Чтение онлайн

И все же следует признать, что устройство наружного «парника» является более реалистическим подходом. Обмен веществ между водорослями и кровью будет осуществляться через полупроницаемую мембрану, пропускающую только простые молекулы: углекислоту, глюкозу, мочевину и т. п. В проблеме же создания «зеленого человечка» остается много неясного. Стоит еще внимательно присмотреться к симбиозу ленточных червей. Откуда в них берутся водоросли? Как эти водоросли размножаются и что происходит с отмирающими клетками водорослей? Какими веществами обмениваются особи, участвующие в симбиозе? Кто-то должен все это знать…

Гироскопы широко применяются в научных приборах, в системах навигации, стабилизации и т. п. К сожалению, при их изготовлении требуется исключительная точность, а в процессе работы они потребляют энергию. Дедал вспоминает, что в некоторых твердых телах (например, в камфоре) молекулы совершают вращательные движения в кристаллической решетке; в нормальном состоянии, однако, половина молекул вращается в одну сторону, а другая половина — в другую, так что суммарный гироскопический момент их равен нулю. Но если скорость вращения обычного гироскопа составляет примерно 104 об/мин, то молекулы при комнатной температуре совершают 1010 — 1011 об/мин, так что «молекулярный гироскоп» — если бы его удалось создать — обладал бы исключительно хорошими характеристиками. По расчетам Дедала, вращательная энергия молекул в шарике камфоры массой 10 г равна энергии этого шарика, вращающегося со скоростью 145000 об/мин.

Вращение молекулы можно вызвать, подействовав на нее квантом инфракрасного излучения — на этом основана вся техника ИК-спектроскопии. Поэтому Дедал рассчитывает, что с помощью ИК-излучения надлежащей частоты ему удастся заставить вращаться молекулы в кристаллической решетке камфоры. В обычной ситуации половина молекул будет вращаться в одну сторону, а половина — в другую, но хитроумный Дедал собирается применить правополяризованное ИК-излучение. Под действием такого излучения молекулы будут вращаться в одну сторону, а кристалл в целом превратится в своеобразный «твердотельный гироскоп», обладающий удивительными свойствами [30] . Подобно обычному гироскопу, такой кристалл будет яростно прецессировать, если попытаться его наклонить. Вообще, молекулярные гироскопы станут сопротивляться попыткам изменить их ориентацию. Если положить такие кристаллы на стол, они будут вертеться волчками; если потрясти склянку, в которую они насыпаны, оттуда послышатся скрипы и шорохи потревоженных молекул. Благодаря отсутствию трения молекулы должны вращаться бесконечно долго; а если кристаллы расплавить, то получится ни на что не похожая гироскопическая жидкость с необычными свойствами. «Гирокамфора» станет идеальной основой для создания гирокомпасов, гирогоризонтов и других приборов, поскольку это вещество неопределенно долго сохраняет вращательный момент и не требует затрат энергии в процессе эксплуатации. В виде многотонных блоков гирокамфору можно использовать для придания устойчивости судам. Вполне реальными могут оказаться и такие замечательные штуки, как гиростабилизированные шляпы для фигуристов и канатоходцев или одноногие табуретки для малогабаритных квартир. А посылка с таким веществом приведет в недоумение работников почты.

New Scientist, January 16, 1975

Существует немало кристаллов, у которых молекулы могут свободно вращаться в узлах решетки: камфора, четырехбромистый углерод, пента-эритритол. Нам нужна молекула, обладающая дипольным моментом, чтобы ее можно было раскрутить с помощью электромагнитного излучения. Для начала можно взять камфору. К сожалению, мне не удалось найти в химической литературе ИК-спектры этой молекулы. Рассмотрим поэтому в качестве модели норборнанон-7 (Journal оf Molecular Structure, 26, 1975, p. 85).

