Человечеству нужна энергия и с каждым годом эта потребность растет и растет. За последние 30 лет потребление энергии на планете выросло почти в 2 раза до почти 200 тысяч тераватт час. Мало кто сейчас скажет, что нам надо поменьше электричества. Все наоборот хотят только больше и больше. И мы придумали много разных способов добывать это электричество. Уголь, газ, солнечная энергия, энергия воды, а кто-то даже приручил энергию волн для генерации электричества. И с углем, и с нефтью все примерно понятно, тут тенденция к уменьшению потребления, а вот солнечная и ветряная энергетика точно будут возрастать.

Но есть один тип добычи энергии стоит как бы в стороне, являясь чуть ли не самым завораживающим. Ведь человечество подчинило себе энергию расщепления атомов. Но при этом ядерная энергетика всегда вызывает ожесточенные споры. Нужна она или нет, насколько она безопасна, что там с экологией, можем ли мы себе позволить отказ от нее, что делать с отходами, как модернизировать реакторы? Вопросов действительно очень много и они сложные!

И сегодня мы расскажем вам о том, что такое ядерная реакция, почему радиоактивных элементов сильно больше, чем вы думаете и как вообще разрушаются атомы. Ну а также разберемся, как работают ядерные реакторы, и чем бедный уран отличается от обогащенного. Устраивайтесь поудобнее, нас ждет долгое путешествие в мир атомной энергетики.

Как выбрать пленочный фотоаппарат?

Не секрет, что все в команде Droider просто обожают пленочную фотографию и у каждого ведущего своя мини-коллекция легендарных фотоаппаратов.

Сегодня мы переживаем настоящее возрождение аналоговой фотографии: можно найти кучу фото- и кинопленок, проявить их и отсканировать и получить подлинное удовольствие от процесса.

Но как выбрать себе фотокамеру и не ошибиться? Об этом можно почитать в статье от наших друзей из Hi-Tech.Mail.ru, бонусом в которой – рассказ от Бори, Валеры и Мити об их пленочном опыте и их камерах.

Залетайте по ссылке и узнавайте все про фотоаппараты и не только, ведь на Hi-Tech.Mail.ru есть еще и свежие новости гаджетов и технологий, обзоры, а также новости науки и космоса. Ну и лайфхаки – без них никуда!

Ядерная реакция

Для начала нам надо разобраться с тем что такое ядерная реакция вообще. Это даст нам ключ к пониманию того, как работает большинство ядерных реакторов на Земле. Приготовьтесь сейчас будет немного теории, но очень интересной!

Для того чтобы понять что такое ядерная реакция надо посмотреть на таблицу Менделеева. Там много элементов, на данный момент их там аж целых 118 штук.

И идут они в порядке увеличения массы ядра атома, а ядро состоит из протонов и нейтронов. Как мы помним протоны — положительные частицы, а нейтроны — никак не заряжены. Вот чем дальше элемент в таблице Менделеева, тем тяжелее его ядро, то есть тем больше там протонов и нейтронов как бы слиплось вместе. Так вот ядерная реакция — это когда ядро любого атома может реагировать с ядрами других атомов. Но не только с ядрами, а и просто с нейтронами и протонами. Очень важно понять, что это именно взаимодействие ядра атома!

То есть представим что у нас есть водород, массой один, где всего в ядре 1 протон. Так вот, если попасть в него еще тремя атомами водорода, то из водорода можно уже сделать атом Гелия. Кстати, это и есть знаменитый термоядерный синтез, который происходит в звездах! Но вы можете заметить, что иногда мы говорим Водород с массой 1, а иногда он может быть с массой 2 или даже 3. Так вот массу ему добавляют нейтроны! И называют это все изотопами водорода. А именно дейтерий и тритий!

Изотоп — это когда элемент остается тем же самым, то есть количество протонов остается неизменным. Но при этом имеет у себя в ядре чуть больше или чуть меньше нейтронов.

Так вот путем прибавления или убавления от атома протонов и нейтронов, в теории, мы можем получать разные элементы. Казалось бы, так просто взял и из водорода начал делать золото, но процесс этот в реальности просто невероятно трудный и требует энергий целых звезд. Вообще ядерные реакции в звездах — это именно то, почему образовались все элементы во вселенной. То есть в принципе вообще все вокруг нас!

Радиоактивность

Итак, изотопы — это одни и те же элементы, но с разными массами. Изотопы бывают стабильные, а бывают нестабильные!

Тут мы подходим к важному понятию радиоактивности, без которого нам в нашем рассказе просто никуда. Нестабильные изотопы материалов — это и есть радиоактивные вещества. То есть вещества которые имеют период полураспада. Я уверен, что вы все помните такой термин из школьной программы.

