Развитие инженерных достижений посредством науки: история изобретений Джеймса Уатта

В XVIII веке начали формироваться новые каналы связи и новые союзы между ремесленниками и кустарями с одной стороны, и «школярами», приобретавшими абстрактные знания, с другой. Возможно, это сближение началось ещё с итальянских инженеров XV века, представителей эпохи Возрождения, таких гениев, как да Винчи и Брунеллески, однако по-настоящему оно раскрылось через несколько столетий, когда научные знания стали просачиваться в популярную культуру. Мы уже видели, что натурфилософия Галилея и его коллег была гораздо более практичной, чем у его предшественников. К XVIII веку новое поколение философов учредило собственные институты в Британии и Франции – Королевскую академию и Королевское общество. Они также получили значительный престиж в обществе, особенно после драматического объединения земной физики с астрономией, проделанного наиболее достойным членом этой группы, Исааком Ньютоном. Ни один философ Аристотелевой школы не удостаивался панегириков от поэта уровня Александра Поупа:

Читать далее

Предложен метод акустического скрытия предметов лишая звуковой фон отражённых от них волн

На фото: Объект в центре окружает кольцо динамиков, и всё это окружено кольцом микрофонов. Окружающие нас звуки происходят не только непосредственно от их источников, но и от эха – отражения от других предметов. Живая музыка звучит по-разному, когда её играют в разных помещениях. Также эффект эха позволяет работать различным приборам типа эхолота. Некоторые учёные стремятся сделать следующий шаг и активно манипулировать звуковыми волнами – так, чтобы у слушателя создавалось впечатление, не совпадающее с реальностью. Например, чтобы можно было акустически скрывать предметы, лишая звуковой фон отражённых от этих предметов волн. Обычно для этого прибегают к пассивным методам – например, к отделке поверхности, от которой нежелательно отражение волн. Однако такой подход нельзя назвать гибким, к тому же, он не работает во всём диапазоне частот. Активные методы заключаются в добавлении специально сконструированного слоя звуковых волн. Но их возможности ограничены, и работают они только если изначальное звуковое поле можно предсказать с некоторой определённостью.

Читать далее

Секретный квантовый ключ был впервые передан на расстояние 511 километров по квантовой линии передачи данных

Иллюстрация: Jiu-Peng Chen et al. / arXiv.org, 2021. Физикам удалось передать секретный квантовый ключ на расстояние 511 километров в реальных условиях. Они смогли реализовать квантовую линию передачи данных не в лабораторных условиях, а в реальных между двумя городами. Препринт работы опубликован на arXiv.org. Одно их направлений квантовых технологий, которое быстрее всего нашло применение — квантовая криптография — пока все еще далеко от массового распространения из-за разных технических сложностей. Про первую в России банковскую линию связи и о том, как устроены криптографические системы, мы писали ранее. На тот момент (2016 год) ученым из Российского квантового центра удалось передать квантовый ключ на расстояние 25 километров, что неплохо для внутригородской среды, но недостаточно для междугородней. Физики искали разные пути решения для того, чтобы увеличить это расстояние до сотен километров — занимались разработкой повторителей для существующих протоколов и придумывал новые. Одним из многообещающих протоколов квантового распределения ключа оказался протокол полей-близнецов TF (Twin Field).

Читать далее

Терагерцовое излучение впервые использовали для управления пусками электронов в электронном дифрактометре

Иллюстрация: Dongfang Zhang et al. / Ultrafast Science, 2021. Физики создали электронный дифрактометр, в котором пучки электронов формируются с помощью терагерцового излучения. Такой подход позволил уменьшить размер и увеличить временное разрешение дифрактометра — «камеры» для предельно динамического изучения внутренней структуры материи. За счет терагерцового лазера ученые уменьшили длительность пучков электронов из обычной электронной пушки до 180 фемтосекунд, при этом сохранив по 10000 электронов в каждом пучке. Как пишут авторы статьи, опубликованной в журнале Ultrafast Science, проверенный ими метод позволит сделать более доступными установки для изучения динамики структур на атомных масштабах. Для наблюдения за микроскопической структурой материалов нужно коротковолновое излучение: обычный свет просто не заметит дефекты и особенности структуры с периодом порядка размера атома, ведь его длина волны сильно больше. Часто для таких целей используют особенно жесткое рентгеновское излучение, ведь и его длина волны, и проникающая способности это позволяют.

