Вы наверняка уже много раз слышали, что гравитация - это не сила. То странное поведение, которое свойственно яблоку, падающему на Землю, современная физика описывает не через прямое взаимодействие (это когда собаку на поводке тащат).

Всё объяснение сводится к специфическому поведению самого пространства вблизи массивного тела. Пространство деформируется и вот, казалось бы, ответ найден. Но сам механизм странного поведения массивного тела вблизи другого такого же тела и их гравитационного притяжения обычно не разбирается.

Довольно занятно получается, когда некоторое привычное физическое явление оказывается вдруг… несуществующим. Точнее, лучше будет сказать, что оно есть и мы с ним вполне взаимодействуем, но по своей природе оно скорее иллюзорно. В физическом смысле оно как тень от дерева в солнечный день.

На удивление, подобных явлений науке известно довольно много. Обычно в этих случаях проявление природы или эффекта не будет фундаментальной сущностью. Оно лишь будет вытекать из работы других взаимодействий. И, пожалуй, самое удивительное тут – магнитное поле.

Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. При этом если протон широко известен своей способностью существовать почти вечно (почему «почти» я как‑то уже рассказывал на Хабре), то нейтрон диаметрально противоположен по свойствам. Эта нейтральная частица без электрического заряда наоборот «разваливается» практически сразу, как только окажется вне связанного состояния внутри ядра.

Что будет, если метеорит вдруг принесёт нам элемент, которого нет сегодня в таблице Менделеева? Куда его можно будет вписать? Казалось бы, всё просто и логично - где-то в конце. Но существует некоторый интересный предел, который определяет максимальный размер ядра атома. Там и таблица заканчивается. А почему это так работает? Об этом и поговорим. Обсуждаем ограничения современной модели и принцип устройства вещества

В течение почти всего XX века протоны воспринимались физиками как надёжный фундамент материи, о котором известно достаточно много. Учёные были уверены, что эти частицы стабильны и неизменны, а их свойства описаны предельно точно. Но с развитием квантовой физики и появлением всё более сложных экспериментов привычная картина начала рушиться. Вместе с ней поплыло и представление о правильном понимании строения всего вещества стандартной моделью.

Так что же изменилось и заставило усомниться в существующих взглядах на проблему? Ведь сегодня протон выглядит не как «кирпичик Вселенной», а как некоторая сложная квантовая система, полная самых разных парадоксов. И это не плохо. Такой взгляд, напротив, демонстрирует более глубокое осознание проблемы учёными.

Давайте обсудим основные противоречия в теории, которые сделали протон непонятным и сложным.

Мы точно знаем, что атомы притягиваются друг к другу и сегодня этот факт не вызывает у учёных никаких сомнений. Именно благодаря взаимодействию из отдельных атомов формируется любой материал.

Столь сложное и интересное взаимодействие обычно преподносится учебниками «как оно есть». Но смею предположить, что эта чуть ли не самая главная сила во Вселенной достойна куда более детального изучения. Помимо факта существования притяжения, хотелось бы что‑то узнать и про его механизм. Давайте попробуем найти относительно понятное и доступное всем описание принципа работы притяжения между атомами, которое будет выходить за рамки «просто потому, что».

Многие полагают, что если есть некая абстрактная структура материала, то обязательно она состоит из молекул, а атомы... А атомы там просто где-то есть. Они как-то группируются и становятся базовым элементом любой структуры. Но неизменно, что атомы должны обязательно стать молекулой и только потом из молекул будет собрано всё вещество. И уж точно атомы не могут соединяться друг с другом без формирования молекул.

Но оказывается существуют молекулярные и немолекулярные материалы. В одном типе есть молекулы, а в другом - только атомы. Почему иногда так, а иногда так и как тут сработал принцип наименьшей энергии? Разбираю вопрос на винтики. Будет интересно!

Почти уверен, что твёрдое состояние воды ассоциируется у вас только лишь со льдом. Это агрегатное состояние, которое появляется в результате охлаждения физической системы до низкой температуры.

С точки зрения термодинамики у частиц есть так называемая тепловая энергия. Она, как вы возможно помните из курса физики, является мерой движения частиц. Пока температура высокая и энергии много, частицы сильно подвижны. При этом характерным агрегатным состоянием будут являться или газ, или жидкость. Они характеризуются хаотическим положением частиц, которое и проявляется из-за большой подвижности элементов системы.

Когда температура падает, частички начинают потихоньку останавливаться. При температуре, близкой к формированию твёрдого агрегатного состояния, частички замирают и упорядочиваются. Полезно помнить, что полностью они всё равно не останавливаются, но начинают вибрировать уже у узлов будущей кристаллической решетки.

Получается, что вода по сути замерзает из-за уменьшения интенсивности колебаний частичек, которое связанно преимущественно с отводом тепла. Меньше интенсивность — появление устойчивой упорядоченной материи.

Частицы выстраиваются в некоторые модели, образуя кристаллические решетки. В нашем случае это будут кристаллы льда.

Кристаллики льда могут быть проиллюстрированы стандартной схемой, которую вы наверняка видели. Она состоит из шаров, расположенных в правильном порядке и мнимых связей, которыми иллюстрируются взаимодействия между атомами.

Вроде как «закалка» — это термин, который обычно применяется к металлическим изделиям. Если вычленить базовый физический принцип процесса, то почти всегда это упрочнение, которое связано с перестроением внутренней структуры. В процессе будут появляться новые конструкции или формироваться дополнительные фазы. Тут уже зависит от специфики материала, но именно это и улучшает диапазон механических свойств.

