Тотальная визуализация / Наука / Независимая газета
Электронный микроскоп – главный прибор в современной физической лаборатории. Андрей Аржанников – декан физфака Новосибирского государственного университета.
Фото автора
Физики из Токийского университета сфотографировали┘ пустоту. Даже, – если уж совсем переходить на язык метафор, а по-иному, без метафор, здесь не обойтись, – квант пустоты. То есть, конечно, они так не говорят. В информационных сообщениях все выглядит вполне строго научно: «Группа специалистов Токийского университета сумела впервые в истории сфотографировать отдельный атом водорода – самый легкий и самый маленький из всех атомов».
Проще атома водорода вроде бы природа ничего не создала. Ядро, роль которого играет положительно заряженная элементарная частица – протон, а вокруг «размыт» по орбите отрицательно заряженный электрон. Все. Просто дело в том, что атом водорода на 99,99% состоит из «пустоты».
Диаметр атома водорода примерно 10–8 см, размеры ядра – 10–13 см. Существует очень красивая аналогия, чтобы почувствовать – опять метафоры! – что из себя представляет эта конструкция. Представьте себе, что электрон вращается вокруг шпиля Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова с диаметром орбиты вращения 1 км. Тогда размеры ядра атома на шпиле – не более горошины.
До сих пор считалось, что сфотографировать атом водорода нет никакой технической и технологической возможности. Недаром в современных учебных пособиях для студентов можно прочитать, что «┘атомы лежат за пределами нашего восприятия, их нельзя ни увидеть, ни услышать. Атомистические представления не могут возникнуть и из мифа, поскольку миф всегда использует наглядные образы» (Б.В.Булюбаш. История естествознания. От античности до Ньютона. Н.Новгород, 2007). Все так. Но вот японцы все-таки умудрились сфотографировать (визуализировать) эту самую пустоту.
Японцы, конечно, молодцы, «зажигают», что называется! Исследователи во главе с профессором Юити Икухарой сообщили, что ими был использован принципиально новый сканирующий электронный микроскоп, передает ИТАР-ТАСС.
«Теперь мы можем увидеть все атомы, из которых состоит наш мир, – заявил профессор Икухара. – Это прорыв к новым формам производства, когда в будущем можно будет принимать решения на уровне отдельных атомов и молекул».
Как будто специально к этому случаю были написаны еще в 1962 году строчки Иосифа Бродского:
Он черен был, как ночь, как
пустота.
Так черен, как внутри себя
игла.
Достижение, фотографирование атома водорода, потрясающее само по себе и с научной, и с технической точки зрения, важно еще и в мировоззренческом плане. Выдающийся физик Лев Ландау высказался однажды в том смысле, что современный теоретик может математически описать явление, которое он ни разу в жизни не видел и представить себе не мог. А вот теперь мы можем сначала увидеть и даже сфотографировать явление, затем представить его, а потом уже объяснить математически.
Фактически японцы устроили праздник на улице древнего грека Демокрита (460–370 до н.
э.), одного из создателей атомистического учения. Это вам не какие-то загадочные треки – следы от элементарных частиц в пузырьковой камере или в детекторах Большого адронного коллайдера. Самих-то элементарных частиц никто и никогда не видел! Недаром эллины не различали понятий «видеть» и «знать». Опять же не случайно, что в математике самого известного древнего грека, Пифагора, отсутствовало понятие (и знак) «ноль» – то, чего нет, того нельзя и увидеть, а следовательно, и не существует…
Теперь мы все можем выдохнуть: атом водорода существует! Он даже сфотографирован. Вот он, смотрите! Другой поэт, Андрей Вознесенский, эту вдруг вспыхнувшую в конце XIX – начале XX века тягу человечества к тотальной визуализации мира назвал тоже очень образно – «Видеотизм нашей жизни». После почти шести веков господства левополушарного, аналитического мышления, господства, связанного с возникновением книгопечатания (за чтение и понимание текста отвечает как раз левое полушарие мозга) начался реванш правополушарного мира (правое полушарие мозга связано с обработкой образов).
