архив), в частности, запись о том, что Тушратта, царь Митанни, отправил драгоценные железные предметы в дар фараону Аменхотепу III (деду Тутанхамона). В списке царских даров присутствуют кинжалы с железными лезвиями и позолоченный железный браслет.

Авторы исследования напоминают, что металлообработка была настолько важна для человечества, что историки даже поделили древность на условные "металлические" периоды – медный, бронзовый и железный века. С одной стороны, все согласны, что временные границы этих периодов довольно размыты, переход от бронзы к железу происходил в разное время в зависимости от региона. С другой – уже давно ведутся ожесточенные споры о том, когда именно в истории человечества начался железный век.

Сейчас условным началом железного века считается 1200 год до нашей эры (именно так записано в Википедии, основном источнике современных знаний). Авторы исследования в этом вопросе "поддерживают Википедию": согласно археологическим данным, на востоке Средиземноморья железо получило широкое распространение в конце II тысячелетия до нашей эры. Но историки "старой школы" с этим утверждением категорически не согласны, перенося начало железного века на три-четыре столетия позже.

Во всяком случае, именно такая парадоксальная ситуация сложилась в Египте: несмотря на наличие значительных запасов железной руды в этом регионе, обитатели долины Нила начали использовать железо в быту гораздо позже, чем жители соседних государств – самые ранние свидетельства выплавки железа в Египте относятся лишь к первому тысячелетию до нашей эры.

Единственный способ пересмотреть и аргументировать "новые" временные границы эпох – исследовать древние железные артефакты с помощью современных технологий.

В заключительной части научной статьи исследователи прямо заявляют: "В дальнейшем только неинвазивный анализ древних железных артефактов из коллекций музеев мира, а также других предметов из железа, найденных в гробнице Тутанхамона, сможет предоставить данные, необходимые для лучшего понимания места метеоритного железа в древних культурах и эволюции процессов металлообработки в средиземноморском регионе".

Казалось бы, все просто – в наши дни для этого есть и технологии, и инструменты. Однако, сетуют ученые, "исследовательскую работу тормозят сложности, связанные с получением разрешения на анализ редких и ценных артефактов, вне зависимости от методологии исследования – инвазивна она или нет, для музеев значения не имеет".

Гуманитарии: «Зачем мне физику учить? Где она мне пригодится в жизни?» А потом рисуют такое: