Отправляет email-рассылки с помощью сервиса Sendsay

"Элементы": новости науки

Подписаться Бесплатная «Золотая» новостная рассылка Подписчиков 12.995 RSS
←   Август 2006   →
 1
 2
 3
03.08.2006
02:26:28
15:45:11
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
28.08.2006
02:59:12
15:13:19
29
30
31


За последние 60 дней ни разу не выходила


Сайт рассылки: http://elementy.ru
Открыта: 09-05-2006

Автор
Редакция сайта "Элементы"

Статистика

12.995 подписчиков
-1 за неделю
←   Все выпуски   →

Пенные узоры помогут понять законы неравновесной термодинамики


«Хронология далекого прошлого»

Хронология далекого прошлого

18 тысяч лет назад...
330 миллионов лет назад...
Откуда берутся эти цифры? Насколько им можно доверять?

Статья доктора биологических наук Александра Маркова открывает на «Элементах» раздел Методология науки

Пенные узоры помогут понять законы неравновесной термодинамики

31.07.2006

Пять типов периодических узоров двумерной пены, наблюдавшихся в описываемых экспериментах (изображение из статьи Phys. Rev. Lett., 97, 024503)
Пять типов периодических узоров двумерной пены, наблюдавшихся в описываемых экспериментах (изображение из статьи Phys. Rev. Lett., 97, 024503)

Неравновесная термодинамика, изучающая, среди прочего, самоорганизацию в живых системах, получила в распоряжение новую модельную систему, удобную как для теоретических расчетов, так и для постановки экспериментов, — двумерную пену.

Если физическую систему изолировать от внешних воздействий, то она, как правило, стремится занять положение устойчивого равновесия. Однако под действием достаточно сильных внешних воздействий система выйдет из равновесия и начнет как-то эволюционировать с течением времени. Законы такой эволюции сложных систем (состоящие из большого числа частиц) изучает неравновесная термодинамика — сравнительно молодая ветвь естествознания.

Одно из ключевых открытий в этой науке заключается в том, что даже в сильно неравновесной системе может возникнуть тенденция к спонтанному упорядочению, к самоорганизации. Складывается забавная ситуация: система постоянно изменяется, на нее постоянно действуют внешние силы — которые, подчеркнем, вовсе не стремятся ее упорядочить, — но в результате этого в ней появляются какие-то пространственные узоры или периодические колебания. Каждая частица системы может двигаться по какой-то своем траектории, но узоры, колебания или другие проявления самоорганизации системы в целом могут оказаться очень устойчивыми. (Подробности см. в популярной статье Термодинамика вчера, сегодня, завтра. Часть 2. Неравновесная термодинамика, Осипов А. И. // СОЖ, 1999, № 5, с. 91–97.)

Ученые подозревают, что именно такой спонтанно возникающей самоорганизованной структурой являются живые организмы. Поэтому, говоря о неравновесной термодинамике, надо всегда помнить о предоставляемом ею шансе вывести жизнь «на кончике пера».

Построение теории самоорганизации в сильно неравновесной системе — чрезвычайно трудная задача. Математические законы, которые смогли бы описать саморганизацию в самом общем случае, пока неизвестны. Более того, до сих пор не открыт (и неизвестно даже, существует ли) такой «экстремальный принцип», из которого эти законы можно было бы вывести (как это делается в других разделах физики, включая и обычную термодинамику).

Отчасти эти проблемы связаны с тем, что теоретические догадки трудно проверить экспериментально. Имеющиеся в распоряжении неравновесные системы (гидродинамические неустойчивости, периодические химические реакции, живые системы) оказываются слишком сложными как для теории, так и для детального эксперимента. Наблюдая их, мы можем отметить какие-то изменения в системе в целом, но неспособны проследить шаг за шагом, как именно возникает спонтанная упорядоченность. Именно поэтому физики озаботились поиском такой системы, которая, во-первых, была бы неравновесной и самоорганизующейся, во-вторых, позволяла бы изучать в эксперименте сам процесс спонтанной организации во всех его деталях, а в-третьих, не была бы чересчур сложной и позволяла бы теоретикам делать хоть сколько-нибудь подробные вычисления.

В недавней статье P. Garstecki and G. M. Whitesides, Physical Review Letters, 97, 024503 (14 July 2006) утверждается, что самая обычная пена удовлетворяет всем эти критериям.

Авторы статьи поставили простой эксперимент. При помощи аппарата с постоянной подачей воздуха и водного раствора они через очень маленькое отверстие выдували пузыри, которые, объединяясь, образовывали пену. Важно подчеркнуть, что периодический процесс имел место в стационарных внешних условиях: скорость подачи воды и воздуха и их давление были постоянными.

В отличие от обычных мыльных пузырей, эти пузырьки не улетали прочь, а втискивались в узкий «пенопровод» шириной 1 мм и толщиной всего в одну сороковую долю миллиметра: получалась очень плоская, как бы двумерная, пена с периодическим расположением пузырей (см. рисунок). По мере появления новых пузырей пена продвигалась вперед, не изменяя свой регулярный узор.

Первый сюрприз поджидал авторов, когда они, проделав теоретический анализ, составили список всех возможных типов узорчатости двумерной пены (их оказалось 69) и сравнили его с экспериментальными наблюдениями. Оказалось, что в опыте, даже в самых разнообразных условиях, генерируется всего лишь пять разных узоров (они и показаны на рисунке). Авторы так и не смогли найти критерий, согласно которому природа отбирает только эту пятерку вариантов из всего набора.

Далее выяснилось, что пена никогда не ограничивается каким-то одним узором, а спонтанно переключается с одного типа на другой. Такое поведение практически никогда не наблюдалось в искусственных системах, но оно очень характерно как раз для живых организмов. Эксперименты показали, что доля времени, в течение которого устройство генерирует тот или иной узор, меняется в зависимости от внешних условий (например, давления воздуха). А это значит, что, плавно меняя внешние условия, можно вызвать перескок системы из преимущественно одного типа самоорганизации в другой.

Наконец, скоростная видеосъемка процесса рождения новых пузырьков позволила в деталях увидеть все этапы формирования периодической структуры. Эти наблюдения должны помочь теоретикам вывести уравнения, управляющие образованием той или иной структуры.

Игорь Иванов

Эта новость на «Элементах»
 

Публичные лекции фонда «Династия» на «Элементах»

Лауреат Нобелевской премии по физике 2004 года Дэвид Гросс. «Грядущие революции в фундаментальной физике».

Академик Владимир Игоревич Арнольд. «Сложность конечных последовательностей нулей и единиц и геометрия конечных функциональных пространств» (лекция опубликована в двух вариантах — популярном и математическом).

Дэвид Гросс: «Держу пари, что суперсимметрия будет открыта». Эксклюзивное интервью «Элементам».

Научно-популярная библиотека на «Элементах»

В. Н. Тутубалин и др. Математическое моделирование в экологии: Историко-методологический анализ.

Книга о реальной эффективности применения математических моделей в экологии и других науках, о «колодках мышления» и о чернобыльской катастрофе.

Предыдущие новости

31.07 Черные дыры прячутся от астрономов

Европейские и американские ученые провели глобальный поиск сверхмассивных черных дыр, которые, согласно современным теоретическим выкладкам, должны находиться в центре каждой галактики. Но обнаружить их удалось совсем немного. Значит, либо они скрываются в плотных газопылевых облаках, либо находятся в более отдаленных уголках Вселенной.

31.07 Новый взгляд на старые пульсары

Сорок лет назад астрономы из Кембриджского университета Джоселин Белл и Энтони Хьюиш обнаружили космический радиоисточник, который выдавал строго периодические импульсы. Эти импульсы посылали не «маленькие зеленые человечки» (как подумали сначала), а радиопульсары. И вот спустя десятилетия космический телескоп XMM-Newton предоставил новые любопытные факты из жизни самых плотных звезд.

27.07 Существование жидких озер на Титане подтверждено

Космический корабль «Кассини» нашел новое подтверждение существования углеводородных озер в северных широтах Титана. В свежем комплекте радиолокационных снимков особо темные пятна соответствуют жидкому метану или этану. По всей видимости, на поверхности самого крупного спутника Сатурна имеются еще каналы, связывающие озера этих жидкостей.

26.07 Красные пятна Юпитера потерлись друг о друга боками

Изучая движение Большого красного пятна Юпитера и его меньшего собрата Малого красного пятна, или Oval BA, астрономы предсказали их столкновение или, по крайней мере, тесное сближение в середине 2006 года. Предсказание сбылось. Встреча двух стабильных атмосферных образований Юпитера, расположенных в южном полушарии планеты, произошла 13 июля 2006 года.

26.07 Протопланетные диски замедляют вращение звезд

Космический телескоп «Спитцер» проанализировал состояние 500 молодых звезд в туманности Ориона. Оказалось, что самые быстровращающиеся из них не имеют протопланетных дисков, а те, что имеют, вращаются медленнее. На основании этого анализа был сделан вывод, что протопланетные диски могут замедлять вращение звезд.

24.07 RS Змееносца удивляет астрономов

В утренние часы второй половины февраля 2006 года в созвездии Змееносца невооруженным глазом можно было наблюдать небольшую звездочку 4-й величины. Астрономы с пристальным вниманием взялись за ее изучение. Чем же привлекла эта неприметная звезда мировую астрономическую общественность?

05.07 Рост концентрации CO2 в атмосфере не слишком повысит урожайность зерновых

Считалось, что повышение содержания углекислого газа в атмосфере должно привести к более интенсивному росту растений и более высоким урожаям (по крайней мере там, где недостаточно влаги). Однако данные, полученные в последнее время, заставляют усомниться в таком выводе. Повышение будет весьма незначительным.

04.07 Муравьи измеряют расстояние шагами

Швейцарские и немецкие энтомологи установили, что обитающий в пустыне Сахара муравей Cataglyphis fortis измеряет пройденное расстояние шагами. Чтобы доказать это, ученые изменяли насекомым длину ног. Муравьи «на ходулях» недооценивали пройденное расстояние, а муравьи «на культях» считали, что прошли больше, чем на самом деле.

03.07 Бесконечно ли всемогущество теории суперструн?

Ключевая проблема в теории суперструн — выяснить, конечно или бесконечно число «вселенных», которые она может описать. В недавней статье hep-th/0606212 делается попытка доказать, что это число конечно.
В избранное