Страница:
УДОБРЯТЬ ОВЕС УГЛЕМ
Пожалуй, мало кто верил в успех эксперимента, который проводила недавно группа польских химиков. И все же конечный результат оказался убедительным: урожай овса увеличился на 30 процентов, картофеля и ячменя - на 22 процента. Культуры подкармливали необычными удобрениями-накрошенным бурым углем. В качестве топлива этот уголь не очень пригоден из-за низкой калорийности, однако содержит фосфор и кальций и вполне годится как удобрение. Кроме того, что он питает землю микроэлементами, бурый уголь улучшает структуру тяжелых почв.
ПО МАРШРУТУ ГОРОД - ПОЛЕ
^временным городам все труднее ^ Р^яться с проблемой домашнего У °Ра. Большинство предложенных
для ее решения проектов предусматривает его сжигание, что требует немалых затрат топлива. По иному пути пошли специалисты ГДР. Тщательно изучив состав отходов, коллектив исследователей пришел к выводу, что с помощью биотехнологии их можно превратить в органические удобрения. Уже разработана установка, позволяющая за год переработать 30 тысяч тонн мусора в 26 тысяч тонн "питания" для полей. Попутно всевозможные условия и фильтры возвращают народному хозяйству до тысячи тонн металла.
ЯИЧНУЮ СКОРЛУПУ
В ОЗЕРО
Шведское озеро Холмсё сильно за-. грязнено кислотными дождями и прочими современными промышленными отходами. Экологи предложили восстановить жизнь в озере, нейтрализовав его воды большим количеством извести. Местные власти нашли остроумное решение. На берегу Холмсё есть кондитерская фабрика, во дворе которой скапливается по нескольку тонн яичной скорлупы - прекрасного известкового материала. Сброшенная в озеро, скорлупа, по мнению ученых, может постепенно очистить его от промышленного загрязнения.
ПОЛЯРИЗОВАННЫЙ СВЕТ В ПРИРОДЕ
Человеческий глаз весьма чувствителен к окраске (то есть длине волны) и яркости света, но третья характеристика света, поляризация, ему практически недоступна. Мы страдаем "поляризационной слепотой". В этом отношении некоторые представители животного мира гораздо совершеннее нас. Например, пчелы различают поляризацию света почти так же хорошо, как цвет или яркость. И так как поляризованный свет часто встречается в природе, им дано увидеть в окружающем мире нечто такое, что человеческому глазу совершенно недоступно. Человеку можно объяснить, что такое поляризация, с помощью специальных светофильтров он может увидеть, как меняется свет, если "вычесть" из него поляризацию, но представить себе картину мира "глазами пчелы" мы, видимо, не можем (тем более что зрение насекомых отличается от человеческого и во многих других отношениях).
Поляризация - это ориентированность колебаний световой волны в пространстве. Эти колебания перпендикулярны направлению движения луча света. Элементарная световая частица (квант света) представляет собой волну, которую можно сравнить для наглядности с волной, которая побежит по канату, если, закрепив один его конец, другой встряхнуть рукой. Направление колебаний каната может быть различным, смотря по тому, в каком направлении встряхивать канат. Точно так же и направление колебаний волны кванта может быть разным. Пучок света состоит из множества квантов. Если их
колебания различны, такой свет не ляризован, если же все кванты име^ абсолютно одинаковую ориентаций свет называют полностью поляризова ным. Степень поляризации может бы различной в зависимости от того как доля квантов в нем обладает одинаковой ориентацией колебаний.
Существуют светофильтры, пропускающие только ту часть света, волны которой ориентированы определенным образом. Если через такой фильтр смотреть на поляризованный свет и при этом поворачивать фильтр, яркость пропускаемого света будет меняться. Она будет максимальна при совпадении направления пропускания фильтра с поляризацией света и минимальна при полном (на 90 градусов) расхождении этих направлений. С помощью фильтра можно обнаружить поляризацию, превышающую примерно 10 процентов, а специальная аппаратура обнаруживает поляризацию порядка 0,1 процента.
Поляризационные фильтры, или поляроиды, продаются в магазинах фотопринадлежностей. Если через такой фильтр смотреть на чистое голубое небо (при облачности эффект выражен гораздо слабее) примерно в 90 градусах от направления на Солнце, то есть чтобы Солнце было сбоку, и при этом фильтр поворачивать, то ясно видно, что при некотором положении фильтра на небе появляется темная полоса. Это свидетельствует о поляризованности света, исходящего от этого участка неба. Поляроидный фильтр открывает нам явление, которое пчелы видят "простым глазом". Но не надо думать, что пчелы видят ту же темную полосу на небе. Наше положение можно сравнить с положением полного дальтоника, человека, неспособного видеть цвета. Тот, кто различает только черное, белое и различные оттенки серого цвета, мог бы, смотря на окружающий мир попеременно через светофильтры раз' личного цвета, заметить, что картина мира несколько меняется. Например)
вз красный фильтр иначе выглядел ^ красный мак на фоне зеленой тра^ерез желтый фильтр стали бы "" ^ выделяться белые облака на мбом небе. Но фильтры не помогли ^дальтонику понять, как выглядит о человека с цветным зрением. Так емк цветные фильтры дальтонику, оляризационный фильтр может лишь подсказать нам, что у света есть каДое-то свойство, не воспринимаемое
глазом. Поляризованность света, идущего от
голубого неба, некоторые могут заметить и простым глазом. По данным известного советского физика академика С. Вавилова, этой способностью обладают 25-30 процентов людей, хотя многие из них об этом не подозревают. При наблюдении поверхности, испускающей поляризованный свет (например, того же голубого неба), такие люди могут заметить в середине поля зрения слабо-желтую полоску с закругленными концами. Еще слабее заметны голубоватые пятнышки в ее центре, по краям. Если плоскость поляризации света поворачивается, то поворачивается и желтая полоска. Она всегда перпендикулярна к направлению световых колебаний. Это так называемая фигура Гайдингера, она открыта немецким физиком Гайдингером в 1845 году. Способность видеть эту фигуру можно развивать, если хотя бы раз удастся ее заметить. Интересно, что еще в 1855 ГОДУ, не будучи знакомым со статьей Гайдингера, напечатанной за девять лет до того в одном немецком физическом журнале, Лев Толстой писал ("Юность", глава XXXII): "...я невольно оставляю книгу и вглядываюсь в растворенную Дверь балкона, в кудрявые висячие ветви высоких берез, на которых уже заходит вечерняя тень, и в чистое небо, ^ котором, как смотришь пристально, вдруг показывается как будто пыльное ^"товатое пятнышко и снова исчеза^"- " Такова была наблюдательность великого писателя. ^"Уру Гайдингера можно увидеть
гораздо яснее, если смотреть через зеленый или синий светофильтр.