Среди материалов, которые можно упрочнять таким образом, странно обнаруживать стекло.

Действительно. Стекло ассоциируется с гомогенным строением без включений или артефактов и даже школьник знает, что у этого материала аморфное агрегатное состояние. Не совсем понятно, как из однородного «ни рыба — ни мясо» получается упрочнение.

Представим себе простую ситуацию. Есть поверхность воды. По ней распространяются волны. Волна есть передача энергии без передачи вещества.

Что мы знаем о квантовой запутанности? Это, вроде как некоторая странная связь между частицами квантового уровня, которая позволяет им копировать состояния друг друга. Причём происходит это мгновенно и на любых расстояниях. Настолько мгновенно, что быстрее скорости света. Ну а Эйнштейн не любит, когда какой-то процесс претендует на превышение скорости света.

Помните фразу Фридриха Ницше «Когда долго всматриваешься в бездну, бездна начинает всматриваться в тебя»? Эта цитата наилучшим образом подходит для описания предмета настоящей беседы. Но начнём, как это водится, издалека.

Одна из любимых субатомных частиц всех, кто познает строение материи - это электрон. Каких только разговоров про него не было. И что он не существует, и что он не частица даже если существует, и прочее. Ещё не так давно обсуждалось, что электрон вовсе и не лептон, а потому тоже может делиться на субчастицы. В каждой такой "странной" версии есть доля реальной науки. Но особая мера квантового издевательства над сознанием простого человека скрыта в попытке описать размер электрона.

Минуточку...Мы же решали задачки в школе и там использовали табличные размеры для электрона. Что тут не так? Откуда они тогда взялись? В общем-то всё порядке. Кроме того, что значения эти не то, чтобы очень точные, и тут вспоминается шутка про Эддингтона. Он тоже выводил магическое число 137 странными способами. Но с электроном всё интереснее и "научнее". Давайте разбираться.

Все противоречия наблюдаются с того момента, где начинает особенно активно проявляться квантовая природа этой частицы. Электрон, который запоминается нам из общего курса физики как некоторый шарик, вращающийся вокруг ядра атома в модели Резерфорда, вдруг становится колебанием поля или формой энергии. И тут всё переворачивается с ног на голову. С этих пор он не совсем частица.

Размеры электрона — это одно из самых ярких и странных проявлений его удивительной природы. Начнём издалека.

Если есть частица, которая существует в «физическом» мире, то у неё есть и размер. Её можно измерить и даже потрогать. Но с электроном и тут всё очень интересно.

Помните добрый мультик про Панду Кунг Фу и "случайности, которые не случайны", как говаривал учитель-черепаха? Похоже он намекал на детерминизм.

Если разломить кусочек сахара, то выделяется еле заметный голубоватый свет. Сам факт такого свечения сахара при его механическом повреждении описывался ещё Френсисом Бэконом.

Самая интересная часть квантового компьютера это, пожалуй, кубит. Как с точки зрения материаловедения устроен кубит и что позволяет проявлять ему такие фантастические свойства?

Давайте вспомним самые основные моменты, которые тесно связаны с физикой работы кубита. Как это водится, стоит начать с полупроводников. Без этого не прочувствовать принципиальную разницу.

Материаловедение полупроводника

Привычные всем полупроводниковые устройства работают довольно просто. Это группа транзисторов, объединенных в сложную архитектуру и выдающих на выходе ожидаемое напряжение (ну или не выдающих).

Полупроводниковые транзисторы часто вполне уместно сравнивают с открытым или закрытым краном для подачи самой обычной воды. При этом кран - это вентиль, являющийся инструментом и позволяющий собирать простейшие управляемые логические цепочки.

Материаловедение полупроводникового транзистора простое. Полупроводник проводит электрический ток только при определенных физических условиях и занимает место между диэлектриками и проводниками. Одним из условий проводимости для полупроводника является легирование - искусственное увеличение количества свободных электронов или вакантных мест для них.

В научно-популярных статьях довольно распространена картинка, где пространство иллюстрируется посредством координатной сетки. Есть некоторый координатный куб, а внутри куба расположена «территория существования» всего мира или хотя бы…отдельной комнаты (масштаб для понимания проблемы никакого значения не играет).

Наверное многие читатели уже слышали про цеттелькастен. Рассказываю, как я применил методику случайно, когда работал в НИИ и даже не знал таких слов. При этом логика мне сильно помогла и хочется донести информацию о своём успешном опыте. Заметка про цеттелькастен в научной работе и повышение собственной эффективности.

Существует множество ситуаций, когда требуется сохранять высокую точность и имеющиеся размеры изделия даже с учётом нагрева. Сплавы, которые умеют работать без изменения линейных размеров при нагревании, называются инварами. Как физически можно объяснить такую аномалию?

Сейчас частенько можно услышать, что тот или иной материал с эффектом памяти формы научились использовать очередным перспективным образом. В большинстве случаев, про «память формы» многие вычитывают в описании какого-нибудь умного матраса или подушки для сна. Такой матрас принимает форму тела пользователя и потом тело поддерживается в удобном состоянии.

Но на самом деле эффект памяти куда более интересный, если рассматривать его с позиции материаловеда.

Чаще всего эффект демонстрируют на примере проволоки из сплавов титана с никелем. Это лишь самый простой вариант демонстрации и на практике память формы наблюдается у разных материалов, в том числе и полимерных. Но, традиционно для моих заметок, разбирать подобные эффекты на металлах проще всего.