Сегодня - 30.05.2020

Задайте вопрос учёному

В этом разделе вы можете задать вопросы, относящиеся к любому научному направлению: будь то археология или ядерная физика. Задавая вопрос, вы можете обозначить, ученому какой специальности он адресован. Если вы не определились с адресатом, мы найдем для ответа на ваш вопрос компетентного эксперта. Ответ будет опубликован на сайте.

Обращаем ваше внимание на то, что не подлежат рассмотрению вопросы и обращения, в которых содержатся выражения, оскорбляющие чьи-либо честь и достоинство, а также те, из которых не представляется возможным понять суть вопроса.

Вопросы вы можете направлять на электронный адрес: scienceinsiberia@gmail.com с пометкой в теме: «Вопрос ученому»



Какое прикладное значение имеет изучение водных экосистем?

Отвечает ученый секретарь Института биофизики СО РАН (Красноярск), кандидат биологических наук Егор Сергеевич Задереев.

 


Какое прикладное значение имеет изучение водных систем, цепей питания в них и так далее? Или это делается исключительно ради приращения знаний?


Я не очень люблю подобные вопросы  и даже придумал для себя универсальный ответ во время научных семинаров: «К счастью, мои исследования не имеют никакого значения для народного хозяйства». Действительно, чаще всего фундаментальные работы делаются в первую очередь для «приращения знаний». Почти всегда это приводит к тому, что новые результаты рано или поздно меняют нашу жизнь. Что же очевидного или перспективного вытекает из водных наук?
Аквакультура рыбы тиляпии на озере Вольта (Гана). Проект реализуется при поддержке Всемирного банка и Глобального экологического фонда.
1. Начиная с 2009 года на прилавках магазинов и рынков количество рыбы и других морепродуктов, выловленных в природе и выращенных в условиях аквакультуры, сравнялось. Успехи современного промышленного разведения рыбы связаны с исследованием цепей питания в водных экосистемах. Перспективы в этой области огромны. Уже сейчас мы знаем, что многие соединения, которые способны синтезировать только такие организмы, крайне важны для нашего питания и здоровья (например, полиненасыщенные жирные кислоты). Нам нужно знать и понимать, как функционируют трофические цепи, чтобы обеспечивать себя качественной пищей в большом количестве, не нарушая природного баланса.
 
2. Почему важно сохранять водные экосистемы? Это тоже имеет простое и практическое значение. Океанские и морские сообщества — огромные машины, осаждающие (захоранивающие) гигантские количества углерода на дне. То есть они играют важнейшую роль в цикле этого вещества, а значит, и в поддержании климата на планете. Совсем недавно (даже с точки зрения истории человека) мы поняли масштаб процессов, протекающих в океане. Многое ещё остается неизвестным. До сих пор модели глобального климата не способны точно оценить скорости процессов в биосфере, в том числе из-за недостатка знаний о «работе» океана.

Два соседних пруда, один из которых поддерживается в чистом состоянии благодаря использованию биотехнологий.3. «Маленькие» водные экосистемы (озера, реки) не менее важны для человека. Оценить стоимость работы, которую они производят, например, по очистке воды, очень просто. Допустим, у нас есть чистое озеро, и мы знаем объем воды в нём. Возьмем стоимость строительства и обслуживания сооружений, которые будут фильтровать схожее количество жидкости за 10 летний период: получится примерная цена работы, которую за нас делает водоём, причем, делает совершенно бесплатно. Если мы рассмотрим все болота, озера, заливные луга, реки и заводи, то поймем, что построить схожие объемы очистных сооружений человек не в состоянии. Дешевле исследовать принципы работы водных экосистем и поддерживать их.
 
4. На сегодня мы лучше знаем, что находится на обратной стороне Луны, чем на дне океана. Почти каждый глубоководный исследовательский проект приносит информацию о десятках и сотнях новых видов организмов. Да что там океан, мы плохо осведомлены о подводной жизни в соседних озерах, лужах и прудах. Разнообразие условий, в которых обнаружены живые организмы, поражает – в воде с кислородом и без кислорода, на огромных глубинах при высоченном давлении, при солености в несколько сотен грамм на литр, при температурах, близких к кипению, и в условиях постоянного переохлаждения. Каждый новый и гиперприспособленный организм — это уникальные наборы генов и биохимических реакций, которые, безусловно, пригодятся для биотехнологий и биомедицины будущего. Одно лишь открытие зеленого флуоресцентного белка в морских медузах не только принесло нобелевскую премию авторам, но и перевернуло современное состояние этих сфер, дав универсальную метку для исследования внутриклеточных процессов в живых организмах. А сколько еще уникальных белков, генов и биохимических механизмов мы не знаем?

