Класс!ная физика



Изобретения Дедала (часть3)

15.01.2017

Предыдущая страница (часть2) - смотри здесь



Гидравлическая добыча угля

Современные способы добычи угля настолько сложны и опасны, что Дедал по-настоящему счастлив сообщить о разработке принципиально нового метода добычи угля. Уголь — очень легкий минерал; его плотность ниже, чем плотность растворителя, применяемого для химической чистки одежды, или даже плотность крепкого раствора хлористого кальция. Достаточно заполнить шахту растворителем для химчистки, и уголь сам всплывет вверх по стволу. Нужно только заложить две шахты в разных местах угольного пласта и сквозь пласт пробурить между ними туннель. Жидкость, закачиваемая в одну из шахт, будет выносить через другую шахту куски угля на поверхность; здесь уголь отделяется от жидкости, а растворитель направляется на повторное использование. Понадобится, правда, каким-то образом размельчать угольный пласт. Известно, что угольный пласт весь пронизан трещинами, а уголь, как и любой органический полимер, легко поддается действию органических растворителей. Поэтому химики фирмы КОШМАР пытаются получить растворитель, сочетающий в себе такие качества, как высокая плотность, сильная растворяющая способность и способность хорошо проникать в узкие трещины; тогда при интенсивном прокачивании растворителя уголь будет легко отслаиваться из подземного пласта.

Для глубоких шахт, где уголь залегает более монолитным слоем, Дедал предлагает другой способ добычи. Дедал вспоминает, что свежесколотая поверхность угля спонтанно окисляется на воздухе (бывают даже случаи самопроизвольного возгорания угля в забое) и что при высокой температуре уголь размягчается. За счет реакции окисления угля растворитель, предварительно насыщенный кислородом, будет нагреваться, и чем выше становится его температура, тем быстрее идет реакция. Вследствие огромного гидростатического давления на дне шахты точка кипения растворителя поднимется не менее чем до 300°C, что приведет к значительному размягчению угля. Когда же растворитель, наконец, вскипит, начнется выброс жидкости из шахты, гидростатическое давление упадет, произойдет взрывоподобное закипание и извержение перегретой жидкости — как в природном гейзере. Вырвавшийся на поверхность столб кипящего растворителя будет содержать куски угля из разрушенного пласта. После этого в шахту заливают холодный растворитель, и процесс повторяется сначала. Угольные компании не только смогут снизить затраты на добычу угля, но и начнут получать доход от туристов, горящих желанием посмотреть на величественные угольные фонтаны.

New Scientist, November 2, 1978


Из записной книжки Дедала

Плотность угля составляет в среднем 1400 кг/м3. Это меньше плотности перхлорэтилена C2Cl4 (1620 кг/м3), используемого для химической чистки. Стало быть, уголь будет плавать в этой жидкости! Отсюда следует:

Добыча угля с помощью растворителя. Необходимо заложить две шахты — одну к нижнему горизонту угольного пласта, другую — к верхнему; соединить эти шахты туннелем, проходящим сквозь пласт, и закачивать тяжелый растворитель в более глубокую шахту. По мере разрушения угольного пласта куски угля будут всплывать на поверхность в другой шахте.

Угольный гейзер для глубинных шахт. Пусть шахта глубиной 1000 м заполнена перхлорэтиленом. Давление внизу составляет величину p = ρgh = 1620 × 9,81 × 1000 = 1,6 × 107 Н/м2 ~ 160 атм. Растворимость кислорода в перхлорэтилене при температуре 20°C и давлении 1 атм составляет 0,19 объемных долей, или 1,67 × 104 массовых долей. При давлении в 160 атм растворимость, грубо говоря, возрастет в 160 раз и составит 0,03 массовой доли.

Как сильно нагреется растворитель, если весь кислород прореагирует с углем? Реакцию окисления угля можно записать в виде

С7H5О0,3(0,1 кг) + 8,6 02 (0,275 кг) -> 7,5 СО2 (0,ЗЗкг) + 2,5 Н2O (0,045 кг); ΔH = -3,5 МДж.

При 160 атм 0,275 кг кислорода содержится в m = 0,275/0,03 = 9,2 кг перхлорэтилена. Принимая удельную теплоемкость перхлорэтилена постоянной во всем диапазоне температур и равной С = 1000 Дж/кг×град, а также пренебрегая тем, что растворитель содержит примерно 4% примесей (воды и углекислого газа), получим: ΔT = -ΔH/mC = 3,5 × 106 / (9,2 X 1000) = 380°C. Иначе говоря, температура растворителя поднимется за счет реакции от 20°C до 400°C! Такой результат очень обнадеживает. При нормальном давлении перхлорэтилен кипит при 121°C, а его критическая температура равна всего лишь 340°C. Можно предположить поэтому, что, запустив в шахту насыщенный кислородом перхлорэтилен, мы превратим ее в потенциальный гейзер, на дне которого перегретый растворитель будет находиться под давлением в сверхкритическом состоянии. Растворитель в сверхкритическом состоянии обладает мощной разрушительной силой и проявляет исключительную реакционную способность по отношению к углю (на этом, в частности, основаны некоторые современные способы приготовления жидкого топлива из угля). Чтобы привести такой гейзер в действие, достаточно через отдельную скважину закачать дополнительное количество кислорода в зону реакции. Это ускорит процесс окисления, и температура в зоне реакции будет повыщаться до тех пор, пока локальное давление не превысит 160 атм и не произойдет мощный выброс растворителя, смешанного с углем. Затем оставшаяся в шахте жидкость устремится в зону реакции, разрушая угольный пласт. Теперь нужно только долить в шахту собранный и отфильтрованный растворитель и повторить весь цикл сначала.

Отметим, что нефть еще с 30-х годов добывается гидравлическим способом, так называемым законтуренным обводнением, — фактически по той же схеме, что и у Дедала. Окисление угля растворенным кислородом едва ли возможно из-за эффективного отвода тепла жидкостью — Прим. ред. 

Сверление паром

Сверление отверстий представляет собой одну из самых несовершенных технологических операций. Обычным вращающимся сверлом бывает подчас очень сложно получить глубокие или тонкие отверстия, а также отверстия некруглой формы. Размышляя над усовершенствованием этой операции, Дедал вспомнил, что при попадании снаряда в броневую плиту с обратной стороны ее нередко откалывается кусок металла. Причину этого легко понять, проведя простой опыт. Выложим в ряд несколько одинаковых монет и «выстрелим» еще одной монетой в крайнюю монету ряда вдоль его направления. После удара монета, лежащая с противоположного конца, отделится от остальных: по ряду монет пробежала цепочка столкновений. Если выстрелить в торец ряда одновременно двумя монетами, то с другого конца отделятся две монеты; это значит, что по выложенным в ряд монетам пробежала двойная цепочка столкновений. Поскольку бропеплита состоит из атомов, удар снаряда с одной стороны плиты порождает в ее толще миллионы межатомных столкновений, которые, пробегая сквозь плиту, вызывают отделение миллионов атомов с обратной стороны плиты.

Теперь, предлагает Дедал, рассмотрим этот процесс на атомарном уровне. Если один атом железа ударится в железную пластину, он останется в ней, а цепочка межатомных столкновений, пробежав сквозь всю толщину пластины, приведет к отделению одного атома с обратной стороны. Межатомные столкновения можно считать идеально упругими, поэтому энергия внутри пластины не рассеивается, сколько бы атомов ни участвовало в этой серии столкновений. Более того, соударения в кристаллической решетке самоцентрируются, поэтому участвующие в столкновениях атомы расположены вдоль прямой. Атомное сверло, изобретенное Дедалом, представляет собой тугую «струю» металлического пара, направляемую на обрабатываемую поверхность. Скорость струи железного пара составляет примерно 800 м/с, что намного превышает скорость артиллерийского снаряда; еще лучше использовать пучок положительно заряженных ионов. Пучок ионов можно фокусировать и направлять в нужную точку, используя приемы, хорошо известные в масс-спектроскопии. Приложив к обрабатываемой детали отрицательный потенциал, ионы в пучке можно разгонять до значительных скоростей. Ударяющиеся о поверхность атомы будут наслаиваться на поверхности, постепенно образуя столбик «конденсата»; с обратной же стороны станет образовываться отверстие, углубляющееся по мере того, как оттуда выбиваются атомы. Наблюдая за работой «атомного сверла», оператор будет видеть, как из заготовки навстречу падающему пучку атомов постепенно «вытягивается» столбик металла, пока, наконец, этот столбик не вываливается из отверстия. Пучок атомов, «испаряющихся» с обратной стороны заготовки, будет, естественно, иметь те же направление, форму и энергию, что и первоначальный пучок, — соответственно его можно использовать для обработки другой детали, установленной позади первой. По сути, одним пучком можно одновременно сверлить отверстия в любом количестве заготовок, сложенных пакетом. Форма отверстия определяется просто формой сечения, которое мы придадим пучку атомов или ионов. Поэтому «атомное сверло» будет наиболее полезно при изготовлении некруглых отверстий, в особенности узких щелей, которые невозможно получить никаким другим способом. Не составит труда даже получить с его помощью отверстие диаметром всего в несколько атомов.

По-видимому, идея сверления паром навеяна автору электроэрозионным способом сверления отверстий, при котором металл испаряется в масляной среде под действием электрического заряда. Этот метод, разработанный в СССР, позволяет сверлить отверстия любой формы и глубины, пары металла оседают в масле и не создают «цепочки атомных столкновений». Эти методы были разработаны в СССР Н. И. Лазаренко и Б. Р. Лазаренко в 1943 г., а так называемый импульсный метод — М. М. Писаревским в 1948 г. (см. [19]). — Прим. ред. 

New Scientist, September 18, 1969.

Из записной книжки Дедала

Распространение цепочки межатомных столкновений в твердом теле рассмотрено в статье Р. Силсби (Journal of Applied Physics, 28(11), 1957, p. 1246). Автор приходит к замечательному выводу: цепочка столкновений между шариками радиуса r, выложенными по прямой на расстоянии d один от другого, будет самоцентрирующейся, если d < 2r (это условие всегда выполняется для атомов в кристаллической решетке). Небольшое отклонение первоначального удара от центрального уменьшается от удара к удару, пока, наконец, столкновение не станет строго центрированным. Это подтверждается и опытом с монетками. Поэтому тепловые движения атомов, незначительные дефекты решетки и т. д. не препятствуют распространению цепочки соударений на большое расстояние. Несмотря на это, процесс, конечно, лучше вести при возможно более низкой температуре. Осуществить это не очень сложно, поскольку работу с атомными или ионными пучками все равно необходимо производить в условиях вакуума.

Водопровод-опреснитель

Во многих странах водопроводная питьевая вода — роскошь, доступная немногим; даже в Англии она обходится все дороже. Дедал вспоминает о предложении экономить пресную воду, прокладывая параллельно две трубы, по одной из которых подается морская вода для хозяйственных нужд. Теперь Дедал придумал более совершенную конструкцию, основанную иа известном свойстве габардиновых плащей задерживать воду, но пропускать водяные пары. Дедал предлагает разделить водопроводную трубу на два «этажа» горизонтальной габардиновой перегородкой и пустить по верхней половине морскую воду, а по нижней — пресную. Водонепроницаемая перегородка надежно отделит пресную воду от морской. Однако если температура морской воды выше, чем у пресной, хотя бы на 0,4°C, то давление ее паров превысит давление паров пресной воды и чистый водяной пар начнет просачиваться сквозь габардиновую перегородку в полость с пресной водой, пополняя ее запас. Разность температур в 0,4°C (и больше) между верхней и нижней частями трубы поддерживать нетрудно: надо проложить трубу так, чтобы нижняя ее половина находилась в грунте, а верхняя омывалась теплым приземным воздухом.

Водопровод-опреснитель

Многие тысячи километров таких труб, входящих в государственную систему водоснабжения, будут играть роль огромного рассредоточенного опреснителя, не требующего топлива. Соленая вода, поступающая в этот водопровод, по пути опресняется и доставляется потребителям. (Наряду с пресной водой потребители будут также в обязательном порядке получать крепкий рассол, который можно использовать для хозяйственных нужд, например в туалетах.) Дедал разрабатывает также проект аналогичного опреснителя для морских путешествий. Опреснитель представляет собой просто габардиновую байдарку, буксируемую в ночное время за кораблем. Небольшие объекты, находящиеся на открытом воздухе, испытывают в ночное время интенсивное радиационное охлаждение, тогда как температура моря вследствие огромной тепловой инерции днем и ночью отличается незначительно. Поэтому водяной пар будет проникать сквозь ткань и конденсироваться в байдарке в пресную воду, которую выкачивают оттуда на рассвете. Чрезмерно высокая эффективность подобной конструкции может, однако, привести к печальным последствиям: за ночь в лодку наберется так много воды, что она затонет.

New Scientist, August 9, 1979

Бытовой распределитель, обеспечивающий пропорциональный расход соленой воды


Из записной книжки Дедала

В морской воде содержится 3,6 % растворенных веществ, в основном поваренной соли. Допустим для простоты, что морская вода представляет собой чистый раствор поваренной соли. Тогда на 1 кг массы морской воды приходится 964 г воды (53,5 молей) и 36 г соли (0,615 молей). В растворе соль полностью диссоциирует на Na+ и Cl-, так что в действительности раствор содержит 1,23 молей ионов, а молярная концентрация воды составляет χводы = 53,5 / (53,5 + 1,23) = 0,978. Согласно закону Рауля, давление паров морской воды должно тогда составлять 97,8 % от давления паров пресной воды при той же температуре.

Зависимость давления насыщающих паров жидкости от температуры дается уравнением Клапейрона — Клаузиуса dlnp/dT = ΔH/RT2, где ΔH — скрытая теплота испарения жидкости, R — универсальная газовая постоянная, Т — абсолютная температура. Подставляя числовые значения параметров для воды при 20°C ΔH = 44200 Дж/моль и Т = 293 К, получим dlnp/dT ≈ σlnp/σr = 44200 / (8,314 × 2932) = 0,0619 К-1, или σT = σlnp/0,0619 K.