Водородная фотосессия – апофеоз на сегодняшний день этого глобального процесса. Водорода в нашей Вселенной много – на его долю приходится более 90% всех атомов вообще. Как выглядит атом самого распространенного элемента – теперь знаем, видели (см. фото в анонсе на стр. 9). А это значит, между прочим, что скоро начнется и народное «водородное мифотворчество».
Кстати, по мнению академика Павла Симонова, актуальное состояние мифотворчества имеет психофизиологические аналогии с состоянием гипноза. При этом в ряде исследований было показано, что по мере гипнотизации человека у него нарастает электрическая активность именно правого полушария, которое начинает преобладать над активностью левого.
Так наука, рожденная из мифа, сама порождает миф и начинает искать новые объекты для исследования.
Впервые в истории мы глубоко вглядываемся в атом водорода
Кто бы мог подумать несколько десятилетий назад, что мы сможем сфотографировать атом водорода? Учитывая то, что мы знаем о квантовой механике, вся концепция была бы отвергнута как абсурдная.
Но в этом творческом тандеме, где сливаются наука и техника, могут происходить чудеса. Казалось бы, невозможное может стать реальностью, и именно это и произошло в 2013 году, когда международная группа ученых успешно сфотографировала атом водорода во всей его простой, но возвышенной красе.
Об этом удивительном подвиге было объявлено в выпуске Physical Review Letters от 24 мая 2013 года. Это было достигнуто группой из девяти ученых, связанных с университетами и физическими институтами Германии, Нидерландов, Франции, Греции и США. Для выполнения этой задачи они разработали новый тип наблюдательного устройства, известного как «квантовый микроскоп». Это оборудование и эксперименты, которые оно позволяет, позволяют физикам заглянуть в субатомное царство, не нарушая его и не изменяя его природу.
Обычные микроскопы увеличивают микроорганизмы или другие объекты, которые слишком малы, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом. Как правило, чем мощнее микроскоп, тем меньше объект или форма жизни, которую можно увидеть.
Но дальше определенной точки мы не можем спускаться дальше. Квантовая физика запрещает визуальное исследование чрезвычайно малого, поскольку сама попытка заглянуть в субатомное царство формирует его реальность.
Электроны имеют двойственную природу, будучи частицей и волной. Если вы попытаетесь наблюдать волновую функцию, электрон переключится в режим частицы, и наоборот. Эта неопределенность придает электронам нечеткий характер и делает их недоступными для исследования световых частиц (фотонов).
Но в квантовых процессах есть предсказуемость, которая оставляет дверь приоткрытой, хоть и чуть-чуть. Мы не можем быть точно уверены, где будет находиться электрон, или знать, как он будет вести себя, вращаясь вокруг ядра, но мы можем определить места, где он не будет находиться. Что касается электронов, узел — это место, где существует нулевая вероятность обнаружения электрона, и раскрытие узловой структуры электрона помогает выявить, где он на самом деле находится, пока он остается в волнообразном состоянии.
Задача состояла в том, чтобы манипулировать поведением электрона таким образом, чтобы его можно было использовать для создания изображений. Именно к этому стремилась научная группа, изучающая атом водорода, и в конце концов они придумали, как это сделать.
Особый метод, который они использовали для создания своего квантового микроскопа, известен как фотоионизационная микроскопия. Ученые знали о существовании этой технологии более 30 лет, но потребовалось немало времени, чтобы выяснить, как ее можно использовать для создания реалистичного изображения атома водорода, поскольку он действительно существовал на момент создания изображения. .
Недавно разработанный «квантовый микроскоп» непосредственно наблюдает за электронными орбиталями атома водорода, используя фотоионизацию и электростатическую увеличительную линзу. У них есть только один электрон, вращающийся вокруг ядра, содержащего один протон. Приблизительно 75 процентов вещества, которое мы наблюдаем во Вселенной, — это водород, и большая его часть содержится в звездах, межзвездных облаках и газе.
