Наука: главные новости недели от «Образовача»

Шеф-редактор издания «Образовач» Александр Ершов еженедельно отбирает специально для TJ семь самых важных новостей из мира науки и технологий. В этом выпуске: пойманный в полёте свет лазера, осознанные сновидения и сатурнианские кольца экзопланет.

Лазерный пучок засняли в полёте сквозь воздух

Учёные из Университета Эдинбурга и Массачусетского технологического института впервые засняли пролёт лазерного пучка сквозь воздух. В видеоролике, который ученые приложили к научной публикации, лазерный импульс прыгает между зеркал, словно выстрел бластера из «Звёздных Войн».

Увидеть этот процесс удалось с помощью новой ультраскоростной видеокамеры, которая к тому же обладает рекордной чувствительностью. Камера представляет собой массив из так называемых однофотонных лавинных диодов. По принципу работы они несколько напоминают счетчики Гейгера: попадание даже единичной частицы света в любой из таких диодов вызывает лавинный пробой, который фиксируется запоминающим устройством. В массиве, созданном авторами, всего 1024 таких диода, они формируют изображение размером 32 на 32 пикселя.

Главным минусом камеры, которая работает по такому принципу, является высокий уровень шума. Некоторые диоды срабатывают не только от попадания фотонов, но и от действия посторонних частиц. Чтобы нивелировать этот шум, требуется многократное повторение снимаемой сцены. Чтобы заснять приведенное видео, учёным потребовалось в течение 10 минут записывать около двух миллионов идентичных лазерных импульсов. Из массива полученных изображений затем удаляли случайные сигналы, раскрашивали полученную картинку в зеленый цвет и накладывали её на изображение, снятое обычной камерой.

Интересно, что ранее эти же учёные использовали подобную камеру для того, чтобы снять пролёт светового импульса сквозь пластиковую банку, наполненную водой с молоком. Новая камера по сравнению с предшественницей обладает большей чувствительностью, и это позволяет заснять фотоны в существенно более прозрачной среде — воздухе.

У кандидата в экзопланеты нашли гигантскую систему «сатурноподобных» колец

Объект J1407b, который представляет собой то ли очень большую планету, то ли очень маленькую «недозвезду» (коричневый карлик), известен астрономам уже несколько лет. Благодаря астрономам из Лейденской обсерватории в Нидерландах выяснилось, что он окружён уникальной, прямо-таки гигантской системой колец наподобии тех, что украшают орбиту Сатурна. Причём эти кольца значительно плотнее сатурнианских. Если бы наш местный газовый гигант обладал такими же кольцами, они затмили бы по яркости и размеру даже Луну.

Объект J1407b был открыт в 2007 году по результатам анализа кривой затмения солнцеподобной звезды J1407. Затмение было очень необычным: во-первых, оно продолжалось несколько месяцев, а во-вторых, сопровождалось резкими повышениями и понижениями яркости звезды. Авторы новой работы провели численное моделирование затмения и уточнили параметры системы колец вокруг J1407b.

Система колец J1407b в представлении художника

Результаты анализа показали, что внешний диаметр системы колец должен быть исключительно велик — около 120 миллионов километров. Здесь стоит привести пару примеров для сравнения. Хотя Сатурн имеет внешнее кольцо диаметром около 30 миллионов километров, оно практически прозрачно и поэтому его можно наблюдать лишь с высокочувствительным оборудованием. Долгое время оно вообще оставалось незамеченным. Что касается внешнего диаметра основной системы сатурнианских колец, то он составляет лишь около 480 тысяч километров, что почти в 200 раз меньше колец J1407b. Их размер оказался даже несколько больше, чем диаметр всей орбиты Меркурия.

Массу системы колец J1407b учёные оценили примерно в 100 масс Луны, что больше, чем, к примеру, масса Земли. Модель также показала, что в системе присутствует четкая структура — удалось выявить более 30 отдельных колец. Кроме того, по присутствию в кольцах крупной щели, расположенной на расстоянии около 60 миллионов километров от J1407b, был сделан вывод о наличии у объекта экзоспутника (на образование которого и пошёл материал «пропавшего» кольца). Массу этого спутника учёные оценили примерно в 0,8 массы Земли, а период его обращения вокруг J1407b составил примерно 2 года.