Чтобы давление паров морской воды было равно давлению паров пресной воды, мы должны поднять температуру морской воды на величину σT, соответствующую увеличению давления паров в p2/p1 = 1/0,978 = 1,0225 раз. Тогда σlnp = lnp2 - lnp1 = ln1,0255 = 0,0255 и σT = 0,0225/0,0619 = 0,36 град.

Разность температур воздуха вблизи поверхности Земли и самой поверхности во много раз больше, так что наша конструкция вполне работоспособна. Уже при разности температур в два градуса из морской воды будет испаряться до 80 % влаги, так что в верхней половине трубы останется концентрированный 16 %-ный рассол. Таким образом, подобный опреснитель будет давать 4–5 л пресной воды на каждый литр рассола.

Существует, правда, неприятная деталь: ночью (особенно в ясные холодные ночи) разность температур меняет знак: верхняя половина трубы становится холоднее нижней и пресная вода начинает переходить в полость с соленой водой. Можно было бы, вероятно, придумать какой-то механизм, переворачивающий трубу так, чтобы ночью полость с пресной водой оказывалась сверху, но это слишком неуклюжее решение. Придется, по-видимому, соорудить нечто вроде парника — покрытие, которое пропускает к верхней половине трубы дневное излучение, но задерживает низкотемпературное излучение, препятствуя тем самым ночному радиационному охлаждению трубы.

Дедал очень точно рассчитал разность давлений паров соленой и пресной воды, но не учел общее давление в водопроводе, равное 2,5–3 атм. Морской опреснитель более реален.  — Прим. ред. 


Се айсберг грядет

Недавно американские гляциологи и геофизики выступили с проектом, вполне достойным Дедала. Они предлагают буксировать айсберги из Антарктиды в Австралию и использовать талую воду для орошения земель. Наиболее удобными для этой цели считаются айсберги с плоской вершиной длиной 10 км, шириной 2,5 км и высотой до 250 м; для буксировки потребуются сверхмощные (скорее всего, атомные) буксиры. Дедал считает, что в своем нынешнем виде этот проект попахивает техноманией, и предлагает устроить так, чтобы айсберги двигались своим ходом, причем совершенно бесплатно. В принципе энергию для работы двигателей можно получать за счет разности температур между айсбергом и окружающей водой. Разность температур эта невелика, так что максимально достижимый кпд в таком случае не превышает 4 %, но даже это позволяет получить полезную мощность 12 МВт при таянии 1 т льда в секунду. Для перемещения гигантского айсберга, по-видимому, потребуется мощность не менее 500 МВт, — таким образом, айсберг должен плавиться со скоростью 40 т/с. Это, однако, соответствует стаиванию льда всего на 2 мкм в секунду со всей погруженной поверхности, т. е. естественной скорости таяния. Поначалу Дедал хотел усеять айсберг термопарами и питать от них электромоторы, но вскоре он нашел гораздо более изящное решение. Пресная талая вода от айсберга легче, чем соленая вода океана, поэтому она поднимается вверх, обтекая айсберг. Если кормовую подводную часть айсберга стесать под углом, то талая вода будет подниматься вдоль наклонной плоскости и выходить на поверхность позади айсберга, сообщая ему при этом некоторое количество движения. Как только айсберг начнет двигаться вперед, талая вода из-под всей нижней поверхности потечет к корме, усиливая этот эффект и удлиняя и углубляя выемку в кормовой части, создающую направленную тягу. Специалисты по гидродинамике фирмы КОШМАР теоретически исследуют динамику таяния айсберга, движущегося в теплой соленой воде, чтобы определить оптимальный начальный профиль кормовой части, выяснить, не потребуется ли время от времени подправлять форму айсберга в процессе движения, а также подобрать наиболее эффективный способ управлять движением ледяной горы. Этот замечательный проект открывает новую эпоху в развитии морского транспорта. Большой айсберг, срок службы которого ограничен несколькими годами, но зато даровой, не загрязняющий среду, непотопляемый, не требующий топлива и способный перевозить 10 млн т груза, вполне может конкурировать с дорогостоящими грузовыми судами, которые, быть может, и служат в десять раз дольше, но обладают в тысячу раз меньшей грузоподъемностью. Вполне вероятно, что настанет время, когда самоходные айсберги возьмут на себя львиную долю морского грузооборога. Правда, это создаст дополнительную угрозу обычному судоходству и вызовет зубовный скрежет у работников страховой компании Ллойда.

New Scientist, July 12, 1973


Из записной книжки Дедала

Энергия, получаемая при таянии льда. Для получения полезной мощности в Р Вт от теплового двигателя с кпд η необходим приток тепла Q = Р/η. Пусть это тепло создается за счет таяния льда; тогда скорость таяния должна составлять m = Q/λ = Р/ηλ кг/с, где λ — скрытая теплота плавления льда. Если температура льда 0°C, а температура океана 10°C, то максимальный (теоретический) кпд η = (Tводы - Tайсб.)/Tводы = 10/283 = 0,035 = 3,5 %. Учитывая, что λ = 3,3 × 105 Дж/кг, а требуемая полезная мощность составляет по предположению Р = 500 МВт, мы получим скорость таяния m' = Р/ηλ = 5 X 108 / (0,035 × 3,3 × 105) = 43000 кг/с = 43 т/с.

Айсберг размером 10 км × 2,5 км × 250 м имеет подводную поверхность A = 5,6 км2 (боковые грани) + 25 км2 (низ) = 30,6 км2 ≈ 3×107 м2. Тогда, принимая плотность льда равной 920 кг/м3, получим, что ежесекундно должен стаивать слой толщиной x' = m'ρA = 43000/(920 × 3,0 × 107) = 1,5 мкм/с, что более чем скромно.

Соответствующий тепловой поток на единицу площади подводной поверхности айсберга равен Q' = Q/A = Р/ηА = 5 × 108 / (0,035 × 3,0 × 107) = 480 Вт/м2.

В теплообменниках с водяной рубашкой тепловой поток в несколько раз больше даже при разности температур, гораздо меньшей 10°C. Поэтому естественная скорость таяния, по всей вероятности, окажется много больше, чем 43 т/с, что позволит получать мощность в 500 МВт даже в том случае, если кпд будет гораздо ниже теоретического значения. Айсберг таких размеров обладает массой приблизительно в т = 6×1012 кг, так что его время жизни при расчетной скорости таяния можно оценить в t = m'/m = 1,4×108 с, или около 5 лет (!). По оценкам американских ученых время жизни айсберга составляет не менее одного года.

Техническая реализация «самоходного» айсберга. Существует два возможных пути:

а. Взрывом отколоть угол в кормовой части айсберга и дожидаться возникновения тяги за счет обтекания айсберга талой водой.

б. Поместить большой груз в носовую часть айсберга. Тогда вся нижняя поверхность айсберга наклонится и начнется ток пресной талой воды к корме. Как только айсберг начнет двигаться, оптимальная форма подводной части будет поддерживаться автоматически. Перемещая груз, можно управлять движением айсберга. К сожалению, для этого способа потребуется груз массой в миллионы тонн, а на его перемещение айсберг будет реагировать довольно медленно.

а–в. Изменение подводных очертаний айсберга и направление импульса, возникающего результате таяния подводной части при некотором начальном угле среза «кормы».

г. Нагружение «носовой части» айсберга, обеспечивающее возникновение тяги со всей нижней поверхности айсберга.


Комментарий Дедала

Этот проект возник под впечатлением от сообщения Н. Хоукса в газете The Observer от 3 июня 1973 г., где было дано краткое изложение статьи У. Уикса н У. Кэмпбелла о буксировке айсбергов из Антарктиды в Австралию или Южную Америку для орошения земель. С тех пор подобные идеи высказывались неоднократно. Так, в 1980 г. журнал Annals of Glaciology (vol. 1) опубликовал труды Кембриджской конференции по научно-техническим основам использования айсбергов. Сюда вошли даже работы по динамике таяния движущихся айсбергов — правда, авторы (X. Хупперт и Дж. Най) изучали возможность опрокидывания буксируемого айсберга, а не его способность самостоятельно перемещаться.

Я не могу расстаться с этой темой, не воздав должное ее истинному первооткрывателю, неутомимому изобретателю и грозе британского патентного ведомства Артуру Полу Педрику. Среди сотен эксцентрических изобретений, которые он обрушил на ошеломленных чиновников патентного бюро в 60–70-е годы, было изобретение, запатентованное под номером 1047 736 от 15 октября 1965 г. Это проект орошения Австралии с помощью гигантских «снежков», которые скатывают в Антарктиде, а затем переправляют в Австралию по трансконтинентальным трубопроводам, специально проложенным для этой цели. Мне остается только молча склонить голову.


Полые молекулы

Существует любопытный разрыв между значениями плотности газов (порядка 0,001 г/см3), с одной стороны, и жидкостей и твердых тел (от 0,5 до 25 г/см3) — с другой. Размышляя над тем, как заполнить этот разрыв, Дедал пришел к идее полой молекулы. Такая молекула могла бы представлять собой замкнутую сферическую оболочку плоской полимерной молекулы, подобной «молекуле» графита, имеющей плоскую гексагональную структуру — нечто вроде сетки с шестиугольными ячейками. Дедал предлагает модифицировать процесс высокотемпературного синтеза графита путем введения соответствующих примесных атомов или молекул, что вызвало бы изгиб плоской структуры (подобным образом с помощью примесей добиваются нужной структуры полупроводникового кристалла). Искривление плоского листа в конечном счете приведет к смыканию растущих краев и образованию замкнутой поверхности. Радиус пустотелой молекулы будет зависеть от количества введенной примеси. По расчетам Дедала, вещество, состоящее из полых молекул радиусом 0,05 мкм, будет иметь плотность около 0,04 г/см3, т. е. что-то среднее между плотностью жидкости и плотностью газа; такое вещество можно рассматривать как некое «пятое состояние» вещества. Эти гигантские молекулы (с молекулярной массой до 100 млн. единиц) едва ли способны «испаряться», а взаимодействовать между собой они будут так слабо, что подобное «состояние» вещества нельзя будет отнести ни к газообразному, ни к жидкому. Скорее всего, его можно рассматривать как «разреженную» жидкость, не улетучивающуюся из открытого сосуда, но и не принимающую его форму; при нагревании это вещество будет расширяться и переходить (не закипая) в газообразное состояние.

Столь замечательные вещества, безусловно, найдут множество применений — они открывают путь к созданию новых конструкций барометров и автомобильных амортизаторов, к новым принципам ожижения; вероятно, они окажутся идеальными смазочными материалами, обладающими, помимо ничтожно малой вязкости, еще и «эффектом шарикоподшипника». Вначале Дедал беспокоился, что внешние нагрузки приведут к деформации этих молекул, но затем понял, что, если их синтезировать в нормальной атмосфере, они будут упругими, как крошечные мячики. Теперь Дедал ищет способ оставлять в оболочках этих молекул небольшие «окошки», благодаря чему они могли бы поглощать молекулы внешней среды или обмениваться своим содержимым со средой, действуя как исключительно эффективные молекулярные сита. Таким образом, они могли бы накапливать внутри себя молекулы внешней сферы в количестве, в сотни раз превышающем их собственный вес.

New Scientist, November 3, 1966


Из записной книжки Дедала

Будет ли полая молекула стабильной? Есть вероятность, что под внешним воздействием она легко деформируется и «сплющится», изменив свою форму примерно так, как показано на рисунке.

Чтобы молекула была устойчива и не подвергалась такому «выворачиванию», энергия, соответствующая сближению двух полушарий молекулы, должна быть меньше энергии, необходимой для образования экваториального перегиба. Попробуем оценить величину каждой из этих энергий.

а.Сила, необходимая для поворота химической связи на угол θ относительно равновесного положения, равна krθ, где r — длина связи, k — константа жесткости химической связи, а соответствующее значение энергии равно 1/2k(rθ)2. Чтобы «вывернуть» полую молекулу, необходимо повернуть все связи вдоль «экватора» на 180°, или π радиан. При длине «экватора» 2πR (где R — радиус молекулы) и расстоянии между отдельными атомами r (длина связи между атомами в плоской решетке) число повернутых связей составляет 2πR/r, а необходимая для «выворачивания» молекулы энергия равна Eвыв = (2πR/r) × (1/2kr2π2) = π3kRr.

б. Высвобождение энергии при сплющивании молекулы обусловлено уменьшением свободной поверхности молекулы на величину 4πR2 при слиянии двух полушарий; таким образом, Eпов = 4πR2γ, где γ — удельная поверхностная энергия. Как можно было предвидеть, поверхностная энергия Eпов, способствующая сплющиванию молекулы, увеличивается пропорционально R2, в то время как энергия, необходимая для выворачивания молекулы, Eвыв, пропорциональна первой степени R. Поэтому с увеличением радиуса молекулы Eпов на каком-то этапе неизбежно превысит Eвыв — и молекула сплющится. Предел устойчивости соответствует случаю, когда Eпов = Eвыв, так что максимальный радиус молекулы получим, приравняв выражения для названных энергий:

(Наши рассуждения, конечно, не слишком строги. При выворачивании молекулы будет поворачиваться не одна связь на «экваторе» на 180°, а несколько последовательно расположенных связей повернутся на меньший угол, что приведет к уменьшению полной энергии выворачивания. С другой стороны, в образующейся экваториальной «впадине» сохранится свободная поверхность, следовательно, высвобождается не вся поверхностная энергия. Эти два эффекта взаимно компенсируются, так что результирующая ошибка может быть не слишком большой.)

Подставим в уравнение (1) соответствующие численные значения, характерные для кристаллической решетки графита: r = 1,4×10-10 м, k = 20 Н/м (эти значения получены для бензольного кольца, которое в некотором смысле можно рассматривать как единичную ячейку гексагональной решетки графита); γ = 0,3 Дж/м (по грубой оценке, сделанной для плоской чешуйки графита). Hаша полая молекула имеет в поперечнике 0,05 мкм — примерно 330 диаметров атома! Такая молекула будет состоять примерно из 260 000 атомов углерода, а ее масса достигнет 12×260000 = 3,1×106 единиц. Считая, что каждая молекула занимает объем, равный примерно кубу со стороной 5×10-8 м, мы получим плотность нашего «вещества»: масса/объем = (3,1×106 × 1,67×10-27)/(5×10-8)3 = 40 кг/м3. Вещество оказывается очень легким — в 25 раз легче воды. Вероятно, можно получить полые молекулы и большего размера, так что плотность вещества не превысит 5 кг/м3, а молекулярная масса достигнет сотен миллионов единиц, однако, чтобы обеспечить устойчивость таких молекул, придется внутри их поддерживать избыточное давление газа.

