Что такое стекло, почему велосипед не падает набок, и ещё...
Наука появилась ради необходимости отвечать на вопросы людей. И вроде бы большая часть сложных явлений изучена вдоль и поперёк, а осталась «самая малость» — постичь природу тёмной материи, разобраться с проблемой квантовой гравитации, решить задачу размерности пространства-времени, понять, что такое тёмная энергия (и ещё несколько сотен подобных вопросов). Однако до сих пор остаются и более простые, казалось бы, явления, но которые учёные не в силах объяснить до конца.
Что такое стекло?
Нобелевский лауреат Уоррен Андерсон однажды сказал: «Самая глубокая и интересная из неразрешённых проблем в теории твёрдого состояния кроется в природе стекла». И хотя стекло известно человечеству уже не первое тысячелетие, в чём причина его уникальных механических свойств, учёные до сих пор не понимают. Из школьных уроков мы помним, что стекло — это жидкость, но так ли это? Учёные точно не знают, какова природа перехода между жидкой или твёрдой и стекловидной фазами и какие физические процессы приводят к основным свойствам стекла.
Процесс формирования стекла не удаётся объяснить с помощью ни одного из нынешних инструментов физики твёрдого тела, многочастичной теории или теории жидкостей. Если описать вкратце, жидкое расплавленное стекло при охлаждении постепенно становится всё более вязким, пока не обретает жёсткость. В то время как при формировании кристаллических твёрдых тел, например, графита, атомы в один момент образуют привычные периодические структуры. Тарун Читра, исследователь молекулярной динамики, объясняет организацию молекул в разных веществах на примере танца:
Идеальное твёрдое тело — это как медленный танец, когда два партнёра вместе с другими парами движутся вокруг своей стартовой позиции на танцевальной площадке.
Идеальная жидкость — это как вечеринка знакомств, когда каждый старается потанцевать со всеми в комнате (это свойство называется эргодичность), при этом средний темп, с которым все танцуют, примерно одинаковый.
Короткометражка об искусстве выдувания стекла:
Cтекло же по этой аналогии похоже на танец, когда группа людей разделяется на меньшие подгруппы и каждая кружится в своём хороводе. Вы можете меняться партнёрами из своего круга, и этот танец происходит вечно.
Стекло ведёт себя так, что его пока невозможно описать равновесной статистической механикой. В частности, субэкспоненциальные автокорреляции и кросскорреляционная функция стекла могут быть получены путём бесконечного числа случайных процессов. До какого-то момента система «работает» более-менее понятно и предсказуемо, но, если наблюдать за ней достаточно долго, вы начинаете видеть, как некоторые особенности лучше описываются теорией вероятности и случайных процессов.
Почему велосипед не падает на бок?
Конструкция велосипеда довольно проста, и, кажется, что давно понятно, как и почему двухколёсное средство сохраняет отличную устойчивость. Всегда считалось, что в сохранении баланса велосипеда важнейшую роль играют два механизма. Первый — автоматическое подруливание, или эффект кастора: если велосипед наклоняется в какую-то сторону, переднее колесо само поворачивается туда же, после чего центробежная сила возвращает колесо в начальное положение. Второй механизм связывают с гироскопическим моментом вращающихся колёс.
Американский инженер Энди Руина с коллегами взялся опровергнуть оба этих утверждения. Они сконструировали велосипед, похожий на самокат, у которого переднее колесо касается опоры перед точкой пересечения с нею оси передней вилки, что «отменяет» действие кастора. А кроме того, переднее и заднее колёса связаны с двумя другими, вращающимися в обратную сторону, и тем самым обнуляющими гироскопический эффект.
Тем не менее этот велосипед не так уж и быстро падает на бок. По сути, равновесие он держит не хуже обычного велосипеда и даже демонстрирует то же самое автоматическое подруливание. По результатам эксперимента авторы сделали вывод, что оба эффекта — и кастора, и гироскопа — играют важную роль в сохранении баланса едущего велосипеда, но оба не являются критически важными для него.
Отчего же не падает велосипед, до конца так и неизвестно. По последним предположениям инженеров, ключевую роль в этом играет особое распределение нагрузки.
Как работает плацебо?
О плацебо, или веществах, которые не имеют явных лечебных свойств, но положительно воздействуют на организм, известно давно. В основе эффекта плацебо лежит психоэмоциональное воздействие. Но исследователи не раз доказывали, что плацебо, не имеющее активных веществ, может стимулировать реальные физиологические реакции, в том числе изменение частоты сердечных сокращений и артериального давления, а также химической активности в головном мозге. Плацебо также помогает избавиться от болей, депрессии, тревоги, усталости и даже некоторых симптомов болезни Паркинсона.
