Изобретения Дедала

Джоунс Дэвид

При комнатной температуре на каждую степень свободы молекулы приходится энергия, равная 1/2kT. Приравнивая Е = BhJ (J+1) = 1/2kT и принимая T = 300 К, а В = 1,7 ГГц, получим J = 43; это означает, что молекулы находятся в основном на 43-м разрешенном энергетическом уровне; чтобы возбудить их на следующий, более высокий уровень, мы должны подействовать на них излучением с частотой v = 2ВJ = 2 x 1.7 x 43 = 150 ГГц, что соответствует длине волны излучения примерно 2 мм. Следует ожидать поэтому, что при комнатной температуре камфора должна иметь резкий пик поглощения на длине волны около 2 мм; если мы будем возбуждать молекулы на этой частоте право-поляризованным ИК-излучением, то молекулы станут поглощать «правополяризованные» кванты. При возвращении на нижележащий уровень, однако, молекулы будут испускать либо правополяризованные, либо левополяризованные кванты. Поэтому после достаточно длительного облучения образца правополяризованным излучением все молекулы начнут в конце концов вращаться в одну сторону. (Вероятно, можно было бы поступить и по-другому: взять образец при очень низкой температуре, когда вращение молекул практически отсутствует, и нагревать его до комнатной температуры правополяризованным ИК-излучением со ступенчато возрастающей частотой, — тогда все молекулы будут вращаться в одну сторону. Так, наверное,

будет даже быстрее.)

Какое количество вращательной энергии может накопить кристалл камфоры? Очевидно, 1/2 RT Дж/моль. Тогда образец вещества массой 10 г будет обладать энергией Е = 1/2 x 8,314 x 300 x (10/152) = 82 Дж (кинетическая энергия вращения молекул). Если представить себе этот же образец в виде макроскопически вращающегося шарика, то такой шарик должен иметь радиус 1,33 см = 0,0133 м (если считать плотность равной 1 г/см³), и обладать моментом инерции I = 0,4 mr² = 0,4 x 0,01 x (0,0133)² = 7,1 x 10^{– 7} кг•м². Чтобы кинетическая энергия его вращения составляла 82 Дж, шарик должен вращаться с угловой скоростью , которая определяется из равенства Е = 1/2I², откуда = [2x82/(7,1x^{– 7})]^1/2 = 15200 рад/с = 145000 об/мин! Таким образом, «молекулярный гироскоп» способен запасти гораздо большую энергию вращения, чем обычный маховик.

Легкое дыхание…

Чтобы избежать опасности азотного опьянения, подводники при погружении на большую глубину пользуются различными дыхательными смесями, которые позволяют спокойно работать в условиях, когда внешнее давление достигает десятков атмосфер. Дедал отмечает, что многие инертные газы имеют очень высокую плотность, причем с повышением давления плотность возрастает. По расчетам Дедала, при давлении в 50 атм плотность самого тяжелого из устойчивых инертных газов — ксенона равна плотности воды, так что человек вполне может в нем плавать. При этом давлении содержание кислорода, необходимое для дыхания, составляет всего 0,5 % — ощущения человека в такой среде одновременно напоминают погружение на глубину и свободное падение, но без риска утонуть или свернуть себе шею. Дедал предлагает соорудить огромные герметически закрытые куполы, снабдив их шлюзовыми и декомпрессионными камерами, и заполнить их сжатым ксеноном. Внутри такого купола человек сможет наконец-то удовлетворить свое врожденное стремление парить подобно птице [31] . Вода легче сжатого ксенона и поэтому станет всплывать наверх; таким образом, под сводом купола можно устроить озеро (заметьте, что брызги от брошенных в воду предметов полетят вниз!). Разница в плотности воды и сжатого ксенона настолько мала, что брызги и волны будут расходиться с восхитительной медлительностью. Как считает Дедал, его идея прежде всего открывает новую возможность «отдохнуть душой». Не исключено, что сеансы психоанализа, проведенные в этой полностью расслабляющей (в буквальном и переносном смысле) среде, помогут изможденным пациентам снять тяжесть с души и, быть может, даже откроют тайные истоки извечного стремления людей летать. Вспоминая о легендарных достижениях своего предтечи по части полетов, Дедал предполагает, что в основе общечеловеческого желания взлететь в воздух лежит наследственная память человечества о воспетом классиками подвиге.

