Игорь Иванов - Как расщепляют мгновение

Как расщепляют мгновение

Лекция прочитана на конференции лауреатов Всероссийского конкурса учителей математики и физики фонда Дмитрия Зимина «Династия». 29 июня 2009 года, посёлок Московский

Я вначале, конечно, хочу поблагодарить фонд «Династия», поскольку он делает очень полезное дело, и не в последнюю очередь хочу поблагодарить за то, что он позволяет мне удовлетворять мое желание рассказывать популярно о современной физике.

Я вам расскажу сегодня про разнообразные быстропротекающие явления из самых разных областей физики. И причем не столько о самих явлениях, сколько о методах, с помощью которых в них можно вглядеться и их можно изучать. Конечно, вы понимаете, что эта тема очень огромная, ее невозможно как-то систематически изложить за короткую лекцию, поэтому просто воспринимайте это как калейдоскоп самых разных явлений, которые протекают в совершенно разных временных диапазонах, и также калейдоскоп методов их исследования.

Ну, я сразу должен предупредить, что поскольку речь идет про современную физику, а я буду иллюстрировать всё совершенно недавними работами, буквально сделанными в последние годы, то кое-что может сначала показаться непонятным. Но это не страшно: потом лекция будет выложена на сайте elementy.ru, там же будет и полный текст лекции и там же можно будет задавать вопросы и комментировать. Я на эти вопросы буду отвечать, так что ничего страшного.

Значит, лекция будет организована очень просто: по диапазонам времен, то есть миллисекунды, микросекунды, наносекунды и так далее, пока хватит времени.

Миллисекунды

Ну что, начнем с миллисекунд. Про миллисекунды я рассказывать слишком много не буду просто по той причине, что это очень близкий к нам временной диапазон. То есть то понятие мига, которое мы ощущаем, как раз соответствует десяткам миллисекунд, ну, может быть, сотням миллисекунд. И кроме того, это всё можно исследовать буквально дома, в домашней лаборатории, поскольку современная фотокамера позволяет выставлять выдержку и в миллисекунды, и даже в доли миллисекунды. Поэтому на нее можно запечатлеть процессы, которые не видны невооруженным глазом (просто они слишком быстрые). Конечно, есть здесь определенная сложность, потому что часто требуется запустить фотокамеру именно в какой-то определенный момент времени, и с руки это сделать сложно, но в последнее время есть в свободной продаже такие специальные киты, которые имеют звуковые триггеры. То есть они запускают вспышку строго по звуковому сигналу, например, или с какой-нибудь задержкой после звукового сигнала. Такие киты продаются, они стоят недорого; если их купить, то можно получать такие красивые фотографии, как, например, яблочко, которое пулей насквозь пронзено. То есть буквально это всё можно изучать в домашних условиях.

Про миллисекунды я хочу рассказать еще вот что. На самом деле, как оказалось, мало кто знает, что невооруженный человеческий глаз обычно может заметить и изучить явления, длящиеся буквально единицы миллисекунд. Конечно, не каждое явление так можно увидеть, для этого требуются некоторые специальные условия, но в определенных условиях это действительно можно сделать. Для этого нужно сделать следующие вещи: нужно, чтобы явление, которое у вас происходит, было ярко освещено и чтобы оно происходило на темном фоне. И последнее условие — это не смотреть прямо на это явление, а мотнуть взглядом туда-сюда. И тогда — вот можете попробовать — у вас на сетчатке получится некоторая развертка этого процесса во времени, и при определенном навыке можно действительно видеть события, протекающие единицы миллисекунд.

Ну вот, в  качестве самого простого примера, который вы можете попробовать буквально дома вечером: вы можете найти какой-нибудь светодиодик и попробовать вот эту технику на нём, то есть мотнуть взглядом туда-сюда и осознать, что у вас отпечаталось на сетчатке. Часто светодиоды бывают мерцающие, некоторые светодиоды бывают непрерывного свечения. И это всё можно действительно разглядеть невооруженным глазом, даже если частота составляет 200–300 герц.