То, как наша психика может воздействовать на здоровье, до сих пор до конца не ясно, и учёные не могут раскрыть механизмы, лежащие в основе физиологических реакций на плацебо. Очевидно, что в эффекте сплетено много различных аспектов, при этом лекарства-пустышки не оказывают влияния на источник или причину заболевания. Опытным путём установлено, что реакция организма различается в зависимости от способа доставки плацебо (при приёме таблеток или инъекциях). Также плацебо дают только ожидаемый, то есть известный заранее, терапевтический эффект. И чем выше ожидания — тем сильнее эффект плацебо. Кроме того, известно, что его можно усилить при активном вербальном воздействии на пациента. Действию плацебо подвержены далеко не все. Чаще плацебо действует на экстравертов, людей с повышенным уровнем тревожности, мнительности, неуверенности в себе.
В октябре 2013 года было опубликовано исследование, демонстрирующее, что плацебо-эффект связан с повышением альфа-активности головного мозга. Альфа-волны возникают в расслабленном состоянии, которое похоже на лёгкий транс или медитацию, — то есть в наиболее внушаемом состоянии. Эффект плацебо оказывает значительное воздействие на нервную систему человека в области спинного мозга. Но пока подробно описать механизм его воздействия так никто и не смог.
Что значил wow-сигнал из далёкого космоса?
15 августа 1977 года произошло одно из самых загадочных событий в истории изучения космоса. Доктор Джерри Эйман во время работы на радиотелескопе «Большое ухо» в рамках проекта SETI зафиксировал сильный узкополосный космический радиосигнал. Его характеристики (полоса передачи, соотношение сигнала и шума) соответствовали ожидаемым от сигнала внеземного происхождения. Поражённый этим, Эйман обвёл соответствующие ему символы на распечатке и подписал на полях «Wow!». Эта подпись и дала название сигналу.
Сигнал исходил из области неба в созвездии Стрельца, примерно в 2.5 градусах к югу от звёздной группы Хи. Однако после долгих лет ожиданий повторения чего-то подобного ничего не произошло.
Тот самый звук wow-сигнала:
Учёные утверждают, что если сигнал и имел внеземное происхождение, то существа, которые его отправили, должны принадлежать к очень и очень продвинутой цивилизации. Чтобы послать такой мощный сигнал, требуется как минимум 2,2-гигаваттный передатчик, который намного мощнее любого из земных (например, система HAARP на Аляске, одна из самых мощных в мире, предположительно способна передать сигнал до 3600 кВт).
В качестве одной из гипотез, объясняющих мощность сигнала, предполагается, что изначально слабый сигнал был значительно усилен благодаря действию гравитационной линзы; однако это по-прежнему не исключает возможности его искусственного происхождения. Другие исследователи предполагают возможность вращения источника излучения наподобие маяка, периодическое изменение частоты сигнала или его однократность. Существует также версия, что сигнал был отправлен с перемещающегося инопланетного звездолёта.
В 2012 году к 35-летию сигнала обсерватория Аресибо направила ответ из 10 000 закодированных твитов в направлении предполагаемого источника. Однако получил ли их кто-нибудь, неизвестно. До сих пор wow-сигнал остаётся одной из главных загадок для астрофизиков.
Как неживая материя становится живой?
В научном мире сегодня преобладает концепция биологической эволюции, согласно которой первая жизнь зародилась сама по себе из неорганических компонентов в результате физических и химических процессов. То, как из неживой материи происходит живая, описывает теория абиогенеза. Однако в ней существует масса проблем.
Известно, что основными компонентами живого вещества являются аминокислоты. Но вероятность случайного возникновения определённой аминокислотно-нуклеотидной последовательности соответствует вероятности того, что несколько тысяч букв из наборного типографского шрифта будут сброшены с крыши небоскрёба и сложатся в определённую страницу романа Достоевского. Абиогенез в его классическом виде предполагает, что такое «сбрасывание шрифта» происходило тысячи раз — то есть столько, сколько понадобилось, пока тот не сложился в требуемую последовательность. Однако по современным подсчётам на это ушло бы на много больше времени, чем существует вся Вселенная.
При этом в лабораторных условиях все попытки создания искусственной живой клетки ни разу не увенчались успехом. Полный набор аминокислот и нуклеотидов и простейшую бактериальную клетку по-прежнему разделяет пропасть. Возможно, первые живые клетки очень сильно отличались от тех, что мы можем наблюдать сейчас. Также большое количество учёных поддерживают гипотезу о том, что первые живые клетки могли попасть на нашу планету благодаря метеоритам, кометам и другим внеземным объектам.
Почему люди делятся на левшей и правшей?
За последние 100 лет учёные довольно хорошо изучили проблему, почему люди преимущественно используют одну руку и почему чаще это именно правая рука. Однако стандартного эмпирического тестирования правшей или левшей нет, так как учёные до конца не могут понять, какие механизмы участвуют в этом процессе.