31

В настоящее время заполнение легких жидкостью, насыщенной кислородом, используется для «промывания» легких при ряде тяжелых заболеваний. — Прим. ред. 

Эта гипотеза также объясняет загадочное начало одного из малоизвестных вариантов поэмы Кольриджа:

Построил в Ксеноду КублаЧертог, ксенона полный храм… [32]

New Scientist, July 6, 1967

Из записной книжки Дедала

Похоже, что ксенон — единственный газ, плотность которого может превышать плотность воды: в критической точке (при температуре 16,6°C и давлении 58 атм) его плотность составляет 1154 кг/м³. Допустим, что при 25°C и 50 атм ксенон находится в истинно газообразном состоянии, а его плотность равна плотности воды, т. е. 1000 кг/м³. Можно ли дышать в такой среде? Чтобы концентрация кислорода (по массе) в ксеноне была равна содержанию кислорода в обычном воздухе, при 50 атм кислород должен составлять всего 0,5% объема смеси (Хе+O₂) — наличие столь незначительного количества кислорода вряд ли окажет сильное влияние на ее физические свойства. Вязкость ксенона при давлении в 1 атм и температуре 20°C лишь немного превышает вязкость воздуха (2,3x10^{– 5} и 1,8x1-^{– 5} Н•с/м² соответственно); как известно, вязкость газа мало зависит от давления. Поэтому ксеноновой смесью будет дышать не труднее, чем обычной дыхательной смесью для глубоководного погружения, обладающей примерно той же вязкостью, что и воздух. В любом случае, если даже дыхание в подобных смесях затруднено, мы всегда имеем возможность слегка повысить концентрацию кислорода.

32

В дошедшем до нас варианте поэмы «Кубла-хан, или Видение во сне» английского поэта С. Т. Кольриджа (1772–1834) начальные строки звучат так:

Построил в Занаду КублаЧертог, земных соблазнов храм…

(пер. В. Рогова). — Прим. перев. 

Любопытно также, что наш голос будет звучать в такой смеси очень «грубо» — в противоположность «голосу Буратино», который получается с помощью гелий-кислородной смеси. Дело в том, что скорость звука в гелии намного выше, чем в воздухе (970 и 331 м/с при 0°C соответственно), а скорость звука в ксеноне намного меньше (169 м/с), чем в воздухе. Таким образом, голос в ксеноне станет ниже на целую октаву.

Комментарий Дедала

На поверку оказалось, что высказанные здесь предположения довольно нестандартны. Профессор Дж. Килстра дает захватывающее описание (Scientific American, Aug. 1968, p. 66) опытов, в которых животные — а в одном случае и человек-доброволец — дышали насыщенными кислородом жидкостями (например, соленой водой). Основная проблема при этом возникает из-за высокой вязкости жидкостей (вязкость воды, к примеру, составляет 10^{– 3} Н•с/м², что в 60 раз превышает вязкость воздуха) и соответственно низкой скорости диффузии растворенных газов, отчего эффективность дыхательного газообмена снижается и затрудняется вдох-выдох. В то же время при использовании для дыхания жидкостей отпадает необходимость в значительном повышении давления: для насыщения соленой воды кислородом в количестве, достаточном для дыхания, необходимо давление всего в 5 атм, а некоторые фторуглеродные соединения содержат достаточное количество кислорода уже при атмосферном давлении.

Слабые и искаженные звуки

Дедал предлагает новый способ борьбы с шумом. Он указывает, что любой звук представляет собой волновое движение и поэтому может быть погашен идентичной звуковой волной, имеющей противоположную фазу. Дедал конструирует прибор, в котором подобный принцип гашения звуковых колебаний используется для подавления шума, создаваемого, например, реактивными самолетами. По проекту Дедала, вблизи двигателя самолета устанавливаются микрофоны, которые служат датчиками шума. Сигнал от микрофонов усиливается и подается на громкоговорители, размещенные таким образом, чтобы излучаемые ими звуковые волны были в противофазе с исходным шумом. Таким же способом можно глушить шумы, порождаемые мотоциклами, отбойными молотками и т. п. В тех же случаях, когда полное глушение звука вряд ли возможно (например, когда вас донимает радиоприемник у соседей или плачущий младенец), Дедал предлагает использовать индивидуальные противошумные устройства, располагаемые вблизи ушей владельца. Такое устройство может обладать направленным действием и гасить только нежелательный шум, позволяя прочим звукам доходить до ушей владельца [33] .