Когда мы заглядываем внутрь атома водорода, мы буквально смотрим в самое сердце Вселенной. Водород — это материал, из которого сделано почти все, что тем более примечательно, учитывая, насколько простым кажется атом водорода.
Когда группа из Нидерландов и Германии получила первые изображения атома водорода, сюрпризов не было, что само по себе неудивительно, поскольку никаких сюрпризов не ожидалось. Квантовая физика во многом загадочна и нелогична, и она постулирует существование мира, в котором материя и сознание кажутся неразрывно переплетенными. Но, несмотря на ауру Алисы в Стране Чудес квантовой физики и нечеткость, которую она встраивает в самое ядро реальности, это по-прежнему самая экспериментально подтвержденная теория во всей науке.
Следовательно, когда исследователи получили первое в истории изображение атома водорода, они увидели именно то, что ожидали. Волновая функция электрона (орбита электрона) и его узловая структура проявляются в виде пары колец, вращающихся вокруг ядра атома (его протонного ядра).
Они отображались на экране детектора в результате интерференционных картин, возникающих при возбуждении атома лазером. Эти интерференционные картины отделяют места, где электрон может быть, от мест, где его быть не может (узлы), что позволяет воспроизводить волновую функцию в виде визуального изображения.
Здесь замешан какой-то обман. Смотреть непосредственно на атом водорода остается невозможным. Но изображение, полученное из интерференционных картин, является идеальным представлением реальности, и его точная точность делает «фотографирование» атома водорода замечательным достижением.
«То, что вы видите на детекторе, — это то, что существует в атоме», — говорит Марк Враккинг из Института Макса Борна в Берлине, который был одним из ведущих ученых в этом исследовании. «Если вы посмотрите на измеренные проекции на детекторе, вы сможете легко распознать узлы и увидеть их радиальную кольцеобразную структуру».
Следующая остановка: гелий
Гелий — второй по распространенности элемент во Вселенной.
Он составляет около 23 процентов существующей материи. Это также второй простейший атом с двумя электронами, двумя протонами и одним или двумя нейтронами. Как второй элемент периодической таблицы он был логическим кандидатом на следующую попытку «сфотографировать» атом.
В 2014 году команда Амстердам-Берлин смогла воссоздать свои первоначальные экспериментальные результаты с атомом гелия. И снова они создали изображения, соответствующие внешнему виду реального атома в реальной жизни.
При воздействии на гелий электрических зарядов было замечено, что он переключается между двумя состояниями. В одном состоянии два его электрона проявляли коррелированное или скоординированное поведение, что придавало ему эмерджентное свойство, отсутствующее в атоме водорода.
«Хотя один из электронов гелия очень сильно связан с ядром, а другой очень сильно возбужден, мы можем видеть, что электроны знают о существовании друг друга и что они «разговаривают» друг с другом», — объясняет Враккинг.
.
В другом, менее возбужденном состоянии, электронные орбиты остаются отдельными, а атом функционирует подобно водороду.
Еще глубже?
Поскольку технологии продолжают развиваться, вероятно, будет создаваться все больше и больше изображений атомов и даже молекул. Возможно, в будущем ученые разработают схему для создания точных представлений о кварках или лептонах, фундаментальных строительных блоках, из которых формируются протоны, электроны и все элементы природы.
Это может показаться несбыточной мечтой. Но время и научный метод часто объединяются, чтобы расширить границы возможного далеко за пределы того, что ожидалось.
Верхнее изображение: Иллюстрация атома. Предоставлено: Ezume Images / Adobe Stock
Натан Фалде
Самое страшное зрелище: атомная бомбардировка Хиросимы | Национальный музей Второй мировой войны
Верхнее изображение: разрушенный центр города Хиросима, вдали виден купол Зала промышленного развития префектуры Хиросима.
Фото Национального архива.