Список прикладных «полезностей» от водных наук можно было бы продолжать, но, мне кажется, и вышеприведенного вполне достаточно для оправдания наших работ.

Фото: 1  — globalpartnershipforoceans.org, 2 — sands-international.org.
 




Какие принципы движения способны перемещать космические аппараты и человека за пределы Солнечной системы?

Отвечает сотрудник Института ядерной физики им.Г.И.Будкера кандидат физико-математических наук Евгений Михайлович Балдин.

 


Какие принципы движения способны перемещать космические аппараты и человека за пределы Солнечной системы (или хотя бы достигнуть ее отдаленных планет) для освоения глубокого космоса?


Для движения космических аппаратов сейчас реально рассматриваются реактивные двигатели разных типов или паруса.

В случае реактивного или ракетного двигателя источник энергии и рабочее тело, которое выбрасывается назад с максимально доступной скоростью, находится внутри аппарата. Для вывода космических объектов на орбиту Земли используются химические двигатели, где реактивная струя образуется за счёт соответствующих реакций (в основном горения). Также возможно использование ядерных реактивных, плазменных ракетных и электрических ракетных двигателей. Для всех этих видов нужно топливо, что существенно уменьшает полезную массу ракеты. Чем выше скорость выброса вещества, тем меньше должно быть рабочее тело для достижения необходимой скорости с целю преодоления гравитационного притяжения Земли или Солнца (если нужно вылететь за пределы Солнечной системы). Скорость струи современных химических двигателей на сегодня достигла своего теоретического предела, поэтому для развития космических программ полезно освоение других типов, в особенности ядерных.

В отличии от ракетных двигателей парусам не нужно топливо для разгона. Космические паруса могут быть фотонными (работают за счёт отражения фотонов Солнца) и электрическими (за счёт отражения ионов Солнечного ветра они заряжаются).  Работы по практическому использованию их для разгона космических аппаратов находятся в зачаточном состоянии, в частности из-за слабой тяги на единицу площади паруса.

Для единовременного ускорения межпланетные космические аппараты также могут применить гравитационный манёвр в поле планет Солнечной системы. Планеты увлекают объект за собой, что при соответствующей траектории может как ускорить (Вояджер I в поле Юпитера и Сатурна), так и замедлить его (Маринер-10 в поле Венеры). Лучше всего гравитационный манёвр совершать в поле планет-гигантов.
 

Фото: Paranoid, wikipedia.org (лицензия: Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported)  




Облеплена ли материей черная дыра?

Отвечает .сотрудник Института ядерной физики им.Г.И.Будкера кандидат физико-математических наук Евгений Михайлович Балдин.

 


Если для стороннего наблюдателя время вблизи черной дыры замедляется вплоть до остановки, то мы должны видеть любую из них «облепленной» видимой материей?


При приближении тела, которое посылает периодические сигналы, к чёрной дыре уделённый наблюдатель будет видеть, что время между ними будет увеличиваться и, в конце концов, станет таким большим, что можно «устать» в ожидании следующего. То есть станет происходить смещение спектра излучения в красную область всё дальше и дальше, и в итоге это излучение перестанет фиксироваться, так как потребуется «антенна» побольше.

Фото: NASA/JPL-Caltech




Как образуется магнитное поле черной дыры?

Отвечает сотрудник Института ядерной физики им.Г.И.Будкера кандидат физико-математических наук Евгений Михайлович Балдин.

 


Как образуется магнитное поле черной дыры? Если нет падающей материи, будет ли существовать магнитное поле черной дыры?


Следует понимать, что черных дыр на лабораторный стол заполучить пока не удалось. То есть проверить её свойства в соответствующих условиях пока не получается. Теории, с ней связанные, используются для объяснения наблюдаемых явлений. Черная дыра характеризуется массой, моментом импульса и электрическим зарядом. Магнитное поле рядом с ней связывают с аккреционным диском, а не с ней самой. В принципе, если в природе существует магнитный заряд (монополь), то черная дыра может иметь ещё одну характеристику — как раз этот магнитный заряд.

Фото: European Southern Observatory (ESO), wikipedia.org (лицензия: Creative Commons Attribution 3.0 Unported)     
 




Каков механизм образования джетов?