Ну вот, в качестве иллюстрации я здесь просто взял и с руки фотоаппаратом сфотографировал просто видеодисплей обычной микроволновки.То есть, когда я фотографировал, я, конечно, камеру сдвигал. В результате получилась череда отдельных изображений. Поскольку я всё это вручную выставлял, я смог измерить частоту вот этих вспышек этого дисплея, она получилась примерно 200 герц. Но самое главное, что невооруженным глазом тоже всё прекрасно видно. То есть, когда невооруженным глазом так вот мотнешь взглядом, тоже получается такая последовательность изображений. То есть видите — кое-какую физику можно изучать просто глядя на предметы. Ну, здесь, конечно, можно дальше про красивые картинки рассказывать, но я перейду еще дальше вглубь времени — то есть к долям миллисекунды — и перейду к микросекундному диапазону.

Микросекунды

Итак, микросекунды. Микросекунды — это, в общем, довольно уже далеко отстоящий от обычной повседневной жизни диапазон времен, но, тем не менее, его можно наблюдать и с помощью обычных видеокамер. Конечно, они достаточно дорогие, это не те видеокамеры, которые продаются в магазинах. Эти видеокамеры, которые дают сотню тысяч кадров в секунду или даже миллионы кадров в секунду, стоят под миллион долларов. Но иногда достаточно, действительно, бывает купить такую камеру, вложиться в нее, и потом уже можно делать высококлассные работы, настоящие исследовательские научные работы, которые публикуются в высокоимпактных журналах.

И здесь тем есть несколько — то есть темы, которые буквально сейчас активно исследуются учеными. Среди этих тем, наверное, стоит выделить одну: это поведение нестационарных течений, особенно со свободной поверхностью. То есть это не просто, там, движение воды по трубам, а поведение капелек, струек, как они распадаются на капли. И вот, оказывается, здесь есть много нетривиальных вещей, которые до сих пор еще толком не изучены. Вот, например, одна из них — это то, что происходит с перешейком, вот с этим перешеечком, в тот момент, когда капля отрывается. Ну, здесь, на самом деле, нарисована как бы обратная ситуация. Это картинка из работы 2006 года, в которой капля воздуха поднималась со дна жидкости. (Подробнее об этой работе см.: Обнаружен эффект памяти в поведении пузырьков воздуха под водой, «Элементы», 18.10.2006.) В принципе, динамика та же самая. Оказывается, что непосредственно перед моментом отрыва вот эта капелька (вот здесь она показана увеличенно, вот этот перешеек тоже показан увеличенно) ведет себя самоподобным образом. То есть значит, что вот эта форма перешейка при приближении к точке отрыва остается постоянной, но только масштаб ее уменьшается, уменьшается, уменьшается. То есть здесь, конечно, видна как бы точечка, но если бы мы смогли это увеличить, мы бы увидели ту же самую форму — ту же самую форму, как здесь, только на меньшем масштабе.

И вот это очень интересует теоретиков, потому что такое самоподобное поведение на самом деле означает что-то важное про свойства уравнения, в которых это описывается. Ну, это одна из... не то что загадок — одно из свойств этого перешейка. Оказывается, что у него есть много других интересных свойств, и это действительно активно сейчас изучается в эксперименте.

Про микросекунды я еще хочу рассказать следующее: что микросекунды, в принципе, можно изучать и в школьной лаборатории. Для этого не требуется покупать какую-либо очень дорогую камеру. Для этого можно воспользоваться обычным фотоаппаратом, но только надо освещать предмет короткими микросекундными импульсами света. А получить их тоже не так уж сложно. Делается это просто: берете, например, лазерную указку — ну, или, если не хотите лазер мучить, берите маленькое зеркальце, — устанавливаете его на моторчик и раскручиваете его в горизонтальной плоскости. Например, 100 оборотов в секунду, в принципе, вполне можно получить. У вас тогда получится лучик света, который гуляет по стенам с большой скоростью. Дальше: вы ставите поодаль ширмочку, делаете в ней маленькую дырочку (как раз на траектории луча) и тогда, когда вот этот лучик чиркает по этой дырочке, у вас в соседнюю комнату, например, проходит очень короткий импульс света. И вы можете сделать примерные оценки и увидеть, что импульсы длительностью в буквально считанные микросекунды вполне доступны в школьной лаборатории. А дальше это просто снимаете в темной комнате на фотокамеру. И вы действительно видите быстропротекающие явления.

Ладно. Микросекунды — это тоже нечто такое, более как бы приземленное к нашей жизни.