Этот период — это время за которое радиоактивный, то есть нестабильный изотоп, грубо говоря развалился с вероятностью в 50%. Ну или если сказать иначе, то за это время ровно половина нестабильных изотопов разваливается. И вот тут интересный факт — как уже говорили в таблице менделеева всего 118 элементов, при этом комбинаций в которых могут существовать ядра атомов около трех тысяч вариантов! И самое интересное, что большинство из них радиоактивные! Всего триста типов ядер из этих трех тысяч являются стабильными! Вообще радиоактивными элементами являются все элементы, идущие в таблице Менделеева после свинца, который под 82 номером.

И период полураспада у всех радиоактивных элементов может быть кардинально разный. Например у изотопа Водорода с массой равной Семи, период полураспада всего 10 в — 24 степени секунды или 0.000 000 000 000 000 000 000 001 секунды.

А например у изотопа Теллура — с массой 124, этот период уже 10 в 24 степени лет! При этом он все еще нестабилен! А разброс в 48 порядков! Ну а вообще только посмотрите сколько изотопов может быть даже у азота и при этом всего 2 стабильных!

Уран и его расщепление

Хорошо. Мы наконец-то поняли что такое ядерные реакции и как они работают. Это взаимодействие ядра атома с разными частицами, но в данном случае нам интересно именно взаимодействие ядра с нейтронами! И вы можете спросить, а почему?

Да и вообще при чем тут уран? И как он вообще помогает нам получать энергию? Смотрите!

Суть в том, что атом Урана тяжелый. Он идет под номером 92 в таблице менделеева. А точнее Уран 238 — это самый тяжелый из встречающихся на земле веществ. В ядре такого урана 92 протона и 146 нейтронов, то есть в сумме 238! А при неоптимальном соотношении числа протонов и нейтронов в ядре оно становится нестабильным. И Уран, благодаря своей массе и потенциальной нестабильности, стал просто идеальным кандидатом для проведения ядерных реакций. Осталось только понять как.

Но проблема в том, что самый распространенный уран 238 довольно стабильный изотоп, и его развалить очень трудно!

Чего не скажешь об Уране 235. И вот тут все становится интересно. Оказывается в Урановых рудах встречаются в основном 2 изотопа Урана. 99% это именно стабильный 238-ой уран, а всего 1% во всех рудах — именно 235-ый.

И он интересен именно тем, что при попадании в него случайного нейтрона, он образует Изотоп Урана 236, а вот он уже жутко нестабилен и почти мгновенно разрушается на два элемента — Барий и Криптон. Ну и кроме того образуется пару дополнительных нейтронов и выделением просто колоссальной энергии! Насколько много?

Из 1 грамма урана 235 можно получить 23 Мега Вт·ч энергии! Для сравнения целая тонна угля выделяет всего 2 Мега Вт·ч энергии! В 10 раз меньше из целой тонны! Этого достаточно чтобы питать энергией целый дом, примерно 2 года! Или просто зарядить теслу раз двести! Всего из одного грамма вещества.

Но нам очень повезло, если можно так сказать, что Урана в земной коре достаточно много. Его, например, сильно больше, чем даже серебра! Он в целом считается 35 элементом по распространенности на Земле! Таких распространенных элементов всего два, которые могут относительно легко распадаться и производить энергию. Это Уран и Торий! Осталось всего ничего. Научиться контролировать и запускать этот распад урана 235!

И тут надо немного окунуться в историю.

История

В 1939 году великий ученый Энрико Ферми предсказал, что при делении атомных ядер Урана 235 могут испускаться нейтроны, которые попадая в соседние атомные ядра такого же урана, могут вызвать их деление.

Изначально проблема была в том, чтобы обеспечить самоподдерживающуюся, то есть цепную реакцию. Для этого надо было, чтобы выделялось больше нейтронов, чем поглощается атомами, то есть чтобы коэффициент размножения нейтронов был больше единицы!

И вот уже в 1941 году Ферми, совместно со своей группой, смог получить этот коэффициент больше единицы. А потом в 1942 году уже в чикагском университете построил первый в истории ядерный реактор!

Фактически, его исследования положили начало созданию всей ядерной индустрии США. И понятное дело, что исследования, которые позволяли получать из очень малого количества вещества просто колоссальные энергии просто не могли не заинтересовать военных.

Ну а поскольку в период с 1939 по 1945 происходили всем нам хорошо известные события, то и деньги в эти разработки вкладывались просто невероятные! Именно так известный Манхэттенский проект по созданию атомного оружия и получился. Ну а параллельно с этим, естественно Германия и СССР также занимались своими разработками в этой перспективной области. Немцы относительно успешно закончили разработк и в феврале 45-ого, однако совсем вскоре, по понятным причинам, немецкая ядерная программа того времени была свернута. Чего не скажешь о Советской. Под руководством Курчатова первый реактор на территории СССР и Европы был запущен уже в конце 1946 года.

