Журнал "Компьютерра" N733 - Журнал Компьютерра

Релятивистская теория гравитации, или общая теория относительности, была опубликована Эйнштейном в 1916 году. И уже спустя три года знаменитый астроном Артур Эддингтон (Arthur Eddington) с ее помощью прекрасно объяснил слабое отклонение света далеких звезд, вызванное искривлением пространства массой Солнца. С тех пор вытекающий из общей теории относительности эффект гравитационного линзирования и ряд других эффектов вроде излучения гравитационных волн любой массой, движущейся с ускорением, неоднократно подтверждались в экспериментах. Впрочем, несмотря на титанические усилия, сами гравитационные волны до сих пор не обнаружены. Есть и ряд других нерешенных проблем и противоречий.

Из общей теории относительности следует существование черных дыр. Но в окрестностях черных дыр гравитационные поля достигают колоссальной силы, а как раз в условиях сильных полей теория относительности пока не проверялась. Все проверки проводились лишь для слабых гравитационных полей.

Пробел помог заполнить квазар OJ287 - система, предположительно образованная двумя черными дырами. Этот квазар дает пару ярких вспышек видимого света примерно каждые двенадцать лет. Ученые предположили, что квазар состоит из гигантской черной дыры с массой в 18 млрд. раз больше солнечной, вокруг которой вращается вторая черная дыра, в двести раз легче первой. Вторая дыра дважды за период обращения пересекает диск из вещества, втягиваемого в основную дыру, что и приводит к ярким вспышкам света.

Подробная модель двойной системы с аккуратным учетом всех эффектов предсказывала, что следующая вспышка должна была произойти 13 сентября прошлого года плюс-минус два дня. Беда в том, что в те дни квазар становился доступен для наблюдения всего лишь за полчаса до восхода солнца, которое делало небо слишком ярким для наблюдений. Поэтому к проекту пришлось привлечь 25 астрономов из десяти стран (от Японии и до Канарских островов), следивших за квазаром последовательно.

Вспышка была зарегистрирована строго по расписанию. Измерения показали, что орбита второй черной дыры прецессирует со скоростью 39 градусов за период. Для сравнения: тот же эффект у Меркурия составляет менее одной десятой градуса за столетие. Кроме того, модель предполагает, что квазар постоянно теряет энергию за счет излучения гравитационных волн, причем он является одним из самых сильных их источников из ныне известных. Если бы в модели не учитывалось гравитационное излучение, вспышка произошла бы на двадцать дней позже. Это хорошее косвенное подтверждение существования гравитационных волн. И будем надеяться, что прямую регистрацию волн гравитации наконец удастся осуществить с помощью космического лазерного интерферометра LISA в 2016-19 годах во время очередной вспышки квазара. ГА

Химикам из Кембриджского университета впервые удалось детально разобраться в межатомных взаимодействиях, которые происходят при перезаписи информации на DVD-дисках и в других устройствах памяти на основе материалов, меняющих фазовое состояние.

Ученые исследовали несколько GST-материалов (их молекулы состоят из атомов германия, сурьмы и теллура - например, Ge2Sb2Te5), способных быстро менять структуру, переходя из аморфного состояния в кристаллическое и наоборот. Структура меняется в результате нагрева импульсами лазера или электрического тока подходящей формы с последующим остыванием. В аморфном состоянии у GST-материалов гораздо меньше свободных электронов, чем у кристаллов, что сказывается на их электропроводности и оптических свойствах. Изменение этих свойств позволяет легко считывать записанную информацию. При быстром охлаждении атомы вещества не успевают "построиться", и материал остается аморфным, а если у атомов для этого достаточно времени, то получается кристалл.

Несмотря на большое количество приближенных расчетов, теоретических и экспериментальных исследований, до сих пор оставалось неясным, как именно происходит изменение фазового состояния таких материалов и почему этот процесс быстр и обратим. Изменения происходят стремительно - за время около наносекунды и в объемах с размерами около десяти нанометров, что сильно затрудняет их исследование.