Поляризация света неба была открыта в 1871 году (по другим источникам, даже в 1809 году), но подробное теоретическое объяснение этого явления было дано лишь в середине нашего века. Тем не менее, как обнаружили историки, изучавшие древние скандинавские саги о плаваниях викингов, отважные мореходы почти тысячу лет назад пользовались поляризацией неба для навигации. Обычно они плавали, ориентируясь по Солнцу, но, когда светило было скрыто за сплошной облачностью, что не редкость в северных широтах, викинги смотрели на небо через специальный "солнечный камень", который позволял увидеть на небе темную полоску в 90 градусах от направления на Солнце, если облака не слишком плотны. По этой полосе можно судить, где находится Солнце. "Солнечный камень" - видимо, один из прозрачных минералов, обладающих поляризационными свойствами (скорее всего распространенный на севере Европы исландский шпат), а появление на небе более темной полосы объясняется тем, что, хотя за облаками Солнца и не видно, свет неба, проникающий через облака, остается в какой-то степени поляризованным. Несколько лет назад, проверяя это предположение историков, летчик провел небольшой самолет из Норвегии в Гренландию, пользуясь в качестве навигационного прибора только кристаллом минерала кордиерита, поляризующего свет.
Уже говорилось, что многие насекомые в отличие от человека видят поляризацию света. Пчелы и муравьи не хуже викингов пользуются этой своей способностью для ориентировки в тех случаях, когда Солнце закрыто облаками. Что придает глазу насекомых такую способность? Дело в том, что в глазе млекопитающих (и в том числе человека) молекулы светочувствительного пигмента родопсина расположены беспорядочно, а в глазе насекомого те же
молекулы уложены аккуратными рядами, ориентированы в одном направлении, что и позволяет им сильнее реагировать на тот свет, колебания которого соответствуют плоскости размещения молекул. Фигуру Гайдингера можно видеть потому, что часть нашей сетчатки покрыта тонкими, идущими параллельно волокнами, которые частично поляризуют свет.
Любопытные поляризационные эффекты наблюдаются и при редких небесных оптических явлениях, таких, как радуга и гало. То, что свет радуги сильно поляризован, обнаружили в 1811 году. Вращая поляроидный фильтр, можно сделать радугу почти невидимой. Поляризован и свет гало светящихся кругов или дуг, появляющихся иногда вокруг Солнца и Луны. В образовании и радуги и гало наряду с преломлением участвует отражение света, а оба эти процесса, как мы уже знаем, приводят к поляризации. Поляризованы и некоторые виды полярного сияния. Наконец, следует отметить, что поляризован и свет некоторых астрономических объектов. Наиболее известный пример - Крабовидная туманность в созвездии Тельца. Свет, испускаемый ею,- это так называемое синхротронное излучение, возникающее, когда быстро летящие электроны тормозятся магнитным полем. Синхротронное излучение всегда поляризовано.
Вернувшись на Землю, отметим, что некоторые виды жуков, обладающие металлическим блеском, превращают свет, отраженный от их спинки, в поляризованный по кругу. Так называют поляризованный свет, плоскость поляризации которого закручена в пространстве винтообразно, налево или направо. Металлический отблеск спинки такого жука при рассмотрении через специальный фильтр, выявляющий круговую поляризацию, оказывается левозакрученным. Все эти жуки относятся к семейству скарабеев. В чем биологический смысл описанного явления, пока неизвестно.
КОГДА ЖЕЛЕЗО ОГНЕОПАСНО
Морякам известны случаи самовозгорания груза. Такое бывает, например, с зерном. Пожары вызываются особыми микроорганизмами. Размножившись в толще зерна, микробы потребляют его жировые вещества, причем из-за активной деятельности микробов масса зерна сильно разогревается и может загореться. Но чтобы пожар на судне был вызван грузом железа такое трудно себе представить. Однако такие случаи бывают. Д
В гавань города Вишакхапатнам, рас^ положенного на восточном побережь^ Индии, вошло Панамское грузовое суд-j но "Сэникс Эйс". Когда открыли судовые люки, из трюмов пахнуло палящи*/ жаром. В трюмах находились пористые гранулы железа, служащие полуфабри^ катом для производства стали. Залить трюмы, в которых находился груз, во-' дои оказалось невозможно, так как судно и без того было перегружено. Из него выгрузили все, что удалось, и отбуксировали за пределы порта. Около пятисот тонн гранул, оставшихся в трюмах, продолжали тлеть почти месяц. Использованные для тушения пожара средства - вода, пена и огнегасящий порошок - оказались малоэффективными.
Подробно документирован случай самовозгорания железа на борту греческого грузового судна "Агиос Гиоргис". Большая часть трюмов судна была загружена такими же пористыми гранулами с большим содержанием чистого железа. В порту назначения обнаружилось, что температура в трюмах суд-1 на превысила 65 градусов, а еще через j
несколько часов она перевалила за 100 градусов. В последующие дни температура поднялась до 540 градусов. Спешно произвели подсчеты и установили, что обшивка корабля сдаст при температуре около 700 градусов. Было решено освободить от груза три трюма, температура в которых оказалась самой высокой. Остальные трюмы залили водой. После этого температура постепенно снизилась до 90 градусов, и "Агиос Гиоргис" взял курс на близлежащий город, в порту которого и был разгружен. Во время разгрузки было замечено, что гранулы, уже более десяти дней находившиеся под водой, на открытом воздухе вновь начали тлеть и дымиться.
Чем же объяснить эти странные случаи?