Естественно, в это же время и этими же самыми людьми разрабатывались и первые ядерные бомбы, но о них мы расскажем в другой раз. К сожалению, именно поэтому, прекрасная ядерная энергетика всегда будет неотделима от самого страшного оружия в истории человечества.

Ядерные реакторы

Для создания реакторов необходимо было обеспечить цепную реакцию. То есть такую реакцию, когда нейтроны из разделившегося атома Урана 235, попадают в другой атом Урана 235, который также разделяется. И так далее…

Начинается фактически лавина из нейтронов, которые начинают разбивать все попадающиеся на пути атомы Урана 235, с выделением огромной энергии! Но как вы помните в руде которую добывают из земли этого Урана 235 совсем немного. В основном там 238, который особой пользы нам не несет. Для ядерных реакторов обычно нужно топливо, где содержится от 2 до 10% Урана 235. Это именно и нужно для того чтобы поддерживать цепную реакцию в реакторе, чтобы нейтроны чаще попадали именно в ядра Урана 235!

Так вот процесс когда в ядерном топливе повышают концентрацию именно 235-ого урана называется обогащением топлива. И это очень интересный процесс!

Так вот после обогащения формируется маленькие урановые таблеточки толщиной всего в пару сантиметров. Потом они загружаются в специальные тепловыделяющие элементы, или ТВЕЛы. Это и есть эти длинные штыри, которые видно на всех фотографиях в видео из ядерных реакторов.

Они уже собираются в специальные сборки которые погружаются в активную зону реактора! Далее куча таких сборок погружается фактически в бассейн с водой, и реактор запускается!

Кстати, никогда не задумывались как запускают ядерный реактор? Откуда там первичный пучок нейтронов берется, который запускает цепную реакцию? Так вот одновременно с ТВЕЛами опускаются и источники нейтронов на основе Плутония-238 или Калифорния-252, которые и являются начальными источниками нейтронов. Ну а далее начинается цепная реакция и выделение тепла, которое как-то надо собрать и превратить в электроэнергию. К счастью, человечество давно научилось это делать с помощью электрогенераторов и потока теплой воды или пара! И именно поэтому ядерные реакторы всегда в воде — это именно та вода, которая греется и передает энергию на специальные турбины генераторов Безусловно есть разные типы реакторов, какие-то испаряют воду в перегретый пар, какие-то наоборот используют жидкую воду под давлением, но суть именно такая.

Реакция разрушения ядер Урана 235 выделяет огромное количество тепла, которое греет теплоноситель вокруг топлива. И этот теплоноситель уже помогает генерировать электроэнергию! Но при этом саму цепную реакцию тоже надо контролировать, иначе все просто расплавится и закипит!

Для этого как раз и используются графитовые стержни, которые то опускаются, то поднимаются из активной зоны реактора. Видите ли — графит оказался отличным замедлителем нейтронов.

И путем правильного баланса погружения углеродных стержней можно поддерживать определенную скорость ядерной реакции, то есть количество нейтронов которые попадают в Уран 235!

Выводы

Ядерные реакторы — это очередное доказательство того, как наука служит человеку! Ядерные реакторы напрямую доказали, что мы как вид научились расщеплять атомы и получать из них энергию! Это просто невероятная технология, поражающая своей красотой и сложностью, однако сейчас она переживает не самые лучшие времена.

После аварии на Чернобыльской АЭС, и в особенности после аварии в Фукусиме, мы все больше склоняемся к тому, что риски, которые рождает атомная энергетика, не стоят того, чтобы дальше развивать это направление. Да и финансовая сторона вопроса тоже очень сложна!

Но с негативными факторами, кстати, очень многие не согласны. Защитники атомной энергетики говорят о невероятной безопасности современных реакторов и высокой экологичности. Однако, факты говорят за себя. Ядерная энергетика, к сожалению, почти не развивается. Технологии реакторов не сильно продвинулись за последние лет двадцать, а по всему миру массово закрывают реакторы и переходят на более безопасный газ и возобновляемые источники энергии. Например, в Германии закрыли все шесть АЭС за год.

Но на самом деле все не так грустно. Ядерная энергетика может довольно скоро пережить ренессанс, все-таки наука не стоит на месте и какое-то развитие все же идет, хоть и сильно медленнее, чем планировалось изначально.

Например, в России сейчас активно исследуется возможность создания реактора на быстрый нейтронах, который позволит использовать именно Уран 238. И все еще есть планы по развитию, так называемых Ториевых реакторов, которые в перспективе должны были свести потенциал жутких катастроф на нет. Кроме того у Тория получаются чище отходы. Ну а еще ториевые реакторы практически сводят на нет возможность производства топлива для ядерного оружия! Хотя, как обычно, есть и другое мнение про них.

В 2011 году в MIT было сказано, что перспектив у ториевых реакторов для реального коммерческого применения мало из-за более низкой производительности.

