Проверьте свои знания. Согласны ли вы с этим утверждением? Большинство участников акции «Открытая лабораторная» не смогло дать верный ответ.
Есть много мягких металлов, которые уступают по прочности почти любому дереву, а ртуть в нормальных условиях и вовсе находится в жидком состоянии.
Самые мягкие металлы — щелочные (из первой группы таблицы Менделеева), например, калий, натрий, литий. Натрий по прочности сравним с твердым сыром. Он без большого усилия разрезается ножом.
Немного тверже так называемые легкие металлы, например, индий, его можно кусать зубами (это безвредно и, пожалуй, приятно). Олово можно поцарапать ногтем (это не особенно приятно, но тоже легко).
Щелочные металлы легко расплющить, шмякнув по ним палкой.
В то же время дерево прочных пород — например, белую акацию и хрупкий на вид самшит ногтем поцарапать невозможно.
Кстати, как вообще измерить твердость материалов? Для этого есть метод Юхана Августа Бринелля. Шведский инженер предложил его в 1900 году. Метод заключается в следующем. В материал под определенной нагрузкой вдавливается твердый металлический шарик (обычно диаметром 10 мм). Потом шарик вынимают и смотрят, большая ли получилась дырка. Таким способом Бринелль и его коллеги проверили на твердость практически все в мире. Хорошая работа!
Учёные утверждают, что им удалось создать новый суперматериал, который прочнее, легче и дешевле стали. Но новый материал не продукт высоких технологий и не металл. Это дерево. Исследователи Лиангбинг Ху (Liangbing Hu) и Тенг Ли (Teng Li) работают в Мэрилендском университете (США).
Используя химические реактивы, нагревание и давление им удалось повысить плотность древесины в три, а прочность в 10 раз. По словам Ху, такая древесина способна соперничать с некоторыми из самых прочных материалов в мире. «Мы заинтересованы в замещении стали и углеродного волокна прочной древесиной», – сказал он.
Прочная, но не дорогая
Эта технология не требует какого-то особого сырья. Следовательно, говорит Ху, стоимость продукта будет относительно низкой. «Мы можем использовать как очень дешёвое, так и очень редкое, дорогое дерево. Но в итоге получим похожий результат», – добавил он.
Исследователи назвали свой продукт «супердерево». Он получается путём частичного удаления лигнина – природного полимера, содержащегося в древесине.
«Лигнин подобен клею, который связывает все компоненты древесины вместе. Мы обнаружили, что для максимального уплотнения дерева нужно удалить часть этого клея», – объяснил Ху.
При варке древесины в растворе гидроксида натрия (NaOH) и сульфита натрия (Na2SO3) удаляется около половины лигнина. Затем в течение суток оно подвергается воздействию высокой температуры и давления. На этом процесс получения древесины с новыми свойствами завершается. По заявлению исследователей, она обладает достаточной прочностью для изготовления автомобилей, самолётов, ветрогенераторов и других изделий. Результаты работы учёных были опубликованы в журнале Nature.
Исследователи говорят, что их суперпрочная древесина должна оказывать менее негативное влияние на окружающую среду, чем сталь или другие металлы, которые она может заменить. Однако полностью экологически чистой она не является. При её получении используются некоторые из химических веществ, применяющихся при производстве бумаги.
Исследователь Тенг Ли говорит, что он и Ху ищут новые способы использования дерева, включая создание батарей, производство прозрачной древесины и бумаги.
«Деревья произрастают на Земле более миллиона лет. А люди используют древесину для строительства и изготовления мебели более 10 тыс. лет. И чем больше мы работаем с этим материалом, тем больше понимаем, что нам до сих пор не удалось полностью раскрыть его потенциал».
Другие учёные также ищут новые варианты использования дерева. Так, исследователи из Швеции сообщили о создании сверхпрочных волокон на основе древесины для изготовления одежды и других целей.
1. В любом органическом веществе есть углерод.
Некоторые авторитетные ученые считают, что мир химических соединений, не уступающий по сложности и разнообразию органической химии, может формироваться не только на «скелете» из атомов углерода, но и на базе атомов с близкими к углероду свойствами, например, кремния. Однако кремнийорганические соединения не называют органическими, по крайней мере, если об этом не сделано специальной включающей оговорки. Таким образом, при любом понимании в органическом соединении обязательно должен быть углерод, но далеко не всякое соединение углерода является органическим.
2. Летом Эйфелева башня выше, чем зимой.
