Если вы считаете, что физика - это скучно, то эта статья для вас. Мы расскажем нескучные факты, которые помогут по-новому взглянуть на нелюбимый предмет.

Хотите больше полезной информации и свежих новостей каждый день? Присоединяйтесь к нам в телеграм .

№1: почему Солнце по вечерам красное?

Вообще-то свет Солнца белый. Белый свет при его спектральном разложении представляет собой сумму всех цветов радуги. В вечернее и утреннее время лучи проходят через низкие приземные и плотные слои атмосферы. Частицы пыли и молекулы воздуха, таким образом, работают как красный фильтр, лучше всего пропуская красную составляющую спектра.

№2: откуда взялись атомы?

Когда Вселенная образовалась, атомов не было. Были только элементарные частицы, да и то не все. Атомы элементов практически всей таблицы Менделеева образовались в ходе ядерных реакций в недрах звезд, когда более легкие ядра превращаются в более тяжелые. Мы и сами состоим из атомов, образовавшихся в далеком космосе.

№3: сколько в мире «темной» материи?

Мы живем в материальном мире и все, что есть вокруг, – материя. Ее можно потрогать, продать, купить, можно что-то построить. Но в мире есть не только материя, а еще и темная материя. Она не излучает электромагнитного излучения и не взаимодействует с ним.

Темную материю, по понятным причинам, никто не трогал и не видел. Ученые решили, что она существует, наблюдая некоторые косвенные признаки. Считается, что темная материя занимает около 22% в составе Вселенной. Для сравнения: привычная нам старая добрая материя занимает лишь 5%.

№4: какая температура у молнии?

И так понятно, что очень высокая. По данным науки она может достигать 25000 градусов Цельсия. Это во много раз больше, чем на поверхности Солнца (там всего около 5000). Настоятельно не рекомендуем пытаться проверять, какая температура у молнии . Для этого в мире есть специально обученные люди.

Есть! Учитывая масштабы Вселенной, вероятность этого и ранее оценивалась достаточно высоко. Но лишь относительно недавно люди начали открывать экзопланеты.

Экзопланеты вращаются вокруг своих звезд в так называемой «зоне жизни». Сейчас известно более 3500 экзопланет, и открывают их все чаще.

№6: сколько лет Земле?

Земле около четырех миллиардов лет. В контексте с этим интересен один факт: самой большой единицей измерения времени является кальпа. Кальпа (иначе - день Брахмы) – это понятие из индуизма. Согласно ему день сменяется ночью, равной ему по продолжительности. При этом, продолжительность дня Брахмы с точностью до 5% совпадает с возрастом Земли.

Кстати! Если времени на учебу катастрофически не хватает, обратите внимание. Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на

№7: откуда берется полярное сияние?

Полярное или северное сияние – это результат взаимодействия солнечного ветра (космического излучения) с верхними слоями атмосферы Земли.

Заряженные частицы, прилетевшие из космоса, сталкиваются с атомами в атмосфере, в результате чего те возбуждаются и излучают свет. Это явление наблюдается на полюсах, так как магнитное поле Земли «захватывает» частицы, защищая планету от «бомбардировки» космическими лучами.

№8: правда ли, что вода в раковине закручивается в разные стороны на северном и южном полушариях?

На самом деле это не так. Действительно, существует сила Кориолиса, действующая на поток жидкости во вращающейся системе отсчета. В масштабах Земли действие этой силы настолько мало, что наблюдать закручивание воды при стоке в разные стороны можно только в очень тщательно подобранных условиях.

№9: чем вода отличается от других веществ?

Одно из фундаментальных свойств воды – это ее плотность в твердом и жидком состояниях. Так, лед всегда легче жидкой воды, поэтому всегда находится на поверхности и не тонет. А еще, горячая вода замерзает быстрее холодной. Этому парадоксу, названному эффектом Мпембы, до сих пор не нашли точного объяснения.

№10: как скорость влияет на время?

Чем быстрее движется объект, тем медленнее будет идти для него время. Здесь можно вспомнить парадокс близнецов, один из которых путешествовал на сверхбыстром космическом корабле, а второй оставался на земле. Когда космический путешественник вернулся домой, он застал своего брата стариком. Ответ на вопрос, почему так происходит, дает теория относительности и релятивистская механика .

Надеемся, наши 10 фактов о физике помогли убедиться в том, что это не только скучные формулы, а целый мир вокруг нас.

Тем не менее, формулы и задачи могут доставить массу хлопот. Чтобы сэкономить время мы собрали самые популярные формулы и подготовили памятку по решению физических задач .

А если вы устали от строгих преподавателей и бесконечных контрольных, обратитесь в , который поможет быстро решить даже задания повышенной сложности.

Ни один человек в мире не способен увидеть атом! Причиной тому является человеческое зрение. Такие микроскопические частички просто неподвластны нашим глазам. Но это не означает, что ученые и инженеры не добрались до этих «малышей».

Представляем интересные факты об атоме

Сканирующий туннельный микроскоп - это изобретение, созданное специально для видения невидимого. Сделали его для того, чтобы как раз увидеть то, что нас окружает - атомы. Так, этот прибор выполняет роль сканера и "раскладывание" атомов на небольшие черные "кругляшки", похожие на шишки. Полученная информация появляется в качестве фотоснимков через компьютер и это позволяет проводить изучения над "разложенными" атомами. Таким способом ученные, собственно, и изучают неизведанное.

Существуют часы, которые состоят из одного единственного атома. Это, воистину, уникальное создание, не имеющее никакой практической принадлежности. Хольгер Мюллер - физик из Калифорнии, позаботился о том, чтобы мир смог увидеть одноатомные часы. Увидеть - да, использовать - вряд ли.

Так, эти часы в миллиарды раз меньше привычных нам наручных, кроме того, время там абсолютно не имеет никакой точности. В общем, "сами себе на уме".

Технологии создания анимационного кино в формате 3D, 4D, 5D - это хороший способ заработать и позабавить аудиторию непревзойденным созданием фильма. Однако, для больших потрясений и выражений человеческих эмоций ученные создают нечто новое и уникальное постоянно. В доказательство этому служит фильм, созданный исключительно из атомов углеродов на медной подложке (!). Как вы понимаете, никакого экшена - простейшие картинки мирского.

Расщепление атомов - это не только химический процесс, в некоторых случаях это может являться человеческим увлечением. И тому есть пример из Швеции - мужчина (по-видимому, от нечего делать) обустроил на своей небольшой кухне мини-лабораторию в виде "ядерного реактора" и там, собственно, ставил такие немудреные эксперименты, вложив всего менее 1000$ в эту увлекательную экспедицию.

Физики Ральф Альфер и Георгий Гамов перед публикацией работы о первичном нуклеосинтезе - образовании химических элементов в ходе Большого взрыва - пригласили в соавторы Ханса Бете только для того, чтобы их фамилии образовали красивое сочетание из трёх первых букв греческого алфавита. Эту статью научное сообщество для краткости так и называет - «αβγ paper». Некоторые вычисления для работы были произведены на ЭВМ Ральфом Херманом, которому предложили сменить фамилию на Дельтер и тоже попасть в список авторов, но он отказался.

Какой металл может заболеть чумой?

При комнатной температуре олово - это серебристо-белый металл, но при опускании температуры до 13,2 °C и ниже начинается его переход в другое фазовое состояние - так называемое серое олово в виде порошка. Соприкосновение серого и белого олова ускоряет процесс перекристаллизации последнего, поэтому данный процесс именуют «оловянной чумой». Она стала одной из причин гибели экспедиции Скотта к Южному полюсу, потому что хранившееся в запаянных оловом баках топливо просочилось наружу. Есть также мнение, что она способствовала поражению армии Наполеона в России, так как в сильные морозы раскрошились оловянные пуговицы на мундирах солдат.

Почему поезд сдаёт назад перед началом движения вперёд?

Если машинист тяжёлого грузового поезда попытается начать его движение резко вперёд, то поезд может не сдвинуться с места, так как суммарная сила трения покоя, действующая со стороны рельсов на колёса вагонов, превысит силу скольжения ведущих колёс локомотива. Зачастую машинисту нужно сначала сдать назад, чтобы ослабить натяжение сцепок. И только затем ехать вперёд, приводя в движение вагоны один за другим.

Какой физик не смог получить Нобелевскую премию, хотя номинировался 84 раза?

Немецкий физик Арнольд Зоммерфельд, отметившийся достижениями в квантовой теории, электронной теории, электродинамике и многих других научных областях, с 1917 по 1951 годы 84 раза номинировался на Нобелевскую премию, но так её и не получил. Зоммерфельд по сей день держит рекорд в этом показателе. Зато Нобелевскими лауреатами стали семеро его студентов: Вернер Гейзенберг, Вольфганг Паули, Петер Дебай, Ханс Альбрехт Бете, Лайнус Полинг, Исидор Айзек Раби и Макс фон Лауэ.