Теория многогранных молекул. Согласно теореме Эйлера, у любого многогранника (число вершин) + (число граней) – (число ребер) = 2 (В + Г – Р = 2). В силу этой теоремы невозможно построить многогранник с шестиугольными гранями, поскольку в этом случае было бы В + Г – Р = 0. В своей замечательной книге «Рост и форма» (Growth and Form, Cambridge University Press, p. 708, 738) Д'Арси Томпсон рассматривает эту задачу в применении к радиоляриям — микроскопическим морским обитателям, чьи известковые скелеты нередко имеют вид гексагональной сетки. Даже восхитительная в своей симметричности Aulonia hexagona (которую можно было бы рассматривать как увеличенное в 105 раз изображение полой графитовой молекулы, состоящей из 1200 атомов) имеет несколько нешестиугольных граней:

Aulonia hexagona; увеличение примерно 200 крат (из книги Д'Арси Томпсона «Рост и форма»; с разрешения изд-ва «Кембридж юниверсити пресc).


Томпсон показывает, что гексагональную сетку произвольной величины можно замкнуть в многогранник, включив в нее ровно 12 пятиугольников. Поэтому если для сворачивания решетки графита в сферу использовать примеси, вызывающие образование пятиугольных ячеек в гексагональной сетке, то понадобится ровно 12 атомов примеси на то число атомов графита, которое содержится в одной полой молекуле. Например, для самых больших молекул, состоящих из 260000 атомов графита, потребуется вводить примесь в количестве 12/260000 = 46 молярных долей на миллион. Это значительная концентрация примесей по сравнению с тем количеством примесей, которое обычно вводят в полупроводники.

Молекулы, имеющие форму широкого кольца и обладающие высокоизбирательной поглощающей способностью по отношению к катионам («краун»-эфиры), широко используются на практике; см. ([20], с. 460 [21]). — Прим. ред. 


Комментарий Дедала

Со времени опубликования моего предложения химия полых молекул не продвинулась сколько-нибудь заметно. Рекордом в химии углеводородов можно считать синтез молекулы, представляющей собой двенадцатигранник с пятиугольными гранями (Science, 211, 1981, р. 575). Так держать, ребята!


Деньги любят счет

Старый «золотой стандарт», ограничивавший количество находящихся в обращении бумажных денег золотым запасом государства, обладал немаловажным достоинством: он не позволял правительству печатать столько денег, сколько ему заблагорассудится.

«Золотой стандарт» — форма организации денежного обращения в капиталистических странах, при которой существует размен банкнот на золото (монеты или слитки). Отменен в Великобритании в 1932 г. — Прим. перев. 

Развитие вычислительной техники подсказало Дедалу новый способ борьбы с инфляцией — «цифровой стандарт». Учитывая, что каждая банкнота имеет порядковый номер, Дедал рекомендует ввести в центральный компьютер номера всех банкнот, находящихся в обращении. В каждом банковском расчетном счете будет указываться не только общая сумма, но и конкретные номера банкнот. Соответственно бухгалтеры будут не только получать, выплачивать или переводить деньги, но и указывать, какие именно. Конечно, бухгалтерские операции сильно усложнятся, но современная вычислительная техника вполне справится и с этим. Пути обращения денег станут известны во всех подробностях, казнокрады и прочие мошенники столкнутся с непреодолимыми трудностями, а инфляция будет поставлена под жесткий контроль. Действительно, для выпуска новых денег правительству или эмиссионному банку потребуются новые порядковые номера. Однако количество разрядов в числах, с которыми оперирует вычислительная машина, ограничено. Обусловив с самого начала предельное число знаков в номерах банкнот, мы сделаем инфляцию невозможной; трудно даже представить, чтобы кто-нибудь взялся за невероятно сложную задачу — переписать заново все программы с целью найти место для новых порядковых номеров.

Не исключено, однако, что в наши дни инфляция вполне желательна и даже кое-кому необходима: она создает у людей иллюзию роста благополучия и материальной обеспеченности и вместе с тем, в отличие от подлинного экономического прогресса, не сопряжена с истощением природных ресурсов и развитием производства. При нынешней денежной системе инфляция находится под контролем правительства: оно печатает новые деньги и закупает на них все, что ему необходимо. Это, конечно, несправедливо по отношению ко всем остальным. С предлагаемой Дедалом цифровой системой, если изначально предусмотреть большой объем резервных номеров, дело будет обстоять совсем иначе. В качестве образца Дедал воспользовался одной из теоретических моделей Вселенной, согласно которой новые элементарные частицы спонтанно рождаются из вакуума во всем пространстве. Аналогично новые деньги будут самопроизвольно возникать повсюду: генератор случайных чисел будет время от времени вписывать новые номера банкнот во все банковские счета. Процесс появления новых денег будет зависеть от уже имеющегося их количества: чем больше сумма вклада, тем более обильно станут появляться на нем новые деньги. Таким образом, на все вклады будет начисляться одинаковый годовой процент и инфляция никому не принесет убытков. Даже те, кто предпочитает хранить деньги под матрацем, смогут приносить свои кубышки в банк и получать соответствующее количество новых купюр.

Наконец, Дедал хотел бы отметить еще одно любопытное следствие. В настоящее время все купюры одного достоинства полностью тождественны между собой, подобно элементарным частицам, подчиняющимся статистике Бозе — Эйнштейна. Если же мы начнем различать их по номерам, то они должны вести себя в соответствии с распределением Ферми — Дирака и проявлять гораздо меньшую склонность к «скучиванию». Это создаст предпосылки к более справедливому распределению богатства в обществе.

New Scientist, September 12, 1974

Не так давно в газетах промелькнуло сообщение о негодовании австралийских властей по поводу того, что пластмассовые жетоны, выпущенные в качестве денег для находящихся под протекторатом Австралии Кокосовых островов, оказались менее подвержены инфляции и стали котироваться выше основной валюты — австралийского доллара. Относясь скептически к словесным баталиям экономистов по поводу причин инфляции, Дедал предлагает поставить экономику на прочную экспериментальную основу. Уже сейчас в Ирландии и Шотландии выражается неудовольствие в связи с необходимостью пользоваться в денежных расчетах ненадежным английским фунтом стерлингов. Попытаемся же извлечь пользу из этих зачаточных разногласий, призывает Дедал. Пустим в обращение в Великобритании полдюжины разных валют и будем контролировать каждую из них согласно критериям определенной экономической теории. Сторонники высокой заработной платы получат валюту, которая позволит немедленно удовлетворять самые немыслимые требования о повышении зарплаты путем выдачи новеньких купюр. Экономисты более консервативного толка будут ограничивать находящуюся в обращении массу своей валюты в соответствии с наличной массой потребительских товаров. Правительство — в своей валюте — будет добиваться скрупулезного баланса между налогами и расходами, что, конечно, не помешает ему завести еще одну валюту — для планирования бюджета с огромным дефицитом. Появляются валюты для выгодных займов с низкими учетными ставками и валюты с высоким банковским процентом для привлечения иностранного капитала и т. д. Обменные курсы для некоторых валют будут фиксированными, для других же станут определяться биржевой конъюнктурой. При заключении сделок стороны будут заранее оговаривать, в какой валюте должны производиться платежи.

Едва ли вся валютная неразбериха будет хуже того, что мы имеем сейчас; наблюдать же за нею будет весьма поучительно. Судя по всему, между валютами начнется настоящая война: одни из них окажутся непопулярными, другие, завоевав доверие общественности, затем с треском лопнут, третьи не смогут получить признание за пределами страны. В конечном счете, вероятно, останется только одна валюта. Возможно, это чему-то научит экономистов, и есть шанс, что экономика, наконец, станет серьезной наукой.

New Scientist, October 30, 1975


Люди-поплавки

Любопытно наблюдать за наполненным водородом или гелием воздушным шаром, подвешенным на нитке в салоне автомобиля. При резком торможении автомобиля пассажиров бросает вперед, шарик же летит назад: поскольку он легче окружающего воздуха, он ведет себя как объект с отрицательной массой. Объект с плотностью, равной плотности воздуха, вообще не почувствует рывка. Действующие на него силы полностью уравновешиваются, так что его масса становится как бы равной нулю и объект никак не реагирует на самые резкие ускорения и торможения. На этой основе фирма КОШМАР создает новую систему, обеспечивающую безопасность пассажиров при автомобильных авариях. Если заполнить салон жидкостью, имеющей в точности такую же плотность, как человеческое тело (а вода в этом отношении является оптимальной средой), то пассажиров удастся надежно защитить от самых резких ударов, поскольку их тела будут находиться в состоянии невесомости. Конечно, наличие воды в салоне создаст определенные неудобства, однако жидкость должна присутствовать здесь только в момент аварии. Поэтому в экспериментальной модели безопасного автомобиля КОШМАР водой заполняется пространство под полом салона до высоты примерно 30 см. При резком торможении произойдет прилив жидкости к передней стенке салона, что и смягчит удар.

Создание аналогичной системы для самолетов — а ведь именно авиапассажиры подвергаются особому риску в случае аварии — осложняется тем, что в таком случае придется поднимать в воздух дополнительную огромную массу воды. Обычный авиационный керосин не подойдет в качестве заменителя воды, однако Дедал возлагает большие надежды на новые тиксотропные желеобразные топлива. Эти вещества не только не проявляют склонности к случайному самовозгоранию, но и обычно обладают чрезвычайно высокими амортизирующими свойствами. Гораздо более реальной выглядит аварийная система фирмы КОШМАР для лифтов, которая заполняет кабину лифта жидкостью в случае обрыва троса. Дедал утверждает, что ни одна из этих аварийных систем не подвергает пассажиров риску захлебнуться, поскольку в момент опасности человек инстинктивно задерживает дыхание. В настоящее время ведутся испытания предлагаемых аварийных систем, в ходе которых аквалангистов-добровольцев сбрасывают в больших цистернах с водой с крыши здания отдела космической гидравлики фирмы КОШМАР.

New Scientist, December 18, 1969

Предварительные испытания по сбрасыванию с большой высоты аквалангистов-добровольцев в цистернах с водой к настоящему времени закончены. Их результаты заставляют Дедала несколько по-новому взглянуть на свой проект. Дыхательные пути и легкие аквалангистов, заполненные воздухом, испытывали при ударе сильное ускорение вверх, что вызывало по меньшей мере жестокий приступ икоты. Теперь Дедал понимает, что эффективное гашение удара возможно лишь при условии, что жидкость, плотность которой равна плотности тела, должна не только находиться снаружи, но и заполнять все полости тела. Такой средой может служить сжиженная смесь ксенона с кислородом (см. ниже). Плотность этой дыхательной смеси соответствует плотности человеческого тела, так что она является идеальным наполнителем для транспортных средств. Сиденья при этом становятся излишними — все пассажиры плавают в жидкости, а самые резкие толчки совершенно незаметны. Вначале Дедал планировал заполнить своей смесью вагоны лондонской подземки, чтобы в часы пик забивать поезда пассажирами под самую крышу. Это избавило бы людей и от утомительного стояния, и от толчков и рывков при движении поезда. Теперь, однако, Дедал понимает, что применение подобного принципа делает поезда вообще ненужными. Можно загерметизировать весь тоннель метрополитена и прокачивать через него пассажиров, свободно плавающих в виде «взвеси» в жидкой дыхательной смеси. При этом нет никаких ограничений ни на скорость движения, ни на величину ускорения: пассажиры будут избавлены от неприятных ощущений. По своей пропускной способности новый транспорт не будет иметь себе равных: при скорости движения всего в 45 км/ч тоннель диаметром 6 м сможет пропускать до миллиона пассажиров в час! Некоторые сложности, безусловно, будут связаны с традиционной одеждой: шляпы не будут держаться на головах, а дамские юбки перестанут выполнять свое (драпирующее) назначение. Кое-кто, возможно, сочтет подобный способ передвижения унизительным для человеческого достоинства. Но время и растущая плотность населения работают на Дедала!

New Scientist, December 25, 1969


Комментарий Дедала

Эти проекты оказались не столь новыми, как я поначалу предполагал. Есть сведения, что в конце второй мировой войны в немецких ВВС был разработан водонаполненный комбинезон для пилотов реактивных самолетов; такой костюм, как предполагалось, должен был предотвратить потерю сознания при крутых виражах и других маневрах, связанных с большими мгновенными ускорениями. В 1958 г. итальянские физиологи Р. Маргариа, Т. Гвальтериотти и Д. Спинелли подвергали беременных крыс действию огромных ускорений — до 10000 g. Сами крысы мгновенно погибали, но находящийся в утробе плод, окруженный со всех сторон жидкостью, оставался невредим и нормально развивался после хирургических родов. Опять же во время второй мировой войны эксцентричный изобретатель Джеффри Пайк предложил использовать трубопровод для ускорения переброски войск в Бирме. По его проекту солдаты перекачивались по трубе в напоминающих гробы контейнерах — это, конечно, весьма примитивно в сравнении с моей идеей.


Куда может завести вегетарианство?

«Полторы десятины и корова», — этот традиционный идеал фермера, живущего в единении с природой, представляется во многих отношениях явно завышенным. Получать молоко и мясо от животных, питающихся растительным кормом, — это далеко не самый эффективный способ использования солнечной энергии. Дедал вспоминает, что существуют организмы (ленточные черви, гидры, лишайники), которые способны к симбиозу с определенными видами зеленых водорослей, живущих внутри организма-хозяина. За уютное жилье «постояльцы» расплачиваются глюкозой и другими питательными веществами, которые они вырабатывают в процессе фотосинтеза, а организм-хозяин не в состоянии производить самостоятельно. Дедал указывает, что подобное взаимовыгодное сосуществование было бы идеальным для человека, организм которого получает энергию за счет окисления глюкозы до воды и углекислого газа, в то время как растения используют эти самые продукты для фотосинтеза глюкозы. Растения также утилизируют азот, содержащийся в биологических отходах организма.

