Металл или не металл – вот в чем вопрос
Попытки такого рода неоднократно предпринимались на протяжении последних ста лет, но всегда безуспешно. Теперь гарвардские ученые сообщили, что подвергли образец твердого водорода (при температуре около 5 градусов выше абсолютного нуля) сильному сжатию между двумя наконечниками из искусственного алмаза, после чего образец претерпел т.н. фазовый переход – перешел из твердого состояния в металлическое, о чем засвидетельствовал внезапно появившийся металлический блеск. Измерив долю отраженного света, порождающего этот блеск, авторы сумели оценить плотность электронов внутри образца и убедились, что она соответствует той плотности, которую теория твердого тела предсказывает для металлического водорода.
В этом сообщении много непонятного для непосвященного уха. Прежде всего – чем отличается твердый водород (существующий при температурах ниже 13 градусов Кельвина) от металлического (тоже, понятно, твердого)? Это нетрудно понять. При обычных температурах водород существует в виде газа из молекул Н2.. Когда водород охлаждают, он постепенно переходит в жидкое, а затем в твердое состояние, сохраняя эту молекулярную структуру. Поэтому в нем нет свободных электронов, которые могли бы проводить ток, и он остается изолятором. Однако уже в 1935 году Вигнер и Хантингтон теоретически предсказали, что при давлении выше 250 тысяч атмосфер молекулярная структура твердого водорода может быть разрушена и он превратится в кристалл, состоящий из отдельных атомов. В таком состоянии все электроны «обобществляются» и вещество становится проводником, металлом.
Это предсказание породило ряд попыток получения металлического водорода. Правда, последующие расчеты показали, что необходимое для этого давление должно быть много больше, чем думали Вигнер и Хантингтон, но экспериментаторов это не остановило. Их усилия были не бескорыстны, поскольку физики-теоретики предсказывали, что металлический водород должен иметь удивительные свойства. Уже в 1968 году Нейль Ашрофт теоретически показал, что металлический водород может обладать сверх-проводимостью вплоть до 290 градусов Кельвина, т.е. даже при комнатных температурах! Нетрудно понять, какие технические перспективы сулил такой материал. Другие расчеты говорили о том, что металлический водород может служить невероятно эффективным топливом для космических ракет, потому что, превращаясь обратно в молекулярный (при нагреве) он должен выделять огромную энергию на единицу массы. И если уже зашла речь о космосе, то можно упомянуть и третье теоретическое предположение, согласно которому при достаточно высоких давлениях в сочетании с повышенной температурой металлический водород может существовать в жидком виде и такие слои жидкого металлического водорода, скорее всего, должны составлять внешнюю оболочку газовых планет-гигантов Юпитера и Сатурна. Рассчитавший эту возможность эдинбургский физик Гончаров назвал этот слой «темным» водородом (Возможно, именно конвекционные потоки электричества в этом проводящем слое создают то огромное магнитное поле, которым отмечен Юпитер). А возвращаясь из космоса на землю, стоит сказать еще, что создание больших количеств устойчивого металлического водорода могло бы решить проблему хранения огромных запасов энергии в любом месте планеты.
Но тут мы уже вступаем в область фантастики (хотя все еще научной), и поэтому уместно остановиться и спросить: за чем же дело стало? Как уже говорилось, прежде всего – за сверхвысокими давлениями. Даже когда в первых экспериментах образцы твердого водорода были подвергнуты сжатию в 2.5 миллиона атмосфер (!), они не показали признаков перехода в металл. В 1996 году ученые лаборатории Лоуренса в США, изучая сопротивление водорода при высоких давлениях и температурах, выстрелили в образец металлической «пулей», так что в момент удара его температура поднялась до 3000 градусов, а давление на него составило 1,4 млн атмосфер. В ходе того опыта был замечен миг, когда электрическое сопротивление образца упало до нуля (оптом он, понятно, был раздавлен). В 1998 и 2002 году французским и американским экспериментаторам удалось довести давление на образец до 3.4 млн атмосфер, но искеомы фазовые переход не состоялся. И наконец, в 2011 году в журнале Nature появилась статья сотрудников Института Планка в Германии, которые сообщали, что при давлении в 3 млн атмосфер и температуре в 200 градусов их образец твердого водорода стал сверкать металлическим блеском. Но это сообщение было подвергнуто сомнению и более не подтверждалось.
В лаборатории профессора Сильвера в Гарварде охота за металлическим водородом идет уже добрый десяток лет. В 2009 году эта группа уже опубликовала статью о долгожданном успехе, но подтвердить его не смогла. В начале 2016 года из Гарварда в журнал Physical Review B пришло второе такое сообщение об успехе, подписанное профессором Сильвером и его сотрудником Загу. А в октябре того же года третье такое же сообщение, на этот раз подписанное Сильвером и Диасом, поступило, как уже говорилось в начале этой заметки, на вебсайт arXiv. Эта публикация была встречена с недоверием. Тем не менее в январе 2017 года эта гарвардская статья была пере-опубликована в журнале Science. Авторы сообщали, что подвергли образец твердого водорода рекордному сжатию в 4.5 млн атмосфер (это на 1.1 млн больше, чем в ядре Земли) и, как уже сказано, наблюдали металлический блеск, свидетельствовавший о произошедшем фазовом переходе. По следам этой публикации группа специалистов в журнале Nature высказала предположение, что наблюдавшийся авторами блеск давал не металлический водород, а тончайший слой алюминия, которым авторы покрыли алмазные наконечники, чтобы в них не просочился при сжатии водород. Критики предложили подвергнуть образец (все еще находившийся между наконечниками) дополнительным исследованиям. Профессор Сильвер в ответ пояснил, что он опасается распада образца после его освобождения из тисков, но обещал, что эксперименты будут повторены с учетом критических замечаний. Как на момент написания заметки, сенсационный результат еще не был воспроизведен. И на гамлетовский вопрос, поставленный мною в заглавии, ответа все еще нет.