33

Для борьбы с шумом существует немало остроумных изобретений. Например, в наших аптеках можно купить волокнистый фильтр «Беруши», поглощающий звуки с частотой выше и ниже основных частот человеческой речи. — Прим. ред. 

New Scientist, February 3, 1966

Голос плачущего младенца имеет как раз такой тембр, который особенно привлекает внимание родителей. Дедал задумался над вопросом, не является ли это преднамеренным действием. Для проверки своего предположения Дедал намерен заполнить колыбельки безвредными газами различной плотности и посмотреть, что из этого выйдет. Если ребенок кричит инстинктивно, не прислушиваясь особенно к собственному крику, то гелий (в атмосфере которого крик младенца перейдет в область ультразвука) или перфторциклобутан (который превратит пронзительный визг в приятный густой бас) могут принести желанный покой во многие семьи. Однако Дедал подозревает, что коварные малютки знают, какой голос вернее всего привлечет внимание матери, и в любой газовой смеси будут кричать в нужном диапазоне.

Несомненно, акустическая обратная связь играет очень важную роль у взрослых людей: если внести в эту обратную связь искажения, например, с помощью магнитофона, создающего временную задержку, то говорящий начнет нечленораздельно бормотать и заикаться. Здесь открывается широкое поле деятельности для физиологов фирмы КОШМАР, которые проводят опыты с различными газовыми смесями и магнитофонами, пытаясь заставить лягушек и попугаев заикаться, а певчих птиц — сбиваться с тональности, чтобы выяснить, способны ли эти существа слышать сами себя. Стремясь получить еще более фундаментальные результаты, Дедал проектирует программируемый универсальный цифровой акустический фильтр (ПУЦАФ), который позволит произвольным образом изменять акустическую обратную связь.

Первый и самый важный опыт состоит в том, чтобы подвести к ушам говорящего акустические колебания в противофазе с произносимыми им звуками и таким образом полностью уничтожить естественную обратную связь. Тогда человек вообще не будет иметь представления о том, что и как он произносит. Здесь возникает любопытная задача: дело в том, что мы воспринимаем собственный голос совершенно иначе, чем его слышат окружающие (многие люди, к примеру, не узнают собственный голос в магнитофонной записи). Это обусловлено тем, что собственный голос мы слышим в передаче не только через воздух, но и через кости и полости головы, обладающие собственными акустическими резонансами. Чтобы полностью подавить «внутренне» воспринимаемый голос, ПУЦАФ должен соответствующим образом искажать звуки, поступающие в микрофон. (Кстати, прослушивая такие искаженные звуки через громкоговоритель, каждый может узнать, каким он слышит свой собственный голос.)

Как только удастся полностью подавить акустическую обратную связь и человек перестанет слышать звуки своего голоса, можно приступить к дальнейшим экспериментам. Теперь в качестве искусственной обратной связи мы будем предъявлять испытуемому слегка искаженные звуки. Наш слухоречевой аппарат будет принимать их за подлинный сигнал обратной связи, и мы станем соответствующим образом корректировать произносимые звуки. Например, певец, слыша вместо взятого «ля» более высокий «ля-диез», поведет голос вниз и возьмет «ля-бемоль», стремясь исправить ошибку. Аналогично, уменьшив громкость сигнала обратной связи, мы заставим певца напрягаться в мощнейшем фортиссимо. Быстро изменяя частотные и амплитудные искажения обратной связи, мы можем добиться от исполнителя совершенно новых вокальных ходов. Дедал надеется, что при надлежащем программировании ПУЦАФ станет идеальным помощником при изучении иностранных языков, освоении новых диалектов и исправлении речевых дефектов. Трудно заранее определить пределы возможностей нового прибора: не исключено, что благодаря ему шотландец заговорит с китайским акцентом, а кошка научится лаять.