Вначале Дедал придумал особую шляпу-оранжерею, из которой через шланг поступает воздух для дыхания. Кресс-салат, выращиваемый в этой «оранжерее», используется в пищу. Можно было бы также заселить кишечник микрофлорой, способной синтезировать питательные вещества, и подводить туда солнечный свет посредством гибких оптических волокон. Однако эти простые проекты не обеспечивают полностью автономного существования, поскольку они явно не обеспечат достаточного количества солнечной энергии. Кроме того, сохраняются все потери, связанные с естественным малоэффективным способом питания. Поэтому Дедал решил приспособить аппарат «искусственная почка» для того, чтобы прокачивать плазму крови через культуру водорослей, удаляя таким образом из крови углекислый газ и воду и насыщая ее глюкозой и кислородом. При этом иммунные системы двух организмов изолированы друг от друга, так что подобный симбиоз не вызовет нежелательных последствий. По расчетам Дедала, потребность человека в пище и кислороде сможет полностью удовлетворяться с поверхности площадью в 1 м2, содержащей 1 кг водорослей, — это вам, конечно, не «полторы десятины и корова». Одним ударом полностью разрешаются все проблемы питания и загрязнения окружающей среды в мировом масштабе! Человек, подключенный к небольшому аппарату, выставленному на солнце, будет представлять собой замкнутую экосистему и тем самым полностью избавится от необходимости дышать и принимать пищу (хотя, конечно, может время от времени позволять себе эти удовольствия). По ночам придется, правда, дышать: в темноте фотосинтез прекращается, и хотя глюкозу нетрудно запасти впрок, для создания ночного запаса кислорода потребовался бы большой и неуклюжий резервуар.

Казалось бы, с энергетической точки зрения этот проект выглядит вполне реальным, однако его осуществление сопряжено с некоторыми неудобствами: например необходимостью быть постоянно подключенным к ящику с водорослями. Поэтому Дедал не может остановиться на достигнутом. Он мечтает о подлинном симбиозе, подобном симбиозу ленточных червей с зелеными водорослями. Биохимики фирмы КОШМАР ведут изучение этих оранизмов, пытаясь понять, почему их защитные иммунные системы не вступают в конфликт между собой. Один из возможных ответов заключается в том, что клеточные оболочки водорослей пропускают только небольшие молекулы — такие, как молекулы глюкозы и углекислого газа; эти молекулы, будучи, так сказать, разменной монетой биохимии, не провоцируют защитной реакции организма. Специальная группа исследователей подвергает добровольцев действию ионизирующего излучения и лекарств, подавляющих иммунитет, пытаясь поселить соответствующие культуры прямо на поверхности кожи. Дело в том, что кожа, по крайней мере ее самый верхний слой, состоит в основном из мертвых клеток, постоянно заменяемых свежей тканью. Поэтому культура водорослей на поверхности кожи не причинит человеку вреда, а ее прорастание вглубь будет невозможным из-за постоянного обновления кожных клеток. В любом случае из-за отсутствия солнечного света водоросли не смогут расти глубоко под кожей. А вырабатываемая ими глюкоза с легкостью будет проникать в кровеносные капилляры.

Таким образом, Дедал изобрел «зеленого человечка», о котором столько писали фантасты. Подобно своим фантастическим собратьям, он не нуждается в пище и воздухе, однако его непривычный облик делает его социально чуждым нам элементом. Чтобы избежать столь необычного облика, вместо зеленых водорослей можно использовать бурые: у содержавшегося в них фукоксантина процесс фотосинтеза протекает не менее активно, чем у зеленого хлорофилла, но на коже слой таких водорослей будет выглядеть как густой загар. Однако, чтобы «фотосинтетический человек» был полностью автономным, необходимо использовать все полтора квадратных метра поверхности тела. Но сегодня это вряд ли представляет проблему — ведь благодаря современному кинематографу нагота стала вполне привычным явлением, во всяком случае на экране. Дедал, впрочем, рассчитывает придумать «матовую» полупрозрачную одежду, которая обеспечила бы соблюдение приличий и сохранение тепла, но в то же время хорошо пропускала солнечный свет. Такая одежда могла бы даже повысить эффективность фотосинтеза за счет парникового эффекта, делая возможным существование «фотосинтетического человека» даже в условиях английского климата. В любом случае потребность человека в воздухе и пище будет если и не устранена полностью, то по крайней мере значительно снижена.

New Scientist, September 17, 24, 1970

Важность проблемы, поднятой Дедалом, несомненна. В настоящее время ведутся широкие исследования фотосинтезирующих животных (простейшие жгутиковые — хламидомонада) и животных, живущих в симбиозе с фотосинтезирующими водорослями (ленточные черви). — Прим. ред.

Специальная шляпа-оранжерея, из которой через шланг воздух поступает для дыхания.


Из записной книжки Дедала

Взрослый человек расходует за день в среднем 3000 ккал (Е = 12 МДж). Если вся эта энергия должна получаться за счет фотосинтеза, идущего в светлое время суток (допустим, в течение t = 10 ч = 36000 с), то необходимая мощность составит Р = E/t = 330 Вт. К сожалению, кпд процесса фотосинтеза даже у хлореллы не превышает 8%, так что для получения такой полезной мощности понадобится получать от Солнца мощность Р = 330/0,08 = 4,2 кВт. Учитывая, что даже при ярком солнечном свете на 1 м2 освещенной поверхности приходится примерно 1 кВт мощности, «фотосинтетическому человеку» нужно иметь поверхность не меньше 4 м2, т. е. существенно больше, чем 1,5 м2, составляющих площадь поверхности нашей кожи.

Однако дело, быть может, обстоит не так уж безнадежно. Судя по всему, по крайней мере три четверти энергии, поступающей в организм человека с пищей, превращаются в тепло. А те 92% солнечной энергии, которые не используются в фотосинтезе, пойдут в основном на нагревание культуры водоросли, и выделившееся тепло будет в значительной мере передаваться крови за счет прямого теплообмена. Поэтому есть шанс, что — вся потребность в тепловой энергии будет удовлетворяться за счет «тепловых отходов», так что через фотосинтез понадобится получать лишь оставшуюся четверть от общей потребности в энергии. Для этого хватит и 1 м2 поверхности, хотя на практике, по-видимому, обеспечить полную автономность «фотосинтетического человека» не удастся. На 1 м2 культуры приходится примерно 1 кг водоросли. Это не слишком большая тяжесть для «зеленого человечка», если равномерно распределить ее по всей поверхности его тела.

И все же следует признать, что устройство наружного «парника» является более реалистическим подходом. Обмен веществ между водорослями и кровью будет осуществляться через полупроницаемую мембрану, пропускающую только простые молекулы: углекислоту, глюкозу, мочевину и т. п. В проблеме же создания «зеленого человечка» остается много неясного. Стоит еще внимательно присмотреться к симбиозу ленточных червей. Откуда в них берутся водоросли? Как эти водоросли размножаются и что происходит с отмирающими клетками водорослей? Какими веществами обмениваются особи, участвующие в симбиозе? Кто-то должен все это знать…


Молекулярный гироскоп

Гироскопы широко применяются в научных приборах, в системах навигации, стабилизации и т. п. К сожалению, при их изготовлении требуется исключительная точность, а в процессе работы они потребляют энергию. Дедал вспоминает, что в некоторых твердых телах (например, в камфоре) молекулы совершают вращательные движения в кристаллической решетке; в нормальном состоянии, однако, половина молекул вращается в одну сторону, а другая половина — в другую, так что суммарный гироскопический момент их равен нулю. Но если скорость вращения обычного гироскопа составляет примерно 104 об/мин, то молекулы при комнатной температуре совершают 1010 — 1011 об/мин, так что «молекулярный гироскоп» — если бы его удалось создать — обладал бы исключительно хорошими характеристиками. По расчетам Дедала, вращательная энергия молекул в шарике камфоры массой 10 г равна энергии этого шарика, вращающегося со скоростью 145000 об/мин.

Вращение молекулы можно вызвать, подействовав на нее квантом инфракрасного излучения — на этом основана вся техника ИК-спектроскопии. Поэтому Дедал рассчитывает, что с помощью ИК-излучения надлежащей частоты ему удастся заставить вращаться молекулы в кристаллической решетке камфоры. В обычной ситуации половина молекул будет вращаться в одну сторону, а половина — в другую, но хитроумный Дедал собирается применить правополяризованное ИК-излучение. Под действием такого излучения молекулы будут вращаться в одну сторону, а кристалл в целом превратится в своеобразный «твердотельный гироскоп», обладающий удивительными свойствами.

Внимательный читатель, конечно, заметит большое сходство между «молекулярным гироскопом» и постоянным магнитом — твердым телом, в котором магнитные моменты всех атомов направлены в одну сторону. Однако передача энергии молекулярного гироскопа на макроскопическую ось едва ли возможна. — Прим. ред. 

Подобно обычному гироскопу, такой кристалл будет яростно прецессировать, если попытаться его наклонить. Вообще, молекулярные гироскопы станут сопротивляться попыткам изменить их ориентацию. Если положить такие кристаллы на стол, они будут вертеться волчками; если потрясти склянку, в которую они насыпаны, оттуда послышатся скрипы и шорохи потревоженных молекул. Благодаря отсутствию трения молекулы должны вращаться бесконечно долго; а если кристаллы расплавить, то получится ни на что не похожая гироскопическая жидкость с необычными свойствами. «Гирокамфора» станет идеальной основой для создания гирокомпасов, гирогоризонтов и других приборов, поскольку это вещество неопределенно долго сохраняет вращательный момент и не требует затрат энергии в процессе эксплуатации. В виде многотонных блоков гирокамфору можно использовать для придания устойчивости судам. Вполне реальными могут оказаться и такие замечательные штуки, как гиростабилизированные шляпы для фигуристов и канатоходцев или одноногие табуретки для малогабаритных квартир. А посылка с таким веществом приведет в недоумение работников почты.

New Scientist, January 16, 1975


Из записной книжки Дедала

Существует немало кристаллов, у которых молекулы могут свободно вращаться в узлах решетки: камфора, четырехбромистый углерод, пента-эритритол. Нам нужна молекула, обладающая дипольным моментом, чтобы ее можно было раскрутить с помощью электромагнитного излучения. Для начала можно взять камфору. К сожалению, мне не удалось найти в химической литературе ИК-спектры этой молекулы. Рассмотрим поэтому в качестве модели норборнанон-7 (Journal оf Molecular Structure, 26, 1975, p. 85).

Вращающаяся молекула (например, жесткая двухатомная молекула) теоретически может иметь лишь строго определенные (квантованные) уровни энергии: Е = BhJ (J+1), где J — некоторое (целое) квантовое число, В = h/8π2I — константа, в которую входит момент инерции молекулы I. Молекула может переходить на следующий, более высокий энергетический уровень, поглощая квант излучения с определенной частотой v: ΔE = hv = 2hBJ (для больших молекул, имеющих три различных момента инерции, дело обстоит несколько сложнее, но мы не будем здесь в это вникать). У молекулы норборнанона-7 (С7Н10О, М = 110) все моменты инерции равны примерно 200 а. е. м. × Å2; можно предположить, что для камфоры (С10Н16О, М = 152) они будут в полтора раза больше, I = 300 а. е. м. × Å2 = 5×10-45 кг/м2, так что В ≈ 1,7 ГГц (для молекулы норборнанона-7 В около 2,3 ГГц).

При комнатной температуре на каждую степень свободы молекулы приходится энергия, равная 1/2kT. Приравнивая Е = BhJ (J+1) = 1/2kT и принимая T = 300 К, а В = 1,7 ГГц, получим J = 43; это означает, что молекулы находятся в основном на 43-м разрешенном энергетическом уровне; чтобы возбудить их на следующий, более высокий уровень, мы должны подействовать на них излучением с частотой v = 2ВJ = 2 × 1.7 × 43 = 150 ГГц, что соответствует длине волны излучения примерно 2 мм. Следует ожидать поэтому, что при комнатной температуре камфора должна иметь резкий пик поглощения на длине волны около 2 мм; если мы будем возбуждать молекулы на этой частоте право-поляризованным ИК-излучением, то молекулы станут поглощать «правополяризованные» кванты. При возвращении на нижележащий уровень, однако, молекулы будут испускать либо правополяризованные, либо левополяризованные кванты. Поэтому после достаточно длительного облучения образца правополяризованным излучением все молекулы начнут в конце концов вращаться в одну сторону. (Вероятно, можно было бы поступить и по-другому: взять образец при очень низкой температуре, когда вращение молекул практически отсутствует, и нагревать его до комнатной температуры правополяризованным ИК-излучением со ступенчато возрастающей частотой, — тогда все молекулы будут вращаться в одну сторону. Так, наверное, будет даже быстрее.)

Какое количество вращательной энергии может накопить кристалл камфоры? Очевидно, 1/2 RT Дж/моль. Тогда образец вещества массой 10 г будет обладать энергией Е = 1/2 × 8,314 × 300 × (10/152) = 82 Дж (кинетическая энергия вращения молекул). Если представить себе этот же образец в виде макроскопически вращающегося шарика, то такой шарик должен иметь радиус 1,33 см = 0,0133 м (если считать плотность равной 1 г/см3), и обладать моментом инерции I = 0,4 mr2 = 0,4 × 0,01 × (0,0133)2 = 7,1 × 10-7 кг•м2. Чтобы кинетическая энергия его вращения составляла 82 Дж, шарик должен вращаться с угловой скоростью ω, которая определяется из равенства Е = 1/2Iω2, откуда ω = [2×82/(7,1×-7)]1/2 = 15200 рад/с = 145000 об/мин! Таким образом, «молекулярный гироскоп» способен запасти гораздо большую энергию вращения, чем обычный маховик.