Отвечает сотрудник Института ядерной физики им.Г.И.Будкера кандидат физико-математических наук Евгений Михайлович Балдин.

 


Каков механизм образования джетов? Почему выбрасывается материя?


Общепризнанного механизма образования джетов пока нет. Современное развитие теории позволяет предлагать возможные схемы, но все они не обладают достаточной проработанностью, чтобы выделить наиболее подходящую для описания этого явления. Основная проблема заключается в следующем: изучаемые объекты находятся очень далеко и уже «выстрелили», поэтому восстановить, что же было с ними, очень сложно.

Справка: Джет — струи плазмы, вырывающиеся из центров (ядер) таких астрономических объектов, как активные галактики, квазары и радиогалактики.

Фото: wikipedia.org (public domain)




Когда нейтронная звезда превращается в черную дыру?

Отвечает сотрудник Института ядерной физики им.Г.И.Будкера СО РАН кандидат физико-математических наук Андрей Алексеевич Шошин.

 


Объясните пожалуйста, когда нейтронная звезда превращается в черную дыру и становится гравитационным полем?


Нейтронная звезда может превратиться в черную дыру при наличии своей большой исходной массы. Гравитационное поле же может создаваться как «исходной», так и нейтронной звездой и, кроме того, черной дырой. Для удаленного наблюдателя никакой разницы в гравитационном взаимодействии с любым из этих трех объектов нет.

Фото: wikipedia.org (public domain)
 




Почему нагревается газ в аккреционном диске при падении вещества в чёрную дыру?

Отвечает сотрудник Института ядерной физики им.Г.И.Будкера кандидат физико-математических наук Евгений Михайлович Балдин.

 


Если говорить о падении вещества в черную дыру, то почему нагревается газ в аккреционном диске? Ведь при приближении к черной дыре плотность этого газа значительно падает, а скорости столкновения молекул «соседних слоев», наверное, не увеличиваются значительно?


В первом приближении в соответствии с ньютоновскими законами гравитации вещество в аккреционном диске не должно упасть на массивный центр, так как в ньютоновской механики все орбиты замкнуты (законы Кеплера). Для того, чтобы свалиться, необходимо потерять момент импульса, который в случае центральных полей (а к ним относится гравитационное взаимодействие) сохраняется. Однако из наблюдений видно, что падение все-таки происходит. Это значит, что чистой механики без взаимодействия для описания этого явления недостаточно. Явление хорошо трактуется в рамках классической гидродинамики: она позволяет обойти ограничение на сохранение момента импульса для тела в гравитационном поле путём учёта взаимодействия вещества на разных орбитах друг с другом. При процессах, идущих между слоями вещества, их скорости выравниваются. Ближние слои должны двигаться быстрее в соответствии с законами Кеплера, поэтому внутренние теряют часть своего момента импульса и энергии, передавая их внешним, но приобретают радиальную скорость по направлению к массивному объекту, что в итоге приводит к падению на него. Внешние же слои, получив отданное от внутренних, соответственно разогреваются. Иными словами, чтобы упасть на гравитационный центр, нужно «поделиться» энергией, а отданный ее избыток и приводит к увеличению температуры вещества-реципиента.
 

Фото: wikipedia.org (public domain)




Как можно обнаружить, что пространство расширяется?

Отвечает сотрудник Института ядерной физики им.Г.И.Будкера кандидат физико-математических наук Евгений Михайлович Балдин.

 


Как можно обнаружить, что пространство расширяется? Ведь все наши измерительные инструменты тоже будут расширяться, соответственно, и скорость света нам не скажет ничего? Наблюдаемое красное смещение от удаляющихся галактик я тогда представляю удалением их в неизменном развернутом пространстве. Помогите представить себе эти процессы, если возможно.


Сейчас расширение идёт в на уровне межгалактических расстояний. В меньших масштабах основную роль играют гравитационные (галактика, звёздные системы) силы, а что касается размеров, характерных для измерительных инструментов, определяющими являются электромагнитные/сильные/слабые взаимодействия. Таким образом, связанные объекты свою величину не меняют.

Расширение Вселенной — это не расширение в пустоту, но одновременное увеличение масштабов по всем направлениям. Вселенная как бы пухнет, а включённые в неё островки вещества (галактики), оставаясь в среднем неизменными, расходятся друг от друга. Когда же мы смотрим на отдаляющийся объект, то его спектр в соответствии с эффектом Доплера смещается в красную область.

