Сегодня - 15.12.2018

Что общего у кристалла и рисунка на обоях?

11 сентября 2015
 
Очередной научный бой, где сразились семь соперников, прошел в Красноярске в рамках фестиваля науки «Нулевое сентября». Участники рассказали о том, как найти нефть на даче, можно ли создать hoverboard и каким образом совершить научное открытие во время ночной вылазки в тайгу. 
 

Условия боя стандартные: у каждого по 10 минут, чтобы рассказать о своей работе. Соперников оценивают зрители при помощи аплодисментов: чем громче публика хлопает, тем больше ей понравился выступающий. Уровень звука измеряют шумометром.

 
Первый боец — заведующий лабораторией Учебно-военного центра Военно-инженерного института Сибирского федерального университета, любитель медведей, нефти и обливания холодной водой Вадим Потылицын. Он рассказал слушателям о том, как стать нефтяным магнатом.
 
Вадим Потылицын
 
— Как связаны нефтяные магнаты и наука? Наверное, многие из вас хотели бы найти у себя на даче нефть, качать по трубам и жить припеваючи. Но для этого нужно её добыть, а это большое и непростое дело. Изначально «черное золото» могли получить те, кто просто занимался собирательством, потому что оно выходила наружу, и его легко можно было взять с поверхности и использовать в медикаментах и мазях. Затем люди научились копать колодцы, а потом и бурить скважины, но здесь появилась другая проблема — как узнать место, где делать отверстие? Эту задачу и решает наша лаборатория — мы разрабатываем новые способы поиска углеводородов. Практически все имеющиеся сегодня методы обладают недостатками. Например, сейсмическая станция и техника для бурения в состоянии свободно передвигаться только в степи, а не в горах и на болотах, как у нас, в Сибири. К тому же, не всегда можно определить, что находится в недрах. Например, в Туркменистане, возле деревни Дарваза, в 60-х годах при бурении произошел провал, а выходящий газ просто подожгли, думали, что он быстро закончится, но он горит уже 50 лет.  Большой проблемой является и точное определение места бурения. Значит ли это, что мы не сможем найти у себя на даче нефть и не станем магнатами? Если бы все было так плохо, я бы здесь сейчас не выступал. Недавно мы разработали способ поиска углеводородов, основанный на использовании магнитного и сейсмического полей. Как раз возле границы раздела нефти и газа происходит их взаимодействие, которое можно зарегистрировать. Мы создали уникальный и компактный прибор, позволяющий измерять значения этих полей, и протестировали его на двух месторождениях в Хакассии. Он показал отличный результат. Надеюсь, наш способ поможет и вам найти стать нефтяным магнатом. 
 
Следующий участник боя — Евгения Исупова, выпускница магистратуры Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского, молодой кристаллограф и любительница кошек — обратилась к симметрии, псевдосимметрии и их необходимости в повседневной жизни.
 
— Прежде чем говорить о псевдосимметрии, поговорим о симметрии. Это —  неизменность физической или геометрической системы относительно каких-либо преобразований. Познакомимся с основными из них: отражение относительно плоскости — при этом неизменной остается плоскость симметрии, отражение относительно точки или инверсия —неподвижной остается эта точка, поворот вокруг оси — неподвижной остается ось симметрии. В действительности объекты никогда не бывают симметричны с математической точностью — они всегда только приближены к этому, псевдосимметричны. Давайте рассмотрим пример: круг и многоугольник. Оба они симметричны относительно поворота вокруг оси, перпендикулярно рисунку. Но при этом круг симметричен относительно поворота на любой угол вокруг этой оси, а многоугольник — нет. Если многоугольник повернуть на 90 градусов — он будет симметричен. Если повернуть на 30 — он будет почти симметричен, произойдет только частичное наложение его на самого себя. В случае с человеком, мы тоже сталкиваемся с певдосимметрией. Считается, что наше тело и лицо симметричны относительно вертикальной плоскости, которая делит их на правую и левую стороны. Небольшой эксперимент, в котором мы разделим фотографию по вертикали, а потом отразим каждую получившуюся часть и сравним с исходной, покажет нам, что это не так — мы получим три портрета, похожих, но не идентичных. 
 
Евгения Исупова
 

Симметрию можно маркировать с помощью числа, например, если объекты полностью совпадают после отражения, это будет единица. Соответственно, чем меньше похожести, тем меньше число.

 
Как симметрия соотносится с кристаллографией? Дело в том, что кристалл по своей структуре немножко напоминает… обычные обои. Каким бы сложным не был рисунок, мы можем воспроизвести его целиком из маленького фрагмента, так и с кристаллом. В его основе лежит элементарная ячейка, чье основное свойство как раз симметрия. Она влияет на то, как будет вести себя кристалл в той или иной ситуации, и может даже выставить ему некоторые запреты. Например, есть элемент, в который попадает свет, невидимый человеческому глазу, а выходит — отлично видимый зеленый. Но если у кристалла есть центр инверсии, такого эффекта не получится. 
 