Один из самых ярких и запоминающихся опытов в школьном курсе химии горение стальной проволоки. Ее конец раскаляют на огне и опускают в колбу с кислородом. В достаточно большом объеме кислорода может сгореть и крупный железный предмет. Например, во время пожара, случившегося на одном химическом заводе в конце прошлого века, от нагревания бочек с бертолетовой солью выделилось много кислорода, так что весь завод оказался в среде с повышенным содержанием этого газа. Горели даже стальные лебедки.
Однако железо может гореть, точнее, сильно разогреваться без пламени и искр и в обычном воздухе, содержащем лишь 20 процентов кислорода. Надо только, чтобы площадь соприкосновения металла с воздухом, то есть площадь реакции, была достаточно большой. Тогда окисление пойдет быстро, с выделением большого количества тепла.
Именно это условие выполняется в гранулах (окатышах), получаемых при новом методе выработки железа-прямом восстановлении железа из руд. По этому методу подготовленная руда нагревается в среде восстанавливающих
газов - чаще всего водорода или окиси углерода. Получаются гранулы с высоким содержанием железа и большим количеством пор, занимающих до 50- 75 процентов объема гранулы. Большая поверхность соприкосновения железа с воздухом в такой грануле иногда может приводить к активной реакции.
Произойдет ли самовозгорание, зависит от размера гранул и пор в них, плотности загрузки, интенсивности вентиляции в трюме, степени влажности, наличия ржавчины на железе и от ряда других факторов.
Саморазогрев железа можно предупредить, нагнетая в трюм газы с низкой реакционной способностью, например азот или двуокись углерода.
ПОСТОЯННАЯ ВСЕ-ТАКИ ПОСТОЯННА
В тридцатых годах нашего века Поль Дирак высказал предположение, что константы гравитации и электромагнитных сил могут изменяться со временем. Никаких экспериментальных подтверждений этому не было, просто некоторые числовые соотношения в микромире и Вселенной указывали на возможность такой ситуации. Многие ученые с восторгом восприняли новую гипотезу и стали строить разнообразные теории, исходя из нее. Но все же без экспериментального подтверждения всякое, даже самое изящное, теоретическое построение остается зыбким воздушным замком.
Ученые проанализировали данные о движении ракет на Марс, а также внимательно изучили результаты радиолокации Меркурия и Венеры, лазерной радиолокации Луны. Если бы
223
222
ционная постоянная уменьшилась со временем, то изменились бы и расстояния между небесными телами, неизбежны были бы ошибки в расчетах траекторий космических аппаратов. Однако этого не происходит, значит, постоянная тяготения меняется за год не более чем на две тысячемиллиардные доли. Из предположения Дирака следует в двадцать раз большая скорость изменения. Исследователи считают, что скорее всего гравитационная постоянная не меняется вообще.
ВЕЧЕН ЛИ ПРОТОН?
Еще на школьной скамье мы узнаем о протонах и электронах электрически заряженных частицах атома. Протон как бы его сердцевина, простейшее атомное ядро. Природа наделила эту частицу устойчивостью благодаря столь счастливому обстоятельству существуем и мы с вами, и окружающий мир. Протоны - своего рода кирпичики, из которых построена вся природа, как живая, так и неживая. Только в человеческом теле их огромное количество, выражающееся единицей с 29 нулями,- чтобы записать это число во всем его великолепии, не хватило бы строчки в газетном столбце. Представление о нем дает такое сравнение - именно во столько раз размер нашей Вселенной больше однокопеечной монеты.
"А вечна ли эта частица?" - вот вопрос, интересующий ученых в последнее время. И вовсе не из-за боязни "конца света", наоборот, они даже заинтересованы найти следы ее распада. Почему же? Дело в том, что стабильность
тона, как ни странно, мешает созд стройную картину мироздания.
Еще сравнительно недавно в физик микромира царил "беспорядок" -~ ц следователи находили все новые эле1 ментарные частицы, их количество под ходило к двумстам, а вот общих принципов классификации не было. Физики чувствовали себя примерно так же как химики до тех пор, пока Д. Менделеев не открыл периодический закон и каждый элемент занял свое место в знаменитой таблице. Подобный порядок мечтают навести и физики - выявить единство сил природы.
И вот в последнее десятилетие в этой науке происходит бесшумная революция. Если сравнивать дорогу исканий с длинным темным туннелем, можно сказать, что теперь в его конце забрезжил ^вет. Появилась надежда создать единую теорию всех четырех сил природы; гравитационных, электромагнитных, сильного и слабого взаимодействиятеорию так называемого "большого объединения". А чтобы ее построить, надо допустить, что основной строительный материал нашего мира - протон - нестабилен. Вот почему физики так настойчиво ищут следы его распада - пока, пожалуй, нет другой возможности экспериментально подтвердить теорию "большого объединения".
Увы, некоторые расчеты говорят о том, что протон стабилен, во всяком случае, его жизнь намного дольше миллиона миллиардов лет. Сравнитевозраст Вселенной, по современным воззрениям, "всего" около десяти миллиардов лет. Если бы протон жил меньше, в нашем организме за год распадалось бы столько этих частиц, что доза радиаци и оказалась бы просто смертельной. Человечество же живет и здравствует.
Итак, нижний предел установлен, а верхний, по теории "большого объединения", должен быть где-то в области 10^-10" лет. Время фантастическое, трудно представимое, практически бесконечное по сравнению с тем, сколько
уже прожила наша Вселенная после своего рождения-Большого взрыва. Именно тогда, по мнению ученых, и родились протоны. Но это средний срок их существования. А вот сколько проживет каждый конкретный протон, сказать нельзя. Если он все-таки распадается, срок его жизни случаен - таковы причудливые законы микромира. Конкретная частица может погибнуть гораздо раньше своих собратьев, а может и пережить их всех.
Идея "эксперимента века" проста. Надо взять огромную массу практически любого вещества (обычно используют очищенную воду) и наблюдать, появятся ли в ней частицы, рожденные при распаде протона. Чем больше масса, тем больше в ней протонов, а значит, больше и вероятность, что хотя бы несколько из них погибнут. Во всяком случае, эта масса должна быть более десяти тысяч тонн (современные детекторы имеют пока меньшую массу). И из этого бесконечного числа протонов - вспомните, сколько их только в нашем теле - за год непрерывного наблюдения могут погибнуть лишь несколько. Уловить продукты их распада - задача потруднее, чем найти иголку в стоге сена.