Могут ли существовать две идентичные снежинки?

Формирование снежинок зависит от температуры и влажности воздуха внутри ледяного облака, а также траектории их движения, при котором постоянно меняются очертания их лучей. Поэтому во многих источниках утверждается, что одинаковых снежинок в природе не существует. Однако целенаправленные поиски Центра атмосферных исследований США в 1988 году опровергли эту гипотезу - специалистам удалось обнаружить два одинаковых кристалла снега. А в 2015 году физик Кеннет Либбрехт получил таковые в лаборатории, обеспечив им идентичные начальные условия роста. Стоит заметить, что в обоих случаях, несмотря на внешнее сходство, атомная структура кристаллов всё же была различной.

Какой физический закон помог уличить биржевых игроков в незаконной инсайдерской торговле?

В 2013 году власти США начали расследование в отношении некоторых игроков на Чикагской фондовой бирже. Они были уличены в незаконном использовании инсайдерских сведений, когда начали торговать фьючерсами на совершенно других, чем прежде, условиях уже через 2 миллисекунды после важного объявления от Федеральной резервной системы. Однако простейший расчёт показал, что для прохождения информации между Вашингтоном и Чикаго даже на скорости света потребовалось бы 7 миллисекунд.

При каких условиях жидкость может течь, «игнорируя» силы трения и тяготения?

В состоянии сверхтекучести жидкость имеет нулевую вязкость и может перемещаться с эффектом игнорирования сил трения и притяжения. Наиболее хорошо данный феномен изучен на примере жидкого гелия при температурах, близких к абсолютному нулю. Если поместить такую жидкость в контейнер, обеспечив микроскопический слой гелия на стенках, она будет подниматься по ним и вытекать через край.

Какой знаменитый учёный любил работать над своими теориями в стрип-клубе?

Американский физик Ричард Фейнман, обладатель Нобелевской премии, иногда уходил работать в стрип-клуб. При наступлении усталости от вычислений очередной теории он смотрел на обнажённых девушек, что помогало освежить голову.

Какая известная физическая теория получила название от её критика?

Термин «Большой взрыв» для характеристики раннего развития Вселенной впервые употребил британский астроном Фред Хойл в лекции, которая была посвящена критике этой модели. Тем не менее, термин прижился, войдя в обиход и сторонников теории Большого взрыва. Кстати, с английского «Big Bang» уместнее переводить как «Большой хлопок», что точнее передаёт негативный оттенок, подразумеваемый Хойлом.

В какой области пространства человек может увидеть свою спину без помощи приборов?

Свет состоит из элементарных частиц фотонов, не имеющих массы и заряда. Вблизи чёрных дыр существуют так называемые фотонные сферы - области, где гравитация настолько сильна, что фотоны начинают вращаться по орбитам. Если наблюдатель попадёт в фотонную сферу, он теоретически может увидеть свою спину.

Какие учёные упросили Кустодиева написать их портрет, только собираясь стать знаменитыми?

В 1921 году к художнику Борису Кустодиеву обратились двое молодых учёных с просьбой написать их портрет. Их аргументом было то, что Кустодиев рисует только знаменитостей, а они уверены, что тоже прославятся, пусть сейчас особо и никому не известны. Этими учёными были Пётр Капица и Николай Семёнов, будущие нобелевские лауреаты по физике и химии соответственно. В качестве гонорара они отдали художнику мешок пшена и петуха, полученных за ремонт мельницы.

Где находятся самые большие запасы воды в Солнечной системе?

Самые большие запасы воды в Солнечной системе находятся, как ни странно это может показаться на первый взгляд, на Солнце. Молекулы воды в виде пара сконцентрированы в солнечных пятнах, температура в которых на полторы тысячи градусов ниже, чем в окружающих их областях, а также в области температурного минимума - узком слое под поверхностью звезды.

Какое особое состояние вещества обнаружено в курином глазе?

Существует особое состояние вещества под названием «неупорядоченная сверходнородность», при котором вещество обладает свойствами кристалла и жидкости одновременно. Сначала его обнаружили физики в жидком гелии и простых плазмах, но недавно с ним столкнулись и биологи при изучении куриного глаза. Как и у других дневных птиц, у куриц есть пять видов фоторецепторов: красные, синие, зелёные, фиолетовые и отвечающие за восприятие освещённости. Все они располагаются на сетчатке в один слой на первый взгляд беспорядочно, однако при детальном изучении паттернов выяснилось, что вокруг каждой колбочки есть так называемая запретная зона, в которой исключено появление других колбочек того же типа. В итоге система не может принять единую упорядоченную форму, но стремится быть максимально однородной.

При каких условиях разматывание рулона скотча создаёт рентгеновское излучение?

При разматывании рулона скотча в вакууме возникает как видимое свечение, так и рентгеновское излучение. Учёные полагают, что причиной этому служит эффект, аналогичный триболюминесценции - возникновению электромагнитного излучения при разрушении асимметричных связей в кристалле. Однако клейкая масса не имеет кристаллической структуры, поэтому для объяснения создаваемого скотчем свечения требуется другая теоретическая модель. Мощность появляющегося рентгеновского излучения достаточна для получения снимков частей тела, но это только в вакууме, а разматывание скотча в воздухе абсолютно безопасно.

При каких условиях в воде можно превратить звук в свет?

В водной среде можно наблюдать сонолюминесценцию, то есть превращение звук в свет. Для этого нужно опустить в воду резонатор, создающий стоячую сферическую ультразвуковую волну. В фазе разрежения волны из-за очень низкого давления возникает кавитационный пузырёк, который некоторое время растёт, а затем в фазе сжатия быстро схлопывается. В этот момент в центре пузырька возникает вспышка света, а наблюдатель видит постоянное голубоватое свечение, так как пузырьки зарождаются и схлопываются с очень большой скоростью. Согласно господствующей в научных кругах точке зрения, данное излучение имеет тепловую природу.

Связано ли открытие Ньютоном теории гравитации с падением яблока?

Популярная легенда объясняет открытие Ньютоном теории гравитации случаем, когда ему на голову упало яблоко. Однако если удар по голове действительно можно считать лишь карикатурным мифом, сам факт наблюдения падения яблока описывается как минимум двумя разными авторами. В биографии Ньютона от Уильяма Стьюкли рассказывается об их беседе в яблоневом саду в 1726 году за чашкой чая - тогда знаменитый учёный вспомнил о своих мыслях о гравитации, возникших в похожей обстановке. Ассистент Ньютона Джон Кондуит в своей книге уточняет, что инцидент с падающим яблоком имел место в 1666 году, когда учёный отдыхал в поместье своей матери. Стоит заметить, что книга «Математические начала натуральной философии», в которой и доказывается закон всемирного тяготения, вышла не сразу после этого, а двадцать лет спустя.

Какую кружку изобрёл Пифагор, желая оградить людей от чрезмерного увлечения вином?

В греческих сувенирных магазинчиках большой популярностью пользуется так называемая кружка Пифагора. Это сосуд, в который можно наливать жидкость только до определённой отметки, но если налить выше, всё вытечет. Данный эффект достигается с помощью вдвое изогнутого канала в центре кружки, один конец которого открыт со дна, а другой выходит вовнутрь. Выливание жидкости происходит в соответствии с законом Паскаля о сообщающихся сосудах. По легенде, Пифагор изобрёл эту кружку для умеренного потребления вина и наказания тех, кто слишком жаден.

Чем вызвано слабое свечение воды на глубинах, куда не доходит солнечный свет?

На глубинах в несколько сотен метров и больше не наблюдается полной темноты, как можно предположить. Солнечный свет сюда не доходит, но растворённые в воде изотопы кальция и других элементов испускают быстрые электроны, которые вызывают слабое свечение вследствие эффекта Вавилова-Черенкова. По-видимому, именно это обстоятельство является причиной тому, что глубоководные рыбы в ходе эволюции не потеряли глаза.

Какие отец и сын получили Нобелевские премии за разные исследования одних частиц?

Электрон как частица был обнаружен в 1897 году английским физиком Джозефом Джоном Томсоном. Через 9 лет ему дали Нобелевскую премию с формулировкой «за исследования проводимости электричества газами». Его сын, Джордж Паджет Томсон, в 1927 году обнаружил волновые свойства электрона и впоследствии тоже удостоился Нобелевки «за экспериментальное открытие дифракции электронов на кристаллах».

Каким образом под толщей морского льда могут возникать сосульки, доходящие до дна моря?

Иногда под толщей морского льда могут возникать большие сосульки, похожие на сталактиты. Когда формируется лёд, в его кристаллической решётке не остаётся соли, и в некоторых точках образуются нисходящие потоки очень холодной и очень солёной воды. При определённых условиях вокруг такого потока начинает расти вниз опять же слой льда. Если в данном месте море неглубокое, сосулька достигает дна и продолжает расти в каком-нибудь горизонтальном направлении.

