Страница 8 из 46
Американские физики экспериментально доказали, что эффект Казимира проявляется не только в вакууме, но и в жидкостях. Эту работу выполнили Джереми Мандэй и Федерико Капассо (Jeremy Munday, Federico Capasso), работающие в Гарвардском университете.
Эффект, о котором идет речь, в 1948 году предсказал голландский физик-теоретик Гендрик Казимир. Он показал, что между двумя идеально отражающими параллельными зеркалами, помещенными в глубокий вакуум, возникает сила притяжения чисто квантовой природы. Согласно гейзенберговскому соотношению неопределенностей, в вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные фотоны электромагнитного излучения. Спектр энергий тех квантов, которые могут появиться между зеркалами, чуть уже энергетического спектра свободного пространства, поскольку некоторые состояния этих квантов в межзеркальной щели запрещены. Энергия виртуальных фотонов вносит вклад в суммарную энергию физического вакуума, которая считается нулевой. Поскольку в пространстве между пластинами этих фотонов меньше, нежели вовне, плотность вакуумной энергии там отрицательная. По этой причине в вакууме возникнет негативное давление, направленное перпендикулярно зеркалам, которые в результате начнут притягиваться друг к другу.
Эффект Казимира довольно трудно измерить. Сила казимировского притяжения обратно пропорциональна четвертой степени ширины щели, так что зеркала должны находиться очень близко друг к другу. Кроме того, идеальные зеркала существуют только в теории. На практике приходится пользоваться тщательно отполированными металлическими поверхностями, которые неодинаково отражают фотоны разных частот, что уменьшает силу Казимира. Впервые ее существование было экспериментально подтверждено лишь в 1958 году, а затем со все возрастающей надежностью – в 1997-м и в последующие годы. Новейшие измерения подтвердили теоретические вычисления с точностью до одного процента.
Все эти эксперименты проводились в глубоком вакууме. Теперь Мандэй и Капассо проверили, в какой степени сила Казимира экранируется жидкой средой. Они положили на дно ванночки с этанолом отполированную золотую пластинку и подвесили над ней позолоченный пластиковый шарик диаметром 40 мкм. Благодаря силе Казимира, шарик несколько сместился по направлению к пластине, что зарегистрировал лазер сенсора. Обработка результатов показала: когда дистанция между шариком и пластинкой составила 50 нм, сила Казимира оказалась вдвое меньше вакуумного значения. Это ослабление имеет ту же физическую природу, что и влияние неидеальности зеркал. Этанол изменяет спектр флуктуаций виртуальных фотонов и тем самым влияет на величину казимировского притяжения. АЛ
Первым взрывчатым веществом (ВВ), которое применил человек, был дымный порох, изобретенный в Китае где-то в VII веке. Примерно через пять веков дымный порох проник в Европу. С тех пор химия ВВ – наука о том, "как взорвать что угодно" – хоть и продвигается вперед, но далеко не теми семимильными шагами, которые делают другие области химического знания. Это вызвано в первую очередь очень жесткими требованиями, предъявляемыми к современным ВВ: они должны быть, с одной стороны, достаточно мощными, а с другой – удобными для использования в технологических процессах, нечувствительными к случайным внешним воздействиям и при этом дешевыми.
Сам взрыв является следствием быстропротекающей экзотермической окислительно-восстановительной реакции. Реакция инициируется в какой-то точке ВВ (детонация) и распространяется с высокой скоростью, в результате весь объем ВВ вовлекается в реакцию и взрывается как единое целое. В ходе реакции образуется большое количество газообразных продуктов, молекулы которых разлетаются в разные стороны от точки взрыва, обладая высокой кинетической энергией, то есть температурой. Чем больше газов и чем выше температура взрыва, тем больший разрушительный эффект можно ожидать. Часто для того, чтобы удовлетворить всем требованиям, применяют различные сочетания ВВ с другими компонентами, но сейчас речь идет об индивидуальных ВВ, о молекулах, которые буквально двигают горы своей спрятанной до поры энергией.
Рекордсменами взрывной мощности и, следовательно, важнейшими ВВ являются нитропроизводные различных органических молекул. Нитроглицерин (скорость детонации 7650 м/с), очень чувствительный к удару и входящий в состав динамита, получен А. Собреро еще в 1846 году. Тринитротолуол (тротил, скорость детонации 6700—7000 м/с) получен Й. Вильбрандом в 1863 году и до сих пор является одним из основных ВВ, применяемых как в чистом виде, так и в смеси с небезызвестным гексогеном (скорость детонации 8360 м/с), синтезированным в 1890 году. Последний более мощен и чувствителен к внешним воздействиям, чем тротил. Скоростью детонации в 9124 м/с может похвастаться октоген, который был впервые обнаружен Райтом и Бахманом в 1941 году как примесь к гексогену. Органические нитропроизводные объединяет то, что окислитель и восстановитель в них входят в состав одной и той же молекулы. В качестве окислителя выступают нитрогруппы (NO2), а восстановителем служат атомы углерода органических групп, таких как метиленовая (CH2), то есть «взрывная» окислительно-восстановительная реакция в данном случае может протекать как по внутримолекулярному, так и по межмолекулярному механизму. Именно поэтому упомянутые соединения можно использовать в чистом виде. В ходе взрыва образуются CO2, N2 и H2O.
В 1999 году в Чикагском университете Филипп Итон и Мао-Си Чжан (Philip Eaton, Mao-Xi Zhang) синтезировали октанитрокубан, самое мощное ВВ, порожденное химией на сегодняшний день: скорость детонации 9800 м/с, температура взрыва 5800 °С. Получение этого соединения – значительное достижение не только технологов ВВ, но и химиков вообще. Молекула октанитрокубана, C8(NO2)8, представляет собой куб из атомов углерода, причем к каждой углеродной вершине куба присоединена одна нитрогруппа. Рекордная мощность этого ВВ обусловлена не только большим количеством нитрогрупп, приходящихся на одну молекулу, но и напряженностью кубического углеродного каркаса, которая при его распаде приводит к выделению дополнительной энергии. Однако октанитрокубан пока не получил широкого применения, так как его синтез довольно сложен и дорог, поэтому химики не прекращают поиск.