А поиск осложняется тем, что в огромной массе детектора из-за радиоактивных примесей и космического фона будут распадаться и другие частицы - следы этих событий можно принять за гибель протонов. Чтобы избавиться от помех, детекторы прячут под толщей грунта или воды.
Один из первых экспериментов провели советские ученые на Баксанском нейтринном телескопе. Следов распада они не обнаружили. Именно тогда, исходя из характеристик прибора, было рассчитано время жизни протонаоно оказалось более 1,5х10^ лет. Индийские и японские специалисты спрятали детектор в золотоносной шахте на трехкилометровой глубине. Замеренное здесь время распада оказалось еще больше-около 10^ лет.
Новое поколение детекторов, возможно, в конце концов обнаружит распавшийся протон. А если нет? Значит, время его жизни превышает 10'^ лет. Дальнейшие поиски и сложны и дороги. Может даже оказаться, что создать установку для измерения времени распада порядка 10^ лет легче на Луне, чем на Земле.
Не исключено, что время жизни каверзной частицы вообще превышает наши технические возможности измерения. Тогда физики придумают другие эксперименты, косвенно подтверждающие теорию, ведь на пути к "большому объединению" есть не только трудности - этот путь обещает и большие открытия. Объединение всех физических взаимодействий, как отметил вице-президент АН СССР академик А. Логунов, "может произвести пере-' ворот во всей практической деятельности человека. Ведь с помощью одних сил можно будет управлять другими, превосходящими их во много раз".
КВАРКИ ХОДЯТ ПАРАМИ
Сегодня уже ни у кого нет сомнений в том, что элементарные частицы состоят из кварков. А вот о том, как они устроены, пока единого мнения нет. Квантовая хромодинамика - наука о взаимодействии кварков предполагает, что кварки "склеены" при помощи глюонов. Доказательством существование глюонов считали трехструйные события при столкновении частиц: когда высокоэнергичные частицы сталкиваются, от места столкновения разлетаются целые снопы или струи частиц. Когда таких струй две, это значит, в
вении родилась пара кварк-антикварк с колоссальной энергией и, разлетаясь в разные стороны, они и порождают две противоположно направленные струи. Когда же экспериментаторы обнаружили события с тремя струями, они предположили, что наконец-то найден долгожданный глюон, потому что кварки могут рождаться только парами, а глюоны и поодиночке. Однако некоторые физики считают этот, хоть и долгожданный, вывод преждевременным. Они предполагают, что кварки в частицах могут быть тесно связаны в пары и такими же парами - дикварк и антидикварк могут рождаться в столкновениях. А если один из дикварков после рождения распадается на два отдельных кварка, вот и получится трехструйное событие.
ЕЩЕ О МОНОПОЛЕ...
Гипотезу монополя - магнитного заряда - выдвинул более полувека назад Поль Дирак. В наши дни поиск этого экзотического жителя микромира возобновился с новой силой, потому что монополь очень удачно вписывается в современные теории строения элементарных частиц и взаимодействий.
Ученые считают, что вместе с рождением монополей много миллиардов лет назад появились и антимонополи - частицы с противоположным магнитным зарядом. Монополи и антимонополи могут образовывать "монополоний" нечто вроде атома водорода. Вращаясь вокруг общего центра, частицы приближаются друг к другу и в конце концов аннигилируют, но время жизни такого образования может меняться от нескольких суток до
дов лет. Ученые вычислили, что во Вселенной в объеме, равном одному кубическому световому году, происходит примерно триста распадов "монополония". Излучение, исходящее от таких "магнитных атомов", может входить в состав фоновых радиоволн во Вселенной. Правда, первые оценки показывают, что на длине волны в один сантиметр интенсивность "монополониевых" сигналов в миллион раз меньше той, что можно реально зарегистрировать. Исследователи пока ищут более заметные сигналы "монополония".
ИОНЫ БЕРУТ РЕВАНШ
Сегодня ускорители элементарных частиц стали в заводских цехах чуть ли не такими же привычными, как плазменные сварочные горелки, ультразвуковые дефектоскопы или электромагнитные индукторы.
В начале 50-х годов удалось ускорить так называемые тяжелые ионы (бор, углерод, азот). Новые ускорители использовались для экспериментальных исследований, ядерных превращений, и вскоре появилось основание считать пучки ускоренных ионов "тяжелой артиллерией". Уж очень интенсивно разрушали они свои мишени. А когда в Институте объединенных ядерных исследований был построен мощный ускоритель тяжелых ионов, оказалось, что они разрушают различные конструкционные материалы, сплавы и металлы в тысячи раз быстрее, чем нейтроны. Поэтому с помощью ионов испытание нового материала, длившееся годами, теперь можно провести за несколько часов.
226
227
Но этим не ограничиваются технологические возможности тяжелых ионов. В отличие от ускоренных электронов подавляющую часть своей энергии ионы отдают в конце пробега, то есть непосредственно перед самой остановкой в толще облучаемого вещества. А место, где они остановятся, можно определить с точностью до одного миллиметра. В медицине такой инструмент трудно переоценить, поскольку им можно воздействовать только на больной участок ткани, не подвергая радиоактивному облучению здоровую ткань, которую луч пронизывает на пути к больному месту.
Приведенные примеры больше иллюстрируют разрушительную силу ускоренных тяжелых ионов, но она может стать и созидательной. Сконцентрировав импульсные излучения тяжелых ионов, в мишени можно создать давление в миллионы атмосфер. При таких давлениях графит становится алмазом, а водород переходит в металлическое состояние. Советские ученые сфокусировали мощный ионный пучок на миллиметровом зернышке графита, и примерно десятая часть его превратилась в алмазный порошок!
Впереди создание более мощных ускорителей тяжелых ионов, а вместе с ними и новые возможности их использования и в научных целях (ученые считают, что с их помощью можно будет получать новые химические элементы, выходящие далеко за пределы таблицы Менделеева), и в промышленности. Исследования продолжаются.
