25.12.2013

Физика Нового года

Паранормальные способности Деда Мороза не могут не удивлять. Мало того, что он способен моментально замораживать любой предмет, так он ещё и успевает посетить каждый детский утренник, каждую ёлку в стране, заглянуть в каждый дом и везде оставить по подарку – надо лишь хорошо себя вести.

Количество хлопот, которые предстоят самому Деду Морозу в праздники, трудно даже представить. Впрочем, для его зарубежного коллеги проведены достаточно точные подсчёты. Конечно, государства ведомства Санта-Клауса не отличаются привычными для нас размерами, зато Санта претендует на глобальный охват и «сверхспособностей» требует соответствующих.

Санта и константа Планка

Только представьте: сегодня в мире насчитывается 2,2 млрд детей, треть которых проживает в странах христианской традиции. Если учесть, что в среднем на семью приходится по 3,5 ребенка, то Санте необходимо посетить около 210 млн домов и квартир (для простоты будем считать, что в каждой семье имеется хотя бы по одному ребенку, который целый год вел себя хорошо). А если мы допустим, что средний подарок весит около 0,5 кг, то мешок потянет на сотню тысяч тонн.

Разнося подарки, Санта может двигаться с востока на запад, вместе с Солнцем, и тогда на всё про всё у него будет не 24 часа, а целых 31. Впрочем, это не слишком-то упрощает задачу: старику придется забираться в 1880 домов в секунду. На то, чтобы перелететь от одного дома к другому, найти нужный подарок, пролезть сквозь дымовую трубу, вынуть из носка приготовленные ему сладости, оставить подарок и отправиться дальше, у него остается не более 0,0005 с.

Двигаться ему придется со скоростью 3700 км/с – куда быстрее любых созданных человеком аппаратов и в 10 тысяч раз быстрее звука. С учётом размеров всего каравана и отвратительных аэродинамических свойств саней это движение создаст огромное сопротивление воздуха. Передняя пара оленей будет получать такое количество энергии в секунду (по некоторым подсчетам, 14,3*10¹⁸ Дж), что моментально превратится в облако раскалённой плазмы. И это не учитывая колоссальных перегрузок, возникающих при непрерывном изменении направления, торможении и разгоне.

Решение всех этих проблем было найдено пять лет назад, когда в Nature появилась революционная публикация юного британского физика Роберта Биллинга (Robert Billing). Учёный предложил элегантный – и, похоже, единственный – способ справиться с доставкой подарков: изменить постоянную Планка.

Напомним, что эта константа связывает величину минимальной порции (кванта) энергии излучения с его частотой, и в нашей Вселенной она составляет около 6,6*10^-34 Дж*с. Известная формула гласит: E_ν= h*ν, где E – энергия, ν – частота колебания частицы, h – постоянная Планка.

Вспомним, что квантовая частица описывает положение частицы не строго, а в представлении облака вероятностей. Чтобы изменить конфигурацию этого облака, частицу надо накачать энергией. Из формулы Планка мы видим, что для этого можно увеличить частоту. Однако для макроскопического объекта, каким являются олени, сани, груда подарков и сам Санта, это невозможно, поэтому Биллинг предложил манипулировать постоянной h.

Таким экзотическим способом Санта может заставить весь свой караван вести себя как квантовое облако вероятностей, стоячую волну такой длины, что это облако охватывает всю планету целиком. А это дало бы Санте невероятную для макромира возможность присутствовать во всех домах всех детишек одновременно и в считанные мгновения справиться со своей нелегкой задачей.

Ледяной электропосох

Впрочем, давайте вернемся к нашему родному Деду Морозу и той его сверхспособности, которой не замечено за чуждым нам Санта-Клаусом. Речь, конечно, о волшебном морозильном посохе, одно прикосновение которого способно моментально обратить в лёд любое живое существо, от вековой ели до трусливого зайчонка.

Метод лазерного охлаждения, который позволяет физикам опускать температуру до близкой к абсолютному нулю, для подобных объектов не подойдет. Возможно, для этой цели разработчики посоха обратились к таинственному льду-девять. Эта вымышленная американским фантастом Куртом Воннегутом субстанция является одной из полиморфических модификаций воды – кстати, её существование в принципе не противоречит никаким фундаментальным законам природы.

Эта кристаллическая форма так выгодна энергетически, что не тает даже при 0 °С, а при соприкосновении с жидкой водой служит центром для её моментальной кристаллизации в форме льда-девять. Иначе говоря, если разместить кристалл такого льда в кончике посоха, то любая контактирующая с ним вода на ваших глазах превратится в лёд. Впрочем, кристаллизация на этом может не остановиться, и, в конце концов, вызовет замерзание большей части воды на планете. Добрейший Дед Мороз вряд ли станет пользоваться столь опасным для всех живых существ предметом.

Более гуманный вариант устройства морозильного посоха может использовать эффект Пельтье. Он заключается в возникновении градиента температур при протекании электрического тока.

Если два токопроводящих материала (напомним, что и заяц, и ель, и другие живые организмы неплохо проводят электричество) входят в контакт, свободные электроны с одного из них будут переходить на другой. Диффузия электронов создаст контактную разность потенциалов, а значит – и внутреннее контактное поле. И если ток пойдет по направлению этого поля, то работа по перемещению зарядов может совершаться самим полем, а необходимая энергия будет отбираться у одного из контактирующих материалов, охлаждая его.

Такой эффект был продемонстрирован еще в XIX веке: известный российский физик Эмилий Ленц поместил каплю воды на стык стержней из сурьмы и висмута, а затем пропускал через них электрический ток. При движении тока в определенном направлении вода быстро превращалась в лед – совсем как у нашего Деда Мороза.

Фишман Роман

Источники:

1. strf.ru