Каким образом можно использовать воду в качестве диэлектрика?

Многим известно, что вода является хорошим проводником электричества - именно поэтому, например, нельзя купаться во время грозы, так как можно стать жертвой попавшей в водоём молнии. Однако ток проводят не сами молекулы воды, а содержащиеся в ней примеси, ионы различных минеральных солей. Дистиллированная вода, в которой почти нет солей, является диэлектриком.

У какой планеты на северном полюсе наблюдается почти правильный шестиугольник?

На северном полюсе Сатурна наблюдается вихрь из облаков в форме почти правильного шестиугольника. Строгое научное объяснение данному феномену отсутствует, однако учёные Оксфордского университета смогли создать подобные вихри в лабораторном эксперименте. В баллон с водой, стоящий на вращающемся столе, опускали маленькие кольца, которые вращались ещё быстрее. Возникающие вихри создавали потоки жидкости различных форм - не только шестиугольные, но и квадратные, треугольные и овальные.

Какой учёный измерял скорость электрического тока на соединённых в цепь живых людях?

Скорость электрического тока почти равна скорости света. В 1746 году, когда это ещё не было известно, французский священник и физик Жан-Антуан Нолле захотел измерить скорость тока экспериментально. Он расставил 200 монахов, соединённых друг с другом железными проводами, по окружности длиной свыше полутора километров, а затем разрядил в эту цепь батарею из лейденских банок, изобретённых годом ранее. Все монахи среагировали на ток в одно мгновение, что убедило Нолле в очень высоком значении искомой величины.

Как с помощью стены и газеты можно открыть бутылку вина в отсутствии штопора?

Чтобы открыть бутылку вина без штопора, потребуется твёрдая поверхность, например, стена, а также смягчающий предмет - книга, газета или просто ботинок. Прислонив газету к стене, нужно взять бутылку и ударить её донышком строго перпендикулярно стене один или несколько раз, пока пробка не выйдет на достаточное расстояние, чтобы вынуть её остаток рукой. Это явление объясняется тем, что при столкновении скорость потока жидкости внутри бутылки резко меняется, отчего возникает воздействующий на пробку гидроудар. Стоит заметить, что при неумелом обращении бутылка может разбиться, так что эксперимент лучше проводить, замотав её полотенцем.

Где и когда действовал самопроизвольный природный ядерный реактор?

На территории уранового месторождения Окло в Габоне обнаружены рудные тела, в которых почти 2 миллиарда лет назад происходила самопроизвольная цепная реакция деления ядер урана. Другими словами, здесь был природный ядерный реактор, и работал он несколько сотен тысяч лет. Это открытие было сделано в 1972 году, когда на французском обогатительном заводе в Габоне проводили масс-спектрометрический анализ породы и выявили меньшую по сравнению с обычным значением концентрацию изотопа урана 235U, что свидетельствовало о наличии отработанного ядерного топлива.

Какие оценки по математике получал Эйнштейн в школе?

Во многих источниках, зачастую с целью ободрения плохо успевающих учеников, встречается утверждение, что Эйнштейн завалил в школе математику или, более того, вообще учился из рук вон плохо по всем предметам. На самом деле всё обстояло не так: Альберт ещё в раннем возрасте начал проявлять талант в математике и знал её далеко за пределами школьной программы. Позднее Эйнштейн не смог поступить в Швейцарскую высшую политехническую школу Цюриха, показав высшие результаты по физике и математике, но не добрав нужное количество баллов в других дисциплинах. Подтянув эти предметы, он через год в возрасте 17 лет стал студентом данного заведения.

Каким образом можно превратить наушники в микрофон?

Если подключить обычные наушники ко входу микрофона, их можно использовать как микрофон. Упрощённо конструкция наушников и микрофона одинакова: мембрана подключена к катушке с проводом, находящейся в магнитном поле постоянного магнита. В наушниках при обычном использовании подаваемый на катушку ток преобразуется в колебания мембраны, а в микрофоне - наоборот.

Что нужно сделать, чтобы максимально увеличить шансы на выживание в падающем лифте?

Если вы оказались в падающем лифте, самой лучшей стратегией для увеличения шансов выжить будет лечь на спину и постараться занять как можно большую площадь пола. В таком случае сила удара будет максимально распределена по поверхности тела. Распространено мнение, что нужно просто подпрыгнуть во время удара, но это заблуждение - вряд ли кто-то способен точно угадать время столкновения и прыгнуть с той же скоростью, с какой лифт падает.

Чем объясняется неподвижность некоторых облаков даже при очень сильном ветре?

В горной местности можно увидеть облака, которые могут висеть неподвижно даже при очень сильном ветре - они называются лентикулярными. Объясняется это тем, что ветер движет воздушные массы определёнными потоками, или волнами, обтекая различные препятствия. На гребнях таких волн или между двумя слоями воздуха и образуются лентикулярные облака. Их устойчивость обусловлена одновременными процессами конденсации водяного пара на высоте точки росы и испарениями водяных капель при нисходящем движении воздуха. Эти облака обычно имеют округлую форму, поэтому их часто принимают за НЛО.

Почему человеческие глаза бывают голубыми и зелёными, хотя в них нет таких пигментов?

В радужной оболочке человеческого глаза не бывает пигментов синего или зелёного цвета. Единственный окрашивающий пигмент в глазу - это меланин: при его определённых концентрациях цвет глаз становится от светло-карего до почти чёрного. Однако при низком содержании меланина короткие волны светового спектра не поглощаются оболочкой, а отражаются, в результате чего мы фиксируем синий, голубой, зелёный или серый цвет глаз. Этот эффект объясняется Рэлеевским рассеянием света, которое аналогично объясняет видимый нами синий или серый цвет неба.

Кто из жителей нашей планеты является рекордсменом по путешествиям во времени?

Российский космонавт Геннадий Падалка провёл на орбите в общей сложности 878 дней, что является мировым рекордом. Одновременно его можно считать обладателем другого рекорда - самого продолжительного путешествия во времени среди жителей нашей планеты. Согласно теории относительности, чем больше скорость, с которой движется объект, тем сильнее для него замедляется время. Рассчитано, что благодаря космическим полётам Падалка на 1/45 секунды моложе, чем если бы он оставался всё время на Земле. Другими словами, космонавт вернулся с орбиты во временную точку на 1/45 секунды позже ожидаемого при нормальных условиях значения.

Почему комары не гибнут под дождём?

Масса капли дождя во много раз больше массы комара. Этот фактор, а также волоски на всей поверхности тела приводят к очень малой передаче импульса от капли к комару, что даёт насекомым способность выживать под дождём. Другим важным фактором является то, что столкновение происходит в воздухе, а не на закреплённой поверхности. При попадании капли на комара возможны два сценария: если удар приходится не по центру, насекомое немного вращается и летит дальше; иначе капля ненадолго увлекает комара за собой, но тот довольно быстро освобождается.

Какой привычный предмет помогает смотреть сквозь непрозрачное матовое стекло?

Чтобы посмотреть сквозь стекло с матовой поверхностью, достаточно наклеить на него кусочек прозрачного скотча. Из-за неровностей матового стекла свет рассеивается, но клеевая сторона скотча сглаживает эти неровности, и в результате свет проходит как будто сквозь обычное стекло. Нужно добавить, что если поверхность матовая с двух сторон, этот трюк уже не сработает.

До какой температуры ниже нуля вода может оставаться жидкой?

В нормальном состоянии вода начинает превращаться в лёд при температуре 0 °C. Процесс замерзания воды происходит вблизи центров кристаллизации, которые образуются вблизи мест микроскопических возмущений. Однако если убрать эти возмущения, вода может оставаться жидкой вплоть до −43 °C - такое состояние называют переохлаждённой водой. Одно из коммерческих применений этого эффекта внедрено производителями напитков. Специальные партии газировки поставляются именно с переохлаждённой водой, и когда бутылку открывают, внутри сразу же образуется смесь из напитка и льда.

При каких условиях возникает перевёрнутая радуга?

Существует оптическое явление, которое можно назвать перевёрнутой радугой, хотя случается оно очень редко. Такая радуга появляется только при выполнении нескольких условий. В небе на высоте 7-8 км должна быть тонкая завеса перистых облаков, состоящих из кристалликов льда, а солнечный свет должен упасть на них под определённым углом, чтобы разложиться на спектр и отразиться в атмосферу. Цвета в радуге «вверх ногами» располагаются тоже наоборот: фиолетовый вверху, а красный - внизу.

Почему в горах холоднее, чем в низинах, хотя они находятся ближе к солнцу?

