Возможно, вам кажется, что мы хорошо знаем, как работают все без исключения привычные вещи, в конце концов, с ними мы сталкиваемся каждый день. Тем не менее это не так.
Клейкая лента
Если вы будете разворачивать клейкую ленту (обычный скотч) в вакууме, она будет производить короткие вспышки рентгеновских лучей. Группа ученых Калифорнийского университета впервые отметила этот странный факт в 2008 году, хотя еще задолго до них советские ученые наблюдали нечто похожее (производство высокоэнергетических электронов, а не рентгеновских лучей) в 50-х годах. Тогда находке никто не придал значение и не поверил. Как может клейкая лента производить высокоэнергетические электроны? С тех пор много других ученых повторили фокус с рентгеновскими лучами, поэтому явление обрело твердую почву.
Мы знаем, что разворачивание ленты наращивает заряд, подобно тому, как статический заряд накапливается, если вы чешете своего кота кредитной картой. Это называется трибоэлектрический эффект. После того как заряд (и связанное с ним электрическое поле) становится достаточно большим, он резко разряжается, и вспышка электронов разлетается с такой скоростью, что когда попадает в материю, она излучает рентгеновские лучи. Проблема в том, что мы не понимаем, почему электроны так разгоняются. Документ 2008 года заключил, что «пределы энергий и ширины вспышки находятся за пределами современных теорий трибологии».
Протоны
Привычные нам объекты состоят из атомов, а каждый атом состоит из одного или более протонов. Простейший атом — атом водорода — состоит из одного протона и одного электрона. Протон можно смоделировать как крошечный шарик с постоянным радиусом. Используя данные экспериментов с водородом, ученые рассчитали радиус протона. В настоящее время самая точная оценка (значение 2010 года) составляет 0,8775 фемтометра с погрешностью плюс-минус 0,0051 фемтометра. Фемтометр — это одна квадриллионная метра.
Ученые хотели добиться меньшей погрешности, чем 0,0051, поэтому Рэндольф Пол и его коллеги провели ряд экспериментов с экзотической формой водорода под названием мюонный водород. Этот водород похож на обычный, за исключением того, что электрон заменяется мюоном, частицей, похожей на электрон, но со значительно большей массой. Как и ожидалось, Пол и коллеги снизили погрешность до 0,00067 фм, а дальнейшие эксперименты свели величину к еще меньшей. Но каково было их удивление, когда конечная величина оказалась меньше радиуса протона самого по себе.
Вот вам аналогия. Представьте, что вы взяли дешевый сантиметр и пытаетесь измерить им гигантский мяч диаметром с метр с погрешностью в 0,1 метра. Теперь, допустим, вы взяли гигантский штангенциркуль и измеряете им что-то диаметром в 0,5 метра с погрешностью в 0,01 метра. У мяча не должен измениться радиус в зависимости от того, чем вы его меряете. Тем не менее именно это происходит с измерением радиуса протона.
Возможно, заявленная неопределенность в значении CODATA 2010 года слишком мала? Или, может быть, это некий неизвестный нам феномен, который еще предстоит открыть?
Женщины
Мужчины берут X-хромосому от матери, а Y-хромосому от отца. Женщины берут X-хромосому от матери и (другую) X-хромосому от отца (бывают и другие комбинации, но XY и XX — самые распространенные). В каждой клетке женского тела есть копии обеих X-хромосом. Начиная с 1949 года последовательность открытий привела к осознанию того, что одна из этих X-хромосом всегда инактивна — большая часть генетической информации в этой X-хромосоме игнорируется.
Предположим, у нас есть клетка женщины, в которой X-хромосома от ее матери инактивна, а X-хромосома от отца — активна. Назовем ее «клетка-папа». Другой вариант будет «клеткой-мамой». Как клетка решает, стать ей клеткой-мамой или клеткой-папой? Сначала ученые решили, что выбор полностью случаен — чуть ли не подбрасыванием монетки решается. Но недавние эксперименты с мышами показали, что весь орган целиком (глаз, например) может состоять в основном из клеток-мам или клеток-пап. Это не случайно. Загадка в том, как клетка определяется с выбором.
Животное магнитовосприятие
Это делают птицы, это делают пчелы, даже акулы в океане — все они чувствуют магнитные поля. Это явление известно как магнитовосприятие (или магниторецепция). Как они это делают? Есть две ведущих гипотезы.
Первая (и самая старая) гипотеза заключается в том, что некоторые животные имеют крошечные стержневые магниты в некоторых из своих клеток. Идея состоит в том, что эти стержневые магниты выстраиваются с магнитным полем Земли, как стрелки компаса, а их ориентация передается в мозг. И это не безумная идея: крошечные магниты были найдены в голубиных клювах. К сожалению, они оказались клетками иммунной системы, которые не были в состоянии сообщаться с мозгом голубя.
Второй по списку идет гипотеза о том, что в глазу есть белок, который под действием голубого света распадается на две части, чувствительные к магнитному полю. Вполне возможно, что некоторые животные используют оба механизма. Также возможно, что существуют и другие механизмы. Наука о животной магниторецепции еще молода.
Румянец
Румянец — это невольное покраснение лица, связанное с сильными эмоциями или стрессом. Хорошо известно, что покраснение связано с расширением кровеносных сосудов (вазодилатацией), но что вызывает расширение кровеносных сосудов?