Пожалуй, мало кто верил в успех эксперимента, который проводила недавно группа польских химиков. И все же конечный результат оказался убедительным: урожай овса увеличился на 30 процентов, картофеля и ячменя - на 22 процента. Культуры подкармливали необычными удобрениями-накрошенным бурым углем. В качестве топлива этот уголь не очень пригоден из-за низкой калорийности, однако содержит фосфор и кальций и вполне годится как удобрение. Кроме того, что он питает землю микроэлементами, бурый уголь улучшает структуру тяжелых почв.
ПО МАРШРУТУ ГОРОД - ПОЛЕ
^временным городам все труднее ^ Р^яться с проблемой домашнего У °Ра. Большинство предложенных
для ее решения проектов предусматривает его сжигание, что требует немалых затрат топлива. По иному пути пошли специалисты ГДР. Тщательно изучив состав отходов, коллектив исследователей пришел к выводу, что с помощью биотехнологии их можно превратить в органические удобрения. Уже разработана установка, позволяющая за год переработать 30 тысяч тонн мусора в 26 тысяч тонн "питания" для полей. Попутно всевозможные условия и фильтры возвращают народному хозяйству до тысячи тонн металла.
ЯИЧНУЮ СКОРЛУПУ
В ОЗЕРО
Шведское озеро Холмсё сильно за-. грязнено кислотными дождями и прочими современными промышленными отходами. Экологи предложили восстановить жизнь в озере, нейтрализовав его воды большим количеством извести. Местные власти нашли остроумное решение. На берегу Холмсё есть кондитерская фабрика, во дворе которой скапливается по нескольку тонн яичной скорлупы - прекрасного известкового материала. Сброшенная в озеро, скорлупа, по мнению ученых, может постепенно очистить его от промышленного загрязнения.
ПОЛЯРИЗОВАННЫЙ СВЕТ В ПРИРОДЕ
Человеческий глаз весьма чувствителен к окраске (то есть длине волны) и яркости света, но третья характеристика света, поляризация, ему практически недоступна. Мы страдаем "поляризационной слепотой". В этом отношении некоторые представители животного мира гораздо совершеннее нас. Например, пчелы различают поляризацию света почти так же хорошо, как цвет или яркость. И так как поляризованный свет часто встречается в природе, им дано увидеть в окружающем мире нечто такое, что человеческому глазу совершенно недоступно. Человеку можно объяснить, что такое поляризация, с помощью специальных светофильтров он может увидеть, как меняется свет, если "вычесть" из него поляризацию, но представить себе картину мира "глазами пчелы" мы, видимо, не можем (тем более что зрение насекомых отличается от человеческого и во многих других отношениях).
Поляризация - это ориентированность колебаний световой волны в пространстве. Эти колебания перпендикулярны направлению движения луча света. Элементарная световая частица (квант света) представляет собой волну, которую можно сравнить для наглядности с волной, которая побежит по канату, если, закрепив один его конец, другой встряхнуть рукой. Направление колебаний каната может быть различным, смотря по тому, в каком направлении встряхивать канат. Точно так же и направление колебаний волны кванта может быть разным. Пучок света состоит из множества квантов. Если их
колебания различны, такой свет не ляризован, если же все кванты име^ абсолютно одинаковую ориентаций свет называют полностью поляризова ным. Степень поляризации может бы различной в зависимости от того как доля квантов в нем обладает одинаковой ориентацией колебаний.
Существуют светофильтры, пропускающие только ту часть света, волны которой ориентированы определенным образом. Если через такой фильтр смотреть на поляризованный свет и при этом поворачивать фильтр, яркость пропускаемого света будет меняться. Она будет максимальна при совпадении направления пропускания фильтра с поляризацией света и минимальна при полном (на 90 градусов) расхождении этих направлений. С помощью фильтра можно обнаружить поляризацию, превышающую примерно 10 процентов, а специальная аппаратура обнаруживает поляризацию порядка 0,1 процента.
Поляризационные фильтры, или поляроиды, продаются в магазинах фотопринадлежностей. Если через такой фильтр смотреть на чистое голубое небо (при облачности эффект выражен гораздо слабее) примерно в 90 градусах от направления на Солнце, то есть чтобы Солнце было сбоку, и при этом фильтр поворачивать, то ясно видно, что при некотором положении фильтра на небе появляется темная полоса. Это свидетельствует о поляризованности света, исходящего от этого участка неба. Поляроидный фильтр открывает нам явление, которое пчелы видят "простым глазом". Но не надо думать, что пчелы видят ту же темную полосу на небе. Наше положение можно сравнить с положением полного дальтоника, человека, неспособного видеть цвета. Тот, кто различает только черное, белое и различные оттенки серого цвета, мог бы, смотря на окружающий мир попеременно через светофильтры раз' личного цвета, заметить, что картина мира несколько меняется. Например)
вз красный фильтр иначе выглядел ^ красный мак на фоне зеленой тра^ерез желтый фильтр стали бы "" ^ выделяться белые облака на мбом небе. Но фильтры не помогли ^дальтонику понять, как выглядит о человека с цветным зрением. Так емк цветные фильтры дальтонику, оляризационный фильтр может лишь подсказать нам, что у света есть каДое-то свойство, не воспринимаемое
глазом. Поляризованность света, идущего от
голубого неба, некоторые могут заметить и простым глазом. По данным известного советского физика академика С. Вавилова, этой способностью обладают 25-30 процентов людей, хотя многие из них об этом не подозревают. При наблюдении поверхности, испускающей поляризованный свет (например, того же голубого неба), такие люди могут заметить в середине поля зрения слабо-желтую полоску с закругленными концами. Еще слабее заметны голубоватые пятнышки в ее центре, по краям. Если плоскость поляризации света поворачивается, то поворачивается и желтая полоска. Она всегда перпендикулярна к направлению световых колебаний. Это так называемая фигура Гайдингера, она открыта немецким физиком Гайдингером в 1845 году. Способность видеть эту фигуру можно развивать, если хотя бы раз удастся ее заметить. Интересно, что еще в 1855 ГОДУ, не будучи знакомым со статьей Гайдингера, напечатанной за девять лет до того в одном немецком физическом журнале, Лев Толстой писал ("Юность", глава XXXII): "...я невольно оставляю книгу и вглядываюсь в растворенную Дверь балкона, в кудрявые висячие ветви высоких берез, на которых уже заходит вечерняя тень, и в чистое небо, ^ котором, как смотришь пристально, вдруг показывается как будто пыльное ^"товатое пятнышко и снова исчеза^"- " Такова была наблюдательность великого писателя. ^"Уру Гайдингера можно увидеть
гораздо яснее, если смотреть через зеленый или синий светофильтр.