Солнце нагревает земной воздух не напрямую. Его излучение проходит сквозь слои атмосферы и поглощается сушей и водой на поверхности планеты, а уже затем от них воздух получает тепловую энергию. Поэтому хотя горы и ближе к солнцу, в них холоднее, чем на равнинах, так как в среднем при подъёме на каждый километр температура уменьшается на 6 °C из-за адиабатического расширения воздуха. Но даже на самых больших высотах могут встречаться долины, которые благодаря особому рельефу и отражению солнечных лучей от снега могут хорошо нагреваться. Например, в так называемом Западном цирке, который находится на одном из маршрутов к пику Эвереста на высоте более 6 000 метров, в солнечные безветренные дни температура может подниматься до 35 °C.

Что исследуется в самом длинном непрерывном лабораторном эксперименте в истории?

В 1927 году Томас Парнелл, профессор австралийского университета Квинсленда, поставил эксперимент по демонстрации студентам жидкостных свойств битумной смолы - вещества, твёрдого в обычном состоянии. Нагрев смолу, он залил её в закупоренную стеклянную воронку и закрыл сверху, а через три года отрезал нижнюю часть воронки, позволив формироваться каплям. Первая капля упала в 1938 году, следующие падали примерно с таким же интервалом - всего на сегодняшний день зафиксировано 9 капель. Этот опыт считается самым длинным непрерывным лабораторным экспериментом в истории.

В какой среде можно полностью остановить свет?

Предельно возможная скорость частиц называется скоростью света в вакууме и является константой. Однако вне вакуума свет может распространяться со скоростью гораздо ниже этой постоянной величины. Существует особое агрегатное состояние материи, конденсат Бозе - Эйнштейна, в котором свет замедляется наиболее сильно. Экспериментально свет был даже полностью остановлен в конденсате Бозе - Эйнштейна рубидия путём образования стационарных, не смещающихся солитонов.

Почему в пиве «Гиннесс» пузырьки движутся не вверх, а вниз?

В пиве «Гиннесс» хорошо видно, как пузырьки спускаются по стенкам бокала вниз вместо того, чтобы подниматься вверх. Это объясняется тем, что в центральной части бокала пузырьки быстро поднимаются, выталкивая жидкость у краёв с более сильным вязким трением вниз. Но этот эффект характерен не только для «Гиннесса», а вообще для любой жидкости, просто в данном пиве он более заметен. В первую очередь это связано с тем, что вместо углекислого газа «Гиннесс» наполняется азотом, который меньше растворяется в воде. Во-вторых, светлые пузырьки просто лучше видны на фоне очень тёмного пива.

Какой учёный и с какой целью срезал кожу со своих пальцев?

Русский учёный Василий Петров, первым в мире в 1802 году описавший явление электрической дуги, не жалел себя при проведении экспериментов. В то время не было таких приборов, как амперметр или вольтметр, и Петров проверял качество работы батарей по ощущению от электрического тока в пальцах. А чтобы чувствовать очень слабые токи, учёный специально срезал верхний слой кожи с кончиков пальцев.

Может ли человек утонуть в зыбучем песке?

Чтобы вытащить ногу из зыбучего песка со скоростью 0,1 м/с, нужно приложить силу, аналогичную силе поднятия легковой машины средних размеров. Однако, являясь неньютоновской жидкостью, зыбучий песок не может поглотить человека целиком. Смерть увязших вызывают другие причины, такие, как обезвоживание, прилив или солнечное облучение. При попадании в зыбучий песок лучше не делать резких движений, а попытаться лечь на спину и, раскинув руки, ждать помощи.

Какой физический эффект был доказан на практике музыкантами, два дня подряд игравшими одну ноту?

Австрийский физик Кристиан Доплер в 1842 году теоретически обосновал, что частота колебаний, которую воспринимает наблюдатель, зависит от скорости и направления движения источника волн и наблюдателя относительно друг друга. Через три года голландский метеоролог Христофор Бейс-Баллот взялся доказать это утверждение на практике. Он нанял на пару дней паровоз с платформой, посадив на неё двух трубачей, держащих ноту соль, а на перроне разместил нескольких музыкантов с абсолютным слухом. На втором этапе эксперимента слушатели перемещались, а музыканты играли неподвижно. Всё это время наблюдатели отмечали, что слышат разные ноты, в результате чего истинность эффекта Доплера была подтверждена.

Какое изобретение человека первым преодолело звуковой барьер?

Характерный щелчок после взмаха кнутом обусловлен тем, что его кончик движется со сверхзвуковой скоростью. Аналогичный эффект происходит, когда со скоростью больше скорости звука летит самолёт: от созданной им ударной волны наблюдатель может услышать громкий звук, похожий на взрыв. Однако именно кнут можно признать первым изобретением человека, преодолевшим звуковой барьер.

Почему сидящая на проводе птица не погибает от удара током?

Сидящая на проводе высоковольтной ЛЭП птица не страдает от тока, потому что её тело - плохой проводник тока. В местах прикосновения птичьих лап к проводу создаётся параллельное соединение, а так как провод гораздо лучше проводит электричество, по самой птице бежит очень малый ток, который не может причинить вреда. Однако стоит птице на проводе коснуться ещё какого-нибудь заземлённого предмета, например металлической части опоры, она сразу погибает, ведь тогда уже сопротивление воздуха по сравнению с сопротивлением тела слишком велико, и весь ток идёт по птице.

Какой памятью могут обладать сплавы металлов?

Некоторым металлическим сплавам, например нитинолу (55% никеля и 45% титана), присущ эффект памяти формы. Он заключается в том, что деформированное изделие из такого материала при нагреве до определённой температуры возвращается к своей первоначальной форме. Это связано с тем, что данные сплавы имеют особую внутреннюю структуру под названием мартенсит, обладающую свойством термоупругости. В деформированных частях структуры возникают внутренние напряжения, которые стремятся вернуть структуру в исходное состояние. Материалы с памятью формы нашли широкое применение в производстве - например, для соединительных втулок, которые при очень низкой температуре сжимаются, а при комнатной - распрямляются, формируя соединение гораздо надёжнее сварки.

Каким образом эффект Паули предотвратил розыгрыш самого Паули?

Эффектом Паули учёные называют отказ в работе приборов и незапланированный ход экспериментов при появлении известных физиков-теоретиков - например, нобелевского лауреата Вольфганга Паули. Однажды его решили разыграть, соединив настенные часы в зале, где он должен был читать лекцию, с входной дверью с помощью реле, чтобы при открытии двери часы остановились. Однако этого не произошло - когда Паули вошёл, неожиданно отказало реле.

Какие цветные шумы, помимо белого шума, существуют?

Широко известно понятие «белый шум» - так говорят о сигнале с равномерной спектральной плотностью на всех частотах и дисперсией, равной бесконечности. Пример белого шума - это звук водопада. Однако помимо белого выделяют большое число других цветных шумов. Розовым шумом называют сигнал, у которого плотность обратно пропорциональна частоте, а у красного шума плотность обратно пропорциональна квадрату частоты - на слух они воспринимаются более «тёплыми», чем белый. Также существуют понятия синий, фиолетовый, серый шумы и много других.

Какие элементарные частицы названы в честь крика уток?

Мюррей Гелл-Манн, выдвинувший гипотезу о том, что адроны состоят из ещё более мелких частиц, решил назвать эти частицы звуком, который производят утки. Оформить этот звук в подходящее слово ему помог роман Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану», а именно строка: «Three quarks for Muster Mark!». Отсюда частицы и получили название кварки, хотя совершенно не ясно, какое значение это несуществующее ранее слово имело у Джойса.

Почему небо днём синее, а во время заката - красное?

Коротковолновые составляющие солнечного спектра рассеиваются в воздухе сильнее, чем длинноволновые. Именно поэтому мы видим небо синим - ведь синий цвет находится на коротковолновом конце видимого спектра. По аналогичной причине во время заката или рассвета небо на горизонте окрашивается в красные тона. В это время свет идёт по касательной к земной поверхности, и его путь в атмосфере гораздо длиннее, в результате чего значительная часть синего и зелёного цвета из-за рассеяния покидает прямой солнечный свет.

Чем отличается механизм лакания воды у кошек и собак?

В процессе лакания кошки не погружают язык в воду, а, слегка коснувшись изогнутым кончиком поверхности, тут же втягивают его обратно вверх. При этом образуется столбик жидкости благодаря тончайшему балансу гравитации, которая тянет воду вниз, и силы инерции, заставляющей воду продолжать движение вверх. Похожий механизм лакания используют собаки - хотя наблюдателю может показаться, что собака зачерпывает жидкость языком, сложенным в лопатку, рентгеновский анализ показал, что внутри рта эта «лопатка» разворачивается, а создаваемый собакой водяной столбик аналогичен кошачьему.

Кто обладает как Нобелевской, так и Шнобелевской премиями?

Голландский физик российского происхождения Андрей Гейм в 2010 году получил Нобелевскую премию за опыты, которые помогли изучить свойства графена. А 10 годами раньше он получил ироничную Шнобелевскую премию за эксперимент по диамагнитной левитации лягушек. Таким образом, Гейм стал первым человеком в мире, который владеет как Нобелевской, так и Шнобелевской премиями.

