Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов - Чад Орцель

вокруг каждого кусочка. Магниты в этой системе могли быть довольно существенными – достаточно большими, чтобы создавать сигналы, которые воспринимал расположенный поблизости радиоприемник. Один из моих профессоров по компьютерным наукам в колледже рассказал историю про конструирование программ на перфокартах, они будут бесцельно считывать биты в нужной последовательности, так что на поставленном неподалеку от этих компьютеров радиоприемнике можно будет прослушать хит «Резиновая уточка» из мультсериала «Улица Сезам».

В меньших масштабах гибкие полоски магнитного материала создают основу для кассет и видеолент VHS[225], что радовали меня в юные годы, для хранения звуков и видео в виде распределения магнитных доменов на ленте с использованием электромагнитов для записи. Эти распределения потом считывались небольшим датчиком, который улавливал изменения в магнитных полях, проходя над витками проволоки в плейере. Ленты могли хранить данные длительный период, хотя используемые материалы медленно ухудшали свои качества после многих воспроизведений.

Менее устаревшие технологии, а именно магнитные домены с возможностью перезаписи, также лежат в основе операций современных твердых дисков. Основной принцип остается тем же самым: электромагнит в «пишущей головке» изменяет ориентацию магнитных доменов на диске, чтобы сохранить цифровую информацию. В то же время «считывающая головка» распознает картину магнитных полей на диске, превращая хранящуюся на диске информацию обратно в единицы и нули для рабочей памяти. Десятилетия инженерных усилий по разработке лучших магнитных материалов и высокопроизводительных систем чтения и записи данных продвинули эти системы до такого уровня, что они могут хранить невероятное количество данных. Четырехтерабайтный диск, который я использую, чтобы сохранять данные на моем компьютере дома, имеет габариты коробочки для хранения пятидюймовых флоппи-дисков, использовавшихся на моем первом компьютере; при этом вся та коробочка сохранила бы для меня одну миллионную часть данных, которые умещаются сегодня на моем твердом диске.

Эта глава лишь коснулась поверхности крайне сложной физики магнитных материалов, богатого и разнообразного поля, где счастливо трудятся множество физиков. Однако неважно, заинтересованы ли вы в хранении данных высокой плотности или просто прикрепляете карандашные рисуночки на кухонные приборы, физика всего этого имеет глубокие корни в квантовой механике. Каждый магнит, какой вы видите, – в конечном счете квантовый объект, действующий благодаря присущему его электронам спину.

Глава 10

Детектор дыма: Побег мистера Гамова

В коридоре еще темно, когда я выхожу из спальни, только сигнальный огонек на детекторе дыма отбрасывает слабый свет на стенку.

Когда я был в аспирантуре с середины по конец 1990-х годов, я жил в Роквилле, штат Мэриленд, где снимал комнату. В этом доме был самый странный детектор дыма, который я только видел: он срабатывал почти каждый раз, когда я готовил себе тост. Это была обычная процедура поджаривания хлеба, но она заставляла срабатывать сигнал тревоги, при этом он не срабатывал на другие виды приготовления пищи, равно как и на соседа, который выкуривал несколько пачек сигарет в день.

Много лет спустя я все еще в недоумении и не могу понять, что же такого необыкновенного было в тосте, что заставляло детектор срабатывать. Хотя объяснение того поведения остается за пределами моих возможностей, основные принципы работы обычного детектора дыма достаточно просты. Они так же зависят от целого ряда известных странностей квантовой физики, например, от способности частиц проходить через барьеры, которые, по мнению классической физики, точно должны их останавливать.

Классическая физика детекторов дыма

Дым, даже если опираться на его название, – набор небольших частиц, поднимаемых в воздух пламенем. Обнаружение дыма, таким образом, означает обнаружение этих частиц, желательно быстро, чтобы предупредить домовладельцев о пожаре до того, как им будет нанесен вред.

Самым простым способом для прибора обнаружить дым, является в сущности, тот же, что мы осуществляем с помощью зрения: глядя на рассеивание света частицами дыма в воздухе. Дым становится видимым для нас, отражая свет, который иначе не попал бы нам в глаза, или загораживая свет, мы иначе увидели бы его. Фотоэлектрические детекторы дыма работают по первому принципу: небольшой источник света светит через трубочку со световым датчиком, размещенным сбоку. При обычных условиях свет не попадает на датчик, показывая, что все в порядке. Когда частицы дыма попадают в трубочку, часть света отражается вбок, создавая электронный сигнал от светового датчика, он и запускает оглушительную сирену.

Однако некоторые виды быстрогорящих материалов могут создавать частицы, почти не отражающие свет, и тогда используется другая технология – радиоактивный распад для обнаружения дыма. В ионизационном детекторе поток альфа-частиц направляется в небольшую воздушную камеру между двумя заряженными металлическими пластинками. Когда альфа-частица ударяется о молекулу воздуха[226], столкновение может разбить молекулу на две заряженных части, одна положительная и одна отрицательная. Положительный ион притягивается к отрицательной пластинке детектора, а отрицательный ион – к положительной, и попадание этих частиц на пластинки приводит к небольшому току через контур, включающий обе пластинки.

В отсутствие каких-либо дымовых частиц, поток тока практически постоянен, и прибор издает сигнал «все хорошо». Когда дым попадает в ионизированную камеру, дымовые частицы поглощают часть ионов и не дают им достичь пластинок, нарушая течение тока. Это снижение тока регистрируется электроникой детектора и запускает срабатывание оглушительной сирены.

Каждая из двух детекторных технологий имеет свои преимущества и недостатки, и в результате множественные коммерческие детекторы дыма используют оба варианта одновременно. Каждый в определенной степени зависит от квантовой физики. Первый тип реагирует на свет за счет фотоэлектрического эффекта, что (как мы уже говорили в главе 3) было в конечном счете объяснено существованием фотонов. Для второго типа детектора квантовые связи более непосредственны, и он основывается на процессе ионизации, который опирается на альфа-частицы, возникающие при распаде искусственного радиоактивного элемента, америция-241, внутри детектора. Этот распад содержит загадку, что предшествовала квантовой физике и была впоследствии решена колоритным персонажем из СССР.

Загадки радиоактивности

В поздние 1800-е годы физику сотрясло открытие очевидных новых форм радиации. Сначала, в 1895 году, Вильгельм Конрад Рентген[227]наткнулся на икс-лучи[228] (рентгеновские) при экспериментировании с электрическими токами, протекающими через вакуумные трубки. Рентген заметил, что даже после того, как он закрывал свой аппарат, чтобы блокировать выход света наружу, флуоресцентный экран на противоположной стене лаборатории слабо светился, когда в трубке курсировал ток. Он правильно приписал это действию каких-то лучей, обладающих очень большой проникающей силой и исходящих от прибора. Очень скоро ученый создал ставшую уже канонической фотографию руки своей жены в рентгеновских лучах, где четко видны кости. Его работа практически сразу нашла медицинские применения, и в 1901