Выручили компьютерные расчеты методом квантовой молекулярной динамики, которые велись, что называется, "из первых принципов", подробно описывая взаимодействия между всеми атомами и их электронами. Удалось полностью просчитать процесс фазовых превращений во время циклов чтения-записи. Как материал нагревается, плавится, а затем остывает и становится аморфным или кристаллическим в зависимости от скорости процесса. Расчеты показали, что при остывании Ge2Sb2Te5 формируется множество квадратных атомных циклов, которые сохраняются в аморфной фазе и становятся центрами роста и основой кристаллов. Часть из этих циклов остается и в не слишком перегретом расплаве. Собственно, ими и объясняется высокая скорость фазовых превращений.

Теперь у ученых есть мощный вычислительный инструмент для создания новых разновидностей GST-материалов. Нетрудно посмотреть, что изменится, если, например, один тип атомов поменять на другой, добавить какие-нибудь примеси или изменить параметры нагрева. Экспериментаторы надеются, что вскоре им удастся найти новые составы для более быстрых и надежных DVD-дисков и новых типов памяти с произвольным доступом, которые, возможно, окажут конкуренцию флэшкам. ГА

"Сборная команда" испанских, австрийских и швейцарских ученых изготовила оригинальный монотрубный движитель из углеродной нанотрубки. Устройство, способное перемещать груз на расстояние до 800 нм, возможно, найдет применение в различных наномашинах.

Чтобы изготовить похожую на канатную дорогу машину, ученые сначала натянули толстую многослойную нанотрубку длиной 1500 нм между краями канавки кремниевого чипа. Затем с помощью техники электрического пробоя несколько внешних слоев углерода были удалены с большей части нанотрубки. В результате осталась короткая муфта, способная свободно вращаться и перемещаться вдоль трубки взад и вперед. К этой муфте был прикреплен "полезный груз" в виде золотой чешуйки.

Чтобы заставить муфту двигаться, к концам трубки прикладывали напряжение разной полярности. Предполагалось, что благодаря электрическому взаимодействию расположенных по спирали атомов углерода на нанотрубке и муфте, последняя сможет накручиваться в том или ином направлении в зависимости от того, в каком направлении по трубке течет ток. Но вопреки ожиданиям муфта всегда сдвигалась только от центра трубки к ее краю, а частичка золота даже иногда слегка плавилась. Анализ показал, что скорее всего муфту к краю трубки толкают фононы - кванты тепловых колебаний кристаллической решетки. Электрический ток просто нагревает нанотрубку до высокой температуры. Максимум температуры приходится на ее центр, поскольку с закрепленных краев тепло стекает в чип. Поток тепла от центра к краям и увлекает за собой муфту с золотым грузом.

Впрочем, гипотезу о тепловой природе движения муфты еще предстоит проверить. Для этого в новом варианте устройства нагрев можно будет обеспечить с любого из краев нанотрубки, что должно привести к перемещению груза в нужную сторону от горячего края к холодному. ГА

Вполне вероятно, что нарождающаяся отрасль космического туризма будет не прогрессировать, а деградировать. Радостных вестей из стана частных извозчиков давненько не поступало, так что не исключено, что все заявленные сроки начала регулярных рейсов будут дружно провалены.

Немного радости остается и тем, кто готов платить миллионы России за визит на МКС. По словам главы Роскосмоса Анатолия Перминова, с 2010 года с полетами за деньги возникнут серьезные трудности. Во-первых, американские шаттлы будут списаны и прекратят наносить визиты на орбиту. А во-вторых, запланировано расширить экипаж МКС с трех человек до шести. Так как все проблемы с доставкой людей на МКС лягут на плечи России, то туристам места не остается.

Впрочем, лазейка есть. Одержимые космосом миллиардеры все-таки имеют шанс на воплощение своей мечты. В Роскосмосе считают, что для этого нужно просто-напросто купить корабль "Союз" целиком, оплатив весь производственный и эксплуатационный цикл - от создания аппарата до его возвращения на Землю. А уж профессиональный пилот, который поможет туристу взлететь и приземлиться, всегда найдется. Учитывая, что "Союз" рассчитан на экипаж из трех человек, можно ожидать, что ежели покупатели найдутся, то летать они будут по двое, разделив пополам и корабль, и траты на него.

Представители Роскосмоса уверены, что Россия способна строить "Союзов" больше, чем того требует поддержка программы МКС, были бы деньги. Предполагается, что среди покупателей найдутся не только богатые мечтатели, но и целые государства, которые хотели бы видеть своих граждан на борту МКС. АБ