* Реклама. ООО «ВК», ИНН 7743001840, erid: 2VtzqwNguh7

Начнем сегодняшний ролик с неочевидного вопроса: как вы думаете, а можно ли поджечь воду? Большинство скажут, что конечно же нет! Это же две разные стихии — огонь и вода. Обычно воду как раз используют, чтобы огонь тушить!

Но это не совсем так — да вода тушит огонь, но только если огонь относительно холодный! А вот если огонь очень горячий, то можно поджечь и воду, и даже металл! Но как?!

Сегодня во всем разберемся, расскажем вам о том, что такое плазма и почему плазмы на самом деле гораздо больше вокруг нас, чем мы о ней думаем. Ну и вообще выясним? зачем нам нужна плазма и где мы ее применяем. А главное разберемся с физикой и тем как плазма образуется! Все как вы любите — подробно и понятно!

Введение

А что такое плазма? Идем на Википедию и просто смотрим определение.

Она говорит нам, что это Ионизированный газ, одно из классических агрегатных состояний.

Подождите, прямо в определении же написано, что это газ? Так почему вообще мы считаем что это отдельное агрегатное состояние?

Давайте сначала вообще разобраться какие бывают состояния вещества. Итак, вокруг нас существуют четыре, как мы их называем, основных агрегатных состояния вещества.

Классические состояния, а именно — Твердое, жидкое, газ. И последнее — плазма!

В чем же между ними разница? И почему одно и тоже химическое соединение, в нашем случае вода, может быть и твердой, и жидкой и газом. Все дело в давлении и температуре. То есть в энергии или можно еще сказать в скорости молекул вещества!

Если энергия, то есть скорость, слишком низкая, то молекулы H2O хотят образовывать кристаллическую решетку, и образуется твердое вещество. И оно такое до 0 градусов по Цельсию. При нормальных условиях! То есть лед.

Дальше энергия системы становится больше, чем энергия связи молекул между собой и вода переходит в жидкое состояние где она остается до 100 градусов цельсия. То есть это некоторое промежуточное состояние когда скорость молекул такая, что образуется жидкость.

И вот уже после 100 градусов энергия системы становится достаточно большой, чтобы молекулы воды начали грубо говоря вылетать. Это и есть превращение в газ!

Но надо сказать кое-что важное, что все, что мы тут описали для воды это в нормальных условиях, то есть при давлении в одну атмосферу. Поднимитесь высоко в горы, и вода будет уже кипеть при гораздо более низких температурах. Если вы не знали, то на вершине Эвереста вода кипит всего при 68 градусах! Тут даже яйцо не сварить, так как белок сворачивается только при 85! Так вот для каждого вещества есть свои законы так называемых фазовых переходов, который зависит не только от температуры но и от давления.

Можно посмотреть на график для воды и тут много чего интересного!

Например, при давлении в 1 миллион атмосфер вода остается льдом даже при 500 градусах! Как вам такое — на льду можно и стейк поджарить! В центре нашей Земли давление кстати почти в 4 раза больше. Кроме того можно найти еще пару необычных мест. Например, точка где сходятся все три состояния около 0 градусов и при пониженном давлении около 10-ти милибар. Тут вообще вода одновременно и жидкость и газ и твердое вещество.

Или например при низком давлении можно перевести воду сразу изо льда в пар минуя жидкое состояние.

И для каждого такого фазового перехода есть свое определение — кристаллизация, плавление, испарение, конденсация и так далее!

Плазма

Но что случится если взять водяной пар и продолжить его нагревать?

В начале ничего особенного не произойдет, будет просто горячий газ, как в бане, когда камни поливаете водой. А что случилось бы если бы камни в парилке были бы температурой несколько десятков тысяч градусов? И вот тут мы наконец-то приходим к новому состоянию, то есть к плазме.

Давайте для простоты возьмем водяной пар в каком-то воображаемом замкнутом объеме. Сначала если нагреть водяной пар до достаточной температуры то молекулы воды сначала начнут разваливаться на кислород и водород! А если нагреть дальше, то уже скорость самих атомов становится такой большой, что они начинают как бы разваливается. Точнее не совсем разваливаться, от атомов начинают отделяться электроны.

И получается очень интересная ситуация, когда в некотором объеме появляется облако плазмы, которое содержит в себе кучу свободно летающих электронов, а так же положительно и отрицательно заряженных ионов.

Но как же происходит образование плазмы?

Все дело в так называемом лавинном эффекте. Возьмем уже упомянутый ранее объем газа. У нас там есть в основном свободно летающие атомы, которые сталкиваются друг с другом…

Так вот если нагревать, то скорость, а соответственно и энергию, этих свободных электронов и ионов увеличивается. Энергию конечно же можно вносить и не просто нагревом, а другим способои, например с помощью магнитного или электрического поля.