Вращающаяся молекула (например, жесткая двухатомная молекула) теоретически может иметь лишь строго определенные (квантованные) уровни энергии: Е = BhJ (J+1), где J — некоторое (целое) квантовое число, В = h/82I — константа, в которую входит момент инерции молекулы I. Молекула может переходить на следующий, более высокий энергетический уровень, поглощая квант излучения с определенной частотой v: E = hv = 2hBJ (для больших молекул, имеющих три различных момента инерции, дело обстоит несколько сложнее, но мы не будем здесь в это вникать). У молекулы норборнанона-7 (С7Н10О, М = 110) все моменты инерции равны примерно 200 а. е. м. x A2; можно предположить, что для камфоры (С10Н16О, М = 152) они будут в полтора раза больше, I = 300 а. е. м. x A2 = 5x10– 45 кг/м2, так что В 1,7 ГГц (для молекулы норборнанона-7 В около 2,3 ГГц).

При комнатной температуре на каждую степень свободы молекулы приходится энергия, равная 1/2kT. Приравнивая Е = BhJ (J+1) = 1/2kT и принимая T = 300 К, а В = 1,7 ГГц, получим J = 43; это означает, что молекулы находятся в основном на 43-м разрешенном энергетическом уровне; чтобы возбудить их на следующий, более высокий уровень, мы должны подействовать на них излучением с частотой v = 2ВJ = 2 x 1.7 x 43 = 150 ГГц, что соответствует длине волны излучения примерно 2 мм. Следует ожидать поэтому, что при комнатной температуре камфора должна иметь резкий пик поглощения на длине волны около 2 мм; если мы будем возбуждать молекулы на этой частоте право-поляризованным ИК-излучением, то молекулы станут поглощать «правополяризованные» кванты. При возвращении на нижележащий уровень, однако, молекулы будут испускать либо правополяризованные, либо левополяризованные кванты. Поэтому после достаточно длительного облучения образца правополяризованным излучением все молекулы начнут в конце концов вращаться в одну сторону. (Вероятно, можно было бы поступить и по-другому: взять образец при очень низкой температуре, когда вращение молекул практически отсутствует, и нагревать его до комнатной температуры правополяризованным ИК-излучением со ступенчато возрастающей частотой, — тогда все молекулы будут вращаться в одну сторону. Так, наверное, будет даже быстрее.)

Какое количество вращательной энергии может накопить кристалл камфоры? Очевидно, 1/2 RT Дж/моль. Тогда образец вещества массой 10 г будет обладать энергией Е = 1/2 x 8,314 x 300 x (10/152) = 82 Дж (кинетическая энергия вращения молекул). Если представить себе этот же образец в виде макроскопически вращающегося шарика, то такой шарик должен иметь радиус 1,33 см = 0,0133 м (если считать плотность равной 1 г/см3), и обладать моментом инерции I = 0,4 mr2 = 0,4 x 0,01 x (0,0133)2 = 7,1 x 10– 7 кг•м2. Чтобы кинетическая энергия его вращения составляла 82 Дж, шарик должен вращаться с угловой скоростью , которая определяется из равенства Е = 1/2I2, откуда = [2x82/(7,1x– 7)]1/2 = 15200 рад/с = 145000 об/мин! Таким образом, «молекулярный гироскоп» способен запасти гораздо большую энергию вращения, чем обычный маховик.