Это связано с тепловым расширением металла. Коэффициент теплового расширения стали составляет примерно 12×10-6 К-1. Это значит, что с каждым градусом высота Эйфелевой башни увеличивается примерно на 0,001%. Абсолютные рекорды температуры в Париже составляют −25,6°С и +39,3°С, что дает разницу 64,9°C, которой соответствует изменение высоты на 25 см.
3. Скорость солнечного зайчика может быть выше скорости света.
Известно, что теория относительности запрещает сверхсветовые скорости. Менее известно, что это ограничение распространяется не на любые скорости, а лишь на скорости относительного движения материальных тел. И даже еще более строго: это ограничение касается лишь локальной скорости передачи энергии и информации, то есть между близко расположенными материальными объектами.
Солнечный зайчик, пятно от лазерной указки или тень не являются материальными телами. Перемещаясь по поверхности, они не переносят от одной ее точки к другой энергию или информацию. Поэтому по достаточно далекой поверхности они могут перемещаться сколь угодно быстро.
Среднее расстояние до Луны составляет 384 тыс. км. Поэтому, поворачивая лазерную указку даже с очень скромной скоростью 60° в секунду, вы уже заставите пятно от нее бежать по Луне со сверхсветовой скоростью.
4. Вселенная расширяется с ускорением.
То что наша Вселенная не может быть статической, а должна как целое расширяться или сжиматься, было независимо предсказано Жоржем Леметром и Александром Фридманом на основе общей теории относительности Эйнштейна через несколько лет после ее опубликования. Однако тогда никто не воспринял эти выводы всерьез.
В 1929 году Эдвин Хаббл открыл разбегание галактик. Он измерял расстояния до галактик и красные смещения в их спектрах. По эффекту Доплера он определял скорости их приближения или удаления и сопоставлял с расстояниями. Оказалось, что большинство галактик удаляется от нас, причем, чем дальше находится галактика, тем быстрее она удаляется. Это не значит, что мы находимся в центре Вселенной, откуда разлетаются все галактики, а объясняется тем, что расстояния между всеми галактиками пропорционально увеличиваются со временем. До конца XX века считалось, что космологическое расширение идет с замедлением, поскольку взаимное гравитационное притяжение галактик тормозит их разлет. Вопрос стоял лишь о том, достаточно ли быстро идет это замедление, чтобы расширение со временем остановилась и сменилось сжатием.
Однако в самом конце XX века, в 1998 году, Сол Перлмуттер с коллегами по вспышкам сверхновых звезд в других галактиках измерил расстояния до очень далеких галактик, находящихся на расстоянии в миллиарды световых лет, и обнаружил, что скорость расширения Вселенной не уменьшается, а наоборот, постепенно возрастает. За это открытие в 2011 году Перлмуттер получил Нобелевскую премию.
5. Все металлы прочнее дерева.
Есть много мягких металлов, которые уступают по прочности почти любому дереву, а ртуть в нормальных условиях и вовсе находится в жидком состоянии.
Самые мягкие металлы — щелочные (из первой группы таблицы Менделеева): цезий, рубидий, калий, натрий и литий. По твердости они не дотягивают даже до первой ступени шкалы Мооса*. Например, натрий по прочности сравним со стирательной резинкой или твердым сыром. Он без большого усилия разрезается ножом. Немного тверже индий, который соответствует первой ступени шкалы Мооса. Олово и галлий находятся между первой и второй ступенями по Моосу, они легко царапаются ногтем.
6. Спутники-шпионы видят с орбиты номера машин на Земле.
У лучших спутников разрешение не превосходит 15-20 см. Для достижения более высокого разрешения пришлось бы запускать на низкую орбиту телескопы с зеркалами многометрового диаметра. Таких нет, в противном случае их было бы видно с Земли. Знаки на типичных номерах машин имеют размер около 10 см и потому неразличимы на космических снимках.
Разрешающая способность оптических приборов имеет фундаментальные ограничения, связанные с явлением дифракции, в котором проявляется волновая природа света. Световые волны огибают препятствия, в частности, края объектива, что приводит к размытию изображения.
7. Целая семья может позавтракать всего одной животной клеткой.
Обычно говорят, что самые крупные животные клетки — это яйца птиц. А среди яиц самые крупные — страусиные. Яйцо страуса весит 1,5-2 кг, как три десятка куриных яиц. Однако формально клеткой является не все птичье яйцо, а только его желток, на который приходится лишь около четверти массы. В случае страусиного яйца это соответствует 7-8 куриным яйцам. Этого вполне достаточно для приготовления яичницы на четверых человек.
8. Все вещества состоят из молекул.