Представьте себе бильярдные шары, если они просто сталкиваются от удара кием, то они просто разлетаются и иногда попадаюь в лузы. Но вот если этому шару дать достаточно энергии, например выстрелить им из пушки, то все шары начинают разваливаться.

В результате, когда энергия, или скорость этих атомов становится больше какого-то порогового значения, то при столкновении с другими атомами газа, и из них рождаются ионы.

И получается настоящая цепная реакция, когда одни ионы начинают рождать все больше и больше себе подобных! Ну и в результате плазма как бы зажигается. И этот процесс называется ионизацией.

А энергия необходимая для ионизации плазмы индивидуальна для каждого конкретного химического элемента. Плазму можно поджечь не только из привычных нам газов вроде кислорода, или аргона, а например можно даже поджечь плазму из урана!

Ну а если вы помните наш крутой ролик о экстремальной ультрафиолетовой литографии, то там для получения нужного излучения с длинной в 13.5 нанометров нужно было получать плазму олова!

И для того чтобы поджечь плазму олова в установках ASML лазер стрелял огромной энергией в жидкую каплю олова таким образом сразу ее ионизируя, то есть превращая в плазму.

И ровно таким же образом можно в теории поджечь воду! Только это будут именно молекулы воды. Всего-то надо нагреть ее до примерно 10 тысяч градусов!

Квазинейтральность

А вот тут мы зададим вам еще один интересный вопрос! Как вы думаете может огонь от обычной свечки проводить электричество?

При первом взгляде кажется, что нет, ведь обычно мы привыкли, что электричество проводят разные металлы — медь, алюминий и другие. Но при чем тут вообще огонь от свечки?

Но тот факт, что плазма — это фактически облако заряженных частиц дает плазме еще одно удивительное свойство.

В отличие от обычного газа, наличие в ней кучи свободных электронов и ионов позволяет плазме проводить электрический ток! И это рождает очень интересные явления. Это позволяет этой плазмой управлять!

Например, если поместить горящую свечку между двумя пластинами конденсатора, то через огонь спички начинает проскакивать искра! Более того сама форма пламени меняется — и оно как бы растягивается между пластинами конденсатора. Это именно следствие того, что там есть и положительные и отрицательные частички. Соответственно отрицательные притягиваются к положительной пластине конденсатора и наоборот. При этом если вы посмотрите на какие-то внутренние крошечные участки плазмы, то там может быть или много положительных или много отрицательных заояженных частиц. Однако, если вы возьмете плазму в большом объеме, и посчитаете все частицы, то заряд получится ноль. Это свойство называется квазинейтральностью плазмы.

И казалось бы обычный газ ведь тоже нейтральный, соответственно разницы особенно нет! Но квазинейтральность это уникальное для плазмы и именно оно отличает плазму от других систем, и в особенности от обычного газа!

И она открыла нам множество технологических возможностей. Вспоминайте наш материал о травлении и осаждении! Плазменное травление почти всегда используется в производстве процессоров именно благодаря возможности направлять и ускорять поток заряженных частиц.

Ну и конечно же нельзя забывать о старых добрых плазменных телевизорах,

где в каждом пикселе поджигали небольшой плазменный разряд смеси неона и ксенона. Интересно что в этих телевизорах плазма была источником ультрафиолетового света, который позволял пикселю, который был покрыт фосфором начинать светиться.

А сам материал был подобран таким образом, что какие-то пиксели светились красным, а какие-то синим и зеленым. Получается классический РГБ.

Или например неоновые трубки. В них используется определенные газы, которые светятся определенным светом.

Так что настоящий плазменный киберпанк уже очень давно был у нас у всех дома и на улицах!

В общем, плазма нашла очень широкое применение вообще во всех сферах человеческой жизни! Без нашего понимания того что такое плазма небыло бы никаких современных процессоров например.

Ну а в скором времени надеюсь, что и ITER запустят — Международный экспериментальный термоядерный реактор! Ведь там будет плазма температурой в 150 млн градусов!

Распространение и выводы

Но на самом деле плазма гораздо распространеннее в природе чем принято думать. Мы привыкли что в основном вокруг нас только 3 основных состояния вещества.

Ну окей иногда можно видеть плазму в виде огоня костра, или вспышку молнии, а кому-то из наших зрителей посчастливелось увидеть например северное сияние!

Но это все такие мелочи по сравнению с объемом жидкости или газа вокруг нас!

А вот нет!

Оказывается во всей вселенной 99.9% всего вещества находится именно в состоянии плазмы! И все из-за звезд. Каждая звезда — это просто огромный плазменный бульон разной массы, плотности и температуры!

И именно благодаря плазме, в конце концов мы с вами появились на Земле!

Сегодня мы с вами посмотрели на плазму, да и вообще глянули на другие основные агрегатные состояния вещества! Но вообще есть и другие! И они вообще взрывают мозг.