Псевдосимметрия возникает, например, при смещении атомов из симметричных положений или при замене одних другими химическими элементами. Если мы возьмем два кристалла: один чистый, а другой — с примесью, то увидим, что яркость света будет разной — при определенных доле примеси и значении псевдосимметрии в структуре кристалла свет будет наиболее ярким. А для производства лазеров, например, нужны кристаллы, которые светят хорошо, поэтому нам важно рассчитать псевдосимметрию структуры нашего кристалла, вместо того, чтобы неделями растить структуры разных составов и смотреть, какая из них будет светить ярче. 
 
Кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН Денис Гохфельд рассказал о такой популярной в этом году вещи, как летающая доска. 
 

«Летающая доска» (hoverboard) — устройство, напоминающее скейтборд, но не имеющее колес и перемещающееся над поверхностью земли. Оно было показано в фильме Роберта Земекиса «Назад в будущее» и использовалось главным героем, по замыслу автора, именно в 2015 году.

 
— Я очень люблю фильм «Назад в будущее», и летающая доска — то, что мне запомнилось лучше всего. Самая популярная на сегодняшний день теория —  сделать такую штуку на антигравитации, но тут все плохо, мы с гравитацией еще не разобрались.  Другой вариант — за счет отталкивания двух магнитов. Но это тоже не подходит, потому что они стремятся притянуться одинаковыми полюсами, и такая доска все время бы переворачивалась.  Тогда появилась идея использовать сверхпроводники, которые отлично умеют отталкиваться от магнитов и находиться при этом в устойчивом состоянии. 
 
Денис Гохфельд
 
В обычных металлах, когда течет электрический ток, электроны налетают на препятствия, путаются и теряют энергию — это и есть сопротивление. В сверхпроводниках же электроны формируют некое сообщество: оно, обладая одной энергией и одной волновой функцией, может двигаться сквозь кристаллическую решетку материала без столкновений — следовательно, без сопротивления. К сожалению, большинство материалов работает таким образом лишь при температуре, близкой к абсолютному нулю (-273 ̊С).  Но в конце XX века были открыты сверхпроводники, для них достаточно температуры кипения азота (-196  ̊С). Ее поддерживать проще и дешевле, поэтому их используют все чаще и чаще. Когда появятся материалы, имеющие этот функционал при комнатной температуре, их будут применять практически повсеместно. 
 
Вернемся к технологии создания летающей доски. Когда магнитное поле взаимодействует с металлом (обычным проводником), в нем появляется ток, который препятствует проникновению этого поля внутрь. Постепенно он затухает, и поле охватывает материал. А в сверхпроводнике в этом случае ток циркулирует по поверхности, что помогает ему отталкиваться от источника поля и левитировать. На самом деле именно так у ученых и получилось создать летающую доску уже в 2014 году.
 
Научный сотрудник лаборатории геномных исследований СФУ, ассистент кафедры биофизики Юлия Путинцева поведала слушателям об исследовании генома лиственницы. 
 
—  Геном — это совокупность всей наследственной информации, которая передается от одного поколения к другому. Ученые узнают её, чтобы предсказать возможные болезни — в случае с человеком, или чтобы получить организмы с заданными свойствами, если речь идет о животных и растениях. 
 
Юлия Путинцева
 

Геном человека имеет отличия в зависимости от пола. У девочек в геноме на 200 миллионов оснований больше.

 
Почему мы занимаемся именно лиственницей? Потому что в Сибири это самое распространенное дерево, она составляет около 40% наших лесов. Кроме того, лиственница эволюционно древняя, живет намного дольше, чем человечество, и геном у нее содержит много наследственной информации. Если нуклеотидные последовательности сравнить с книгой, например, взять «Войну и мир», в которой 3 миллиона букв, то лиственница — это произведение из 12 миллиардов букв, а человек — 3 миллиарда букв.  Как же расшифровать геном лиственницы? Схематично процесс выглядит так: берешь 4 000 экземпляров «Войны и мира», причем в каждом есть какие-то свои читательские пометки, вырванные страницы, переставленные или перевернутые куски, собираешь вместе, пропускаешь через шредер, а потом собираешь то, что получилось в исходную последовательность. Затем мы в этом тексте ищем смысловые участки — гены, которые надо различать. На сегодня мы расшифровали 45% генома лиственницы, нашли 70% кодирующих участков, то есть, генов. Мы обмениваемся этими данными с теми, кто занимается защитой леса, оценивает состояние генофонда, это поможет нам более рационально использовать лес. 
 
Кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории биомолекулярной ЯМР-спектроскопии Института биоорганической химии РАН (Москва) Максим Дубинный рассказал об открытии российскими учеными нового типа люциферина. 
 
