Жду новый пост

Серия «Научно-популярное»

Хочу сегодня познакомить вас с парочкой интересных не просто когнитивных искажений, а программно-аппаратных сбоев мозга, как с ними живется людям и как их хакнуть.

Есть такой синдром Капгра, когда в результате травмы или болезни человек вдруг начинает считать своих близких притворщиками. Такой больной видит свою мать и отца, или ребенка, и они выглядят точь-в-точь как его родные, но это не они, а какие-то люди, которые притворяются ими. Причем, на уточняющий вопрос, в чем отличия, больной приводит визуальные признаки: притворщик завязывает шнурки как-то иначе, другой цвет глаз, или длиннее нос. На сегодняшний день проверенное объяснение таково: нейронные связи, соединяющие локации мозга для определения лица и категоризации его как близкого человека – в целости, а вот связи между этим же регионом и эмоциональной системой разрушены.

Поэтому человек видит родителя или ребенка, но не чувствует никаких эмоций, и мозг выдвигает гипотезу, что это не мать, а притворщица. А стоит родителю выйти из комнаты и тут же позвонить больному, как диалог вполне нормальный. Потому что связи между голосовой идентификаций и эмоциональной системой в сохранности. Иногда при синдроме Капгра происходит селективное нарушение — вместе с притворщиками и родной дом оказывается подмененным, или притворщиком оказывается только один член семьи. Это может казаться безобидной причудой, но есть данные, что пациенты с синдромом Капрга убивали своих притворщиков, то есть, своих родных.

Синдром Фреголи назван так в честь итальянского актера Леопольдо Фреголи, который отличался быстрым умением переодеваться и перевоплощаться в разных героев на сцене. Больному кажется, что его преследует человек, который постоянно преображается, выдавая себя за других. Все встречные могут быть лишь загримированными преследователями. Это так называемая гиперидентификация знакомых лиц, в отличие от гипоидентификации как при синдроме Капгра.

Синдром Котара – редкое нарушение, когда человек думает, что он мертв, просто оболочка, пустота, тело разлагается. Другие люди и даже объекты тоже могут видеться таким же мертвыми. Самый исследованный случай – недавний. Молодой мужчина решил покончить с собой, решив принять ванну с тостером. Попытка была неудачной, но на следующее утро он проснулся, уверенным, что он мертв – что он «поджарил» свой мозг накануне. Его мозг просканировали и результаты удивили исследователей. Активность мозга в некоторых регионах оказалась значительно сниженной и похожей на ту, которая бывает у человека в коме, либо под анестезией.

Что интересно и парадоксально, у половины пациентов с этим синдромом есть убеждение, что они бессмертны. Причина синдрома до сих пор непонятна, но предполагается, что нарушен механизма самоидентификации и связи его с эмоциональной системой.

Кстати, эти синдромы можно представить на схеме:

Пояснения:
Нормальная ситуация – человек А считает себя человеком А, а человека В – человеком В.
При синдроме Капгра – все так же, только человек В – непонятно кто, но не В.

Даже не добавляя новых переменных, можно сгенерировать «новые» синдромы. Но скорее всего, они уже описаны.

Вот, к примеру, реально существующий синдром двойника:

У человека А – двойник, который постоянно лезет в его жизнь, и который внешне выглядит как он, но с другим характером. Но для стороннего наблюдателя этого человека на самом деле нет.

Такой подход может показать огромное число вариантов того, как что-то может пойти не так в работе мозга.

Еще парочка синдромов:

Аназогнозия – в буквальном смысле, «отсутствие знаний о болезни»; ее очень много видов, и проявляется она в виде отрицания какого-то заболевания или нарушения. Она может возникнуть после инсульта, когда повреждается определенная часть правого полушария, возникает паралич или ослабление моторных функций левой стороны тела. Человек не отрицает, что не может двигать своей левой рукой, приводя аргументы типа «я устал», «я только что двигал, что же вы не смотрите», или «у меня артрит и мне будет больно, и я не хочу», при этом артрита у пациента нет. В ходе практики работы с такими пациентами врачи обнаружили майндхак: если закапать несколько капель холодной воды в левое ухо, то это приводит к временному осознанию и принятию того, что рука действительно парализована. Известно, что холодная вода в ухе стимулирует вестибулярную систему, но как одно связано с другим – непонятно.

