Сегодня - 21.03.2019

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»



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)
 




Сколько электронов может иметь внешний слой ядра?

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

 


Почему внешний слой ядра имеет максимально восемь электронов? Есть доказательство?


В ядре нет электронов, они есть в электронных оболочках атома. Максимальное количество их количество находится по формуле 2*N*N, где N — номер уровня, откуда следует что уже на третьем уровне может быть 18 электронов.
 




Как доказать, что частицы — это частицы, а волны — это волны?

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

 


Наука утверждает: атомы и частицы являются атомами и частицами, хотя доказать это не представляется возможным, так как они настолько малы, что их нельзя исследовать и разглядеть напрямую, а лишь посредством техники состоящей из таких же частиц. То есть, всё равно, что если бы исследовали камни, бросая такие же камни в них или изменяя окружающие условия, например, нагревали. Так же волны имеют разные структуры распространения и вид, но обычно их не различают. Например, звуковая волна распространяется с помощью атомов, колебля их друг о друга, но непонятно, каким механизмом распространяется радио и свет тоже. Есть ли определения, которые бы доказывали на сто процентов, что частицы — это частицы, а волны — это волны, а не просто что-то, схожие по свойствам, и природа его на самом деле не определена.


Наука лишь утверждает: для описания окружающих нас явлений чисто атомистическая или волновая концепции не годятся. Мир таков, каков есть, и ему плевать на то, что мы о нём думаем, с высокой колокольни. Мы можем лишь выразить в формулах (наиболее ёмкий и простой способ) его поведение с точностью, которая определяется нашими же экспериментами с ним.

Квантовая механика и понятие корпускулярно-волнового дуализма зародились в начале XX века не от хорошей жизни, а потому что накопилось критическое число экспериментов, которые противоречили чисто механической или чисто волной интерпретациям строения вещества. Например, для описания спектра излучения тёмного тела Максом Планком была предложена «формула Планка», не вписывающаяся ни в одну из перечисленных выше интерпретаций. Именно она в значительной мере привела к новой парадигме, известной ныне как «квантовая механика». Самому Планку потребовалось почти десять лет после своего вычисления, чтобы это осознать, потому что понятие — непростое, но с его помощью нам лучше удаётся описывать наблюдаемые физические процессы.

То, что разные явления можно описать одним и тем же математическим аппаратом (волновое уравнение), совершенно не обязывает эти явления обязательно иметь общие корни. Звуковая волна — колебания атомов, а электромагнитная, будь она радиоволной или волной с частотой видимого света, может сама по себе существовать в вакууме и для описания ее существуют и замечательно работают уравнения Максвелла.
 




Как можно рассчитать высоту радиационного пояса Земли и диапазон энергий находящихся в нем частиц?

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

 


Как можно рассчитать высоту радиационного пояса и диапазон энергий находящихся в нем частиц? Об этом мало говорится в интернете и если говорится, то очень непонятно.


Радиационный пояс — область магнитосфер планет, в которой накапливаются и удерживаются проникшие в магнитосферу высокоэнергичные заряженные частицы (в основном протоны и электроны). Другое название радиационного пояса Земли (обычно в западной литературе) — «радиационный пояс Ван Аллена» (источник: wikipedia.org).

Точные координаты радиационных поясов Земли зависят от потока солнечного ветра, параметры которого меняются во времени. Если вам достаточно приближенного рассмотрения, можно считать Землю магнитным диполем.
 




Как от одного предка могло произойти разнообразие жизни, включающее бактерий, людей и жирафа?

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

 


Как известно, естественный отбор может отсеивать ненужные гены. В частности, есть удачный пример с галапагосскими вьюрками, популяция которых во время засухи в 1980-х уменьшилась с 2000 до 300 особей. Выжили лишь сравнительно крупные представители с более длинным клювом, а значит, потомству передались гены, которые отражают именно такой фенотип. Первоначальные измерения клюва показали разброс от 2-х до 4-х сантиметров. Как образуются другие породы вьюрков, скажем, с клювом в 5 или 6 сантиметров, если такого гена раньше просто не существовало? Так же, как у первоначальной бактерии-прародительницы жизни не было гена, отвечающего за длинную шею жирафа, который позднее появится. Я знаю, что объяснением этого феномена является случайная мутация генов и именно она, по мнению биологов, движет эволюцию. Но может ли случайность быть столь удачливой, чтобы позволять всем живым существам занимать все природные ниши именно так, как это наиболее эффективно? Как могла случайно появиться длинная шея жирафа, если опыт животного не влияет на структуру генов? Обратной связи нет, есть лишь отсеивание ненужных генов и "случайное" появление новых. Чувствуют ли биологи эту странность или же дело лишь в моем недопонимании?


Биологи эту «странность» чувствуют и, зачастую, умеют хорошо рассчитывать.

Гена длинной шеи не только не существовало, его нет и сейчас. Жираф наделен таким признаком потому, что многие из его генов представлены у него в вариантах, способствующих удлинению шеи в процессе развития. Не могу сказать сколько, но, как правило, речь идет о количестве около десятка. Другие парнокопытные (а, скорее всего, и мы с вами) имеют те же самые гены, также участвующие в развитии организма, но в других вариантах. При удлинении шеи жирафа новых генов, скорее всего, не появлялось, а изменялись уже имеющиеся. Это магистральный путь эволюции. Новые гены вообще образуются очень редко — путем удвоения старого с последующим расхождением. Они, как все живые существа, способны «размножаться» и умирать, выключаться, деградировать. В целом, число генов ограничено — у животных их порядка 20-30 тысяч, у растений — несколько больше — до 50 тысяч.