Чем опасны обычные городские улицы для гоночных болидов?

Когда гоночный болид едет по трассе, между его днищем и дорогой может создаваться очень низкое давление, достаточное для поднятия крышки канализационного люка. Так произошло, например, в Монреале в 1990 году на гонке спортпрототипов - крышка, поднятая одним из болидов, ударила следующий за ним болид, из-за чего начался пожар, и гонка была остановлена. Поэтому сейчас во всех гонках болидов по городским улицам крышки привариваются к ободу люка.

Зачем Ньютон запускал себе в глаз инородный предмет?

Исаак Ньютон интересовался многими аспектами физики и других наук и не боялся проводить некоторые эксперименты на себе. Свою догадку о том, что мы видим окружающий мир из-за давления света на сетчатку глаза, он проверял так: вырезал из слоновой кости тонкий изогнутый зонд, впускал его себе в глаз и надавливал на заднюю сторону глазного яблока. Возникающие цветные вспышки и круги подтвердили его гипотезу.

Почему единица измерения и температуры, и крепости спиртных напитков называется одинаково - градус?

В 17-18 веках существовала физическая теория о теплороде - невесомой материи, находящейся в телах и являющейся причиной тепловых явлений. Согласно этой теории, в более нагретых телах содержится больше теплорода, чем в менее нагретых, поэтому температура определялась как крепость смеси вещества тела и теплорода. Именно поэтому единица измерения и температуры, и крепости спиртных напитков называется одинаково - градус.

Почему два германо-американских спутника получили имена Том и Джерри?

В 2002 году Германия совместно с США запустила систему из двух космических спутников для измерения гравитации Земли под названием GRACE. Они летают по одной орбите на высоте около 450 километров один за другим, с промежутком 220 километров. Когда первый спутник подлетает к области с повышенной гравитацией, например, большому горному массиву, он ускоряется и удаляется от второго спутника. А через некоторое время сюда долетает и второй аппарат, тоже ускоряется и тем самым восстанавливает исходную дистанцию. За подобную игру в «догонялки» спутникам дали имена Том и Джерри.

Почему американский самолёт-разведчик SR-71 Blackbird нельзя полностью заправить на земле?

Американский самолёт-разведчик SR-71 Blackbird при обычной температуре имеет в своей обшивке зазоры. В полёте обшивка разогревается из-за трения о воздух, и зазоры исчезают, а охлаждает обшивку топливо. Но в обычном состоянии на земле самолёт теряет, пусть и в небольших количествах, топливо через эти щели. По этой причине (а также для уменьшения взлётной скорости путём экономии массы) сначала в самолёт заправляется только небольшое количество горючего, и уже в воздухе происходит дозаправка.

Какая наука богата на интересные факты? Физика! 7 класс - это время, когда школьники начинают изучать её. Чтобы серьезный предмет не казался таким скучным, предлагаем начать учебу с занимательных фактов.

Почему в радуге семь цветов

Интересные факты о физике могут касаться даже радуги! Количество цветов в ней определил Исаак Ньютон. Таким явлением, как радуга, интересовался ещё Аристотель, а персидским учёным суть ее открылась ещё в 13-14 веке. Тем не менее мы руководствуемся описанием радуги, которое Ньютон сделал в своей работе «Оптика» в 1704 году. Он выделил цвета с помощью стеклянной призмы.

Если внимательно посмотреть на радугу, то можно увидеть, как цвета плавно перетекают из одного в другой, образуя огромное количество оттенков. И Ньютон изначально выделил только пять основных: фиолетовый, голубой, зеленый, желтый, красный. Но ученый обладал страстью к нумерологии, и поэтому захотел привести количество цветов к мистической цифре "семь". Он добавил к описанию радуги ещё два цвета - оранжевый и синий. Так получилась семицветная радуга.

Форма жидкости

Физика - вокруг нас. Интересные факты могут удивить нас, даже если дело касается такой привычной вещи, как обычная вода. Мы все привыкли думать, что жидкость не имеет собственной формы, об этом говорит даже школьный учебник по физике! Однако это не так. Естественная форма жидкости - шар.

Высота Эйфелевой башни

Какова точная высота Эйфелевой башни? А это зависит от погоды! Дело в том, что высота башни колеблется на целых 12 сантиметров. Это происходит от того, что в жаркую солнечную погоду строение нагревается, и температура балок может доходить до 40 градусов по Цельсию. А как известно, вещества могут расширяться под воздействием высокой температуры.

Самоотверженные ученые

Интересные факты об ученых-физиках могут быть не только забавными, но и рассказывать об их самоотверженности и преданности любимому делу. Во время изучения электрической дуги физик Василий Петров удалил верхний слой кожи на кончиках пальцев, чтобы ощущать слабые токи.

А Исаак Ньютон ввел в собственный глаз зонд, чтобы понять природу зрения. Ученый считал, что мы видим потому, что свет давит на сетчатку.

Зыбучие пески

Интересные факты о физике могут помочь понять свойства такой занимательной вещи, как зыбучие пески. Они представляют собой Человек или животное не могут погрузиться в зыбучий песок полностью из-за высокой вязкости, но и выбраться из него очень сложно. Чтобы вытащить ногу из зыбучего песка, нужно приложить усилия, сравнимые с поднятием легкового автомобиля.

В нем нельзя утонуть, но опасность для жизни представляют обезвоживание, солнце, приливы. При попадании в зыбучий песок нужно лечь на спину и ждать помощи.

Сверхзвуковая скорость

Вы знаете, каким было первое приспособление, преодолевшее Обычный пастуший кнут. Щелчок, пугающий коров, это не что иное, как хлопок при преодолении При сильном ударе кончик кнута движется так быстро, что создает в воздухе ударную волну. То же самое происходит с самолетом, летящим со сверхзвуковой скоростью.

Фотонные сферы

Интересные факты о физике и природе черных дыр таковы, что иногда просто невозможно даже вообразить себе реализацию теоритических выкладок. Как известно, свет состоит из фотонов. Попадая под влияние гравитации черной дыры фотоны образуют дуги, области, где они начинают вращаться по орбите. Ученые полагают, что если поместить человека в такую фотонную сферу, то он сможет увидеть собственную спину.

Скотч

Вряд ли вы разматывали скотч в вакууме, но ученые в своих лабораториях это сделали. И выяснили, что при разматывании возникает видимое свечение и рентгеновское излучение. Мощность рентгеновского излучения такова, что позволяет даже делать снимки частей тела! А вот почему это происходит - загадка. Подобный эффект можно наблюдать при разрушении ассиметричных связей в кристалле. Но вот незадача - никакой кристаллической структуры в скотче нет. Так что ученым придется придумать другое объяснение. Не стоит опасаться разматывать скотч в домашних условиях - в воздухе никакого излучения не происходит.

Эксперименты на людях

В 1746 году французский физик и, по совместительству, священник Жан-Антуан Нолле исследовал природу электрического тока. Ученый решил узнать, какова скорость электрического тока. Вот только как это сделать в условиях монастыря…

Физик пригласил на эксперимент 200 монахов, соединил их с помощью железных проводов и разрядил в бедняг батарею из недавно изобретенных лейденских банок (они являются первыми конденсаторами). Все монахи отреагировали на удар одновременно, и это дало понять, что скорость тока чрезвычайно высока.

Гениальный двоечник

Интересные факты из жизни физиков могут подавать ложные надежды неуспевающим ученикам. Среди нерадивых учеников ходит легенда, что знаменитый Эйнштейн был самым настоящим двоечником, плохо знал математику и вообще завалил выпускные экзамены. И ничего, стал всемирно Спешим разочаровать: Альберт Эйнштейн начал проявлять недюжинные математические способности ещё в детстве и имел знания, намного превосходящие школьную программу.

Возможно, слухи о плохой успеваемости ученого возникли потому, что он не сразу поступил в высшую политехническую школу Цюриха. Альберт блестяще сдал экзамены по физике и математике, но в других дисциплинах нужное количество баллов не набрал. Подтянув знания по нужным предметам, будущий ученый успешно сдал экзамены в следующем году. Ему было 17 лет.

Птички на проводе

Вы замечали, что птицы любят сидеть на проводах? Но почему же они не погибают от удара током? Все дело в том, что тело - не очень хороший проводник. Птичьи лапы создают параллельное соединение, через которое протекает малый ток. Электричество предпочитает провод, который является лучшим проводником. Но стоит птице коснуться ещё какого-либо элемента, например, заземленной опоры, как электричество устремляется через её тело, приводя к гибели.