Мы ведь обсуждали что будет если нагреть пар, а что будет если уже нагреть саму плазму! Всего-то на 7 триллионов градусов.

Тут энергия становится так велика что начинают уже разваливаться сами ядра атомов на кварки! И получается кварк-глюонная плазма. И вы не поверите, но ее человечество тоже научилось получать!

14 сентября 2015 года в 12 часов 50 минут и 45 секунд по московскому временипроизошло одно очень интересное событие, которое вы возможно и не заметили. На самом деле в тот самый момент вас, да именно вас совсем чуть-чуть растянуло! Что спросите вы? Как это растянуло?

А мы скажем, растянуло не только вас, а вообще все вокруг, все предметы, все здания, воздух, океаны и всю планету. Ну и сжало чуть-чуть тоже!

А вместе с нами это же произошло еще и с двумя детекторами находящиеся в противоположных концах Северной Америки, которые зафиксировали очень схожие сигналы почти одновременно. А спустя всего 2 года трем ученым из США за это будет вручена Нобелевская премия по физике!

Дело в том, что тогда были впервые зафиксированы гравитационные волны и была экспериментально подтверждена теория Альберта Эйнштейна об их существовании! Кстати, столетней давности.

Сегодня мы с вами разберемся с тем, что такое вообще гравитационные волны, как их зафиксировали и почему это действительно очень круто!

Ну и конечно посмотрим на один из самых чувствительных приборов созданных человеком, в возможность постройки которого не верил и сам Альберт Эйнштейн!

История

В 1915 году Альберт Эйнштейн представил миру свою главную теорию, которая описывает то, как работает наша вселенная. Это была общая теория относительности, которая объясняла почему все тела притягиваются друг к другу.

Она представляла все во вселенной как единое пространство-время, а притяжение именно как изменение этого пространства-времени. К сожалению, представить это в реальности трудно – ведь речь идет о четырехерном пространстве!

Но можно убрать одно из пространств и тогда все становится чуть более понятно. Представьте себе сильно натянутую простыню — она и будет нашим пространством. Теперь на эту простыню мы положим тяжелый шарик. Получилась воронка! Эта воронка фактически как гравитационная яма! Теперь если вокруг нее мы покатим шарик поменьше, то он вращаясь вокруг более тяжелого объекта будет медленно к нему приближаться и как бы падать в эту ямку!

Это вращение вокруг крупного объекта и есть движение по орбите, благодаря которому вокруг планет вращаются спутники, Земля вращается вокруг Солнца и вообще все во вселенной взаимодействует!

И дело в том, что Эйнштейн еще описал, что из-за движения объектов в самом пространстве-времени оно искривляется и может сжиматься и растягиваться само по себе. То есть абсолютно любые объекты, имеющие массу, могут это делать!

Даже вы, когда встаете со своего дивана, искривляете пространство вокруг себя! Правда совсем чуть-чуть, но все равно искривляете.

Так вот а если эти объекты очень тяжелые — такие как нейтронные звезды, или черные дыры, то они искривляют пространство уже существенно, и мало того что искривляют так еще и могут создавать волны в этом пространстве вокруг себя.

И эти волны распространяются через вселенную со скоростью света! По сути, они похожи на волны на воде, когда в нее попадает камешек.

Давайте еще разочек для закрепления. Гравитационные волны — это фактически рябь самого пространства вокруг нас! Невероятно просто!

Так вот Эйнштейн предсказал их существование, но он также сказал, что эти волны настолько слабые, что человечество вряд ли сможет когда-либо построить настолько чувствительные приборы! Но человечество решило, что надо доказать, что Эйнштейн прав и надо как-то эти волны зафиксировать.

Детекторы и проблема

А почему они такие слабые? Все дело в расстояниях!

Гравитационная волна, как и любая волна со временем затухает. А когда такое событие происходит в миллиардах световых лет от нас то до Земли доходят только жалкие отголоски тех колоссальных событий! Ну а насколько же они слабые?

Вот представьте, что вам надо измерить шкаф, с какой точностью вам надо уметь измерять, чтобы не ошибиться? Ну допустим полмиллиметра! Этого будет более чем достаточно.

А как вы думаете какая точность должна быть у детектора гравитационных волн, чтобы он мог зафиксировать их?

10 в минус 18 степени метра или 0,00000000000000001 метра

Это невероятно малое расстояние! Это размер одной десятитысячной размера протона! Ну или, если сказать по-другому, то нужно уметь измерять расстояние в 40 триллионов километров с точностью до толщины человеческого волоса!

Как вообще возможно такое измерить? И тут нам на помощь приходят невероятные свойства света! Точнее его волновая природа! А именно способность электромагнитных волн  к интерференции. Если вы забыли, что это такое: это когда две и более волны накладываются друг на друга и могут таким образом увеличивать или уменьшать амплитуду!