Легкое дыхание…

Чтобы избежать опасности азотного опьянения, подводники при погружении на большую глубину пользуются различными дыхательными смесями, которые позволяют спокойно работать в условиях, когда внешнее давление достигает десятков атмосфер. Дедал отмечает, что многие инертные газы имеют очень высокую плотность, причем с повышением давления плотность возрастает. По расчетам Дедала, при давлении в 50 атм плотность самого тяжелого из устойчивых инертных газов — ксенона равна плотности воды, так что человек вполне может в нем плавать. При этом давлении содержание кислорода, необходимое для дыхания, составляет всего 0,5 % — ощущения человека в такой среде одновременно напоминают погружение на глубину и свободное падение, но без риска утонуть или свернуть себе шею. Дедал предлагает соорудить огромные герметически закрытые куполы, снабдив их шлюзовыми и декомпрессионными камерами, и заполнить их сжатым ксеноном. Внутри такого купола человек сможет наконец-то удовлетворить свое врожденное стремление парить подобно птице.

В настоящее время заполнение легких жидкостью, насыщенной кислородом, используется для «промывания» легких при ряде тяжелых заболеваний. — Прим. ред.

Вода легче сжатого ксенона и поэтому станет всплывать наверх; таким образом, под сводом купола можно устроить озеро (заметьте, что брызги от брошенных в воду предметов полетят вниз!). Разница в плотности воды и сжатого ксенона настолько мала, что брызги и волны будут расходиться с восхитительной медлительностью. Как считает Дедал, его идея прежде всего открывает новую возможность «отдохнуть душой». Не исключено, что сеансы психоанализа, проведенные в этой полностью расслабляющей (в буквальном и переносном смысле) среде, помогут изможденным пациентам снять тяжесть с души и, быть может, даже откроют тайные истоки извечного стремления людей летать. Вспоминая о легендарных достижениях своего предтечи по части полетов, Дедал предполагает, что в основе общечеловеческого желания взлететь в воздух лежит наследственная память человечества о воспетом классиками подвиге.

Эта гипотеза также объясняет загадочное начало одного из малоизвестных вариантов поэмы Кольриджа:

Построил в Ксеноду Кубла чертог, ксенона полный храм…

В дошедшем до нас варианте поэмы «Кубла-хан, или Видение во сне» английского поэта С. Т. Кольриджа (1772–1834) начальные строки звучат так:
Построил в Занаду Кубла чертог, земных соблазнов храм… (пер. В. Рогова). — Прим. перев.

New Scientist, July 6, 1967


Из записной книжки Дедала

Похоже, что ксенон — единственный газ, плотность которого может превышать плотность воды: в критической точке (при температуре 16,6°C и давлении 58 атм) его плотность составляет 1154 кг/м3. Допустим, что при 25°C и 50 атм ксенон находится в истинно газообразном состоянии, а его плотность равна плотности воды, т. е. 1000 кг/м3. Можно ли дышать в такой среде? Чтобы концентрация кислорода (по массе) в ксеноне была равна содержанию кислорода в обычном воздухе, при 50 атм кислород должен составлять всего 0,5% объема смеси (Хе+O2) — наличие столь незначительного количества кислорода вряд ли окажет сильное влияние на ее физические свойства. Вязкость ксенона при давлении в 1 атм и температуре 20°C лишь немного превышает вязкость воздуха (2,3×10-5 и 1,8×1--5 Н•с/м2 соответственно); как известно, вязкость газа мало зависит от давления. Поэтому ксеноновой смесью будет дышать не труднее, чем обычной дыхательной смесью для глубоководного погружения, обладающей примерно той же вязкостью, что и воздух. В любом случае, если даже дыхание в подобных смесях затруднено, мы всегда имеем возможность слегка повысить концентрацию кислорода.

Любопытно также, что наш голос будет звучать в такой смеси очень «грубо» — в противоположность «голосу Буратино», который получается с помощью гелий-кислородной смеси. Дело в том, что скорость звука в гелии намного выше, чем в воздухе (970 и 331 м/с при 0°C соответственно), а скорость звука в ксеноне намного меньше (169 м/с), чем в воздухе. Таким образом, голос в ксеноне станет ниже на целую октаву.


Комментарий Дедала

На поверку оказалось, что высказанные здесь предположения довольно нестандартны. Профессор Дж. Килстра дает захватывающее описание (Scientific American, Aug. 1968, p. 66) опытов, в которых животные — а в одном случае и человек-доброволец — дышали насыщенными кислородом жидкостями (например, соленой водой). Основная проблема при этом возникает из-за высокой вязкости жидкостей (вязкость воды, к примеру, составляет 10-3 Н•с/м2, что в 60 раз превышает вязкость воздуха) и соответственно низкой скорости диффузии растворенных газов, отчего эффективность дыхательного газообмена снижается и затрудняется вдох-выдох. В то же время при использовании для дыхания жидкостей отпадает необходимость в значительном повышении давления: для насыщения соленой воды кислородом в количестве, достаточном для дыхания, необходимо давление всего в 5 атм, а некоторые фторуглеродные соединения содержат достаточное количество кислорода уже при атмосферном давлении.


Слабые и искаженные звуки

Дедал предлагает новый способ борьбы с шумом. Он указывает, что любой звук представляет собой волновое движение и поэтому может быть погашен идентичной звуковой волной, имеющей противоположную фазу. Дедал конструирует прибор, в котором подобный принцип гашения звуковых колебаний используется для подавления шума, создаваемого, например, реактивными самолетами. По проекту Дедала, вблизи двигателя самолета устанавливаются микрофоны, которые служат датчиками шума. Сигнал от микрофонов усиливается и подается на громкоговорители, размещенные таким образом, чтобы излучаемые ими звуковые волны были в противофазе с исходным шумом. Таким же способом можно глушить шумы, порождаемые мотоциклами, отбойными молотками и т. п. В тех же случаях, когда полное глушение звука вряд ли возможно (например, когда вас донимает радиоприемник у соседей или плачущий младенец), Дедал предлагает использовать индивидуальные противошумные устройства, располагаемые вблизи ушей владельца. Такое устройство может обладать направленным действием и гасить только нежелательный шум, позволяя прочим звукам доходить до ушей владельца.

Для борьбы с шумом существует немало остроумных изобретений. Например, в наших аптеках можно купить волокнистый фильтр «Беруши», поглощающий звуки с частотой выше и ниже основных частот человеческой речи. — Прим. ред.

New Scientist, February 3, 1966

Голос плачущего младенца имеет как раз такой тембр, который особенно привлекает внимание родителей. Дедал задумался над вопросом, не является ли это преднамеренным действием. Для проверки своего предположения Дедал намерен заполнить колыбельки безвредными газами различной плотности и посмотреть, что из этого выйдет. Если ребенок кричит инстинктивно, не прислушиваясь особенно к собственному крику, то гелий (в атмосфере которого крик младенца перейдет в область ультразвука) или перфторциклобутан (который превратит пронзительный визг в приятный густой бас) могут принести желанный покой во многие семьи. Однако Дедал подозревает, что коварные малютки знают, какой голос вернее всего привлечет внимание матери, и в любой газовой смеси будут кричать в нужном диапазоне.

Несомненно, акустическая обратная связь играет очень важную роль у взрослых людей: если внести в эту обратную связь искажения, например, с помощью магнитофона, создающего временную задержку, то говорящий начнет нечленораздельно бормотать и заикаться. Здесь открывается широкое поле деятельности для физиологов фирмы КОШМАР, которые проводят опыты с различными газовыми смесями и магнитофонами, пытаясь заставить лягушек и попугаев заикаться, а певчих птиц — сбиваться с тональности, чтобы выяснить, способны ли эти существа слышать сами себя. Стремясь получить еще более фундаментальные результаты, Дедал проектирует программируемый универсальный цифровой акустический фильтр (ПУЦАФ), который позволит произвольным образом изменять акустическую обратную связь.

Первый и самый важный опыт состоит в том, чтобы подвести к ушам говорящего акустические колебания в противофазе с произносимыми им звуками и таким образом полностью уничтожить естественную обратную связь. Тогда человек вообще не будет иметь представления о том, что и как он произносит. Здесь возникает любопытная задача: дело в том, что мы воспринимаем собственный голос совершенно иначе, чем его слышат окружающие (многие люди, к примеру, не узнают собственный голос в магнитофонной записи). Это обусловлено тем, что собственный голос мы слышим в передаче не только через воздух, но и через кости и полости головы, обладающие собственными акустическими резонансами. Чтобы полностью подавить «внутренне» воспринимаемый голос, ПУЦАФ должен соответствующим образом искажать звуки, поступающие в микрофон. (Кстати, прослушивая такие искаженные звуки через громкоговоритель, каждый может узнать, каким он слышит свой собственный голос.)

Как только удастся полностью подавить акустическую обратную связь и человек перестанет слышать звуки своего голоса, можно приступить к дальнейшим экспериментам. Теперь в качестве искусственной обратной связи мы будем предъявлять испытуемому слегка искаженные звуки. Наш слухоречевой аппарат будет принимать их за подлинный сигнал обратной связи, и мы станем соответствующим образом корректировать произносимые звуки. Например, певец, слыша вместо взятого «ля» более высокий «ля-диез», поведет голос вниз и возьмет «ля-бемоль», стремясь исправить ошибку. Аналогично, уменьшив громкость сигнала обратной связи, мы заставим певца напрягаться в мощнейшем фортиссимо. Быстро изменяя частотные и амплитудные искажения обратной связи, мы можем добиться от исполнителя совершенно новых вокальных ходов. Дедал надеется, что при надлежащем программировании ПУЦАФ станет идеальным помощником при изучении иностранных языков, освоении новых диалектов и исправлении речевых дефектов. Трудно заранее определить пределы возможностей нового прибора: не исключено, что благодаря ему шотландец заговорит с китайским акцентом, а кошка научится лаять.

New Scientist, May 28, 1970


Комментарий Дедала

Когда в 1966 г. мне впервые пришла в голову мысль о новом способе подавления шума, я с гордостью отнес ее в разряд своих лучших идей. Поэтому мне было довольно обидно узнать, что меня опередили: оказалось, что первым эту идею выдвинул Артур Кларк и использовал ее в рассказе «Прошу тишины», опубликованном в 1957 г. Ну что же, придется утешаться хотя бы тем, что стать вторым после Артура Кларка тоже почетно, тем более что впоследствии эта идея нашла практическое применение.

Самый ранний из известных мне патентов, связанных с этой проблемой, был выдан в Великобритании за № 1 304 329 немецкой авиастроительной фирме «Мессершмитт» в 1973 г. Предлагается метод снижения шума пропеллеров у самолетов и аппаратов на воздушной подушке путем создания «антишума» с помощью сирен, приводимых в действие сжатым воздухом, или даже используя части обшивки фюзеляжа в качестве диффузора громкоговорителя.

В 1977 г. сообщалось (New Scientist, Nov. 17, 1977, p. 427), что три учебных заведения (Саутгемптонский и Кембриджский университеты, а также Научно-технический колледж в Челси) ведут работы по использованию «антизвука» для нейтрализации низкочастотных шумов в самолетах, вентиляционных установках и даже на открытых пространствах. В 1981 г. (New Scientist, April 16, 1981, p. 165) поступило сообщение о первом практическом использовании такой установки: на газокомпрессорной станции в Даксфорде было установлено 72 мощных громкоговорителя, что позволило с помощью «антизвука» уменьшить шум, создаваемый мощной турбиной.


Усталость света

Загадочное «красное смещение» света, приходящего к нам от далеких галактик, обычно объясняется тем, что эти галактики удаляются от нас с огромной скоростью. Дедала, однако, больше привлекает гипотеза «усталости света», согласно которой свет по мере распространения постепенно теряет анергию, а следовательно, его частота понижается. Одно из затруднений состоит в том, что с релятивистской точки зрения при движении (в вакууме) со скоростью света время полностью «останавливается». Иначе говоря, перемещение фотонов на любое расстояние происходит мгновенно — как же в таком случае они могут «состариться» или «устать»? Однако даже в космическом пространстве свет движется не в абсолютном вакууме, а в среде, показатель преломления которой отличен от единицы, — соответственно скорость света в этой среде меньше скорости света в вакууме. Временные интервалы для фотонов сокращаются, но не до нуля, и свое путешествие в пространстве фотоны совершают не мгновенно. Правда, в космическом пространстве на 1 м3 объема приходится примерно лишь 100 атомов водорода и показатель преломления такой среды очень близок к единице (по расчетам Дедала, он равен 1 + 2,6×10-28). Но и при этом фотон, проходящий путь в 1010 св. лет (расстояние, соответствующее уменьшению частоты в 2 раза), затратит на него примерно 2 ч «субъективного» времени, т. е. времени в системе отсчета движущегося фотона. Это дает Дедалу основание предположить, что за 2 ч фотон теряет половину своей энергии.

Для проверки этого замечательного вывода Дедал планирует следующий эксперимент. Известно, что показатель преломления воды намного выше, чем у межзвездного газа. Поэтому свет движется в воде значительно медленнее, и за 2 ч «субъективного» времени фотон пройдет в воде всего 2,7×1012 м, а 1×10-7 часть своей энергии свет потеряет на пути в 390 км. Соответствующий сдвиг частоты легко измерить лазерным интерферометром. Сейчас Дедал подыскивает подходящее место для прокладки прямолинейной трубы длиной в 400 км, заполненной водой. Наиболее подходящим местом для этого он считает равнину Налларбор в Австралии, где железнодорожный путь проложен строго по прямой на протяжении 500 км и трубу будет нетрудно установить параллельно рельсам. Если же этот смелый проект, направленный на решение ключевой проблемы современной космологии, не получит финансовой поддержки, Дедал намерен провести его под видом сооружения трансконтинентального водопровода.

New Scientist, March 9, 1972

Из записной книжки Дедала

Красное смещение света, приходящего от галактики, удаленной от нас на расстояние d м, равно -δv/v=Hd/vизл, где Н — постоянная Хаббла, a vизл — скорость распространения излучения, испытавшего красное смещение. Обычно красное смещение интерпретируется как доплеровский сдвиг частоты, возникающий из-за того, что галактика удаляется от нас с кажущейся скоростью v = Hd. Под скоростью распространения излучения vизл обычно понимается скорость света в вакууме; однако поскольку межзвездный газ в действительности имеет коэффициент преломления, не равный 1, следовало бы принять vизл = c/n, где n — показатель преломления среды. Считая эту зависимость линейной для небольших (по космическим масштабам) расстояний, мы можем принять d = δl; тогда -δv/v=nHδl/c.