Во многих кристаллах (например, в поваренной соли — NaCl) атомы чередуются в определенном порядке, не образуя отдельных молекул. А если такой кристалл растворить в воде, то вместо молекул NaCl в растворе образуются лишь (гидратированные) ионы Na+ и Cl−. Металлы представляют собой кристаллы из положительных ионов, заполненные вырожденным электронным газом. Никаких молекул в металле не наблюдается. Большинство ковалентных кристаллов (например, алмаз или сульфид цинка) представляют собой одну «молекулу» на весь объем кристалла. Наконец, инертные газы не образуют молекул и состоят из отдельных атомов.
Примечание. В процессе обсуждения данного вопроса со специалистами выяснилось, что в разных областях используются несколько различающиеся определения молекул. Для физиков молекула — это обычно минимальная частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Поэтому физики нередко говорят об одноатомных молекулах инертных газов или паров металлов. Однако, для большинства химиков молекула — это по определению совокупность как минимум двух атомов, связанных ковалентной связью, и, соответственно, инертные газы состоят из атомов, а не из молекул.
9. Полярная звезда — самая яркая на ночном небе.
Полярная звезда — по-видимому, самая известная из звезд ночного неба. Однако известна она не благодаря своей яркости, а благодаря особому положению. Она находится всего в одном градусе от северного полюса мира — точки, вокруг которой происходит видимое вращение звездного неба, вызванное вращением Земли вокруг своей оси. Благодаря этому положение Полярной звезды на небе в течение суток практически не меняется, и она всегда находится в северной стороне небосвода. Это делает Полярную звезду удобный для ориентировки и навигации.
Что же касается самой яркой звезды, то это Сириус (альфа Большого Пса), имеющий звездную величину −1,5m. А среди звезд северного полушария неба рекорд блеска принадлежит Арктуру (альфе Волопаса). Он имеет нулевую звездную величину (0m) и занимает четвертое место среди всех звезд.
Примечание. Полярная звезда не всегда будет находиться вблизи Северного полюса мира. Вследствие прецессии земная ось описывает конус, а полюс мира перемещается по небе по окружности диаметром 47°. Полный круг он проходит за 26000 лет. Из-за этого 5000 лет назад роль Полярной звезды играла альфа Дракона, через 2000 лет эта роль перейдет к гамме Цефея.
10. С антибиотиками всегда надо принимать пробиотики для восстановления кишечной микрофлоры.
Пробиотики — это не лекарства, а пищевые добавки, содержащие живые культуры микроорганизмов, которые, как считается, способствует нормализации или повышению биологической активности нормальной микрофлоры кишечника. Существует мнение, в том числе его придерживаются и некоторые врачи, что пробиотики всегда должны применяться совместно с антибиотиками, поскольку последние нарушают нормальную работу кишечной микрофлоры. Это мнение, однако, не имеет достаточных научных оснований.
Во-первых, не все антибиотики действительно сильно влияют на кишечную микрофлору. Многие из них нацелены против грибов или бактерий, которые в нее не входят.
Во-вторых, клиническая эффективность пробиотиков пока убедительно не доказана даже в тех случаях, когда применяемый антибиотик действительно оказывает негативное воздействие на кишечную микрофлору, тем более, что она, как правило, очень быстро восстанавливается самостоятельно.
11. Нейроны составляют менее половины клеток мозга человека.
Помимо нервных клеток (нейронов) ткани мозга содержат сотни миллиардов вспомогательных глиальных клеток разных форм и размеров. Они не обладают импульсной активностью, но служат опорой для нейронов, подают им питательные вещества, выделяют сигнальные молекулы, изолируют друг от друга нервные волокна, уничтожают патогены и удаляют мертвые клетки.
12. Ядра атомов состоят из протонов, нейтронов и электронов.
Из протонов, нейтронов и электронов состоят атомы в целом. Однако, атомные ядра состоят только из протонов и нейтронов (в случае водорода только из одного протона), которые собирательно называются нуклонами (от слова nucleus — ядро). Электроны же занимают окружающее ядро орбитали, которые имеет поперечник примерно на 4 порядка (в 10000 раз) больше размеров ядра.
13. Автомобили за год выбрасывают больше углекислого газа, чем вулканы.
В результате человеческой деятельности в последнее время в атмосферу ежегодно выбрасывается 31-32 млрд тонн углекислого газа Вклад автомобилей в этот показатель составляет около 20%, то есть примерно 6 млрд тонн. Вулканы же выбрасывают в среднем всего 300 млн тонн CO2 в год, то есть около 1% от всех антропогенных выбросов и 5% от автомобильных выбросов.