Помните как работает активное шумоподавление в наушниках? Когда наушники посылают звуковую волну в противофазе и как бы отменяют внешний шум у вас в ушах. Тут точно такая же история только со световой волной!

То есть в нашем случае: если у вас два лазерных пучка, с абсолютно одинаковой частотой, амплитудой и мощностью, летят паралельно, но при этом их волны находятся в противофазе, то в конце детектор не сможет ничего измерить, потому что волны полностью отменяют друг друга.

Но в тот момент, когда один из этих пучков хоть чуть-чуть меняется, то сразу интерференционная картинка меняется и волны перестают как бы отменять друг-друга.

На основе этого основополагающего физического явления в 90-ых годах и были построены 2 детектора LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory).

LIGO

И чтобы вы понимали каждый детектор LIGO — это уголок со сторонами длиной в 4 километра каждая.

Только представьте, что для регистрации таких маленьких величин надо построить инструмент с длиной плеча в 40 футбольных полей!

В самом углу этого сооружения находится лазер! Да не просто какой-то лазер, а специальный лазер мощностью в 1 мегаватт!

Далее этот лазерный луч с помощью специального зеркала разделяется на два луча и один из них отклоняется на 90 градусов. То есть каждый луч как бы улетает в свое четырехкилометровое плечо детектора.

В конце каждого плеча находятся одни из самых гладких зеркал, которые когда-либо производились человечеством. Каждое из них весит по 40 кг и подвешено на тонкие кварцевые нити, толщиной всего 0,4 миллиметра! Это все нужно для поглощения вибраций!

Кстати, по поводу вибраций! Вы ведь обратили внимание, что я сказал, что детекторов два! Зачем же их два?

А все дело в том, что когда вы пытаетесь измерить размеры в тысячные диаметра протона, то даже взмахнувший крыльями комар может помешать вашим измерениям!

Но как мы уже и говорили гравитационные волны, хоть и слабые, но действуют вообще на все, они проходят через всю планету!

Поэтому было построено 2 детектора в двух отдаленных друг от друга концах США — один в штате Вашингтон, что на северо-западе страны, не путать со столицей, а второй в штате Луизиана, на юге страны! В результате оба детектора находятся друг от друга в чуть более чем 3 тысячах километров! Гравитационной волне требуется около 10 миллисекунд, чтобы это расстояние преодолеть. А раз волна проходит через всю планету, то пролетает она и через оба детектора. И когда измерения этих двух детекторов совпадают — считается, что это и была гравитационная волна! Ну а задержка между этими измерениями как раз и составляет около 10 миллисекунд.

Ну а если есть какие-то сторонние вибрации и их регистрирует только один из двух детекторов, соответственно они и не считаются!

Теперь вернемся к нашим лазерам! Итак, когерентный свет летит в плечи детектора, отражается и летит обратно, и если гравитационная волна не проходит в момент работы детектора, то никакого сдвига по фазе и нет.

Но как только она проходит сквозь него, то одно из плеч чуть-чуть удлиняется, что приводит к тому что свет уже больше не находится идеально в противофазе и появляется очень слабый сигнал!

И тут внимательный зритель спросит нас — а как же так? Если гравитационная волна меняет абсолютно все вокруг нас, то и сам свет она тоже немного растягивает, и сжимает. И как тогда что-то измерить, если весь свет тоже растянулся вместе с длинной плеча?

И тут нам опять на помощь приходит потрясающая красота физики. В нашем мире есть скорость света в вакууме. Это абсолютная величина, которая не зависит ни от чего! Свет в вакууме всегда летит с одинаковой скоростью, даже если его немного растянуло или сжало.

То есть можно измерять не только сигнал от волн, но и то сколько времени свету надо на прохождение каждого плеча, и если это время меняется, то значит, трубка чуть-чуть удлинилась или сжалась!

В общем можно сказать, что Эйнштейн недооценил того как сильно может развиться человечество! Гениально же!!

Но, для этого соответственно нужен очень хороший вакуум. Каждая сторона детектора содержит в себе длинные четырехкилометровые вакуумные трубки.

Только представьте, что только на откачку воздуха из них потребовалось 40 дней! А откачиваемый объем воздуха — второй по размеру после Большого Адронного Коллайдера!

Результаты

И вот в сентябре 2015 впервые были зафиксированы первые гравитационные волны, что стало одним из главных открытий физики, да и вообще науки двадцать первого века! Это были волны от слияния двух черных дыр массами около 36 и 29 масс Солнца. В результате получилась черная дыра размером в 62 солнечных массы. Ну а куда же тогда делись еще целых 3 солнца??

А эта была та колоссальная энергия, которая выделилась в результате этого столкновения, и частичку которой, спустя почти 1,3 миллиарда лет мы тут с вами на Земле и зарегистрировали! И вот в течении всего 7 лет мы уже зарегистрировали волны не только от слияния черных дыр, но и от слияния нейтронной звезды и черной дыры и от слияния двух нейтронных звезд.