К июлю 1945 года Германия капитулировала, и война в Европе закончилась. Япония, однако, отказалась подчиниться условиям, изложенным в Потсдамской декларации союзников. Американским лидерам казалось, что единственный способ заставить Японию безоговорочно капитулировать — это вторгнуться и завоевать родные японские острова. Хотя примерно 300 000 японских мирных жителей уже погибли от голода и бомбардировок, японское правительство не проявляло никаких признаков капитуляции. Вместо этого перехваты американской разведки показали, что ко 2 августа Япония уже разместила на острове Кюсю более 560 000 солдат и тысячи самолетов и катеров смертников для отражения ожидаемого американского вторжения в Японию. В дополнительных отчетах правильно предполагалось, что японские военные намеревались казнить всех американских военнопленных в Японии в случае высадки союзников. Эти пугающие цифры предвещали более дорогостоящее сражение для Соединенных Штатов, чем любое из предыдущих сражений во время войны.
Для сравнения, силы США пострадали 49 человек.000 жертв, в том числе 12 000 человек убитыми в бою, когда они столкнулись с менее чем 120 000 японских солдат во время битвы за остров Окинава с апреля по июнь 1945 года. довоенное население, также погибшее в кампании. Американские потери на Окинаве сильно повлияли на умы американских планировщиков, которые предвидели вторжение в Японию. Японские лидеры надеялись одержать победу, не разгромив американские войска, а нанеся огромные потери и тем самым сломив решимость американской общественности.
Именно с такой ситуацией столкнулся президент США Гарри С. Трумэн летом 1945 года, когда он санкционировал использование первой в мире атомной бомбы. В свете сообщений разведки о намерении Японии продолжать боевые действия Трумэн и его военные советники были полны решимости использовать все имеющиеся в их распоряжении виды оружия, чтобы немедленно положить конец войне. Следовательно, ни Трумэн, ни кто-либо из его советников никогда не обсуждали , если следует использовать атомные бомбы, только как и где они должны использоваться.
Весной 1945 года американское правительство созвало комитет ученых и военных, чтобы определить, как лучше всего использовать бомбы. Эта группа единогласно заявила, что нет никаких гарантий, что демонстрация бомб японцам в безлюдной местности убедит японских лидеров сдаться. Было жизненно важно убедить Японию сдаться как можно быстрее, потому что на 19 июля у Соединенных Штатов было всего две атомных бомбы.45, а дополнительное вооружение не будет готово к развертыванию еще несколько недель. Тем временем тысячи китайских, американских и японских солдат продолжали умирать каждый день, когда продолжалась война.
Следовательно, Трумэн одобрил давние планы ВВС США по сбросу атомных бомб на предварительно выбранный список японских городов. В список целей не вошли Токио и Киото из-за их политической и исторической важности. Вместо этого предполагаемой целью первой бомбы была Хиросима, веерообразный город с населением около 550 000 человек, который занимал устье реки Ота. В городе также располагался штаб японской армии, защищавшей остров Кюсю, а также ряд предприятий военной промышленности.
В 2:45 утра в понедельник, 6 августа 1945 года, три американских бомбардировщика B-29 509-й смешанной группы взлетели с аэродрома на тихоокеанском острове Тиниан, в 1500 милях к югу от Японии. Полковник Пол Тиббетс пилотировал головной бомбардировщик «Энола Гей» с ядерной бомбой по прозвищу «Малыш». Несмотря на название бомбы, она весила почти 10 000 фунтов. В результате перегруженный Enola Gay использовал более двух миль взлетно-посадочной полосы, чтобы подняться в воздух. В 7:15 утра экипаж бомбардировщика заложил бомбу, и самолет начал подъем на высоту бомбометания 31 000 футов.
B-29 Superfortress Enola Gay на острове Тиниан. Фото ВВС США.
Тем временем в Хиросиме преподобный Киёси Танимото проснулся в 5 утра по хиросимскому времени, что на час отставало от времени Тиниана. Танимото был пастором методистской церкви Хиросимы и «маленьким человеком, быстро говорящим, смеющимся и плачущим». Танимото был вдумчивым и осторожным человеком, который отправил свою жену и ребенка в относительную безопасность северного пригорода.