Обозначив величину c/nH через L, получим -δv/v=δl/L. (1)

Если понимать это выражение как меру «усталости» света (т. е. считать, что при прохождении в среде расстояния δl частота света уменьшается на δv), то, проинтегрировав (1), мы получим выражение для уменьшения частоты на конечном пути l: v = v0exp(-l/L). (2)

Здесь v0 — исходная частота света, a v — его частота после прохождения пути l в преломляющей среде. Частота света уменьшается в е раз на пути l = L; L поэтому можно назвать «характеристическим космическим расстоянием», Lхаракт. Аналогично можно ввести характерный масштаб, на котором частота света уменьшается вдвое: L1/2 = Lхарактln2 = 0,69c/nH. Поскольку n очень близко к 1, это значение хорошо согласуется с величиной L1/2 = 0,6c/H, полученной из формулы для доплеровского сдвига с релятивистской поправкой. Какое время tхаракт затрачивает фотон на прохождение характеристического расстояния Lхаракт? В межгалактической среде с показателем преломления n свет распространяется со скоростью vизл=c/n, и искомое время для неподвижного наблюдателя будет равно t = Lхаракт/vизл. Подставляя c/n вместо vизл cn/H вместо Lхаракт, получаем t = 1/H. В системе отсчета, связанной с фотоном, происходит релятивистское сокращение времени в (1 - v2изл/c2)1/2 раз или (так как vизл=c/n) в (1-1/n2)1/2 раз. Поэтому «субъективное» время, за которое частота фотона уменьшается в е раз, равно τ = (1-1/n2/H)1/2. (3)

Я считаю, что уменьшение частоты фотона, которое мы наблюдаем как красное смещение, вызвано его старением в собственной системе отсчета по экспоненциальному закону, который описывает, например, и радиоактивный распад. С этой точки зрения τ можно понимать как характеристическое время старения фотона в уравнении, аналогичном уравнению (2): v=v0exp(-t/τ), где t — текущее время в системе отсчета, связанной с фотоном, a v0 — исходная частота фотона.

В таком случае τ является характеристической константой для фотона, и, как следует из уравнения (3), мы можем определить ее через постоянную Хаббла и показатель преломления межгалактической среды n. Попытаемся это сделать.

Показатель преломления газовой среды довольно хорошо аппроксимируется выражением n = 1 + kN, где N — число атомов (молекул) на 1 м3, a k — некая постоянная, характеризующая данный газ. Подставив это выражение в (3), получим в первом приближении τ = (2kN/H)1/2.

Для водорода при 0°C и давлении 1 атм N = 5,3×1025 м-3 и n =1,000138, откуда k = 0,000138/(5,3×1025) = 2,6×10-30 м3. В межзвездном газе содержится примерно 100 атомов водорода на 1 м3 объема, а постоянная Хаббла H≈2×1018 с-1; тогда

Соответствующее «время полураспада» фотона составляет τ1/2= τln2 = 7900 с, или около 2 ч. Жизнь фотона, оказывается, коротка!

Можно ли проверить эти выводы на опыте? Проведенные рассуждения относятся к любой преломляющей среде. Поэтому для любой среды мы можем определить средние значения «постоянной Хаббла» Hср и «характеристического расстояния» Lcp по известному показателю преломления nср и полученному значению τ:

Для среды с высоким показателем преломления характеристическое расстояние Lcp будет невелико, поскольку скорость распространения света существенно ниже, чем в вакууме. Например, для воды (n = 1,33)

(Соответствующее расстояние L1/2 для воды равно Lводыln2 = 2,7×1012 м.)

Согласно (1), снижение частоты света на пути δl в воде равно

Тогда уменьшение частоты на одну десятимиллионную долю (такое изменение частоты нетрудно зарегистрировать современными методами) должно произойти на пути, равном δl = 10-7×3,9×1012 = 3,9×105 м = 390 км.

Похоже, что подобный эксперимент вполне можно было бы поставить на практике.


Комментарий Дедала

С тех пор как в 1972 г. я проделал эти расчеты, техника волоконных световодов и методы точных измерений частоты шагнули далеко вперед и проведение предлагаемого эксперимента стало еще более реальным. Заметное красное смещение должно произойти, когда свет пройдет внутри световода расстояние всего лишь в несколько километров.


Скрытые письмена

Дедал рассматривает загрязнение окружающей среды как бесценное национальное достояние. Он вспоминает, что историкам удается разобрать надписи на старинных пергаментах, сделанные одна поверх другой, и пытается разработать аналогичную методику анализа слоев копоти на стенах домов, свалок промышленных отходов, наслоений на дне старых каналов. Всякий производственный процесс сопряжен с выбросом определенных веществ, которые затем оседают в окрестностях. Поэтому тщательный химический анализ наслоений должен выявить, каким топливом пользовались и как его сжигали, какие применялись химические реактивы, смазочные материалы и т. д. Всякая приостановка производства, всякое изменение производственного процесса будут отражены в бесчисленных слоях, отложившихся на заброшенных фабричных корпусах или на стенах старинной ратуши. Современные микроскопические и микроаналитические методы позволят археологу прочитать эту драматическую летопись — если, конечно, ее прежде не уничтожат недальновидные блюстители чистоты. Дедал призывает бережно относиться к копоти на стенах старых заводов и железнодорожных тоннелей, к кучам шлака на заводских дворах: это кладези сведений об истории промышленного развития страны.

В частности, этот принцип можно использовать при изучении истории кулинарного искусства. Аромат, исходящий от кушаний, конденсируется на стенах в виде тонкого и душистого слоя жира. С течением времени на стенах кухонь и обеденных залов в безупречной последовательности накапливаются химические составляющие бесчисленных завтраков, обедов и ужинов. Быть может, их удастся даже подразделить по смене блюд при каждом застолье — от закусок до коньяка и сигар. Поскольку вкус каждого блюда определяется именно летучими веществами, в этих слоях содержится точная рецептура каждого блюда. Таким образом, тщательный химический анализ веществ, отложившихся на не чищенном сто лет потолке кухни французского отеля, может рассказать нам многое о вкусах знаменитых гурманов и творчестве легендарных поваров и даже позволит восстановить рецепты забытых блюд.

Дедал не упоминает об очень интересных работах по анализу состава льда в Антарктиде, который позволил определить время широкого применения фреона, ДДТ и других веществ. — Прим. ред.

New Scientist, May 7, 1970

Комментарий Дедала

Красивым примером хронологической последовательности загрязнений являются «воскресные камни» — отложения на трубах, по которым откачивали воду из старых угольных шахт. В воде постоянно содержалась белая известковая взвесь; во время рабочей смены в воду попадала также угольная пыль. Поэтому на срезе отложения, снятого со стенки трубы, рабочие смены отмечены отчетливыми черными линиями. В воскресенье шахта не работала, и этот день отмечен более широкой белой полосой.

«Воскресный камень» находится в музее города Ньюкасл-апон-Тайн. Шестидневная рабочая неделя в шахте из которой он извлечен, отмечена на срезе шестью полосами угольной пыли. Широкие белые полоски соответствуют воскресеньям, когда шахта не работает. Вторая серия полос внизу содержит только пять линий должно быть, в эту суббота местная футбольная команда играла на своем поле!

Хотя предложенный мной метод историографического исследования еще не был использован во всей его полноте, одно из моих предположений оказалось пророческим. Идею о том, что история промышленного развития страны может быть прочитана по отложениям на дне старинных каналов, с успехом развили Э. Гольдберг и его коллеги (Geochemical Journal, 10, 1977, p. 165; New Scientist, March 31, 1977, p. 757). Эти ученые решили исследовать ров вокруг императорского дворца в Токио. Подобраться к обители божественного смертного не так-то просто, но после долгой бюрократической волокиты Гольдбергу удалось получить керн со дна рва. Химический анализ слоев позволил восстановить историю загрязнений воздуха в Токио. Например, изменение содержания свинца и кадмия в слоях отражает увеличение интенсивности автомобильного движения, минимум содержания цинка и меди в период примерно 1955 г. может соответствовать переходу от послевоенной разрухи к мирному процветанию; высокое содержание углерода указывает на широкое использование каменного и древесного угля в качестве топлива. Итак, владельцы дворцов и замков, не мутите воду во рвах! Быть может, здесь еще пишутся ваши фамильные мемуары!


Усиление запахов

В помощь нашим органам чувств сконструированы различные приборы, например телескопы, микрофоны и другие устройства, однако до сих пор никто не изобрел усилитель запахов. Стремясь восполнить этот досадный пробел, Дедал предлагает новую конструкцию — «Меганос» фирмы КОШМАР. Это несложное устройство напоминает хобот и подсоединяется к носу человека. Засасываемый вентилятором окружающий воздух подается струей на бесконечную ленту, охлаждаемую до температуры жидкого воздуха, и все летучие вещества конденсируются на ней. Движущаяся лента проходит мимо нагревателя, где летучие вещества вновь испаряются и попадают в трубку, через которую подается воздух для дыхания. Поскольку объем воздуха, из которого сконденсированы пахучие вещества, в тысячи раз больше объема воздуха, поступающего для дыхания, концентрация этих веществ в воздухе, попадающем в нос человека, в тысячи раз выше, чем в окружающем воздухе. Столь огромное усиление (его можно еще повысить, увеличив число каскадов) откроет для человека совершенно новый мир запахов.

«Усилитель запахов» усиливает только те запахи, которые обусловлены летучими веществами. Однако он не способен усилить аэрозольную компоненту запаха, которая иногда бывает значительной (см. [23]). — Прим. ред.

Войдя в комнату, мы сразу по характерным для каждого индивидуума запахам узнаем, кто в ней находится, кто здесь был раньше и как долго. Тотчас можно будет определить, кто забыл закрыть кран и что притащила кошка с улицы в дом. Даже слабый запах перегретой электропроводки или течь в газовых трубах удастся быстро заметить и предотвратить несчастье.

Сложнее, однако, определить местонахождение источника запаха. Дедал предлагает использовать для этой цели двухканальный «Меганос», подключаемый раздельно к правой и левой ноздре. Это позволит создать доселе не известный эффект «стереозапаха», который поможет нам мгновенно определить источник самых слабых ароматов. Нет сомнения, что такое соединение собачьей остроты нюха с человеческим разумом создадут серьезную угрозу для преступников, которые не могут не оставить улик в виде запахов на месте преступления. Но, с другой стороны, и запах полиции будет слышен издалека…

New Scientist, September 21, 1972

Усилитель запахов «Меганос» фирмы КОШМАР.

Макроприставка к «Меганосу».


Еще раз о зрении в инфракрасном диапазоне

Глаз человека способен различать цвета от красного до фиолетового. Однако видимые цвета радуги занимают лишь узкий участок в оптическом спектре. Большая часть оптического спектра лежит за пределами возможностей человеческого зрения — в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах. Дедал вспоминает историю об ученом-спектроскописте, который при аварии потерял хрусталик глаза. Прописанные ему очки обладали прозрачностью в ближней УФ-области, и профессор получил возможность видеть в УФ-свете. Например, он мог на глаз настраивать УФ-спектрометры, что принесло ему широкую известность среди коллег. Этот рассказ навел Дедала на мысль, что сетчатка глаза способна воспринимать широкий спектр ИК- и УФ-излучений и мешает ей только непрозрачность для этого излучения остальной части глаза. В этой связи Дедал вспоминает слуховую иллюзию «искусственного баса». Дешевые проигрыватели с маленькими динамиками не могут воспроизводить низкие частоты, поэтому их изготовители намеренно вводят в усилитель интермодуляционные искажения. Человеческое ухо в силу нелинейности своего восприятия слышит биения между высшими гармониками как «искусственный бас», который на самом деле не воспроизводится громкоговорителем. Соответственно Дедал предлагает проделать аналогичный фокус с глазом. Современная лазерная техника вполне позволяет получить луч света, цвет которого периодически меняется, скажем, от желтого до оранжевого с частотой, соответствующей частоте света в ИК-диапазоне, — другими словами, промодулировать видимый свет сигналом с частотой ИК-диапазона. Такой луч беспрепятственно дойдет до сетчатки; обладая нелинейной чувствительностью, сетчатка продетектирует его и выделит ИК-сигнал. Таким образом будет получен совершенно новый цвет — пределы чувственных восприятий человека будут значительно расширены.

Дедал не в состоянии вообразить (да и разве это можно выразить словами!), как будет выглядеть инфракрасный цвет. Нет сомнения, однако, что самые привычные объекты предстанут перед нами в совершенно «новом свете». Живопись, реклама, декоративное искусство засверкают новыми, доселе неведомыми красками.

New Scientist, May 29, 1969


Комментарий Дедала

Эта заметка вызвала поток писем в журнал, в которых читатели высказывали свое мнение относительно того, могут ли дешевые проигрыватели создавать иллюзию «искусственного баса» и если могут, то делается ли это за счет интермодуляционных искажений или за счет генерации новых гармоник; намеренно ли создаются искажения в усилителе или изготовители просто умело пользуются недостатками дешевой аппаратуры и т. п. Задним числом я сообразил, что лазерный луч следовало бы модулировать не по частоте, а по амплитуде: для детектирования АМ-сигнала от детектора требуется лишь амплитудная нелинейность, в то время как для детектирования ЧМ-сигнала детектор должен иметь характеристику, нелинейную как по амплитуде, так и по частоте. Однако ухо человека с успехом детектирует также и частотно-модулированные звуковые колебания: ухо, как и глаз, обладает нелинейностью обоих типов. На самом деле, все органы чувств имеют логарифмическую характеристику чувствительности, что позволяет им работать в огромном диапазоне интенсивностей (законы Фехнера, Вебера).