Синдром Антона – очень редкое заболевание (всего зарегистрировано менее 30 случаев), когда человек, после травмы или инсульта теряет зрение, но при этом слепоту отрицает. Он также говорит о том, что в комнате слишком темно, у него неподходящие очки, голова болит, и прочее.
Гипотеза о происхождении такова, что визуальная кора повреждена, в том числе, разрушены связи с речевым центром. То есть зрение получает сигналы о проблемах, а центр производства речи не в курсе этого.

Вообще, мы узнали многое о нашем мозге, изучая нарушения его работы. Что объединяет эти и другие синдромы – это причудливые объяснения, которые выдают больные, описывая ситуации. Вместо того, чтобы сказать: «Не знаю, что со мной, но я смотрю на своего отца и почему-то он мне кажется чужим», человек выдумывает историю о подмене.

Конфабуляция

Эти объяснения не соответствуют действительности и называются конфабуляции, и их природа может показаться простой, но десятки лет ученые из нейронаук и философии сознания пытаются ее понять.

Конфабуляции бывает двух видов: памяти и восприятия. Одни придумывают события прошлого, которых не было, другие — объясняют свое восприятие.

Конфабуляция – это не ложь, и не самообман.

Ложь всегда имеет умысел и подразумевает знание правды, которую надо скрыть. При конфабуляции такого нет.

Самообман – это когда человек кашляет кровью, но говорит себе, что это простуда, хоть и несколько суровая. Самообман – это когда преподавателей университета спросили, насколько они хороши в своей работе, и 94% заявили, что как учителя они лучше, чем их коллеги. Это самообман в 44% случаях.

Нигде конфабуляция не проявляется так ярко, как у людей с расщепленным мозгом. Пациенты, которые страдали фармакорезистентной эпилепсией, и перенесли хирургическую операцию по разделению полушарий головного мозга, дали возможность ученым изучить работу каждого полушария отдельно.

При таких нарушениях говорить может только левое полушарие (за редким исключением), где расположены регионы, отвечающие за речь. Поэтому ученые делают что-нибудь с правым полушарием, и ждут объяснений от левого.

Например, показывают правому полушарию (левому глазу) банан и просят его нарисовать. Левой рукой (она управляется правым полушарием) человек этот банан рисует. Затем его спрашивают, почему он нарисовал именно банан? Левое полушарие, которое не видело задания, не задумываясь ни секунды, говорит: «Этой рукой, поскольку она слабее правой, проще всего нарисовать что-то простое, вроде банана».

Или показывают картинку голого тела правому полушарию, человек хихикает, а когда спрашивают, почему, то левое полушарие, которое слышало только свой смех, но не знает причины, выдает: «Да у вас сегодня такой смешной галстук, профессор!» Или дают команду встать и пройтись. Он ее выполняет, а на вопрос «зачем он пошел», он отвечает, что ему захотелось пройтись.

То есть, мозг объясняет то, что он не знает. И это удивительнее чем эти, даже самые экзотические нарушения работы мозга. С человеком происходит что-то непонятное, совершенно неизвестное, а он пытается объяснить это какой-то банальной причиной.

Майкл Газзанига, который всю жизнь изучал феномены расщепленного мозга, называет левое полушарие «интерпретатором». Интерпретатор – это такой модуль, который в подавляющем большинстве случаев находится в левом полушарии, производит вербальное объяснение активности агента, основываясь на доступной информации.

Теоретически интерпретатор мог бы сказать «я не знаю», но он почти никогда так не поступает, а предпочитает объяснять мир, даже в условиях недостатка информации. И это происходит не только при нарушениях работы мозга.

Любовь

Когда девушка спрашивает своего молодого человека: «Почему ты выбрал меня? За что ты меня любишь»?, ей действительно могут быть интересны причины. У нее, возможно, есть версия, но она нуждается в подтверждении.