Поляризация света неба была открыта в 1871 году (по другим источникам, даже в 1809 году), но подробное теоретическое объяснение этого явления было дано лишь в середине нашего века. Тем не менее, как обнаружили историки, изучавшие древние скандинавские саги о плаваниях викингов, отважные мореходы почти тысячу лет назад пользовались поляризацией неба для навигации. Обычно они плавали, ориентируясь по Солнцу, но, когда светило было скрыто за сплошной облачностью, что не редкость в северных широтах, викинги смотрели на небо через специальный "солнечный камень", который позволял увидеть на небе темную полоску в 90 градусах от направления на Солнце, если облака не слишком плотны. По этой полосе можно судить, где находится Солнце. "Солнечный камень" - видимо, один из прозрачных минералов, обладающих поляризационными свойствами (скорее всего распространенный на севере Европы исландский шпат), а появление на небе более темной полосы объясняется тем, что, хотя за облаками Солнца и не видно, свет неба, проникающий через облака, остается в какой-то степени поляризованным. Несколько лет назад, проверяя это предположение историков, летчик провел небольшой самолет из Норвегии в Гренландию, пользуясь в качестве навигационного прибора только кристаллом минерала кордиерита, поляризующего свет.
Уже говорилось, что многие насекомые в отличие от человека видят поляризацию света. Пчелы и муравьи не хуже викингов пользуются этой своей способностью для ориентировки в тех случаях, когда Солнце закрыто облаками. Что придает глазу насекомых такую способность? Дело в том, что в глазе млекопитающих (и в том числе человека) молекулы светочувствительного пигмента родопсина расположены беспорядочно, а в глазе насекомого те же
молекулы уложены аккуратными рядами, ориентированы в одном направлении, что и позволяет им сильнее реагировать на тот свет, колебания которого соответствуют плоскости размещения молекул. Фигуру Гайдингера можно видеть потому, что часть нашей сетчатки покрыта тонкими, идущими параллельно волокнами, которые частично поляризуют свет.
Любопытные поляризационные эффекты наблюдаются и при редких небесных оптических явлениях, таких, как радуга и гало. То, что свет радуги сильно поляризован, обнаружили в 1811 году. Вращая поляроидный фильтр, можно сделать радугу почти невидимой. Поляризован и свет гало светящихся кругов или дуг, появляющихся иногда вокруг Солнца и Луны. В образовании и радуги и гало наряду с преломлением участвует отражение света, а оба эти процесса, как мы уже знаем, приводят к поляризации. Поляризованы и некоторые виды полярного сияния. Наконец, следует отметить, что поляризован и свет некоторых астрономических объектов. Наиболее известный пример - Крабовидная туманность в созвездии Тельца. Свет, испускаемый ею,- это так называемое синхротронное излучение, возникающее, когда быстро летящие электроны тормозятся магнитным полем. Синхротронное излучение всегда поляризовано.
Вернувшись на Землю, отметим, что некоторые виды жуков, обладающие металлическим блеском, превращают свет, отраженный от их спинки, в поляризованный по кругу. Так называют поляризованный свет, плоскость поляризации которого закручена в пространстве винтообразно, налево или направо. Металлический отблеск спинки такого жука при рассмотрении через специальный фильтр, выявляющий круговую поляризацию, оказывается левозакрученным. Все эти жуки относятся к семейству скарабеев. В чем биологический смысл описанного явления, пока неизвестно.
КОГДА ЖЕЛЕЗО ОГНЕОПАСНО
Морякам известны случаи самовозгорания груза. Такое бывает, например, с зерном. Пожары вызываются особыми микроорганизмами. Размножившись в толще зерна, микробы потребляют его жировые вещества, причем из-за активной деятельности микробов масса зерна сильно разогревается и может загореться. Но чтобы пожар на судне был вызван грузом железа такое трудно себе представить. Однако такие случаи бывают. Д
В гавань города Вишакхапатнам, рас^ положенного на восточном побережь^ Индии, вошло Панамское грузовое суд-j но "Сэникс Эйс". Когда открыли судовые люки, из трюмов пахнуло палящи*/ жаром. В трюмах находились пористые гранулы железа, служащие полуфабри^ катом для производства стали. Залить трюмы, в которых находился груз, во-' дои оказалось невозможно, так как судно и без того было перегружено. Из него выгрузили все, что удалось, и отбуксировали за пределы порта. Около пятисот тонн гранул, оставшихся в трюмах, продолжали тлеть почти месяц. Использованные для тушения пожара средства - вода, пена и огнегасящий порошок - оказались малоэффективными.
Подробно документирован случай самовозгорания железа на борту греческого грузового судна "Агиос Гиоргис". Большая часть трюмов судна была загружена такими же пористыми гранулами с большим содержанием чистого железа. В порту назначения обнаружилось, что температура в трюмах суд-1 на превысила 65 градусов, а еще через j
несколько часов она перевалила за 100 градусов. В последующие дни температура поднялась до 540 градусов. Спешно произвели подсчеты и установили, что обшивка корабля сдаст при температуре около 700 градусов. Было решено освободить от груза три трюма, температура в которых оказалась самой высокой. Остальные трюмы залили водой. После этого температура постепенно снизилась до 90 градусов, и "Агиос Гиоргис" взял курс на близлежащий город, в порту которого и был разгружен. Во время разгрузки было замечено, что гранулы, уже более десяти дней находившиеся под водой, на открытом воздухе вновь начали тлеть и дымиться.
Чем же объяснить эти странные случаи?