Люки против болидов

Интересные факты о физике можно вспомнить даже во время просмотра городских гонок "Формулы 1". Спортивные болиды движутся с такой большой скоростью, что между днищем машины и поверхностью дороги создается низкое давление, которого вполне хватит, чтобы поднять в воздух крышку люка. Именно так и произошло на одной из городских гонок. Крышка люка столкнулась со следующей машиной, возник пожар, гонка была остановлена. С тех пор во избежание несчастных случаев крышки люка привариваются к ободу.

Природный ядерный реактор

Один из самых серьезных разделов науки - ядерная физика. Интересные факты есть и здесь. Вы знали, что 2 миллиарда лет назад в районе Окло действовал самый настоящий природный ядерный реактор? Реакция протекала 100 000 лет, пока урановая жила не истощилась.

Интересен тот факт, что реактор был саморегулируемый - в жилу попадала вода, которая играла роль замедлителя нейронов. При активном ходе цепной реакции вода выкипала, и реакция ослабевала.

1. Как зародилась жизнь?

Появление около 4 млрд лет назад первого живого существа из неорганического материала до сих пор окутано завесой тайны. Каким образом из относительно простых молекул, содержащихся в первобытном океане, формировались все более сложные вещества? Почему некоторые из них приобрели способность поглощать и преобразовывать энергию, а также самовоспроизводиться (два последних свойства представляют собой отличительные особенности живого)? На молекулярном уровне все эти события, несомненно, представляют собой химические реакции, а потому и вопрос возникновения жизни следует рассматривать в рамках химии.

Перед химиками не стоит задача разбираться в бесчисленном множестве сценариев того, как могла развиваться ситуация миллиарды лет назад. Участвовали или нет в создании самореплицирующихся полимеров (каковы молекулы ДНК или белков) неорганические катализаторы, например комочки глины; или существовал ли в далеком прошлом «РНК-мир», в котором «двоюродная сестра» ДНК (молекула РНК) катализировала реакции образования белков и появилась раньше других биополимеров.

Необходимо проверить справедливость данных гипотез, проводя химические реакции в пробирке. Уже показано, что некоторые относительно простые химические вещества могут взаимодействовать друг с другом с образованием «строительных блоков» таких биополимеров, как белки и нуклеиновые кислоты, т.е. аминокислот и нуклеотидов соответственно. В 2009 г. группа молекулярных биологов под руководством Джона Сазерленда (John Sutherland) из Лаборатории молекулярной биологии в Кембридже продемонстрировала возможность получения нуклеотидов из молекул, предположительно имевшихся в первобытном океане. Другую группу исследователей заинтересовала способность некоторых РНК выполнять функции катализатора, свидетельствующая о возможном существовании РНК-мира. Так шаг за шагом можно проложить мостик от неживой материи к самовоспроизводящимся живым системам.

Теперь, когда мы многое узнали о наших соседях по Солнечной системе - о наличии воды на Марсе, об углеводородных озерах на Титане, спутнике Сатурна, о холодных соленых океанах, по-видимому, скрытых под ледяной коркой на Европе и Ганимеде, спутниках Юпитера, и о многом другом, - вопрос происхождения земных форм жизни стал частью глобальной проблемы: какие условия необходимы для зарождения жизни и в каких пределах могут варьировать ее химические основы? Круг вопросов еще более расширился за последние 15 лет, в течение которых за пределами Солнечной системы было обнаружено более 500 планет, обращающихся вокруг других звезд. Эти миры, отличающиеся необычайным разнообразием, еще предстоит исследовать.

Подобные открытия заставили химиков изменить свои представления о химических основах жизни. Так, долгое время считалось, что совершенно необходимая предпосылка ее зарождения - наличие воды. Сегодня ученые в этом не уверены. Может быть, вместо воды подойдет жидкий аммиак, формамид, жидкий метан либо водород в условиях сверхвысокого давления в верхних слоях Юпитера? И почему необходимой предпосылкой формирования живых систем должно быть появление именно ДНК, РНК и белков? Созданы же искусственные химические структуры, способные к самовоспроизведению без всяких нуклеиновых кислот. Возможно, достаточно просто некоей молекулярной системы, которая может служить матрицей для копирования самой себя?

«Анализ современных форм жизни, существующих на Земле, - говорит Стивен Беннер (Steven Benner) из Фонда прикладной молекулярной эволюции в Гейнсвилле, штат Флорида, - не дает ответа на вопрос, обусловлено ли сходство их фундаментальных черт (использование ДНК и белков) наличием общего предка или свидетельствует об универсальности жизни». Однако если упорно стоять на том, что мы обязаны оставаться в рамках уже известных фактов, то мы никуда не продвинемся.

2 Как образуются молекулы?

Строение молекул - основной предмет, изучаемый студентами химических специальностей, при этом графическое представление молекул в виде совокупности кружков и линий между ними, соответствующих атомам и химическим связям, - это чистая условность, к которой прибегают для удобства. Среди ученых до сих пор нет согласия по поводу того, какое изображение молекул ближе всего к реальности.

В 1920-х гг. немецкие физики-теоретики Вальтер Гайтлер (Walter Heitler) и Фриц Лондон (Fritz London) показали, что химическую связь можно представить, используя уравнения только что появившейся квантовой физики, а великий американский химик Лайнус Полинг (Linus Poling) выдвинул гипотезу, что связи образуются при перекрывании в пространстве электронных облаков разных атомов. Альтернативная теория Роберта Милликена (Robert Milliken) и Фридриха Хунда (Friedrich Hund) предполагала, что химические связи (за исключением ионных) представляют собой результат перекрывания атомных орбиталей внешних электронов взаимодействующих атомов и появления охватывающей эти атомы молекулярной орбитали. Здесь мы попадаем в сферу компетенции теоретической химии, по сути представляющей собой одну из областей физики.

Концепция образования химических связей путем перекрывания атомных орбиталей получила широкое распространение, однако не все считают, что она универсальна. Дело в том, что построенные на ее основе модельные структуры молекул исходят из ряда упрощающих предположений и, таким образом, представляют собой лишь приближение. В действительности любая молекула - это некая группа атомных ядер, погруженная в электронное облако, и ядра, образно говоря, соревнуются между собой в его «перетягивании на себя», так что вся конструкция «дышит» и видоизменяется. В существующих же ныне моделях молекулы - это статичные образования, построенные с учетом лишь части важных свойств.

В рамках квантовой теории нельзя дать общее определение химической связи, которое соответствовало бы представлениям о ней химиков, чья работа в конечном счете сводится к разрушению одних химических связей и образованию других. В настоящее время существует множество способов представления молекул в виде связанных друг с другом атомов. По мнению специалиста по квантовой химии Доминика Маркса (Dominick Marx) из Бохумского университета в Германии, почти все они «хороши в одних случаях и совершенно непригодны в других».

Используя компьютерное моделирование, сегодня можно с высокой точностью предсказывать структуру и свойства молекул, исходя из принципов квантовой механики, - но до тех лишь пор, пока число электронов, участвующих в образовании химических связей, относительно невелико. «Вычислительная химия позволяет получить максимально реалистичную картину происходящего», - говорит Маркс. Компьютерное моделирование можно рассматривать как виртуальный эксперимент, воспроизводящий ход химической реакции. Но как только число электронов приближается к нескольким десяткам, численные методы становятся бессильными даже при наличии мощнейших компьютеров. В связи с этим встает вопрос: каким образом, например, моделировать сложные биохимические процессы, протекающие в клетке, или поведение многокомпонентных систем?

3. Как влияют внешние факторы на наши гены?

Долгое время в биологическом сообществе господствовала идея, что индивидуальность каждого из нас определяется тем, какими генами мы обладаем. Однако не менее важно и то, какие из них мы используем. Как и всюду в биологии, последнее неразрывно связано с той же химией.

Клетки эмбриона на самых ранних стадиях дают начало тканям всех возможных типов. По мере его развития так называемые плюрипотентные стволовые клетки дифференцируются и превращаются в специализированные (клетки крови, мышечные, нервные клетки и т.д.). Последние сохраняют свои индивидуальные свойства на протяжении всей жизни организма. Формирование тела человека - это, по существу, химические превращения хромосом стволовых клеток, в результате которых изменяется набор функционирующих и молчащих генов.

Одно из революционных открытий в области клонирования и изучения стволовых клеток состоит в том, что упомянутые превращения обратимы. В процессе дифференциации клетки не инактивируют часть генов, поддерживая в рабочем состоянии только те, которые нужны сейчас. Они их выключают и поддерживают в состоянии боевой готовности. Данные гены могут активироваться, например, под действием определенных химических веществ внешней среды.

Особенно интересен и загадочен с точки зрения химии тот факт, что регуляция генной активности осуществляется на надатомном и надмолекулярном уровнях, при участии целых групп взаимодействующих друг с другом молекул. Хроматин - комплекс между ДНК и белками, образующий хромосомы, - имеет иерархическую структуру. Сначала двухцепочечная молекула ДНК обвивается вокруг частиц цилиндрической формы, состоящих из особых белков - гистонов. Затем образовавшаяся «нитка бус» укладывается в пространстве в структуры более высокого порядка. Клетка строго контролирует процесс укладки - от того, в каком месте в хроматине окажется данный ген, зависит его активность.