История о человеке, который, потеряв хрусталик глаза, получил способность видеть УФ-свет, была позднее подтверждена в письме в журнал Science (204, 1979, р. 454). Его авторы Д. Давенпорт и Дж. Фоли из Калифорнийского университета в городе Санта-Барбара пишут: «Люди, которым грозит необходимость удаления хрусталика из-за катаракты, часто относятся к своему будущему с тревогой. Этим людям, и в особенности нашим коллегам по профессии, мы хотим сказать: «Не огорчайтесь! Ваши возможности познания мира так расширятся, что вы не можете этого даже представить».

Неожиданным благоприятным последствием операции по удалению хрусталика является также усиление яркости и чистоты наблюдаемых цветов. Особенно подчеркиваются синие тона; доходят до сетчатки и УФ-лучи. УФ-излучение сетчатка поглощает непосредственно (оно воспринимается как фиолетовый цвет), под его воздействием она также флюоресцирует в видимом спектре, создавая ощущение зеленовато-синего цвета. Используя очки или лупу, на сетчатке глаза, лишенного хрусталика, можно получать резкие изображения предметов с различной степенью увеличения. Профессор Давенпорт (он познал все это на собственном опыте) был, вероятно, одним из немногих посетителей выставки сокровищ Тутанхамона, которым приходилось снимать контактные линзы, чтобы лучше разглядеть экспонаты.

Позднее я коснулся этой проблемы еще раз, предложив способ наблюдать окружающий мир в инфракрасном свете без использования модулированного освещения. Преобразователи инфракрасного изображения в видимое недавно были с успехом использованы в астрономии (см. обзор Дж. Фалька в журнале Laser Focus, 15(10), 1979, p. 72), но по-видимому, они найдут и более впечатляющие применения.

Дедал размышляет над тем фактом, что удаление хрусталика нередко приводит к значительному улучшению цветового зрения по сравнению с нормальным и даже позволяет видеть УФ-свет. Это означает, что сетчатка глаза обладает чувствительностью в очень широком спектральном диапазоне, и только хрусталик не пропускает ИК- и УФ-излучення. В поисках способа сделать глаз прозрачным для ИК-излучения Дедал вспоминает о принципе лазерного гетеродинирования, с успехом примененного недавно в астрономических исследованиях. Инфракрасное излучение астрономического объекта проходит через кристалл ниобата лития или тиоарсенида серебра, который одновременно облучается лазером, работающим в видимом диапазоне. Названные кристаллы обладают нелинейными оптическими свойствами, поэтому в них происходит модуляция одного луча другим, и выходной сигнал представляет собой видимый свет, промодулированный частотой ИК-излучення от астрономического источника. Это позволяет использовать для ИК-излучения обычные методы регистрации, применяемые для видимого света, а также получать заметное усиление сигнала.

Воодушевленные такими результатами, специалисты фирмы КОШМАР пытаются создать специальные очки на основе кристаллов ниобата лития. Чтобы излучение лазера не попадало в глаз, потребуются тщательная фильтрация его и строгое согласование фаз излучения. Однако эти сложности вполне оправданны: в результате ИК-излучение, модулирующее несущий сигнал видимого диапазона, сможет пройти через глаз и достигнуть сетчатки. Там сигнал будет продетектирован благодаря общей нелинейности характеристики зрительной чувствительности, и инфракрасное излучение станет видимым: самые обычные объекты предстанут в совершенно новых, немыслимых красках. Дело в том, что немногие химические соединения имеют видимую окраску; однако почти все вещества обладают специфическими спектральными характеристиками в ИК-диапазоне. Поэтому обладатель новых «инфраочков» получит способность различать химический состав по тонким оттенкам «инфрацвета». Соль, сахар, мел, мука будут иметь отчетливо различимую окраску; крепость джина и водки можно будет определить на глаз, так что разбавлять или подделывать продукты станет просто невозможно.

New Scientist, April 9, 1981


Вибротрамвай

Большинство транспортных средств нуждаются в амортизирующих подвесках, обеспечивающих плавность движения. Исключение составляют аппараты на воздушной подушке (АВП), но за мягкость хода им приходится расплачиваться необходимостью непрерывно перекачивать огромный объем воздуха. Поэтому Дедал пытается сконструировать новый вид транспорта, занимающий промежуточное положение между колесным транспортом и АВП. Машина Дедала (прототипом которой послужил вибро транспортер) имеет вместо колес особые полозья, или «башмаки», установленные по всей длине аппарата и совершающие быстрые вертикальные колебания, так что транспортное средство перемещается вперед как бы быстрыми короткими прыжками. Если башмаки будут достаточно упругими (например, сделанными из той замечательной резины, которая используется для изготовления детских мячиков), то потери энергии окажутся небольшими и мощность, затрачиваемая на передвижение, будет невелика.

Скорости нового транспорта, который можно рассматривать как логическое развитие принципа детской «палки-скакалки», не будут ограничены разрывающими шины центробежными силами; поступательное движение его обеспечивается за счет горизонтального перемещения полозьев в момент их касания поверхности дороги. Аналогичный принцип можно применить и для изменения направления движения, хотя наиболее эффективным будет, видимо, рельсовый вариант. Для торможения достаточно просто выключить вибраторы. Нагрузка на поверхность дороги не превысит обычную. Если выбрать частоту вибраций порядка нескольких сотен герц, то при каждом прыжке транспорт сможет преодолевать расстояние всего в несколько сантиметров; вначале Дедал рассчитывал, что такая частота вибраций окажется незаметной для пассажиров. Затем, однако, он сообразил, что из-за постоянной вибрации пассажиры не смогут удерживаться на сиденьях или стоять на полу — им придется беспомощно скользить, как на льду. Поэтому кузов вибровагона придется устанавливать на специальных амортизаторах, гасящих вибрации.

New Scientist, November 10, 1966


Из записной книжки Дедала

Допустим, что в опытном образце нашего транспортного средства вибрации будут осуществляться с частотой 50 Гц — обычной частотой промышленного переменного тока. (Быть может, эта частота несколько маловата, но зато она позволит нам использовать для испытаний какой-нибудь списанный трамвай). Тогда при каждом прыжке движения вверх и вниз займут по 0,01 с. За 0,01 с падающий предмет проходит путь h = 1/2gt2 = 1/2 × 10 × 0,012 = 5 × 10-4 м = 0,5 мм.

Это означает, что амплитуда колебаний вибраторов может быть совсем небольшой. Однако при такой амплитуде башмаки не смогут преодолевать неровности пути, превышающие 0,5 мм, поэтому для подобного транспорта больше всего подходит рельсовая колея. При каждом толчке вибраторы должны сообщать транспортному средству вертикальную скорость, равную

Если наш аппарат имеет массу 1 т (103 кг) и совершает 50 прыжков в секунду, то расход мощности составит Р = 0,5mv2f = 0,5 × 103 × 0,12 × 50 = 250 Вт. Это небольшая мощность, особенно если учесть, что значительная часть энергии будет экономиться благодаря упругой подвеске. Очевидно, что затраты энергии на удержание такого транспортного средства во «взвешенном» состоянии ничтожны по сравнению с затратами на его поступательное движение, причем их можно еще снизить, увеличив частоту вибраций.

Скорость. Для движения со скоростью 47 км/ч (13 м/с) при 50 прыжках в секунду за каждый прыжок необходимо покрывать расстояние в 13/50 = 0,26 м = 26 см. Считая, что вибраторы находятся в контакте с поверхностью в течение 10% продолжительности прыжка, находим, что горизонтальное перемещение вибратора должно составлять 2,6 см. Быть может, следует применить два типа вибраторов: вибраторы с малой амплитудой будут удерживать аппарат во «взвешенном» состоянии, а вибраторы с большой амплитудой — приводить его в движение. Можно также применить вибраторы одного типа, предусмотрев возможность изменения их угла наклона.


Млеко забвения

Дедал размышляет над тем удивительным фактом, что память человека хранит все события его жизни. Гипнотизер может вызвать воспоминания о давно забытых детских переживаниях. Это значит, что мозг, подобно отъявленному бюрократу, собирает в своем «архиве» абсолютно все — просто на всякий случай. Проводя аналогию с ЭВМ, можно заключить, что незанятый объем памяти постоянно уменьшается. С возрастом информация начинает откладываться там, где должна производиться ее обработка, поэтому сила воображения и способность мыслить постепенно ослабевают. Когда же память заполняется до предела, считает Дедал, человек умирает. Старики, которые помнят события далекого прошлого, но забывают, что было вчера, явно пытаются отдалить свой конец, отказываясь запоминать новую информацию.

Дедал вспоминает, что основу механизма памяти, как и всех прочих функций человеческого мозга, составляют так называемые синапсы — области контактов нейронов друг с другом и с клетками исполнительных органов. Сигнал, передаваемый от клетки к клетке, имеет химическую природу. По команде нейрона соответствующее нервное окончание выделяет особое химическое вещество-передатчик, которое вызывает генерацию нервного импульса в другой клетке. Новые нервные импульсы, распространяясь по нервным волокнам, вызывают в свою очередь возбуждение все новых нервных клеток. Механизм действия транквилизаторов обычно состоит в том, что молекулы этих веществ блокируют действие веществ-передатчиков; некоторые такие лекарства оказывают нежелательное побочное действие на память. Предлагаемое Дедалом средство против старческого маразма — «млеко забвения» — содержит молекулы, которые по своему действию напоминают молекулы транквилизаторов, но обладают гораздо более высокой активностью и не просто временно блокируют специфические рецепторные участки, а полностью выводят из строя рецепторы, чувствительные к определенному веществу-передатчику. Это вызывает полное стирание отдельных участков памяти, и блокированный синапс может действовать снова, используя новое вещество-передатчик. (В мозге имеется много различных веществ-передатчиков, и каждый синапс, по-видимому, может использовать любое из них.) Жизненно важная информация многократно дублируется и в различных видах хранится в разных отделах мозга. Поэтому «млеко забвения» не уничтожит основных знаний, приобретенных человеком, хотя и будет производить сразу после приема ошеломляющее действие. Забудется только всевозможная чепуха, бесполезно загружающая нашу память. Так что человек до самого последнего мгновения своей жнзни будет, как говорится, оставаться в здравом уме и полной памяти.

New Scientist, May 10, 1979


Из записной книжки Дедала

Предположим, что мозг, как большинство ЭВМ, запоминает как программы, так и информацию в одном и том же виде и в одном и том же блоке. В таком случае чем больший объем занимает информация, тем меньше места остается для программирования и обработки. Очевидно, что рано или поздно наступает момент, когда мозг перестает справляться с накопленной информацией.


Следствия из теории Дедала

а. Избыток новых впечатлений в старческом возрасте может быть губительным. Старики нередко умирают, когда в их жизни происходит крутой перелом: смерть супруга, выход на пенсию, помещение в дом престарелых и т. п. Быть может, забывчивость и старческое слабоумие играют в таких случаях роль защитных факторов.

б. Согласно одной любопытной гипотезе, во сне происходит кодирование и упорядочение полученной за день информации таким образом, чтобы она занимала возможно меньший объем памяти. Люди, лишенные сна, становятся раздражительными и рассеянными — нельзя ли здесь провести аналогию со старческим маразмом? Интересно, что скажут по этому поводу психологи.

в. Весь лечебный эффект терапии электрошоком (ТЭШ) может заключаться в том, что эта процедура приводит к потере памяти. Удар электрического тока «отбивает» целые участки памяти и освобождает место для обработки информации. Известно, что важная информация продублирована в различных участках мозга (достаточно вспомнить опыты, в которых крысы, обученные ориентироваться в лабиринте, не теряли этой способности, когда у них удаляли тот или иной отдельный участок мозга). А всякий вздор, вроде меню прошлогодних завтраков, хранится, по-видимому, в каком-то одном месте. Поэтому электрошок освобождает память в основном от ненужных мелочей, хотя иногда он приводит к поражению одновременно всех участков мозга, содержащих какую-то важную информацию; в таком случае у пациента наблюдаются провалы в памяти.

Можно ли придумать лучшее средство для «очистки» памяти, чем электрошок? По всей видимости, нейрофизиологи считают, что память кодируется в синапсах, где аксон передающей клетки прилегает к телу приемного нейрона. Информация кодируется как вероятность того, что импульс от передающей клетки приведет в конечном счете к возбуждению приемной клетки. Синапс можно привести в состояние готовности к повторной записи информации, если заблокировать действие конкретного вещества-передатчика, используемого в данном синапсе для передачи возбуждения, — тогда синапс воспользуется другим веществом-передатчиком. Больше всего для такого блокирования подошла бы молекула, подобная молекуле-передатчику, которая способна занимать соответствующие рецепторы и блокировать их. Так мы могли бы избирательно выводить из строя определенное вещество-передатчик, а не весь мозг, как при электрошоке.

Случайная мысль. Считается, что действие транквилизаторов основано на блокировании действия определенных веществ-передатчиков. Поскольку транквилизаторы подавляют эмоции, не нарушая при этом процессов восприятия или мышления, можно предположить, что мозг кодирует различные категории информации (заботы, факты, убеждения и т. п.) с помощью различных веществ-передатчиков. Если это действительно так и если за хранение тривиальной информации несет ответственность какое-то одно вещество, можно было бы совершенно избирательно стирать малоценную информацию, блокируя действие именно этого вещества-передатчика. Мысль, конечно, чересчур смелая, но замечательная!