Первые догадки появились в 1982 году, когда доктор Мелландер обнаружил, что вены лица обладают бета-адренорецепторами в дополнение к обычным альфа-адренорецепторам. Эти рецепторы могут активироваться адреналином и подобными молекулами, связанными с эмоциональной реакцией. Может быть, бета-адренорецепторы в лицевых венах вызывают румянец?
В 1990-х Питер Драммонд, профессор психологии в Университете Мердока, провел несколько экспериментов, чтобы выяснить это. Некоторые из его испытуемых приняли лекарства с целью блокировки альфа-адренорецепторов, другим же дали лекарства для блокировки бета-адренорецепторов. Затем доктор подвергал испытуемых стрессу, выводил их из себя, заставлял петь или делать вещи, которые обычно вызывают румянец. Как и ожидалось, блокировка альфа-адренорецепторов не повлияла на покраснение. Блокировка бета-адренорецепторов вызвала снижение уровня румянца, но не убрала его полностью. Есть что-то еще. Но что?
Стекло
Стекло в повседневной жизни встречается повсеместно: на экранах смартфонов, в бутылках с водой, в кофейных чашках, в кухонных окнах. Конечно, ученые и инженеры хорошо с ним знакомы. Но в действительности стекло остается глубоко таинственным.
Тайна заключается в том, как формируется стекло. Вы можете сделать стекло, нагревая стеклоформирующее вещество вроде диоксида кремния, пока оно не растает, а затем дав ему остыть. В отличие от соли, например, которая переходит от жидкой к кристаллической форме при определенной температуре, стекло становится все более и более вязким по мере охлаждения. Если температура будет достаточно низкой, стекло станет настолько вязким, что затвердеет, хотя его молекулы будут лежать далеко не упорядоченно. В 2007 году американский физик Джеймс Лангер написал: «Мы не знаем, как трансформации происходят, когда жидкость становится стеклом. Мы не знаем, будет ли это обычное изменение состояния обычным термодинамическим фазовым переходом вроде конденсации или кристаллизации или же чем-то совсем другим». Загадочное «стеклование» по-прежнему остается темой активных исследований.
Аллергия
В последние годы число детей по всему миру с различными типами аллергии значительно выросло. Особенных размахов достигла аллергия на арахис в западном полушарии — в США, Великобритании, Канаде и частично Австралии. Почему?
Самой распространенной идеей является гипотеза о гигиене. Некоторые современные дети растут в очень чистой среде, совершенно не подвергаясь воздействию бактерий, грибков, пыльцы, вирусов и прочего, как дети прошлых времен. Гипотеза состоит в том, что иммунная система современных «нежных» детей развивается иначе и иначе реагирует на аллергены.
Возможно, современные дети не получают достаточного количества витамина D. Предположений много, ответов — нет.
Яд черной вдовы
Черные вдовы — пауки— встречаются по всему миру. Когда они кусают людей, яд часто вызывает ужасные боли по всему телу, а колебания артериального давления могут продолжаться в течение суток. По словам экспертов, «некоторые жертвы даже пытались убить себя, чтобы остановить боль». Каким образом действует яд? Неизвестно.
«Доза яда содержит всего несколько молекул нейротоксина, который обладает довольно высоким молекулярным весом — по сути, эти молекулы достаточно велики, чтобы их можно было увидеть под обычным микроскопом. Как эти несколько молекул могут влиять на организм животного весом в сотни или даже тысячи килограммов? Конкретного объяснения этому механизму просто нет».
Так или иначе, нейротоксин должен обмануть тело и заставить его вредить себе. Понимание того, как это происходит, может дать ответы на аутоиммунные расстройства и другие вопросы, в которых организм атакует сам себя.
Лед
Хоккеисты и фигуристы скользят по льду, потому что он очень скользкий. Но почему он такой скользкий? Те же коньки не будут скользить так же по асфальту, стеклу или стальной пластине.
Старый ответ указывает на то, что коньки оказывают давление на лед. Повышенное давление снижает температуру плавления льда, заставляя его плавиться и создавать тонкий слой жидкой воды, которая будет скользкой. Проблема в том, что давления недостаточно для того, чтобы объяснить наблюдаемое скольжение.
Предлагали и два других варианта ответа. Во-первых, лед плавит трение. Во-вторых, на границе между льдом и воздухом всегда есть тонкий слой жидкой воды. Существуют экспериментальные доказательства обоих этих ответов, поэтому допустимо участие сразу двух этих вариантов, однако относительный вклад каждого из них доподлинно не известен. Могут быть вовлечены и другие механизмы. Скользкость льда — не единственное из странных свойств воды, есть и другие. К примеру, у нее чрезвычайно высокая температура плавления.
Преобладание вещества
Почти все вокруг нас состоит из материи, но не антиматерии. Когда антиматерию все же удается произвести (при радиоактивном распаде некоторых атомов, например, или в процессе некоторых гроз), она, как правило, сталкивается с обычной материей и быстро исчезает во вспышке высокоэнергетических гамма-лучей.
Проблема в том, что лучшая из современных моделей физики фундаментальных частиц, Стандартная модель, предсказывает, что в процессе Большого Взрыва должно было появиться равное количество вещества и антивещества. Однако вещества все же больше. Почему?
Одним из вариантов находят то, что Стандартная модель нуждается в пересмотре, а уже пересмотренный вариант будет основан на преобладании материи над антиматерией. Другой вариант — Стандартная модель хороша, но материя и антиматерия после взрыва были разделены пустым пространством. Но что их разделило? Гравитация должна была свести их вместе, а не развести.
Эта проблема известна как барионная асимметрия Вселенной. Она остается одной из самых крупных неразгаданных тайн современной физики.