Фото: wikipedia.org (public domain)
 




Почему в водовороте твердые частицы стремятся к центру?

Отвечает сотрудник Института ядерной физики им.Г.И.Будкера кандидат физико-математических наук Евгений Михайлович Балдин.

 


Почему в водовороте воды (в ведре, тазу) твёрдые частицы (песок) стремятся к центру, а не по инерции к краям? Почему при повороте автомобиля например налево, шарик с гелием внутри машины также стремится налево (в сторону поворота), а не остаётся неподвижным либо не отклоняется в противоположную сторону, как шарик с воздухом, лежащий на сидении?
 


И чашка, и поворачивающаяся машина — пример неинерциальных систем отсчёта. При повороте автомобиль меняет свой вектор скорости за счёт наличия силы трения между колёсами и дорогой. Воздух внутри него тоже волей-неволей меняет направление движения, и из-за этого у внешней по отношению к повороту стороны возникает повышенное давление, которое выталкивает более лёгкий воздушный шарик с гелием в противоположном направлении. С шариком, наполненным воздухом, ничего не происходит, так как его плотность слабо отличается от окружающей атмосферы.

Первый пример давайте рассмотрим на чаинках (это то же самое, что и песок в тазу) В случае тяжёлых чаинок в чашке чая (которые в итоге тонут), то в самом начале они жмутся к краям сосуда, как и ожидается. Когда же из-за трения скорость вращения жидкости замедляется, чаинки начинают тонуть, и одновременно возникает вторичное течение воды вверх и вдоль центральной оси емкости (воронка рассасывается) — соответственно, по дну от краёв к центру. Это вторичное течение и собирает чаинки в середине.

Фото: Clemensfranz (wikipedia.org, Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported)




Как ученые установили, что геномы человека и неандертальца схожи на 99,5%, если геном последнего был прочитан только на 0,04%?

Отвечает заведующий лабораторией генетики и эволюции бобовых растений ИЦИГ СО РАН кандидат биологических наук Олег Энгельсович Костерин.

 


В научно-популярной книге («Эволюция человека. Книга первая» Александр Марков, с. 317) есть такой текст: «На тот момент исследователям удалось прочесть множество отдельных фрагментов ядерного генома неандертальца, рассеянных по всем хромосомам. Суммарная длинна прочтенных фрагментов составила примерно 0,04% полного генома. Было объявлено, что геном H. Sapiens и H. neanderthalensis идентичны на 99,5% или более». У меня вопрос: как ученые обнаружили сходство на 99,5%, если геном неандертальца был прочитан только на 0,04% от его общей длинны?


Ученые обнаружили сходство на 99,5% среди тех последовательностей, которые были прочитаны и составили 0,04% общей длины генома. Весь геном человека насчитывает примерно 3,1 миллиарда пар нуклеотидов. Прочитанные 0,04% от этой цифры представляют собой примерно 13,24 миллиона пар. Из этого числа нуклеотидов у человека и неандертальца различными оказались только 66200. Согласитесь, это огромный статистический ансамбль Таким цифрам вполне можно верить. Более того, их можно экстраполировать и на весь геном. Дело в том, что различные последовательности генома одного вида эволюционируют не каждая сама по себе, а вместе, сообща. Причем делают они это с несколько разной скоростью: межгенные промежутки — быстрее, гены — медленнее, наиболее важные участки генов — крайне медленно. Скорости накопления различий, характерные для разных типов последовательностей, были определены еще до того, как стали секвенировать геном в целом. Тогда могли быть неточности в предсказании того, сколько процентов от него составляет каждый тип последовательностей, но совсем незначительные.

В 2013 году в Nature опубликовано сравнение полных геномов пяти неандертальцев с полными геномами многих современных людей. Отличия в ядерном геноме варьируют в пределах 0,144-0,153 % при сравнении неандертальцев с современными неафриканцами и 0,152-0,158 % — с современными африканцами. В первом случае они меньше, поскольку в геноме неафриканцев присутствует до 1% последовательностей, принадлежащих неандертальцам, которые у африканцев отсутствуют полностью. Как видим, по последним данным сходство людей и неандертальцев оказалось несколько выше — около 99,85% вместо 99,5% в цитированном опыте. Напомню, что геном человека и шимпанзе идентичен на 98,7%.

Фото анонса: UNiesert, wikipedia.org (лицензия: Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported)
 

Система Orphus