Поверхностные свойства мусора

Недавние советские эксперименты по сварке металлов в открытом космосе, навели Дедала на интересную мысль. В условиях земной атмосферы любые поверхности твердых тел покрыты адсорбционным слоем слабосвязанных молекул воды и различных газов. В космическом же вакууме эти молекулы испаряются и абсолютно чистые поверхности могут быть приведены в плотный контакт друг с другом на молекулярном уровне. Поскольку силы притяжения, действующие между молекулами твердых тел, очень велики (именно поэтому эти тела «твердые»), достаточно плотно сжать чистые поверхности, чтобы они намертво «прикреплялись». В первых космических аппаратах нередко случались отказы реле, подшипников и других элементов из-за самопроизвольного «сваривания» подвижных частей. Как-то раз Дедал наблюдал за работой мусорной машины, прессующей мусор в кузове, и понял, что мусор не соединяется в монолитную массу только потому, что поверхности отдельных предметов загрязнены. Вначале Дедал носился с идеей орбитального мусорного пресса, но затем поставил перед специалистами по композитным материалам фирмы КОШМАР задачу по созданию аппарата для вакуумной обработки мусора. Процесс этот чрезвычайно прост. Мусор поступает в зону высокого вакуума, где из него удаляются все газы и жидкости, так что каждый предмет становится абсолютно сухим и чистым. После этого весь мусор — битое стекло, обезвоженные окурки, сухие картофельные очистки и прочая дряиь — прессуется в вакууме под давлением, обеспечивающим пластичное течение и сваривание всей массы. Сломанный будильник сварится с перегоревшей лампочкой, диванная подушка соединится с консервной банкой, и в конечном счете получится прочная плита, о скромном происхождении которой можно будет лишь догадываться по сюрреалистическому узору на ее поверхности.

«Хламплиты» фирмы КОШМАР, несомненно, быстро завоюют популярность. Благодаря своей спайной микроструктуре они будут обладать огромной прочностью и упругостью, а их дешевизна и богато орнаментированная поверхность обеспечат им широкий сбыт. Отслужив же свое, такая плита вновь отправится на переработку.

New Scientist, November 20, 1969


Комментарий Дедала

В номере от 12 июля 1973 г. New Scientist сообщил, что сотрудники лаборатории фирмы «Уоррен спринг» разработали метод переработки металлического и пластмассового утиля в прочный, легкий и водостойкий материал, напоминающий древесностружечную плиту. Этот материал, прототипом которого несомненно послужила «хламплита» фирмы КОШМАР, предназначен для изготовления тары, кровельных работ и т. д. Желаю новому материалу успеха!

Большинство металлов активно реагируют с кислородом даже при комнатной температуре. Обычно мы не замечаем этого, поскольку металлическая поверхность быстро покрывается тонкой оксидной пленкой, препятствующей дальнейшему окислению. Этот процесс, по сути, является поверхностным горением, которое сопровождается выделением определенного количества тепла. Но в тонко измельченном порошке практически весь металл находится на поверхности. На воздухе он мгновенно окисляется и полностью сгорает. Такие самовоспламеняющиеся металлические порошки (пирофоры, как называют их химики) должны храниться под слоем жидкости или в атмосфере инертного газа. Горение — настолько универсальная и обычная реакция, что Дедал вначале решил, будто любое вещество станет пирофором, если его достаточно тонко измельчить, но затем вспомнил, что, хотя уголь и бензин окисляются до углекислого газа, тонко измельченный уголь способен самовоспламеняться (что иногда представляет реальную опасность), а мелко распыленный бензин — нет. По мнению Дедала, молекулы кислорода не успевают «зацепиться» за молекулы жидкости, находящиеся в постоянном движении; твердая же поверхность изобилует адсорбционными центрами. Поэтому все горючие твердые вещества должны давать пирофорные порошки. Это подсказывает изящное решение сразу двух проблем: уничтожения отходов и экономии энергии. Почти весь мусор — обломки пластмассы, картофельные очистки, спитой чай, пивные жестянки, металлолом, пожалуй, кроме стекла и фарфора, — горит. Трудно только сжигать его с пользой. Поэтому вместо того, чтобы нагревать мусор в печах, специалисты фирмы КОШМАР замораживают его в жидком азоте и размалывают в тончайший пирофорный порошок. Этот порошок станет замечательным новым источником энергии. Его можно хранить в азоте и перекачивать по трубам в струе этого газа. А смешиваясь в топке с воздухом, порошок будет самовоспламеняться и гореть. Мешочки с таким порошком заменят спички и зажигалки. Дедал также намеревается выпустить сигареты, которые прикуриваются сами, когда с их кончика снимают воздухонепроницаемую обертку (его прежнее изобретение — сигареты, которыми нужно было чиркать о коробку, — так и не завоевали популярности). Можно также создать самоподогревающиеся консервы, туристские грелки, фальшфейеры и т. п. Очевидно, нетрудно создать и двигатель внутреннего сгорания, в котором пирофорный порошок непосредственно впрыскивается в цилиндры. Такой двигатель не нуждается в системе зажигания, хотя существует проблема абразивного износа цилиндров и возникают сложности с удалением твердых продуктов сгорания. Дедал надеется, однако, что зола окажется еще мельче, чем топливо, и будет лишь полировать внутреннюю поверхность цилиндра.

Промышленная переработка мусора в наши дни получила широкое распространение. В Москве, например, ежегодно перерабатывается больше миллиона тонн мусора (см. «Известия», № 129. 8 мая 1984 г.). — Прим. ред.

New Scientist, January 23, 1975

Прочная и плотная плита, скромное происхождение которой выдает лишь восхитительная фактура поверхности.


«Узловая» проблема Максвелла и Фарадея

«Силовые линии», придуманные Фарадеем, относятся к изящнейшим изобретениям человеческого ума. Эти элегантные абстракции идут от одного полюса магнита к другому, не обрываясь и не пересекаясь друг с другом, и ведут себя как взаимно отталкивающиеся упругие нити. Они позволяют получить полное качественное представление о свойствах магнитного поля, не прибегая к математическим выкладкам; Дедала же они наводят на мысль о возможном существовании магнитных полей совершенно необычной конфигурации. Дедал предлагает поставить опыт, основанный на известном фокусе — завязать узел на шнурке, не выпуская его концов из рук (нужно скрестить руки на груди, взять концы шнурка и развести руки в стороны). Дедал намерен намотать обмотку на стержень из гибкой магнитной резины и завязать ее узлом. Пропустив через катушку электрический ток, мы получим завязанный узлом соленоид. Если теперь расправить узел на магните, то узлом завяжутся магнитные силовые линии. (Возможно, обмотку придется заключить в сверхпроводящий экран, чтобы магнитные силовые линии не могли пройти сквозь материал магнита, но это усложнение не меняет существа дела.)

«Узловая» магнитная подвеска фирмы КОШМАР найдет много применений в быту, например, при сушке свежевыкрашенных металлических предметов.

Завязанное узлом магнитное поле представляет собой любопытную топологическую задачу. Основное свойство такого поля состоит в том, что магнитные силовые линии стремятся сократиться и затянуть узел туже. Но чем теснее они сближаются в узле, тем выше напряженность поля; в результате получается область «замкнутого» магнитного поля большой напряженности. Тем самым будет опровергнута теорема Эрншоу, согласно которой магнитное поле должно быть сильнее всего у полюсов создающего его магнита. Это даст возможность создать, наконец, весьма совершенные магнитные подвески: например, железный шарик, попавший в такое магнитное поле, не устремится к одному из полюсов магнита, а направится к узлу, где напряженность поля максимальна, и останется там. Этот принцип будет незаменим при создании точных приборов, кресел-качалок, автомобильных рессор и транспортных средств на магнитной подвеске. Кроме того, магнитные узлы будут сложным образом взаимодействовать с токонесущими проводниками, что позволит сконструировать электродвигатели, роторы которых движутся по замысловатым криволинейным траекториям. Наоборот, в плоском проводнике, пересекающем завязанные узлом силовые линии, должен наводиться завязанный узлом электрический ток. Правда, Дедал еще не придумал, как его можно использовать.

Еще интереснее проблема взаимодействия нескольких узлов магнитного поля. В области, где силовые линии близко подходят друг к другу, узел должен вести себя как небольшой отрезок токонесущего проводника, т. е. как электрический диполь. Поэтому узлы должны притягиваться друг к другу подобно диполям. Этот эффект будет компенсироваться отталкиванием магнитных силовых линий вне узлов, однако есть шанс, что из отдельных узлов все же удастся получить нечто вроде «магнитного трикотажа».

Более всего, однако, Дедала занимает вопрос, что произойдет с магнитным узлом при выключении тока. Обычные силовые линии при этом стягиваются в точку и исчезают. Дедал не уверен, что с узлом произойдет то же самое. Вероятнее всего, узел стянется в единичный квант энергии электромагнитного поля. Не получится ли при этом кварк?

New Scientist, October 5, 1967


До чего может довести жжение в желудке

Дедал размышляет над тем странным фактом, что коровы, как и многие другие травоядные, вырабатывают в пищеварительном тракте значительное количество метана. Сколько же метана должны были производить травоядные динозавры? Дедал выдвигает гипотезу, что гибель динозавров произошла в тот период, когда содержание кислорода в воздухе достигло того уровня, при котором он, соединяясь с метаном в желудке динозавров, образовывал взрывоопасную смесь. Так что жизнь динозавров оканчивалась не тихим последним вздохом, а оглушительным взрывом. Но если эволюция толкает по тому же пути безобидных коров, то в этом должен быть какой-то скрытый смысл. Поэтому Дедал пытается ускорить эволюционной процесс. Он отбирает самых продуктивных телят и держит их на диете, богатой клетчаткой (например, на старых газетах). В поисках естественного способа зажигания Дедал вспоминает о блуждающих огоньках на болотах. Считают, что эти огоньки возникают в результате биологического разложения богатых фосфором органических остатков, при котором выделяется самовоспламеняющийся газ. Соответственно Дедал включает в рацион коров богатую фосфором рыбную муку. Ближайшей целью проводимой Дедалом селекционной работы является выведение породы коров, способных издавать взрывоподобные звуки из глотки, похожие на те, что производят ацетиленовые хлопушки для отпугивания птиц. Оглушительное мычание позволит животным, далеко отбившимся от стада, не терять с ним связи, а также послужит защитой от хищных животных. Если к тому же при взрыве из глотки будет со смертоносной силой вылетать жвачка, то коровы Дедала станут первыми животными, обладающими «огнестрельным» защитным механизмом. Такие суперкоровы смогут осваивать самые дикие джунгли, открывая новые перспективы для развития животноводства. Правда, особо агрессивные животные будут представлять немалую опасность для ковбоев. Дальнейшая эволюция, возможно, приведет к появлению сверхскоростных реактивных коров, хотя Дедал не уверен, что коровы способны приспособиться к движению задом наперед. В конце концов, должен же появиться огнедышащий дракон — подлинный Змей Горыныч.

New Scientist, May 13, 1972


Комментарий Дедала

Известные случаи с факирами-огнеглотателями подтверждают, что взрыв газа в небольшом объеме (во рту или в желудке) не приводит к серьезным травмам. Однако мое замечание о «реактивных коровах» было неполным. Дело в том, что метан выделяется у коров наружу не только при отрыжке. Стивен Пайл в своей «Книге героических провалов» (The Book of Heroic Failures, Routledge and Kegan Paul, 1979) приводит газетную заметку, датированную августом 1977 г., в которой рассказывается о голландском ветеринаре: «Чтобы исследовать газы, он вставил газоотводную трубку с того конца коровы, где она не мычит, и чиркнул спичкой. Струя пламени попала вначале на охапку сена, затем огонь перекинулся на всю ферму, причинив убытки на 45 тыс. фунт, стерлингов. Корова же отделалась легким испугом.

Из миллиона известных науке животных более 250 тыс. приходится на жуков. Должно быть, у Природы с жуками связаны какие-то свои честолюбивые эволюционные планы. Дедал стал внимательно присматриваться к сонмищу жуков и был заинтригован защитными артиллерийскими способностями жука-бомбардира (Brachynus explodens). Этот жук вырабатывает крепкий раствор перекиси водорода, а в отдельной полости накапливает фермент каталазу, который является катализатором разложения перекиси водорода на водяной пар и кислород. В случае опасности жук смешивает эти два вещества в «камере сгорания» и с громким хлопком выстреливает кипящую жидкость в своего обидчика. Хотя отдача при этом невелика, Дедал не может отделаться от мысли, что жуку-бомбардиру было предначертано создать в ходе эволюции автономный реактивный двигатель. Немаловажен тот факт, что жук использует перекись водорода — топливо многих современных ракет. Если бы жуку просто потребовалось найти способ быстро уходить от преследования, то гораздо более экономичным было бы «создание» воздушно-реактивного двигателя. Перекись же водорода нужна только для полетов в безвоздушном пространстве. Многие жуки могут длительное время существовать при низких давлениях и в отсутствие кислорода, они также не боятся значительных перепадов температуры. К тому же для маленького легкого жучка вход в плотные слои атмосферы гораздо менее опасен, чем для многотонного космического корабля. В связи с этим Дедал начал проводить в жизнь новую «космическую программу», основой которой является селекционный отбор жуков-бомбардиров для ускорения их естественной эволюции. Тщательный выбор наиболее яростных «артиллеристов» в каждом поколении позволит вскоре вывести жуков, развивающих значительную реактивную тягу. Дедал также пытается развить в жуках паразитическую наклонность селиться на птицах, которые таким образом будут служить как бы первой ступенью при взлете. Для связи с жуками и телеметрической передачи информации изучается феномен телепатического общения между общественными насекомыми, такими, как пчелы или муравьи.

New Scientist, August 5, 1971


Комментарий Дедала

В своем письме в наш журнал проф. Дж. Ф. Аллен из университета в Сеит-Эндрюс критиковал мою теорию космических жуков. Он утверждает, что даже органическая молекула должна разрушаться при входе в атмосферу, так что у жука нет никаких шансов. Однако проф. Фред Хойл и Ш. Викрамсинг считают (New Scientist, Sept. 28, 1978, p. 946), что по крайней мере вирусы могут выдерживать вход в атмосферу, и предполагают, что такие космические вирусы являются причиной земных эпидемий. Более того, они утверждают даже, что многие космические пылинки являются бактериальными «спорами», путешествующими от планеты к планете. Я думаю, что эволюция вполне могла бы выработать для космических жуков подходящую защиту: вход в атмосферу по скользящей траектории с периодами радиационного охлаждения, использование внешнего скелета в качестве теплозащитного экрана, попадание в атмосферу внутри метеоритов и т. д. И если жуки, как предполагает Дедал, являются первичной формой жизни, из которой развились все остальные живые существа, то вполне понятно, почему их так много!


Источник: Дэвид Джоунс, «Изобретения Дедала», издательство "Мир", 1985г.






Устали? - Отдыхаем!

Вверх