Перестройка структуры хроматина происходит при участии особых ферментов, играющих ключевую роль в клеточной дифференцировке. В эмбриональных стволовых клетках хроматин имеет рыхлую, неупорядоченную структуру, которая уплотняется по мере выключения генов в процессе дифференциров-ки.

Структурирование хроматина сопровождается химическими превращениями как ДНК, так и гистонов. К ним присоединяются небольшие молекулы - маркеры, указывающие клетке, какие гены выключить, а какие, напротив, включить. Такие метки носят название эпигенетических факторов, поскольку они не влияют на информацию, заключенную в генах.

До какой степени зрелые клетки можно вернуть в состояние плюрипотентности? Будут ли они обладать свойствами стволовых клеток, необходимыми для использования при регенерации различных тканей? Ответ зависит от того, в какой мере можно повернуть вспять эпигенетическое маркирование.

Совершенно очевидно, что помимо генетического языка, на котором записаны многие ключевые инструкции, клетки используют совершенно другой с химической точки зрения язык - эпигенетический. «Человек может иметь генетическую предрасположенность к какому-то заболеванию, например раку, но возникнет оно или нет, зависит от средовых факторов, действующих через эпигенетический канал», - говорит Брайан Тернер (Bryan Turner) из Бирмингемского университета в Англии.

4. Как мозг формирует память?

Мозг можно уподобить химическому компьютеру. Связь между нейронами, из которых состоят его «электрические цепи», осуществляется с помощью особых молекул - нейромедиаторов. Они высвобождаются одним нейроном, пересекают синаптическую щель, связываются с рецепторами другого нейрона, активируют его, тот приводит в действие третий и т.д. В результате нервный импульс распространяется по цепочке нейронов. Химическая природа умственной деятельности проявляется при запоминании, когда некая информация - номер телефона или какое-то событие -«отпечатывается» с помощью химических сигналов в виде различных состояний нервной сети. Как на основе химических процессов формируется память -одновременно стойкая и динамичная? Что значит -вспоминать, переосмысливать, забывать?

У нас есть ответы только на некоторые вопросы. Мы знаем, например, что безусловный рефлекс возникает в ответ на некий каскад биохимических процессов, ведущий к изменению количества нейромедиаторов в синапсе. Но даже у такого простого процесса есть кратковременная и долговременная составляющие. Более сложный феномен - так называемая декларативная память (на лица, на местность и т.д.) - имеет другой механизм и другую локализацию в головном мозге. Основным игроком здесь выступает имеющийся у некоторых нейронов рецептор нейромедиатора дофамина. Его блокирование мешает сохранению декларативной памяти.

Формирование каждодневной декларативной памяти часто опосредуется так называемой долговременной потенциацией, в которой участвуют дофаминовые рецепторы и которая сопровождается расширением области нейрона, образующей синапс. С расширением данной области укрепляется связь нейрона с его партнерами, проявляющаяся через увеличение разности потенциалов в синаптической щели под действием нервного импульса. Биохимия процесса стала более или менее ясна в последние несколько лет. Обнаружилось, что внутри нейрона образуются филаменты актина - белка, который формирует внутренний каркас клетки, определяющий ее размеры и форму. Процесс можно прервать, если воспрепятствовать стабилизации только что появившихся филаментов.

Долговременная память, раз сформировавшись, сохраняется благодаря включению генов, кодирующих особые белки. Есть основания полагать, что в их число входят прионы. Последние могут находиться в одной из двух альтернативных конформаций. В первом случае прионы легко растворимы, во втором - нерастворимы и переводят в это состояние все белковые молекулы данного типа, с которыми им довелось контактировать. В результате образуются крупные при-онные агрегаты, причастные к развитию различных нейродегенеративных расстройств. Именно такое негативное свойство прионов стало стимулом к их идентификации и изучению. Обнаружилось, что агрегаты выполняют в организме и полезные функции - они участвуют в сохранении памяти.

В истории о работе памяти все еще много белых пятен, заполнять которые предстоит биохимикам. Как толковать, например, понятие «вспомнить что-то», если это «что-то» хранится в нашей памяти? «Данная проблема, к решению которой мы только приступаем, очень трудна для понимания», - говорит нейрофизиолог, лауреат Нобелевской премии Эрик Кандел (Eric Kandel) из Колумбийского университета.

Говоря о химической природе феномена памяти, нельзя не коснуться такого вопроса, как воздействие на нее фармацевтических средств. Некоторые улучшающие память вещества уже известны. Среди них половые гормоны и синтетические соединения, действующие на рецепторы никотина, глутамата, серотина и других ней-ромедиаторов. Как замечает нейробиолог Гэри Линч (Gary Lynch) из Калифорнийского университета, тот факт, что к формированию долговременной памяти ведет длинная цепочка событий, указывает на наличие множества мишеней в организме, на которые могли бы быть нацелены «лекарства памяти».

5. Есть ли предел пополнению периодической системы элементов?

Периодическая таблица химических элементов, которая висит на видном месте в каждом кабинете химии, постоянно пополняется. С помощью ускорителей физики-ядерщики получают новые, сверхтяжелые элементы с большим числом протонов и нейронов в ядре, чем у тех 92, которые существуют в природе. Они не слишком стабильны, некоторые распадаются в течение долей секунды после рождения. Но пока подобные элементы существуют, они по своему статусу ничем не отличаются от остальных: имеют атомный номер и массовое число, обладают определенными химическими свойствами. В ходе хитроумных экспериментов исследованы некоторые свойства атомов сибор-гия и хассия.

Одна из целей таких исследований состоит в том, чтобы выяснить, существует ли предел расширения периодической системы, иными словами - проявляют ли сверхтяжелые элементы ту периодичность в своем поведении, которая и определяет их местоположение в таблице. Уже сейчас можно сказать, что одни удовлетворяют указанным требованиям, другие - нет. В частности, их массивные ядра притягивают электроны с такой силой, что те начинают двигаться со скоростью, приближающейся к скорости света. Как следствие, масса электронов драматически увеличивается, что может привести к дезорганизации энергетических уровней, от которых зависят химические свойства элементов, а значит - их положение в периодической таблице.

Есть надежда, что физикам-ядерщикам удастся найти остров стабильности - некую область, слегка выходящую за пределы нынешних возможностей получения синтетических элементов, в которой сверхтяжелые элементы будут жить дольше. Однако остается фундаментальный вопрос об их предельных размерах. Как показывают довольно простые квантово-механические выкладки, электроны могут удерживаться ядром, число протонов в котором не превышает 137. Более сложные вычисления отвергают данное ограничение. «Периодическая система не заканчивается номером 137; фактически она ничем не ограничена», - заявляет физик-ядерщик Вальтер Грейнер (Walter Greiner) из Университета Гете во Франкфурте-на-Майне, Германия. До экспериментальной проверки этого утверждения еще очень далеко.

6. Можно ли создать компьютер на основе атомов углерода?

Компьютерные чипы на основе графена - сетки из углеродных атомов - потенциально более «быстрые» и мощные, чем кремниевые. Получение графена принесло его создателям Нобелевскую премию по физике за 2010 г., но практическое применение подобной «углеродной» нанотехнологии зависит в конечном счете от того, сумеют ли химики создавать конструкции с атомной точностью. В 1985 г. были синтезированы фуллерены, полые замкнутые сетчатые структуры, целиком состоящие из атомов углерода, а шестью годами позже - углеродные нанотрубки с сетчатыми стенками. Ожидалось, что чрезвычайно прочные электропроводящие конструкции найдут самое широкое применение - от получения на их основе сверхпрочных композитных материалов до изготовления крошечных проводников и электронных устройств, миниатюрных молекулярных капсул и мембран для очистки воды. Однако весь потенциал реализовать пока не удалось. Так, не получается встраивать нанотрубки в сложные электронные цепи. В последнее время в центре внимания нанотехнологов оказался графит.

Его удалось разделить на сверхтонкие слои (это и есть графен), из которых можно изготавливать сверхминиатюрные, дешевые и прочные электронные схемы. Разработчики компьютеров, используя узкие, тончайшие полоски графена, смогут изготавливать более совершенные чипы, чем кремниевые. «Из графена можно получать конструкции, без труда соединяющиеся друг с другом и встраиваемые в электронные цепи», - говорит Уолт де Хир (Walt de Heer) из Технологического института Джорджии. Однако для создания графеновых электронных цепей метод травления, используемый в микроэлектронике, не годится - он слишком груб, так что сегодня графеновая технология - это предмет раздумий, а не реальные дела. Возможно, ключом к решению проблемы конструирования на атомном уровне станет применение методов органической химии - соединение друг с другом полиароматических молекул из нескольких гексагональных углеродных колец, аналогов небольших фрагментов графеновой сетки.