Один из самых ярких и запоминающихся опытов в школьном курсе химии горение стальной проволоки. Ее конец раскаляют на огне и опускают в колбу с кислородом. В достаточно большом объеме кислорода может сгореть и крупный железный предмет. Например, во время пожара, случившегося на одном химическом заводе в конце прошлого века, от нагревания бочек с бертолетовой солью выделилось много кислорода, так что весь завод оказался в среде с повышенным содержанием этого газа. Горели даже стальные лебедки.
Однако железо может гореть, точнее, сильно разогреваться без пламени и искр и в обычном воздухе, содержащем лишь 20 процентов кислорода. Надо только, чтобы площадь соприкосновения металла с воздухом, то есть площадь реакции, была достаточно большой. Тогда окисление пойдет быстро, с выделением большого количества тепла.
Именно это условие выполняется в гранулах (окатышах), получаемых при новом методе выработки железа-прямом восстановлении железа из руд. По этому методу подготовленная руда нагревается в среде восстанавливающих
газов - чаще всего водорода или окиси углерода. Получаются гранулы с высоким содержанием железа и большим количеством пор, занимающих до 50- 75 процентов объема гранулы. Большая поверхность соприкосновения железа с воздухом в такой грануле иногда может приводить к активной реакции.
Произойдет ли самовозгорание, зависит от размера гранул и пор в них, плотности загрузки, интенсивности вентиляции в трюме, степени влажности, наличия ржавчины на железе и от ряда других факторов.
Саморазогрев железа можно предупредить, нагнетая в трюм газы с низкой реакционной способностью, например азот или двуокись углерода.
ПОСТОЯННАЯ ВСЕ-ТАКИ ПОСТОЯННА
В тридцатых годах нашего века Поль Дирак высказал предположение, что константы гравитации и электромагнитных сил могут изменяться со временем. Никаких экспериментальных подтверждений этому не было, просто некоторые числовые соотношения в микромире и Вселенной указывали на возможность такой ситуации. Многие ученые с восторгом восприняли новую гипотезу и стали строить разнообразные теории, исходя из нее. Но все же без экспериментального подтверждения всякое, даже самое изящное, теоретическое построение остается зыбким воздушным замком.
Ученые проанализировали данные о движении ракет на Марс, а также внимательно изучили результаты радиолокации Меркурия и Венеры, лазерной радиолокации Луны. Если бы
223
222
ционная постоянная уменьшилась со временем, то изменились бы и расстояния между небесными телами, неизбежны были бы ошибки в расчетах траекторий космических аппаратов. Однако этого не происходит, значит, постоянная тяготения меняется за год не более чем на две тысячемиллиардные доли. Из предположения Дирака следует в двадцать раз большая скорость изменения. Исследователи считают, что скорее всего гравитационная постоянная не меняется вообще.
ВЕЧЕН ЛИ ПРОТОН?
Еще на школьной скамье мы узнаем о протонах и электронах электрически заряженных частицах атома. Протон как бы его сердцевина, простейшее атомное ядро. Природа наделила эту частицу устойчивостью благодаря столь счастливому обстоятельству существуем и мы с вами, и окружающий мир. Протоны - своего рода кирпичики, из которых построена вся природа, как живая, так и неживая. Только в человеческом теле их огромное количество, выражающееся единицей с 29 нулями,- чтобы записать это число во всем его великолепии, не хватило бы строчки в газетном столбце. Представление о нем дает такое сравнение - именно во столько раз размер нашей Вселенной больше однокопеечной монеты.
"А вечна ли эта частица?" - вот вопрос, интересующий ученых в последнее время. И вовсе не из-за боязни "конца света", наоборот, они даже заинтересованы найти следы ее распада. Почему же? Дело в том, что стабильность
тона, как ни странно, мешает созд стройную картину мироздания.
Еще сравнительно недавно в физик микромира царил "беспорядок" -~ ц следователи находили все новые эле1 ментарные частицы, их количество под ходило к двумстам, а вот общих принципов классификации не было. Физики чувствовали себя примерно так же как химики до тех пор, пока Д. Менделеев не открыл периодический закон и каждый элемент занял свое место в знаменитой таблице. Подобный порядок мечтают навести и физики - выявить единство сил природы.
И вот в последнее десятилетие в этой науке происходит бесшумная революция. Если сравнивать дорогу исканий с длинным темным туннелем, можно сказать, что теперь в его конце забрезжил ^вет. Появилась надежда создать единую теорию всех четырех сил природы; гравитационных, электромагнитных, сильного и слабого взаимодействиятеорию так называемого "большого объединения". А чтобы ее построить, надо допустить, что основной строительный материал нашего мира - протон - нестабилен. Вот почему физики так настойчиво ищут следы его распада - пока, пожалуй, нет другой возможности экспериментально подтвердить теорию "большого объединения".
Увы, некоторые расчеты говорят о том, что протон стабилен, во всяком случае, его жизнь намного дольше миллиона миллиардов лет. Сравнитевозраст Вселенной, по современным воззрениям, "всего" около десяти миллиардов лет. Если бы протон жил меньше, в нашем организме за год распадалось бы столько этих частиц, что доза радиаци и оказалась бы просто смертельной. Человечество же живет и здравствует.
Итак, нижний предел установлен, а верхний, по теории "большого объединения", должен быть где-то в области 10^-10" лет. Время фантастическое, трудно представимое, практически бесконечное по сравнению с тем, сколько
уже прожила наша Вселенная после своего рождения-Большого взрыва. Именно тогда, по мнению ученых, и родились протоны. Но это средний срок их существования. А вот сколько проживет каждый конкретный протон, сказать нельзя. Если он все-таки распадается, срок его жизни случаен - таковы причудливые законы микромира. Конкретная частица может погибнуть гораздо раньше своих собратьев, а может и пережить их всех.
Идея "эксперимента века" проста. Надо взять огромную массу практически любого вещества (обычно используют очищенную воду) и наблюдать, появятся ли в ней частицы, рожденные при распаде протона. Чем больше масса, тем больше в ней протонов, а значит, больше и вероятность, что хотя бы несколько из них погибнут. Во всяком случае, эта масса должна быть более десяти тысяч тонн (современные детекторы имеют пока меньшую массу). И из этого бесконечного числа протонов - вспомните, сколько их только в нашем теле - за год непрерывного наблюдения могут погибнуть лишь несколько. Уловить продукты их распада - задача потруднее, чем найти иголку в стоге сена.