Взрыв щелочных металлов в воде оказался электрическим

Каждому химику со школьной скамьи известно, что если бросить в воду кусочек металлического натрия, то начнётся реакция выделения водорода и произойдёт взрыв. Оказывается, несмотря на хрестоматийный характер реакции, учёные до сих пор неправильно понимали её природу.

Считалось, что взрывной характер реакции связан с тем, что в её ходе выделяется много энергии и это вызывает воспламенение водорода. Это действительно возможно, но чешские химики в новой работе показали, что на самом деле водород не играет принципиального значения — взрывной характер реакции определяется не им.

Установить истинный механизм ученым удалось в ходе экспериментов с микроскопическими шариками сплава щелочных металлов, которые бросали в воду в атмосфере аргона. Реальные эксперименты, которые записывали на высокоскоростную камеру, учёные дополнили молекулярным моделированием.

Оказалось, что практически сразу после соприкосновения металла с водой (за четыре десятитысячных секунды) он формирует взрывной шар со множеством протуберанцев. Водорода к этому моменту ещё почти нет, а значит он не является причиной взрыва.

Выяснилось, что взрыв объясняется кулоновским отталкиванием атомов металла друг от друга. Во время соприкосновения происходит перенос электронов от металла к воде, в результате чего капля металла становится положительно заряженной. Когда сила отталкивания между атомами металла превышает силу поверхностного натяжения, капля взрывается, причём это никак не зависит от характера последующей химической реакции. Наоборот, он сам определяется этим чисто электрическим взрывом. Взрыв приводит к резкому увеличению поверхности контакта, а значит реакция идет во много раз быстрее, чем в том случае, если бы металл был электрически нейтрален.

Способность к осознанным сновидениям сказалась на анатомии мозга

Учёные из Института Макса Планка выяснили, что у людей, практикующих осознанные сновидения, увеличена область мозга, отвечающая за рефлексию и самоанализ. У таких людей даже в состоянии бодрствования эта область работает более интенсивно, чем у тех, кто осознанных сновидений не видит.

В ходе работы учёные сравнивали анатомию мозга двух групп людей: тех, кто утверждает, что часто видит осознанные сны, и тех, кто практиковал осознанные сновидения редко или не практиковал никогда. Во второй части работы авторы наблюдали за функционированием этой области с помощью фМРТ, регистрирующей активность тех или иных зон мозга.

У тех, кто практикует осознанные сновидения, был статистически значимо увеличен объём серого вещества в передней префронтальной коре (9–10 поля Бродмана). Это область мозга, которая контролирует когнитивные процессы и играет важную роль в способности к рефлексии. Кроме того, различия в структуре мозга отразились на различиях в функции мозга: у людей, видящих осознанные сны, эта область была существенно активнее.

Осознанными называют сновидения, в которых человек осознаёт, что видит сон, и может в той или иной мере управлять его содержанием. Большинство таких людей видят осознанные сны несколько раз в году, некоторые — практически каждый день. Авторы исследования полагают, что осознанные сновидения связаны со способностью к рефлексии или метакогниции, то есть «осознании сознания». В дальнейшем исследователи хотят выяснить, можно ли развить метакогнитивные навыки с помощью тренировок. Планируется привлечь волонтёров и с помощью тренировок осознанных сновидений понять, улучшается ли у них способность к рефлексии и увеличиваются ли соответствующие зоны мозга.

Возникновение тональных языков связали со влажностью климата

Тональными называются такие языки, в которых для смыслоразличения используется высота (тон) звука. Например, слог «ма» в китайском может означать как «мать» — если произносится на одной частоте, — так и «лошадь» — если в ходе произношения высота тона падает, а затем повышается. Смысл сказанного в нетональных языках обычно ясен, даже если текст монотонно наговаривает робот; в тональных же языках это может приводит к двусмысленности.

На этой неделе вышла статья учёных из Института психолингвистики Макса Планка. Они обнаружили взаимосвязь между влажностью климата и тональностью языка, которым пользуются проживающие в данном климате народы.

Известно, что правильное интонирование требует равномерного колебания голосовых связок, а оно, в свою очередь, невозможно без наличия на связках слизистой пленки. Ранее физиологи показали, что даже кратковременное вдыхание сухого воздуха приводит к ошибкам интонирования: непопаданию в тон и колебанию амплитуды звука. В новой работе лингвисты подкрепили эти данные статистическим анализом и обнаружили, что вероятность возникновения тонального языка в конкретном месте планеты выше, если для неё характерен климат с высокой влажностью.