Танимото остался в городе, чтобы перевезти транспортабельные предметы из своей церкви в безопасное пригородное поместье. Он плохо спал из-за нескольких предупреждений о воздушном налете прошлой ночью. Хиросима еще не подверглась американской бомбардировке, но не ожидалось, что ее удача продлится долго. В то утро Танимото согласился помочь другу перевезти большой шкаф с одеждой в пригород. Когда двое мужчин тащили предмет мебели по улицам, они услышали, как сработала сирена воздушной тревоги. Тревога звучала каждое утро, когда над головой пролетали американские метеоропланы, так что мужчины особо не волновались. Они продолжили свой путь с ручной тележкой по улицам города. Когда пара достигла места назначения, «звука самолетов не было. Утро было тихим; место было прохладным и приятным».
В 8:14 утра по времени Хиросимы над городом прибыл Enola Gay . Мост Айой, который бомбардир Томас Фереби использовал в качестве точки прицеливания, был хорошо виден через бомбовый прицел самолета.
Фереби взял под свой контроль бомбардировщик и открыл двери бомбового отсека. Сразу после 8:15 Фереби освободил Маленького Мальчика от его ограничений, и бомба упала с Enola Gay . Самолет подпрыгнул почти на 10 футов из-за внезапной потери веса. Тиббетс немедленно восстановил управление самолетом и резко развернул его на 155 градусов. Он отрабатывал этот сложный маневр в течение нескольких месяцев, потому что ему сказали, что у него есть менее 45 секунд, чтобы убрать свой самолет из-под последующего взрыва. Даже ученые, разработавшие бомбу, не были уверены, что Enola Gay переживет ударные волны от взрыва.
Малыш упал почти на шесть миль за 43 секунды, после чего взорвался на высоте 2000 футов. Бомба с силой более 15 000 тонн тротила взорвалась прямо над хирургической клиникой, в 500 футах от моста Айой. Менее двух процентов урана бомбы расщепилось, но в результате реакции город охватил ослепляющая вспышка тепла и света. Температура на уровне земли достигла 7000 градусов по Фаренгейту менее чем за секунду.
Бомба испарила людей в полумиле от эпицентра. Бронзовые статуи расплавились, черепица слилась воедино, а обнаженная кожа людей, живущих за много миль, сгорела от высвобожденной интенсивной инфракрасной энергии. Мгновенно погибло не менее 80 000 человек.
Грибовидное облако поднимается над Хиросимой после взрыва атомной бомбы в 9:15 утра 6 августа 1945 года. Фото Библиотеки Конгресса.
Преподобный Танимото увидел «огромную вспышку света, прорезавшую небо… с востока на запад, от города к холмам. Он казался листом солнца». Поскольку Танимото находился в двух милях от эпицентра взрыва, у него было несколько секунд, чтобы броситься между двумя большими камнями в саду дома своего друга. «Он почувствовал внезапное давление, а потом на него посыпались щепки, куски досок и черепицы». Дом рухнул вместе с бетонной стеной, окружающей сад. День становился все темнее и темнее под массивным облаком пыли.
Вид на Хиросиму после бомбардировки. Фото Национального архива.
С Enola Gay Тиббетс и его команда увидели «гигантский фиолетовый гриб», который «уже поднялся на высоту 45 000 футов, на три мили выше нашей высоты, и все еще кипел вверх, как что-то ужасно живое». Хотя самолет был уже в нескольких милях от нас, казалось, что облако поглотит породивший его бомбардировщик. «Еще более устрашающим», для Тиббетса, «был вид на земле внизу. У основания тучи повсюду вспыхивали огни среди бурлящей массы дыма, имевшего вид кипящей раскаленной смолы… Город, который мы так ясно видели в солнечном свете несколько минут назад, превратился теперь в уродливое пятно. Он полностью исчез под этим ужасным покровом дыма и огня».
Разбитые пожарные машины среди обломков Хиросимы. Фото Национального архива.
В течение минут, часов и дней после бомбардировки выжившие в Хиросиме отчаянно пытались найти своих близких и оказать помощь тысячам раненых. У некоторых людей были обнаружены ужасные ожоги, в то время как другие, которые внешне казались невредимыми, позже умерли мучительной смертью от радиационного отравления.