А поиск осложняется тем, что в огромной массе детектора из-за радиоактивных примесей и космического фона будут распадаться и другие частицы - следы этих событий можно принять за гибель протонов. Чтобы избавиться от помех, детекторы прячут под толщей грунта или воды.
Один из первых экспериментов провели советские ученые на Баксанском нейтринном телескопе. Следов распада они не обнаружили. Именно тогда, исходя из характеристик прибора, было рассчитано время жизни протонаоно оказалось более 1,5х10^ лет. Индийские и японские специалисты спрятали детектор в золотоносной шахте на трехкилометровой глубине. Замеренное здесь время распада оказалось еще больше-около 10^ лет.
Новое поколение детекторов, возможно, в конце концов обнаружит распавшийся протон. А если нет? Значит, время его жизни превышает 10'^ лет. Дальнейшие поиски и сложны и дороги. Может даже оказаться, что создать установку для измерения времени распада порядка 10^ лет легче на Луне, чем на Земле.
Не исключено, что время жизни каверзной частицы вообще превышает наши технические возможности измерения. Тогда физики придумают другие эксперименты, косвенно подтверждающие теорию, ведь на пути к "большому объединению" есть не только трудности - этот путь обещает и большие открытия. Объединение всех физических взаимодействий, как отметил вице-президент АН СССР академик А. Логунов, "может произвести пере-' ворот во всей практической деятельности человека. Ведь с помощью одних сил можно будет управлять другими, превосходящими их во много раз".
КВАРКИ ХОДЯТ ПАРАМИ
Сегодня уже ни у кого нет сомнений в том, что элементарные частицы состоят из кварков. А вот о том, как они устроены, пока единого мнения нет. Квантовая хромодинамика - наука о взаимодействии кварков предполагает, что кварки "склеены" при помощи глюонов. Доказательством существование глюонов считали трехструйные события при столкновении частиц: когда высокоэнергичные частицы сталкиваются, от места столкновения разлетаются целые снопы или струи частиц. Когда таких струй две, это значит, в
вении родилась пара кварк-антикварк с колоссальной энергией и, разлетаясь в разные стороны, они и порождают две противоположно направленные струи. Когда же экспериментаторы обнаружили события с тремя струями, они предположили, что наконец-то найден долгожданный глюон, потому что кварки могут рождаться только парами, а глюоны и поодиночке. Однако некоторые физики считают этот, хоть и долгожданный, вывод преждевременным. Они предполагают, что кварки в частицах могут быть тесно связаны в пары и такими же парами - дикварк и антидикварк могут рождаться в столкновениях. А если один из дикварков после рождения распадается на два отдельных кварка, вот и получится трехструйное событие.
ЕЩЕ О МОНОПОЛЕ...
Гипотезу монополя - магнитного заряда - выдвинул более полувека назад Поль Дирак. В наши дни поиск этого экзотического жителя микромира возобновился с новой силой, потому что монополь очень удачно вписывается в современные теории строения элементарных частиц и взаимодействий.
Ученые считают, что вместе с рождением монополей много миллиардов лет назад появились и антимонополи - частицы с противоположным магнитным зарядом. Монополи и антимонополи могут образовывать "монополоний" нечто вроде атома водорода. Вращаясь вокруг общего центра, частицы приближаются друг к другу и в конце концов аннигилируют, но время жизни такого образования может меняться от нескольких суток до
дов лет. Ученые вычислили, что во Вселенной в объеме, равном одному кубическому световому году, происходит примерно триста распадов "монополония". Излучение, исходящее от таких "магнитных атомов", может входить в состав фоновых радиоволн во Вселенной. Правда, первые оценки показывают, что на длине волны в один сантиметр интенсивность "монополониевых" сигналов в миллион раз меньше той, что можно реально зарегистрировать. Исследователи пока ищут более заметные сигналы "монополония".
ИОНЫ БЕРУТ РЕВАНШ
Сегодня ускорители элементарных частиц стали в заводских цехах чуть ли не такими же привычными, как плазменные сварочные горелки, ультразвуковые дефектоскопы или электромагнитные индукторы.
В начале 50-х годов удалось ускорить так называемые тяжелые ионы (бор, углерод, азот). Новые ускорители использовались для экспериментальных исследований, ядерных превращений, и вскоре появилось основание считать пучки ускоренных ионов "тяжелой артиллерией". Уж очень интенсивно разрушали они свои мишени. А когда в Институте объединенных ядерных исследований был построен мощный ускоритель тяжелых ионов, оказалось, что они разрушают различные конструкционные материалы, сплавы и металлы в тысячи раз быстрее, чем нейтроны. Поэтому с помощью ионов испытание нового материала, длившееся годами, теперь можно провести за несколько часов.
226
227
Но этим не ограничиваются технологические возможности тяжелых ионов. В отличие от ускоренных электронов подавляющую часть своей энергии ионы отдают в конце пробега, то есть непосредственно перед самой остановкой в толще облучаемого вещества. А место, где они остановятся, можно определить с точностью до одного миллиметра. В медицине такой инструмент трудно переоценить, поскольку им можно воздействовать только на больной участок ткани, не подвергая радиоактивному облучению здоровую ткань, которую луч пронизывает на пути к больному месту.
Приведенные примеры больше иллюстрируют разрушительную силу ускоренных тяжелых ионов, но она может стать и созидательной. Сконцентрировав импульсные излучения тяжелых ионов, в мишени можно создать давление в миллионы атмосфер. При таких давлениях графит становится алмазом, а водород переходит в металлическое состояние. Советские ученые сфокусировали мощный ионный пучок на миллиметровом зернышке графита, и примерно десятая часть его превратилась в алмазный порошок!
Впереди создание более мощных ускорителей тяжелых ионов, а вместе с ними и новые возможности их использования и в научных целях (ученые считают, что с их помощью можно будет получать новые химические элементы, выходящие далеко за пределы таблицы Менделеева), и в промышленности. Исследования продолжаются.