Таким образом, мы закрыли все возможные теоретические сценарии образования таких волн, достаточной силы, чтобы мы могли их измерить! Ну а нам потребовалось всего каких-то сто лет чтобы доказать одну теорию великого Эйнштейна.

Выводы

Не знаю как вам, но нам кажется, что это просто невероятно красиво, когда человечество изобретает новые методы изучения мира вокруг нас, используя основополагающие законы физики. Да и не только изобретает, но и таким образом наглядно подтверждает великие теории, такие как теория относительности!

Кроме того уже разрабатывается следующий этап наблюдения за гравитационными волнами, с плечом не в 4 км, а в 1 миллион километров! Понятное дело что на Земле такое не построить — у нее диаметр почти 13 тысяч километров. Для этого планируется запустить 3 спутника и проект называется LISA.

Вот тут точность уже будет сильно выше и она позволит детектировать слияния сверхмассивных черных дыр на границе Вселенной! То есть заглянуть в прошлое почти что к самому большому взрыву! Однако запуск планируется только в 2037 году. Что же будем ждать и надеяться что мы дождемся!

Совсем недавно знаменитая компания Gameloft выпустила новое и бесплатное творение — «Rival Knights» или «Непобедимый рыцарь». Забегая вперед, скажу, что игра поражает воображение и вряд ли оставит равнодушным хоть кого-то.

Как вы уже догадались, игра про средневековых рыцарей, точнее, про турниры. По сюжету, если основную задачу игры можно так назвать, битва происходит за сокровища короля. Кстати, борьба нешуточная — соперников будет немыслимое количество.
(далее…)

Когда в последний раз вы играли в головоломку, которая не похожа на другие? Или не похожа вообще ни на что? Сегодня мы столкнулись с такой.

BallWorlds— это игра-головоломка, в которой вам предстоит собирать различные фигурки из шариков в нескольких мирах. И то, что все подручные средства округлой формы, очень усложняет вам жизнь. Попробуйте построить пирамидку из мячиков дома. Получается? То-то же! В игре хорошо проработана физика, так что буквально весь уровень будет в постоянном движении, а вам нужно будет удержать то, что задумано. (далее…)

Perfect Hit это одна из многих аркадных игр, построенная на опыте таких проектов как Can Knockdown и Angry Birds с некоторыми отличиями и доработками, меняющими представление об игре с первой минуты.

В основном они касаются игрового мира, который, видимо, был создан для детей, хотя однозначно сказать сложно. Цель игры простая – нужно сбивать разными шарами, разнообразие которых приятно удивило, всевозможные предметы со «стола». Чем меньше попыток потратите, тем лучше. В общем, все как обычно, если бы не несколько «козырей». (далее…)

Сложно сказать, что именно вдохновляло создателей Tongue Tied. Но несмотря на мягко говоря странное название и еще более непонятную основу сюжета, игра получилась очень неплохой. Речь пойдет о двух псах, которые волею судеб оказались буквально связаны языками.

Все остальное звучит не так шокирующе. По ходу прохождения нужно собирать монетки, косточки и прочие интересующие собак реквизиты. Для управления нужно направлять четвероногих в разные стороны, используя их связанные языки, как пружину. (далее…)

Панда — животное, вызывающее в интернете и окрестностях огромное количество умиления. Делать игры про этого добродушного медведя, наверное, одно удовольствие. Так и поступили разработчики Roll in the Hole для Android.

Цель казуалки — докатить панду до разукрашенной спирали, напоминающей черную дыру из книжки-раскраски, где млекопитающее и должно исчезнуть. Да, все именно так :)! По дороге желательно собрать как можно больше цветных мороженых (максимум — три). (далее…)

С каждым днем все больше качественных игрушек появляется на Android маркете. Inertia: Escape Velocity — сочетает в себе интересную идею, отличную 3D графику и хорошо продуманную физику. Главный герой  облачен в специальную космическую броню, с помощью которой, он может включать и выключать силу притяжения.

На этом и построены многие уровни в игре.  В начале вас обучат всем премудростям затяжных прыжков и полетов, а затем вас ждут настоящие приключения, полные опасных ловушек и головоломок. (далее…)

World of Goo — оригинальная игра, которую разработали двое бывших сотрудников Electronic Arts. Она доступна на множестве различных платформ, включая Windows, Mac OS и игровую консоль Nintento Wii. Суть  заключается в построении различных конструкций из шариков Гуу, с целью добраться до трубы. Еще, в игре отлично продуманная физика и веселая анимация.

В конце прошлого года игра перекочевала на iPad-ы, а в этом году появилась на iPhone и буквально на днях «тянучки» добрались до Android маркета. (далее…)