Учёные задействовали в своих исследованиях две независимые базы данных о фонетике более 3750 языков. Эти данные были использованы для формирования статистической модели, которая не только учитывала среднюю влажность климата, но и родственные связи языков друг с другом.

Судя по данным авторов, тональные языки действительно довольно редки в «сухом» климате и встречаются преимущественно вблизи экваториальных зон, для которых характерная высокая влажность.

Из этого правила, конечно, есть множество ярких исключений. Например, для Великобритании, несмотря на близость к «сухой» Европе, характерна высокая влажность, а значит, английский вполне мог бы стать тональным языком, которым он по историческим причинам не является.

Автомобили научились хлопать водителя по плечу при приближении велосипедиста

Инженеры из компании Jaguar Land Rover объявили о разработке технологии Bike Sense, опознающей на дороге велосипедистов и мотоциклистов, и информирующей водителя об их приближении. В том случае, если велосипедист будет обгонять автомобиль с правой стороны, водитель услышит звук велосипедного звонка из правого динамика, цвет подлокотника и передней стойки будет постепенно меняться с зеленого на красный в соответствии со скоростью приближения велосипедиста, а сиденье «похлопает» водителя по правому плечу.

При приближении велосипедиста левая дверь и стойка меняют цвет, из левого динамика звучи велосипедный звонок, а сиденье легонько «похлопывает» водителя по левому плечу

Автоматическое оповещение водителя о препятствиях — далеко не новая технология, но до сих пор эти системы основывались на том, что в случае опасности на приборной панели загорается соответствующая лампочка или звучит стандартный звуковой сигнал предупреждения. Чтобы среагировать, водитель должен увидеть лампочку или услышать сигнал, понять, что он значит и к чему относится, посмотреть в указанном направлении, проанализировать ситуацию и адекватно среагировать. По мнению экспертов, такая цепочка является слишком длинной для систем, призванных создавать мгновенные оповещения. Чтобы сократить её, команда исследователей предложила внести в сигналы оповещения дополнительную информацию об опасности.

Новая система при помощи массива светодиодов сможет изменять цвет многих элементов салона. Кардинально новым решением было добавление тактильных воздействий: например, «похлопывание» по плечу в случае обгона, или вибрация дверной ручки, в том случае, когда водитель хочет открыть дверь, но не заметил проезжающего велосипедиста (распространенность таких случаев привела к поевлению глагола «to door», буквально «одверить»).

Инженеры Jaguar Land Rover уверены, что использование более инстинктивных и понятных сигналов позволит создать более совершенную систему оповещения. Тем не менее в разработке Bike Sense они отмечают несколько серьёзных трудностей: нахождение золотой середины между системой, которая срабатывает в одном случае из пяти, и системой, которая звенит и мигает, не прерываясь, что будет только больше раздражать водителя и отвлекать его от дороги. Именно над решением указанной проблемы разработчики максимально концентрируются в настоящий момент.

Апельсиновый сок оказался богаче витаминами для человека, чем апельсины

Мнение о том, что апельсины в свежем виде полезнее апельсинового сока, разделяют многие диетологи. Оказывается, это не совсем так. По крайней мере, если вам не хватает витаминов, то получить их проще именно в форме сока, а не в виде апельсиновых кусочков.

Учёные из Университета Хоэнахайм в Штутгарте установили, что биодоступность каротиноидов и флавоноидов в апельсиновом соке существенно выше, чем в самих апельсинах. В ходе исследования сравнивался химический состав прямого гомогената апельсинов и того апельсинового сока, который из них получался по классической технологии (включающей мгновенную пастеризацию). С помощью хроматографии учёные сравнивали, как меняется на разных стадиях процесса концентрация флаконоидов, каротиноидов, витамина С и некоторых других веществ. Затем они анализировали биодоступность, то есть усвояемость этих же веществ в тесте in vitro.

Результаты подтвердили расхожее мнение о том, что при производстве сока значительно снижается концентрация некоторых витаминов — каротиноидов и флавоноидов (содержание витамина С почти не менялось). Но при этом в соке существенно повышается биодоступность, то есть усвояемость этих веществ. Если принять за 100 процентов количество каротиноидов в апельсине, то выпив сок, человек усвоит из них примерно 30 процентов. Если же он просто съест апельсин, то соответствующая цифра составит всего 12 процентов.

Бонус: видео от телестудии Роскосмоса

Как выглядело бы наше небо, если вместо Солнца были бы другие звёзды. Альтернативная история.