Учёные расходятся во мнении, какой процент человечества является правшами, а какой левшами. В целом считается, что большинство (от 70 % до 95 %) — правши, меньшинство (от 5 % до 30 %) — левши, также существует неопределённое число людей с наблюдающейся полной симметрией. Доказано, что на леворукость и праворукость влияют гены, но точный «ген левши» пока не выявлен. Существует доказательство того, что на склонность к использованию правой или левой руки могут влиять социальные и культурные механизмы. Самый характерный пример этого, как учителя переучивали детей, заставляя при писании переключаться с левой руки на правую. При этом на данный момент более тоталитарные общества имеют меньше леворуких, чем более либеральные общества.
Портрет Поля Брока
Некоторые исследователи говорят о «патологической» леворукости, связанной с мозговыми травмами во время родов. В 1860-х годах французский хирург Поль Брока отметил взаимосвязь между активностью рук и полушариями мозга. Согласно его теории, половинки мозга соединены с половинками тела крест-накрест. Но на данный момент известно, что эти связи не являются такими простыми, как их описывал Брок. Исследования, проведённые в 1970-х годах, показали, что большинство левшей имеют одинаковую левополушарную активность, типичную для всех людей. При этом только часть левшей имеют различные отклонения от нормы.
Изучая проблемы леворукости и праворукости приматов, учёные установили, что большинство животных в отдельной популяции является либо левшами, либо правшами. При этом отдельные обезьяны часто развивают свои индивидуальные предпочтения.
В итоге у нас пока имеются только общие представление о причинах праворукости, и исследователям пока только предстоит детально разобраться во всех механизмах их формирования.
Почему мы спим?
Мы спим 36 % своей жизни, но учёные до конца не могут объяснить его природу. Людям свойственен сон, поскольку это заложено в наших генах, но почему такое состояние появилось в процессе эволюции — загадка. Кроме теплокровных животных (млекопитающих и птиц), ни у кого из живых существ этих форм сна нет, и в чём заключаются преимущества сна — до сих пор непонятно.
Учёные уже выяснили, что во время сна быстрее растут мышцы, лучше заживляются раны, а также ускоряется синтез протеинов. Другими словами, сон помогает организму восполнить то, что он потерял во время бодрствования. Недавние исследования доказали, что во время сна наш мозг очищается от токсинов, и если человек мешает этому процессу (иными словами — не спит), у него могут начаться психические отклонения. Кроме того, во время отдыха в мозге ослабляются или разъединяются связи между клетками, таким образом у нас «освобождается место» для поступления новой информации. В мозге генерируются новые синапсы, поэтому недосыпание грозит снижением способности приобретать, обрабатывать и вспоминать информацию.
Во время сна мозг часто «проигрывает» некоторые эпизоды, которые случились с нами в течение дня, и, по мнению исследователей, этот процесс помогает укрепить нашу память. Хотя содержание сновидений определяется реальными впечатлениями, наше сознание во сне отличается от нашего сознания в период бодрствования. Во сне наше мироощущение оказывается гораздо более образным и эмоциональным. Мы видим различные картины, переживаем по их поводу, а осмыслить должным образом не можем. Учёные полагают, что синхронизирующие механизмы, господствующие в сонном мозге, в большей мере связаны с первой сигнальной системой и эмоциональной сферой. Но что же представляют собой сновидения, ответить однозначно пока нельзя.
Почему кошки мурлычут?
Никто не знает наверняка, почему кошки мурлычут. Мурлыкание отличается от многих других звуков, издаваемых животными, тем, что вокализация происходит на протяжении всего дыхательного цикла (и на вдохе, и на выдохе). Когда-то считалось, что звук производился благодаря потоку крови, проходящему через нижнюю полую вену, но теперь большинство учёных согласны, что в процессе извлечения звука участвуют гортань, мышцы гортани и нейронный осциллятор.
Котята учатся мурлыкать, как только им исполняется пара дней. Ветеринары предполагают, что их мурлыканье означает что-то наподобие человеческих слов «мама», «я в порядке» или «я здесь». Эти звуки способствуют укреплению связей между котёнком и его матерью.
Кошачье мурлыкание:
Но когда котёнок вырастает, он также продолжает мурлыкать, и многие исследователи убеждены, что во взрослом возрасте этот звук связан с удовольствием и радостью. Иногда же кошки мурлычут при получении травмы или при болезни. Доктор Элизабет фон Муггенталер предполагает, что мурлыканье и низкочастотные колебания, которые оно производит, являются «естественным механизмом самолечения» и укрепляют, заживляют раны и облегчают боль.
Голосовая особенность домашних кошек не уникальна. Другие виды семейства кошачьих, такие как рыси, гепарды и пумы, также мурлычут. Хотя некоторые большие кошки (львы, леопарды, ягуары, тигры, снежные барсы и дымчатые леопарды) не умеют этого делать.