Действительно, случайность в основном неудачлива, в силу простейшего принципа: ломать — не строить. Вероятность благоприятных мутаций много меньше вероятности неблагоприятных и нейтральных (которые не влияют ни на что). Однако абсолютно случайно может возникнуть и нечто, повышающее приспособленность (она складывается из трех параметров: жизнеспособности, плодовитости и скорости индивидуального развития) — это приводит к увеличению частоты появления носителей такой случайности и закреплению их в эволюции.

Все нынеживущие организмы возникли от одного общего предка — естественно, одноклеточного. Когда он существовал, он, конечно же, не был единственным, однако, потомков всех остальных на планете не осталось. Поскольку все современные организмы ныне живы, а остальные — нет, можно сказать, что все они примерно одинаково успешны, и нельзя утверждать, что кто-то из них «лучше». Например, бактерии по-своему совершеннее людей — они многочисленны и имеют большую общую биомассу. В других отношениях выигрывает человек, но все эти оценки субъективны. Вопрос стоит — как от одного предка произошло разнообразие жизни, включающее бактерий, людей и жирафа с его шеей. Ответ: путем случайных мутаций, причем именно тех наиболее редких из них, которые не были вредными или нейтральными, а приводили к изменениям, совместимым с жизнью или даже улучшавшими приспособленность.

Вас смущает низкая вероятность таких мутаций. Это неудивительно — люди редко в состоянии интуитивно ощутить разницу более чем в сто раз, а в данном случае мы должны мыслить огромными масштабами. Во-первых, о частоте мутаций: ДНК как носитель наследственности имеет свои химические характеристики, в том числе и точность своего копирования. Белки, которые исправляют ошибки, также имеют свои параметры эффективности. Без всяких мутагенных воздействий, исключительно в силу своей биохимической природы каждый человек является носителем около сотни новых уникальных мутаций, возникших в тех клетках зародышевого пути отца и матери, из которых образовались яйцеклетка и сперматозоид, давшие начало конкретному человеку. Большинство из них — это нуклеотидные замены, около десятка — вставки и выпадения участков ДНК. Но в среднем только одна мутация из всей сотни оказывает какое-либо влияние на какие-либо признаки, и чаще всего — это почти незаметное количественное изменение. Очень редко она оказывает значительное воздействие (так, например, считается, что «королевская гемофилия» возникла в виде мутации, первым носителем которой была лично королева Виктории).

Тем не менее, одна ненейтральная мутация на одну особь — очень важная цифра. И она, по сути, огромна. Это совместимо с жизнью всей популяции, соответственно, под этот минимум подогнана активность ферментов, исправляющих ДНК. Тратить ресурсы на большее — эволюционно невыгодно.

По имеющимся оценкам, общий предок всех живых организмов жил около 3,5-3,8 миллиардов лет назад. Сколько поколений отделяет нас от него? У человека поколение считается за 25 лет, у одноклеточных — оно может быть один день, а мы эволюционировали от одноклеточного до человека. Примем для простоты поколение за один год (в среднем). Тогда от общего предка нас отделяет около 4 миллиардов мутаций, которые на что-то влияют! Среди них нет вредных изменений, поскольку их носители вымерли. Но для того, чтобы узнать, сколько всего мутаций возникло у представителей нашей ветви, мы должны умножить эту цифру (4 миллиарда) на общее количество особей нашего вида в каждый момент эволюции. Сейчас на земле 6 миллиардов людей, поголовье крупных животных — от сотен тысяч до миллионов особей, численность одноклеточных — астрономическая. У каждого — в среднем, одна своя собственная ненейтральная мутация. И получается, что в любой момент имеется чудовищно огромный выбор.

Реальная проблема как раз обратна той, что поставлена в вопросе: времени у эволюции было слишком много. Есть хороший пример. Далекие предки лошадей питались нежными листьями, лошади — грубой травой, и во время перехода происходило соответствующее увеличение длины зубов. Ученые рассчитали, с какой скоростью шел этот процесс, и она оказалась чрезвычайно мала. Это означает, что если бы дело было в адаптации к более жесткой пище, то в каждый момент времени выигрыш от удлинения зубов был бы ничтожен. Но в эволюции есть простая закономерность, которую легко вывести — чем меньше выигрыш, тем больше должен быть размер популяции, чтобы он был заметен. Выигрыш в случае с зубами лошади оказался столь маленьким, что основанная на нем адаптивная эволюция потребовала бы нереально огромных популяций, которым не было места на планете. Это заставило ученых предположить, что размер зубов изменялся не адаптивно, а скорее случайно, пока какая-то из популяций не получала возможность переходить на более грубый корм и осваивать новую нишу. Таких случайных переходов было три или четыре.

Фото анонса: Miroslav Duchacek (from Czech Republic) - wikipedia.org, лицензия: Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported

Система Orphus