физика в жизни

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

Animation vs. Physics

Сверхпроводниковая драма

Начало

Последние пару суток интернет аж трисет от корейских сверхпроводников, настроения меняются чуть ли не каждый час, постоянно выясняются новые подробности.

Во-первых, оказалось, что существует еще и третья статья. Она была опубликована еще 30 апреля в рецензируемом южнокорейском научном журнале, на корейском языке, само собой, но ее уже успели перевести. Была опубликована авторами для того, чтобы удовлетворить запрос Nature, который требовал публикации где-нибудь еще, прежде, чем принимать работу от них. Все из-за совсем недавнего скандала с публикациями по сверхпроводимости, которые позднее оказались подлогом. Все это продолжается до сих пор, поэтому их можно понять.

В этой работе обнаружились, как говорят, намного более убедительные графики (к прошлым были претензии). Например, имеется резкое снижение теплоемкости, характерное для сверхпроводников, не объясняемое диамагнетизмом, которому некоторые приписывали частичную левитацию образца.

Во-вторых, во всю идут попытки повторить успех корейцев. Например, тут.

Ходят слухи, что тем же самым сейчас занимаются сотни китайских лабораторий.

В-третьих, история работы двух корейских ученых  и публикации статей поистине достойна воплощения на экране.

1994 год, Чер Тонг-сик, глава департамента химии в Корейском университете публикует теорию одномерных высокотемпературных сверхпроводников.

Ли, один из наших героев, в 1995 году заканчивает обучение, его дипломная работа написана по теории сверхпроводников. В 1996 году он встречает Кима, химика-экспериментатора. Они начинают работать вместе и в 1999 году случайно получают небольшие количества своего чудо-проводника (отсюда и название LK-99).

В 2004 Ли и защищает диссертацию с работой по синтезу полимерных сверхпроводников. В том же году защищает докторскую и Ким. Оба являются учениками Чера.

Долго ли, коротко ли, парням надо зарабатывать на жизнь, они работают в не связанных с СП областях. 

В 2008 году Ли создает стартап Qcenter, чтобы работать над сверхпроводниками. Оба совмещают работу в стартапе с основной. 

Умирает Чер Тонг-сик, одним из его последних является желание, чтобы его ученики завершили его работу по сверхпроводникам.

К 2018 году у Ли и Кима набирается достаточно данных, чтобы получить финансирование для завершения своих исследований. Вместе с деньгами они получили Квана, "надсмотрщика", связанного с LG. Ли становится CEO, Кван CTO, Ким, как самый младший, директором по исследованиям.

К 2021 году они разобрались в процессе, надежно научились синтезировать свой чудо-проводник, получили несколько патентов. Начали писать научные статьи. В марте 2023 году подана заявка на международный патент.

Перед публикацией в англоязычном журнале заручились поддержкой работающего в Америке профессора из Кореи Хьюн-Така. Так настаивает на том, что нужны дополнительные тесты, но Ли и Ким боятся, что их обойдут, что Китай украдет их разработку и т. д.

22 числа, когда в Америке 2 часа ночи, Кван со своего аккаунта на Архиве постит первую работу, в которой соавторами указаны Ли, Ким и он сам.

Кто-то бьет тревогу, Так подрывается среди ночи, на скорую руку пилит собственную статью и в 6 утра публикует ее на Архиве. В ней он указывает авторами Ли, Кима, себя, еще троих. Квана среди соавторов он не указывает. В этой работе уже скрупулезно прописано, кто именно из них и за что именно отвечал.

Все это объясняет в том числе, почему работы были такие сырые, к чему многие высказывали претензии. В любви и на войне битве за Нобелевку все средства хороши.

Буду следить за событиями.

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