Чтобы избежать опасности азотного опьянения, подводники при погружении на большую глубину пользуются различными дыхательными смесями, которые позволяют спокойно работать в условиях, когда внешнее давление достигает десятков атмосфер. Дедал отмечает, что многие инертные газы имеют очень высокую плотность, причем с повышением давления плотность возрастает. По расчетам Дедала, при давлении в 50 атм плотность самого тяжелого из устойчивых инертных газов — ксенона равна плотности воды, так что человек вполне может в нем плавать. При этом давлении содержание кислорода, необходимое для дыхания, составляет всего 0,5 % — ощущения человека в такой среде одновременно напоминают погружение на глубину и свободное падение, но без риска утонуть или свернуть себе шею. Дедал предлагает соорудить огромные герметически закрытые куполы, снабдив их шлюзовыми и декомпрессионными камерами, и заполнить их сжатым ксеноном. Внутри такого купола человек сможет наконец-то удовлетворить свое врожденное стремление парить подобно птице [31] . Вода легче сжатого ксенона и поэтому станет всплывать наверх; таким образом, под сводом купола можно устроить озеро (заметьте, что брызги от брошенных в воду предметов полетят вниз!). Разница в плотности воды и сжатого ксенона настолько мала, что брызги и волны будут расходиться с восхитительной медлительностью. Как считает Дедал, его идея прежде всего открывает новую возможность «отдохнуть душой». Не исключено, что сеансы психоанализа, проведенные в этой полностью расслабляющей (в буквальном и переносном смысле) среде, помогут изможденным пациентам снять тяжесть с души и, быть может, даже откроют тайные истоки извечного стремления людей летать. Вспоминая о легендарных достижениях своего предтечи по части полетов, Дедал предполагает, что в основе общечеловеческого желания взлететь в воздух лежит наследственная память человечества о воспетом классиками подвиге.

Эта гипотеза также объясняет загадочное начало одного из малоизвестных вариантов поэмы Кольриджа:

New Scientist, July 6, 1967

Похоже, что ксенон — единственный газ, плотность которого может превышать плотность воды: в критической точке (при температуре 16,6°C и давлении 58 атм) его плотность составляет 1154 кг/м3. Допустим, что при 25°C и 50 атм ксенон находится в истинно газообразном состоянии, а его плотность равна плотности воды, т. е. 1000 кг/м3. Можно ли дышать в такой среде? Чтобы концентрация кислорода (по массе) в ксеноне была равна содержанию кислорода в обычном воздухе, при 50 атм кислород должен составлять всего 0,5% объема смеси (Хе+O2) — наличие столь незначительного количества кислорода вряд ли окажет сильное влияние на ее физические свойства. Вязкость ксенона при давлении в 1 атм и температуре 20°C лишь немного превышает вязкость воздуха (2,3x10– 5 и 1,8x1-– 5 Н•с/м2 соответственно); как известно, вязкость газа мало зависит от давления. Поэтому ксеноновой смесью будет дышать не труднее, чем обычной дыхательной смесью для глубоководного погружения, обладающей примерно той же вязкостью, что и воздух. В любом случае, если даже дыхание в подобных смесях затруднено, мы всегда имеем возможность слегка повысить концентрацию кислорода.

Любопытно также, что наш голос будет звучать в такой смеси очень «грубо» — в противоположность «голосу Буратино», который получается с помощью гелий-кислородной смеси. Дело в том, что скорость звука в гелии намного выше, чем в воздухе (970 и 331 м/с при 0°C соответственно), а скорость звука в ксеноне намного меньше (169 м/с), чем в воздухе. Таким образом, голос в ксеноне станет ниже на целую октаву.

Дедал предлагает новый способ борьбы с шумом. Он указывает, что любой звук представляет собой волновое движение и поэтому может быть погашен идентичной звуковой волной, имеющей противоположную фазу. Дедал конструирует прибор, в котором подобный принцип гашения звуковых колебаний используется для подавления шума, создаваемого, например, реактивными самолетами. По проекту Дедала, вблизи двигателя самолета устанавливаются микрофоны, которые служат датчиками шума. Сигнал от микрофонов усиливается и подается на громкоговорители, размещенные таким образом, чтобы излучаемые ими звуковые волны были в противофазе с исходным шумом. Таким же способом можно глушить шумы, порождаемые мотоциклами, отбойными молотками и т. п. В тех же случаях, когда полное глушение звука вряд ли возможно (например, когда вас донимает радиоприемник у соседей или плачущий младенец), Дедал предлагает использовать индивидуальные противошумные устройства, располагаемые вблизи ушей владельца. Такое устройство может обладать направленным действием и гасить только нежелательный шум, позволяя прочим звукам доходить до ушей владельца [33] .