14. Лягушки и жабы могут заразить людей бородавками.
Это миф, возникший из-за того, что на коже этих амфибий есть характерные наросты, внешне напоминающие бородавки. Лягушки и жабы не могут заразить человека бородавками, как правило, их вызывают папилломавирусы человека.
15. Один бит — это минимальная возможная порция информации.
У тех, кто начинает знакомиться с устройством компьютеров, обычно складывается впечатление, что информация по своей природе дискретна, а бит является минимальной возможной ее порцией. Это, однако, верно лишь применении к устройству запоминающих устройств двоичных цифровых компьютеров. Их память действительно состоит битов, которые имеют вполне конкретную физическую реализацию. Однако с точки зрения математической теории информации количество информации является непрерывной величиной, аналогичной понятию энтропии в физике.
Количество информации, переданное по каналу связи не обязательно равно числу посланных по нему двоичных сигналов. Сами сигналы могут и не быть двоичными, а сообщение может нести любое количество битов, в том числе нецелое, в том числе меньше 1 бита. Двоичное сообщение (да/нет) несет 1 бит информации лишь при условии, что оба варианта являются равновероятными в потоке сообщений. Если же один из вариантов более вероятен, то сообщение о нем принесет менее 1 бита информации.
Рассмотрим лотерею, в которой с равной вероятностью выигрывает 1 из 10 номеров. Мы ставим на определенный номер и хотим, чтобы нам сообщали, выиграли мы или проиграли в каждом розыгрыше. Казалось бы, на каждый розыгрыш надо передать 1 бит: 0 — проиграл, 1 — выиграл. Однако мы азартные игроки и играем сразу сериями. Поэтому просим сообщать результаты не отдельно по каждому розыгрышу, а сразу за два последовательных.
В двух розыгрышах возможно 4 исхода со следующими вероятностями:
● выиграл-выиграл — 1%
● выиграл-проиграл — 9%
● проиграл-выиграл — 9%
● проиграл-проиграл — 81%
Теперь вместо того, чтобы кодировать каждый исход одним битом, поступим немного хитрее. Самый вероятный вариант «проиграл-проиграл» будем кодировать нулем (0). Вариант «проиграл-выиграл» будем передавать как 10. На случай «выиграл-проиграл» используем код 110. И, наконец, самый редкий случай «выиграл-выиграл» кодируем как 1110. Все коды заканчиваются нулем, так что с расшифровкой мы не ошибемся. Итак:
● выиграл-выиграл — 1% — 1110
● выиграл-проиграл — 9% — 110
● проиграл-выиграл — 9% — 10
● проиграл-проиграл — 81% — 0
Теперь можно подсчитать среднее количество битов, которое будет нами передаваться для сообщения об исходе двух розыгрышей лотереи:
1×81% + 2×9% + 3×9% + 4×1% = 0,81 + 0,18 + 0,27 + 0,04 = 1,3
Оказывается, чтобы передать сообщение об исходе 100 розыгрышей нам в среднем понадобится не 100, а всего 65 битов. Это значит, что сообщение об исходе одного розыгрыша несет не более чем 0,65 бита информации. (В действительности меньше, так как мы использовали не самый эффективный метод кодирования.)
В нашем примере возможность сжатия потока сообщений определяется тем, что сообщения «выиграл» и «проиграл» неравновероятны. Двоичное сообщение да/нет или 0/1 несет 1 бит информации лишь в том случае, когда оба варианта встречаются с равной вероятностью, Если же их вероятности различаются, то в каждом двоичном сообщении будет в среднем меньше 1 бита информации.
Описанный здесь способ кодирования близок к так называемому коду Хаффмана, который применяется во многих архиваторах. Принцип состоит в том, что в сжимаемом файле отыскиваются повторяющиеся последовательности битов, и тем которые встречаются часто, назначаются короткие кодовые последовательности, а редким — длинные.
Примечание. Этот вопрос вызвал массу возмущений среди отвечавших. Вероятно именно из-за того, что мы бит оценивали со стороны структуры двоичного кода, а математики рассматривали его с точки зрения теории вероятности. Все сошлись на общем мнении, что вопрос задан не совсем корректно.
16. Источником головной боли не является мозг человека.
В тканях мозга нет болевых рецепторов. Они есть в стенках кровеносных сосудов, в мышцах и коже головы, а также в мозговых оболочках, покрывающих мозг: твердой, паутинной и мягкой. Пользуясь отсутствием болевых рецепторов в мозге, медики иногда оставляют пациентов в сознании во время операции на мозге и даже разговаривают с ними.