************************************************************************************
Почему люди в основном правши?
В ноябрьском выпуске Journal of Human Evolution за 2016 год международная группа группа антропологов (Фрайер и др.) сообщила о результатах исследования недавно найденной в Танзании челюсти одного из древнейших представителей семейства Гомо – т.н. Гомо хабилис («человек умелый»), который считается одним из первых в нашем славном семействе, начавшим изготовлять каменные орудия. Исследователи хотели выяснить, какой рукой он при этом изготовлении пользовался, но поскольку костей рук под рукой не оказалось, они стали изучать зубы нашего предка. Дело в том, что уже несколько лет назад было замечено, что на зубах таких древних существ, как этот Гомо хабилис, часто имеются одного и того же вида царапины. Антропологи заподозрили, что это трудовые шрамы. Мол, поднеся камень ко рту одной рукой, предок удерживал его зубами, а второй рукой (в которой был зажат другой камень) обкалывал до нужного вида – и при этом довольно часто попадал этим вторым камнем себе по зубам. Эту гипотезу они проверили на самих себе, подражая вышеописанному процессу, и убедились, что она правдоподобна. И вот теперь, изучая танзанийскую челюсть возрастом около 1.9 млн лет (!), они не только нашли на ней такие же царапины, но и сумели - под микроскопом - определить их наклон по отношению к зубам. Оказалось, что этот наклон соответствует предположению, что камень обрабатывался правой рукой.
Человечество можно делить по-разному. В частности, вот так - на правшей и левшей. Как и почти всякое иное деление людей по какому-то признаку, это тоже не абсолютно. Известны промежуточные варианты (одна рука сильнее другой), а также исключения, когда обе руки, что называется, правые. Однако, в массе своей (89-92%) люди правши, а «обоеправых» насчитывается всего около 1%. (Кстати, среди мужчин левши встречаются на 20% чаще, чем среди женщин). Может быть, поэтому, но почти во всех культурах левши, будучи непохожими на большинство, считались людьми второго сорта. Не только в России говорят о неуклюжем неумехе, что у него обе руки левые. Английское left произведено от саксонского lyft, что означало слабак, никудышный, а латинское sinistra (левый) превратилось в том же языке в sinister – зловещий, То же во французском и так далее. Любопытно, что в последние годы стало «модным» утверждать (на основании некоторых не очень надежных данных), что среди гомоcексуалов и лесбиянок процент левшей значительно выше среднего. И словно в отместку заносчивым правшам Мак-Манус, автор книги «Правая рука, левая рука», приводит множество данных об интеллектуальном превосходстве левшей, начиная с более высокого в среднем IQ. Замечу еще напоследок, что кенгуру, скорее, левши, а среди собак, лошадей и домашних кошек самцы чаще правши, а самки – левши.
Крайне интересно, но ответа на «почему?» все это не дает. Нужно углубиться. Нужно углубиться и вспомнить, что мы вообще несимметричны: сердце слева, печень справа и так далее. И мозг у нас состоит из двух половин, каждая из которых имеет свою специализацию и свой, если хотите, норов. Это вызвано тем, что функциональные участки в каждом полушарии больше связаны с какими-то частями мозга в целом: главные пучки нервных связей левого полушария уходят к «эмоциональным» центрам (амигдала и т.п.), а правого – к передним лобным («логическим») долям. При (бессознательном) выборе поведения каждое из полушарий дает свой «совет», и в разных ситуациях побеждает то, чей совет более соответствует интересам выживания. При этом левое полушарие более подчинено эмоциям, склонно к риску, тогда как «совет» правого более осторожен, более «продуман». Кто-то из исследователей мозга хорошо сравнил эту разницу с разницей «правильного поведения» в условиях недостатка пищи и ее избытка. В первом случае более «правильно» (для выживания) подчиниться эмоциям и идти на охоту, даже рискуя погибнуть, во втором более правильным будет осторожное, продуманное поведение.
Так это в общем случае, а многие частные функции управляются обеими полушариями, хотя и несколько по-разному: например, левое полушарие управляет моторными функциями правой стороны тела, а правое – левой. Но управляются по-разному, потому что, в плане моторики полушария тоже различны. Причина этого выяснилась после того, как в 1861 г. Поль Брока обнаружил в левом полушарии центр, управляющий речью, а в 1874 году Вернике открыл там же центр, управляющий грамматической стороной речи. Поскольку акт речи – это одновременно моторное действие, то, очевидно, параллельно с приобретением этих речевых центров левое полушарие получило дополнительное влияние на моторику, причем именно правой стороны тела. Так что не случайно танзанийское открытие, с которого мы начали, показало, что уже древнейший Гомо был правшой.
Рафаил Нудельман
"Окна", 25.5.2017