Читать далее

С помощью гидродинамического аналога показана возможность упорядочивания квантовых систем

Иллюстрация: APS Physics / Youtube. Физики воспроизвели одномерные и двумерные макроскопические спиновые решетки из прыгающих на поверхности силиконового масла капель и выяснили, что геометрия решетки влияет на то, будет ли порядок спинов антиферромагнитным или ферромагнитным, а ее вращение как целого индуцирует ненулевую эффективную намагниченность, нарушая зеркальную симметрию системы. Статья опубликована в Nature.  Несмотря на большой успех квантовой механики как физической теории, среди ученых до сих пор нет консенсуса в понимании таких фундаментальных явлений, как коллапс волновой функции, корпускулярно-волновой дуализм, одночастичная дифракция и интерференция частиц и так далее. Одной из теорий, которая может объяснить не поддающиеся логике процессы квантового мира, является теория де Бройля — Бома, в которой волновая функция однозначно определяет траекторию частицы с помощью управляющего уравнения.

Читать далее

Время существования ультрахолодной молекулярной системы удалось увеличить с помощью микроволнового излучения

Иллюстрация: L. Anderegg / Science, 2021. Физики продемонстрировали увеличение времени жизни ультрахолодных молекул в процессах столкновения путем экранирования их взаимодействия с помощью микроволнового излучения. Они показали, что экранирование можно уверенно сменить антиэкранированием, меняя конфигурацию молекулярной системы и окружающих их полей. Исследование опубликовано в Science. Исследование молекул, охлажденных до очень низких температур, важно для развития квантовых симуляций, прецизионных измерений, ультрахолодной химии и многого другого. Для этого физикам нужно научиться охлаждать их, собирать и удерживать, а также защищать от разрушения. Последний фактор существенно ограничивает круг экспериментов и явлений, которые ученые могли бы исследовать в таких системах. Главный канал распада ультрахолодных молекул — это их неупругие столкновения друг с другом. Чтобы их избежать, ученые применяют экранирование, то есть создание дополнительного отталкивания между молекулами на расстояниях, на которых начинаются неупругие процессы взаимодействия.

Читать далее

Создана кольчужная ткань из слоев октаэдрических частиц, способная значительно увеличивать свою жесткость при сжатии

Иллюстрация: Yifan Wang et al. / Nature, 2021. Материаловеды из Сингапура и США разработали кольчужную ткань, состоящую из слоев скрепленных октаэдрических частиц, которая способна увеличивать свою жесткость в 25 раз при сжатии. Моделирование показало, что кольчуги из частиц в форме различных геометрических фигур при сжатии испытывают фазовый переход с заклиниванием, который описывается степенной зависимостью модуля упругости от числа контактов между частицами, пишут ученые в Nature. Сегодня умные ткани уже умеют генерировать и накапливать энергию, считывать и регулировать  температуру, а также выполнять некоторые функции смартфонов. В большинстве случаев умные ткани либо приобретают свои полезные свойства при внедрении в обычную ткань гибкой электроники (к примеру нитевидных проводников и гибких электросхем), либо обладают ими с момента производства в зависимости от состава и геометрии исходного материала без возможности изменения. Ткани с регулируемыми механическими свойствами могли бы выполнять роль фиксаторов частей тела в медицинских целях, однако большинство из ныне известных концептов либо небезопасны, либо неудобны на практике.

Читать далее

Создана универсальная математическая модель для расчета динамики сразу нескольких типов перемещения животных

Иллюстрация: S. Jung / Scientific Reports, 2021. Физик из США построил математическую модель, которая помогает вычислить динамические свойства сразу нескольких типов перемещения животных. С ее помощью ученый определил силы и давления, которые испытывают ныряющие животные, а также вычислил тягу, создаваемую крыльями и плавниками при движении в воздухе и воде соответственно. Проведенные расчеты он применил к данным о параметрах реальных животных. Исследование опубликовано в Scientific Reports.  Перемещение животных изучает такой раздел науки как биомеханика. Ученые и инженеры регулярно заимствуют у животных какие-либо особенности их движений, чтобы применить их в робототехнике, самолето- и судостроении. Для этого исследователям необходимо создавать математические модели, которые были бы максимально близки к тому, что делают животные.

Читать далее

Показана возможность управления магнитными квазимонополями при комнатной температуре с помощью магнитного поля

Иллюстрация: S. Koraltan et al / npj Computational Materials, 2021. Физики смоделировали трехмерную среду, в которой возможно существование и свободное распространение магнитных квазимонополей. Они показали, что перемещением этих квазичастиц можно управлять с помощью магнитного поля. Проведенная симуляция может стать важным шагом в реализации устройств магнетроники, работа которых основана на токах магнитных зарядов. Исследование опубликовано в журнале npj Computational Materials. Магнитными монополями называют гипотетические частицы, которые играют ту же роль в магнетизме, что и более привычные, электрические заряды в электричестве. Иными словами, они несут ненулевой магнитный заряд и этим отличаются от обычных магнитов, обладающих и северным, и южным полюсами (магнитные диполи). Магнитных монополей нет в классической электродинамике, однако они естественным образом появляются в квантовой теории поля. Это дает надежду многим физикам однажды найти их, однако этого пока не произошло.

Читать далее