17. Горение водорода на Солнце происходит без участия кислорода.
Строго говоря, термин «горение» означает самоподдерживающийся химический процесс окисления, протекающий при высокой температуре с выделением энергии, которая поддерживает эту температуру. В составе Солнца очень мало кислорода, который мог бы обеспечивать химическое горение. Кроме того, химическое горение на Солнце невозможно, поскольку при характерных для него температурах не могут существовать молекулы, которые являются продуктами такого горения.
Примечание. Этот вопрос, по общему мнению отвечавших, тоже составлен не совсем корректно.
18. Человек умнее животных, потому что у него больше нейронов в мозге.
Понятие «умнее», конечно, не является строгим научным термином, но примерно соответствует используемому в психологии понятию «интеллект», хотя и к понятию интеллекта тоже есть много разных подходов. И все же мы хорошо понимаем, что человек обладает определенными способностями к языку, абстрактному мышлению и творческому поиску, каких не наблюдается ни у каких других животных. Естественно, возникает вопрос о причинах столь существенных отличий.
Раньше интеллект пытались связать с размером мозга. Однако у африканского слона мозг в 3 раза больше, чем у человека, и нейронов у слона тоже втрое больше — 257 млрд. Правда, почти все они находятся в гигантском мозжечке, а на кору полушарий приходится лишь 5,6 млрд. Но и по нейронам коры человек не является чемпионом — в коре мозга черного дельфина 37 млрд нейронов, тогда как у человека их почти в два раза меньше. Таким образом, интеллект не связан жестко ни с размером мозга, ни с количеством клеток в нем.
И раз простые количественные характеристики мозга не позволяют объяснить интеллектуальное превосходство человека, остается сделать вывод, что определяющую роль играют какие-то архитектурные особенности. Причем эти архитектурные особенности являются достаточно тонкими, поскольку в общих чертах строение мозга человека и, скажем, других приматов вполне сопоставимо.
19. Вся используемая компьютером электроэнергия превращается в тепло.
Компьютер не совершает никакой работы, которая могла бы приводить к долгосрочному увеличению потенциальной или кинетической энергии материальных тел. Поэтому в практическом смысле вся потребляемая компьютером, энергия переходит в тепло.
Это особенно впечатляюще проявляется на примере модной в последнее время деятельности по майнингу биткойна и других криптовалют. Биткойн-транзакции удостоверяются посредством алгоритма, который требует очень трудоемкого поиска специальных хэш-кодов. Это делается методом случайного перебора. Майнерские компьютеры по всему миру ежесекундно проверяют десятки квинтиллионов (1018) хэшей, расходуя на это столько энергии, сколько потребляет вся Новая Зеландия с пяти миллионным населением — более 40 тераватт-часов в год. Все эта энергия целиком переходит в тепло.
Примечание. При очень дотошном подходе к делу необходимо сделать несколько оговорок.
1. Если компьютер соединить с исполнительными механизмами, например, с лифтом или зарядным устройством для аккумуляторов, то часть потребляемой системой энергии будет переходить не в тепло, а в другие формы — кинетическую, потенциальную, электрическую или химическую. Однако в этом случае компьютер следует рассматривать отдельно от исполнительных устройств, занимающихся преобразованием энергии.
2. При записи информации в долговременную, например магнитною память, часть энергии компьютер расходует на изменение потенциальной энергии, содержащейся в ячейках памяти. Однако величина запасаемой в памяти энергии пренебрежимо мала, и, кроме того, если в память записываются реальные данные, то в них содержится примерно одинаковое количество нулей и единиц, а значит, в целом потенциальная энергия накопителя информации практически не будет меняться.
3. Часть энергии компьютеры испускают в виде электромагнитного излучения: радиоволн Wi-Fi-адаптеры, оптического излучения экраны и светодиодов. Однако это излучение практически полностью поглощается в ближайших окрестностях компьютера и превращается в тепло.
20. В дни солнцестояния день равен ночи.
День равен ночи в дни равноденствий (весной и осенью) — потому они так и называются. А в дни солнцестояний (летом и зимой) разница в продолжительности дня и ночи максимальна.
Слово «солнцестояние» отражает тот факт, что вблизи этих дней удаление Солнце от небесного экватора (склонение) достигает максимума и останавливается, прежде чем начать уменьшаться. Именно из-за этого замирания на максимальном удалении от экватора день зимнего солнцестояния долгое время остается очень коротким, а вблизи летнего солнцестояние — наоборот длинным.
