Петли, деревья и новая физика

• №7 2012

• Рубрика: Физика

В один из солнечных весенних дней один из нас (Ланс Диксон), направляясь в аэропорт Хитроу, спустился в лондонскую подземку на станции «Майл-энд». Глядя на незнакомца — одного из более чем 3 млн пассажиров, ежедневно пользующих- ся лондонским метрополитеном, — он вдруг задумался: какова вероятность, что этот незнакомец выйдет, ска- жем, в Уимблдоне? Как можно ее вычислить при условии, что человек может направиться по любому из маршру- тов? Размышляя об этом, он понял, что вопрос этот срод- ни сложным задачам, с которыми сталкиваются ученые, работающие в области физики элементарных частиц, в попытке предсказать результат столкновения частиц в современных экспериментах. Недалеко от Женевы в CERN, в Большом адронном кол- лайдере (БАК), главной в нашем веке машине для откры- тий, протоны, разогнанные почти до скорости света, сталкивают друг с другом, чтобы потом изучать оскол- ки, образующиеся в результате этих столкновений. Строительство коллайдера — ускорителя на встреч- ных пучках — и его детекторов потребовало техниче- ских решений на грани возможного. Расшифровка по- казаний детектора — задача не менее грандиозная, хотя и в меньшей степени заметная для окружающих. На пер- вый взгляд это даже покажется странным. Стандартная модель физики элементарных частиц — уже прочно усто- явшаяся теория, и физики повсеместно пользуются ею для предсказания результатов экспериментов. Для этого мы применяем метод расчета, придуманный более 60 лет назад известным физиком Ричардом Фейнманом. Каж- дый, кто работает в области физики элементарных ча- стиц, изучал его метод на старших курсах университе- та. В основе любой книги или статьи в научно-популяр- ном журнале, рассказывающей о физике элементарных частиц, лежат концепции Фейнмана. Однако его методика устарела и мало подходит для ре- шения современных задач. Она дает интуитивный, при- близительный способ, позволяющий изучать простей- шие процессы, но чрезвычайно трудоемка для расчета более сложных явлений или для проведения точных вы- числений. Предсказать, что родится в результате стол- кновения частиц, гораздо труднее, чем попытаться уга- дать, на какой станции выйдет пассажир метрополите- на. Все компьютеры в мире, работая сообща, не смогут предсказать результат даже вполне рядового столкно- вения частиц в Большом адронном коллайдере. Но если теоретики не могут сделать точного предсказания в рамках известных законов физики относительно из- вестных форм материи, что мы тогда надеемся понять, когда коллайдер выдаст нечто действительно новое?

Феерия цвета

• №7 2012

• Рубрика: Химия

Переливы цветов на роскошных хвостовых перьях павлина всегда интересовали любознательные умы. Английский ученый XVII в. Роберт Гук (Robert Hooke) назвал их фантастическими — отчасти потому, что при смачивании перьев цвета исчезали. Для изучения перьев Гук использовал изобретенный незадолго до этого микроскоп и увидел, что они покрыты крошечными гребнями, которые, как он заключил, мог- ли создавать яркие желтые, зеленые и синие тона. Гук был на правильном пути. Насыщенные цвета птичьих перьев, крыльев бабочек и тел кальмаров часто создаются не поглощающими свет пигментами, а системами структур шириной всего в доли микрона. Размеры и шаг этих структур выделяют из всего солнечного спектра определенную длину волны. Яркие переливающиеся цвета, часто переходят, как по волшебству, из синего в зеленый или из оранжевого в желтый, в зависимости от угла, под которым их видит наблюдатель. А поскольку создаются они в результате отражения света, а не поглощения пигментами его части, то могут быть более яркими. Бабочку Morpho menelaus, обитающую в Центральной и Южной Америке, можно заметить с расстояния до километра: она кажется светящейся, когда солнечные лучи, пронизав полог тропического леса, отражаются от ее крыльев. Ученые начинают глубже понимать, каким образом манипулируют светом тонко организованные наноструктуры живых организмов, а это вдохновляет инженеров на моделирование биологических структур в новых рукотворных оптических материалах. Такие материалы могут привести к созданию более ярких дисплеев, новых химических датчиков и совершенных систем хранения, передачи и обработки информации. Мы мало знаем о том, как возникли эти биологические структуры, но по крайней мере начинаем понимать, как они формируются и как создают такие удивительные цвета. Природа не располагает сложными технологиями вроде электроннолучевого травления тонких слоев материалов, поэтому ей приходится полагаться на изобретательность. И если инженеры смогут освоить это искусство, они научатся создавать недорогие ткани, меняющие внешний вид подобно маскирующимся кальмарам, или микросхемы, передающие информацию оптическим, а не электрическим способом, притом с огромной скоростью. Здесь мы рассмотрим некоторые из фокусов, применяемых природой для формирования структур, создающих цвета, и некоторые попытки использования этих ловких приемов изобретателями