— В науке много всего интересного и удивительного, но ученых, как правило, интересует что-то одно. Некоторым, например, нравится, когда что-нибудь светится, и они занимаются многоножками, тараканами, медузами, светлячками. 
 
Максим Дубинный
 

Светлячки светятся, чтобы создать пару: самцы летят и мигают в такт светящимся самкам, и когда у них ритм мигания совпадает, насекомые чувствуют, что созданы друг для друга. Есть плохие светлячки, которые делают вид, что они самки и привлекают самцов другого вида, а когда те прилетают — съедают их.

 
Для свечения нужно два компонента: люциферин (маленькая молекула) и люцифераза (большая молекула), при их взаимодействии происходит химическая реакция, в результате которой испускается свет: люциферин сгорает и покидает люциферазу. У светящихся живых организмов существуют нескольких типов этих веществ. Один из них обнаружил сибирский ученый Валентин Петушков, когда пошел ночью в сибирскую тайгу и увидел там светящегося червяка, неизвестного до сих пор науке. За три года он вместе с Натальей Родионовой смог собрать 90 граммов этих организмов и выделить из них 5 микрограмм люциферина — меньше, чем хлебная крошка. Когда они прислали вещество в мою лабораторию, мне показалось, что я увидел пустую пробирку. Тем не менее, мы смогли искусственно синтезировать идентичный натуральному люциферин и получить его формулу. Исследовать механизмы свечения нужно, чтобы потом с их помощью изучать живые организмы, смотреть, как в них происходят реакции, работают гены или развиваются болезни. 
 
Проездом из Бостона в Москву в Красноярск попала выпускница программы научной журналистики Массачусетского института технологий Ольга Добровидова, обратившая внимание собравшихся на непростое положение научных музеев. 
 
— Первый в США научный музей был создан в штате Пенсильвания Чарльзом Уилсоном Пилом в 1786 году и являлся хранилищем удивительных вещей и символом суверенитета нации.  Двадцатый век — время героических образований, которые показывают, как научно-технический прогресс каждую секунду делает мир лучше. Сейчас музеи заводят аккаунт в инстаграме и приложения для айфона. Но это лишь фасад, а что же там на самом деле происходит? 
 
Ольга Добровидова
 
А за ним — кризис среднего возраста. Как хорошо известно, это время, когда лысоватые дяденьки покупают красные спорткары и прыгают с парашютом. Мне кажется, это довольно хорошо описывает то, что происходит с научными музеями в последние 20-30 лет. У музеев кризис развивается по трем условным осям. Первая — кризис аудитории. Кто ходит в музеи и для кого они работают? В 2008 году более 80% американцев, согласно опросу, считали, что музеи существуют, прежде всего, для детей и семей, только 22% определили их аудиторию как взрослых. Пять с половиной веков из шести они функционировали для своих владельцев, государства и для ученых. Как быть теперь, как наладить диалог с аудиторией, которая не умеет читать? Следующий — кризис метода. Музей работает одновременно по двум фронтам — в одной комнате, которую чаще всего не видим, специально обученные люди собирают и хранят вещи. В другой с помощью этих вещей рассказывают какие-то истории и создают новые смыслы. Для того, чтобы работали обе комнаты, нужно, чтобы настоящее стало прошлым, стало понятно, какие вещи собирать. Сейчас у музеев нет возможности подождать. Музей — это комната с предметами, связанными с наукой, но сейчас с этими вещами очень большие проблемы. Первое, если раньше они выглядели как таинственные агрегаты, то сейчас это —  серые ящики. Выставка таких экспонатов по своей привлекательности и интересности будет напоминать выставку-продажу холодильников. Второй момент связан с тем, что поскольку наука развивается очень быстро, эти агрегаты тоже устаревают очень быстро. Музеи иногда просто не успевают догнать их по пути на свалку. И третий состоит в том, что некоторые вещи, которые сейчас владеют умами людей, интересующихся наукой, в музей поместить невозможно. Хотя бы геном лиственницы и светящегося червяка, и тем более, планеты или галактики. Если все сложить вместе, то с историей в вещах, которую нам рассказывают музеи, явные проблемы. Это собственно, третье направление — кризис целеполагания. Зачем теперь это все? 
 
К сожалению, ни одну из проблем  нельзя решить с помощью красного автомобиля. Что же делать этим музеям, как же им переизобрести себя? Как поступают люди с кризисом среднего возраста? Кто-то просто игнорирует проблемы, делает вид, будто их нет, и действительно ряде музеев притворяется, что ничего не изменилось, ничего не происходит. Кто-то живет в прошлом, и есть музеи, которые перестали даже пытаться собирать экспонаты младше 80-х годов прошлого века. Часть людей меняет профессию, место жительства, внешность, иногда семью. Определенное число музеев тоже стараются изменить что-то довольно радикально, в частности, очень популярно среди них увлечение декоративными экспонатами. У каждого свои способы преодолеть кризис и свои надежды на то, что это удастся сделать минимальными потерями. Правда то, что в отличие от человека, музей не может сделать некрасивую татуировку, уже немножко облегчает задачу. 
 