7. Можно ли улавливать больше солнечной энергии?

Каждый восход Солнца напоминает нам, что человек использует лишь малую долю энергии, которую дает наше светило. Основное препятствие на пути ее широкого применения - дороговизна кремниевых солнечных ячеек. Но сама жизнь на нашей планете, поддерживаемая в конечном счете благодаря фотосинтезу, который осуществляется зелеными растениями при поглощении ими солнечной энергии, свидетельствует о том, что солнечные ячейки не обязательно должны быть высокоэффективными, достаточно, чтобы их было много (как листьев на деревьях) и они были бы дешевы.

«Одно из наиболее перспективных направлений в разработке способов использования солнечной энергии - получение топлива», - говорит Девенс Гаст (Devens Gust) из Университета штата Аризона. Проще всего это сделать, расщепляя при помощи солнечного света молекулы воды с образованием водорода и газообразного кислорода. Натан Льюис (Nathan S. Lewis) и его сотрудники из Калифорнийского технологического института работают над созданием искусственного листа из кремниевых нанопроволочек, который осуществлял бы такое расщепление.

Недавно Дэниел Носера (Daniel Nocera) из Массачусетсского технологического института сообщил о создании кремниевой мембраны, в которой при участии фотокатализатора на основе кобальта действительно происходит расщепление молекул воды. По оценкам Носеры, из одного галлона (~ 3,8 л) воды можно получить столько топлива, что его будет достаточно для энергоснабжения небольшого дома в течение суток.

Развитие подобной технологии сдерживается отсутствием подходящих катализаторов. «Кобальтовый катализатор наподобие того, что использовал Носера, и новые катализаторы на основе других металлов - это в принципе то, что нужно, но они слишком дороги - говорит Гаст. - К сожалению, мы не знаем, как работает природный фотосинтетический катализатор на основе марганца».

Гаст и его коллеги намереваются создать молекулярные ансамбли для осуществления искусственного фотосинтеза, имитирующие природные. Им уже удалось синтезировать ряд веществ, которые войдут в один из таких ансамблей. Но на этом пути предвидятся серьезные препятствия. Органические молекулы, аналогичные тем, которые использует природа, нестабильны. Растения тут же заменяют их новыми, а искусственные листья на такое пока не способны: у них, в отличие от живых систем, нет биосинтетических механизмов.

8. Как лучше всего получать биотопливо?

Вместо того чтобы разрабатывать технологию получения топлива с помощью энергии Солн-цалне лучше ли использовать способность зеленых растений запасать энергию и превращать биомассу в топливо? Такие виды биотоплива, как этанол, получают из кукурузы, а биодизельное топливо - из семян, и эти продукты уже занимают определенное место на рынке. Но есть опасность, что в ход пойдет зерно, составляющее основу рациона человека. Особенно нежелательно это для развивающихся стран - экспорт биотоплива может оказаться очень прибыльным и оставит местное население без пищи. Кроме того, чтобы удовлетворить нынешние потребности в топливе, придется распахать огромные территории, занятые сегодня лесами.

Таким образом, переработка зерна в топливо, по-видимому, не лучшее решение. Один из выходов мог бы заключаться в использовании других, менее ценных видов биомассы. В США образуется достаточно много отходов земледелия и деревообрабатывающей промышленности, чтобы на одну треть удовлетворить потребности транспорта в бензине и дизельном топливе.

Переработка такой низкосортной биомассы требует расщепления прочных молекул, таких как лигнин и целлюлоза. Химикам уже известно, как это делать, но существующие методы слишком дороги, энергоемки и малопригодны для получения больших количеств топлива.

Джону Хартвигу (John Hartwig) и Алексею Сергееву из Иллинойсского университета недавно удалось преодолеть одну из самых серьезных трудностей в расщеплении лигнина - разрыв связей между атомами углерода и кислорода, которые соединяют друг с другом бензольные кольца. Они использовали катализатор на основе никеля.

Получение из биомассы топлива в промышленных масштабах подразумевает переработку твердого биоматериала на месте, с тем чтобы транспортировать полученную жидкость по трубам. Здесь возникает одна серьезная проблема - сырье сильно загрязнено различными посторонними примесями, а классическая каталитическая химия имеет дело только с чистыми веществами. «Как, в конце концов, удастся выйти из положения - пока не ясно», - говорит Хартвиг. Очевидно одно: задача в значительной мере относится к области химии, и ее решение сводится к поиску подходящего катализатора. «Почти все промышленные процессы связаны с использованием соответствующих катализаторов», - еще раз подчеркивает Хартвиг.

9. Можно ли разработать новые способы получения лекарственных веществ?

Химия в своей основе - наука созидательная и в то же время практическая. Она занимается получением молекул, из которых затем можно создавать самые разные продукты - от материалов с новыми свойствами до антибиотиков, способных уничтожать патогенные микроорганизмы, устойчивые к другим лекарственным средствам.

В 1990-х гг. на пике популярности находилась комбинаторная химия, когда тысячи новых молекул получали случайным соединением «строительных блоков» и отбирали продукты с нужными свойствами. Данное направление, провозглашенное вначале будущим медицинской химии, довольно скоро утратило актуальность, поскольку результат оказался близким к нулю.

Но, возможно, комбинаторную химию ожидает второе рождение. Оно состоится при условии, что будет получен достаточно широкий набор молекул определенного типа и найден способ выделения из этой смеси микроскопических количеств нужных веществ. На помощь готова прийти биотехнология. Например, каждую молекулу можно снабдить штрих-кодом на основе ДНК, что облегчит ее идентификацию и выделение. Альтернативный подход мог бы состоять в последовательном отбраковывании неподходящих кандидатов - своего рода дарвиновском отборе in vitro. Для этого можно представить аминокислотную последовательность белка - кандидата на роль лекарственного вещества - в виде нуклеотидной последовательности сегмента ДНК и затем, используя механизм репликации с заложенной в нем склонностью к ошибкам, получать все новые и новые варианты, приближающиеся к идеалу с каждым раундом репликации и отбора.

Другие новые методы основываются на внутренней способности некоторых молекулярных фрагментов соединяться друг с другом в заданной последовательности. Так, аминокислотная последовательность белков определяется соответствующими генами. Используя такой принцип, химики могли бы в будущем программировать молекулы с заложенной в них способностью к самосборке. Данный подход имеет то преимущество, что в нем минимизировано количество побочных продуктов, а это в свою очередь уменьшает энергоемкость процессов и расход материалов.

В настоящее время эту идею пытаются реализовать Дэвид Лиу (David Liu) и его коллеги по Гарвардскому университету. Они присоединили к каждому строительному блоку будущих молекул короткий сегмент ДНК, кодирующий линкер, а кроме того синтезировали некую молекулу, которая движется вдоль ДНК и последовательно присоединяет мономерные звенья к строительному блоку, руководствуясь инструкцией, закодированной в сегменте ДНК, - процесс, аналогичный синтезу белков в живой клетке. Метод Лиу может пригодиться для создания целевых лекарственных веществ. «Многие молекулярные биологи, имеющие отношение к фармакологии, считают, что макромолекулы будут играть все большую, а затем и главную роль в терапии», - говорит Лиу.

10. Возможен ли химический мониторинг нашего организма?

В последнее время в химии все более отчетливо проявляется тенденция к сближению с информационными технологиями, в частности к использованию химических продуктов для коммуникаций с живыми клетками. Сама идея не нова: биосенсоры с протекающими в них химическими реакциями стали использоваться для определения концентрации глюкозы в крови еще в 1960-х гг., хотя широкое распространение в мониторинге диабета они получили лишь недавно, с появлением недорогих портативных устройств. Сфера применения химических датчиков широка: это обнаружение различных вредных веществ в пищевых продуктах и воде при очень малых их концентрациях, определение уровня загрязнения атмосферы и многое другое.

Но есть еще одна область - биомедицина, - где потенциал химических датчиков может раскрыться в полной мере и принести неоценимую пользу. Например, некоторые продукты генов, ассоциированных с тем или иным онкологическим заболеванием, начинают циркулировать в кровотоке задолго до проявления видимых симптомов патологии, когда обычные методы тестирования ничего не обнаруживают. Ранняя идентификация таких химических предвестников рака позволит поставить более точный диагноз, а главное - сделать это своевременно. Быстрое построение геномного профиля даст возможность подобрать индивидуальную схему лечения и уменьшить вероятность побочных эффектов.

Некоторые химики предвидят наступление эры непрерывного, необременительного для пациента мониторинга самых разных биохимических маркеров состояния организма. Подобная информация может пригодиться хирургу прямо во время операции, она может быть передана автоматизированной системе введения медикаментов и т.д. Реализация этих идей зависит от того, будут ли разработаны химические методы избирательной идентификации маркеров, даже когда они присутствуют в организме в следовых количествах.