Последний участник боя — кандидат физико-математических наук, старший преподаватель кафедры прикладной математики и компьютерной безопасности института космических и информационных технологий СФУ Алексей Шлепкин. Он снова обратил наше внимание на симметрию, но теперь уже с точки зрения математики. 
 
Алексей Шлепкин
 
—Про симметрию вам сегодня уже рассказали. Я же сейчас хочу рассказать три истории, о том как математики добрались до свойства симметрии, и что из этого получилось. 
 
На протяжении почти 300 лет никто из математиков не мог предложить идеи, как решать уравнения пятой степени. Пока в XIX веке молодой математик Галуа, погибший на дуэли, не описал это в своих статьях и предсмертном письме. 
 
Он понял, что нужно следовать симметрии уравнения, то есть, ввел понятие группы. Предположим, что у нас есть треугольник, вершины которого подсвечены цветами светофора. И этот треугольник мы последовательно поворачиваем вначале на 120 градусов вокруг центра симметрии, а потом вокруг отражаемой относительно плоскости. И мы получаем так называемую группу симметрий этого треугольника, то есть то множество преобразований, которое мы бы не поняли, если бы не подсветили вершины, потому что положение треугольника остается неизменным. 
 
Вторая история уже относится к современной науке. Вы знаете, что есть физика элементарных частиц и там существует ряд вопросов, которые на данный момент еще не решены, и бытует так называемая концепция суперсимметрии, которая, возможно, даст путь к решению этих вопросов. Ее можно проиллюстрировать следующей задачей. Предположим, имеются три бутылки, и горлышки этих бутылок имеют форму треугольника, круга и квадрата соответственно. Внимание, вопрос: можно ли изготовить выпуклую пробку, которая будет закрывать каждую из этих бутылок? Ответ — да, такая пробка существует. Это такой клин, который мы вырубили из цилиндра. И смотрите, если мы его будем последовательно вращать в трехмерном пространстве и проецировать на плоскость, то в начале получим треугольник, потом круг, и затем квадрат. Понятно, что если мы будем только в двумерном пространстве вращать треугольник, круг мы получить не сможем. Таким образом, симметрия двумерного пространства отображается в симметриях трехмерного пространства. 
 
Участники научного боя
 
Следующая история мне нравится больше всего. В 1920-х годах математик Артин заметил, что косы — обычные девические косы — наделены структурой симметрии и образуют группу. Позже было замечено, что если взять две каких-то элементарных частицы, посмотреть, как они между собой взаимодействуют, то это взаимодействие можно описать с помощью перемножения двух кос. Более того, правило перемножения кос соответствует правилу перемножения специальных матриц. Поэтому, дорогие девушки, если кто-то из вас через полгода будет сдавать экзамен по алгебре, и преподаватель попросит вас перемножить матрицы, а вы по каким-то причинам это сделать не сможете, вы можете совершенно с чистой совестью ему сказать: давайте я покажу, как заплетаю косички, это то же самое. 
 
Итак, в чем же загадка симметрии? На самом деле, симметрия — глубокое свойство, которое имеет очень содержательную математическую структуру. Об этом говорит и тот факт, что самая большая теорема в истории XX века — так называемая теорема классификации конечных простых групп — доказывалась почти 50 лет, что заняло тысячи страниц журнального текста. В фундаментальном языке математики — описание всей базовой симметрии, которая может быть в нашем мире. И я с гордостью могу сказать, что в эту работу вложили свою лепту представители сибирской школы алгебры и логики. 
 
Нужна ли фундаментальная математика? Ответ на этот вопрос даю не я, а сама история — это важно, потому что за каждым техническим изобретением в своей жизни, которое мы используем, стоит некоторый фундаментальный актив.
 
Путем замера зрительских аплодисментов победителем научного боя стал Максим Дубинный и светящиеся червячки, они и получили приз мероприятия: боксерские перчатки. Всем участникам Научного боя также вручили книги от фонда «Династия» и призы от РВК, поддержавших проведение фестиваля науки «Нулевое сентября». 
 
Подготовили Юлия Позднякова, Павел Красин
 
Фото: Алина Ковригина
 
Редакция благодарит С.Н.Чурилова (пресс-служба КНЦ СО РАН) за любезно предоставленную запись 
 
 
Ваша оценка: Нет Средняя: 5 (1 vote)
Поделись с друзьями: 
 

comments powered by HyperComments

Система Orphus