Ответ: «Не знаю, понятия не имею, это загадка для меня» хоть и будет максимально честным, но совсем не хорошим. «Мне нравится твой характер, твои глаза, как ты смеешься, как ты причесываешься, мне нравится в тебе все» – такой ответ будет воспринят гораздо лучше. Но на самом деле, он понятия не имеет об истинных причинах своего выбора и любви. А реальные основания могут быть такими:

Посмотрите на эти фотографии. На какой из них девушка выглядит симпатичнее?

После того, как вы определитесь, вам надо будет объяснить, почему. Если вы видите это впервые, то вы сможете предложить интересные гипотезы.

Большинство людей считает, что на правой картинке девушка красивее. Между картинками есть только одно отличие – наличие так называемого лимбального кольца на радужке девушки. Наличие и толщина кольца во многих случаях (но не во всех) свидетельствуют о хорошем здоровье человека. Иными словами, природа дает знать, что девушка готова успешно продолжить род, и каким-то образом делает для мужчины правую девушку красивее и желаннее. Кроме лимбального кольца, такими же факторами могут быть цвет и состояние волос, соотношение бедра к талии, расстояние между верхней губой и основанием носа, округлость губ, и много чего еще.

Мы можем вспомнить классический эксперимент 1973 года, когда в канадском парке девушка подходила к посетителям с просьбой ответить на вопросы и пройти краткий тест. Она подходила в двух разных местах, встречая мужчин после перехода через мосты. Один мост был устойчивый и короткий, на трехметровой высоте над мелким ручьем. Другой был знаменитый подвесной мост – полтора метра шириной, 137 метров длиной, из тросов и брусков, с низкими поручнями, и он качался в разные стороны на высоте 70 метров над бурной рекой. После опроса девушка оставляла всем свой телефон и просила перезвонить, если будут какие-то вопросы. Почти половина из тех мужчин, что перешли через опасный мост, перезвонили девушке и предложили встретиться.

Экспериментаторы поговорили с ними и выяснили, что девушка им понравилась, но никто, разумеется, не назвал настоящей причины, что опасный мост вызывал возбуждение, которому мозг мужчины ошибочно приписывал другую природу – сексуальную. Но мы-то знаем, что у безопасного моста только пара мужчин из 20 перезвонили девушке.

Нам нравится будущий партнер, тем больше, чем сильнее отличаются наши иммунные системы. Эти различия – в системе генов тканевой совместимости человека, за открытие которой была вручена Нобелевская премия по медицине в 1980 году. Это может быть основной причиной, почему вам нравится человек. Природа хочет, чтобы мы создали потомство, которое будет здоровым, с хорошей иммунной системой. Разница в иммунной системе выражается в запахе, который сознательно мы не ощущаем, но наш мозг его регистрирует и создает у обоих людей взаимное чувство любви.

Некоторые пестициды могут сделать наоборот: проникнув в мужчину, фермера или потребителя продукции, могут изменить его запах так, что женщины будут стараться обходить его стороной. Запах будет незаметен, но вполне ощутим для мозга. Этот мужчина будет получать отказы, которые будут логичны, обоснованы и прекрасны, но не будут иметь ничего общего с реальностью. А реальность в том, что вещества из пестицидов с большой вероятностью нарушат здоровье потомства. Причина отказа может быть не соответствующей действительности, но сам отказ – правилен, потому что с таким мужчиной лучше не заводить детей.

Зачем?

Итак, и в условиях «нормальной» работы мозга, и в случаях ее нарушения, мы не знаем причин своего поведения, но готовы быстро дать объяснение своему выбору или другому поведению. Но зачем?

Почему мозг тратит время и калории — дорогой и не всегда доступный ресурс? Мы знаем по себе, как бывает ленив наш мозг, когда мы что-то сознательно хотим, а мозг не проявляет интереса: мы уклоняемся, забываем, бесконечно откладываем, у нас нет сил, мы хотим сразу прилечь, и все что угодно еще, лишь бы этого не делать. А тут мозг не мелочится, и это верный признак того, что эта функция важна.

Ученые не замечали, чтобы люди объясняли свои поступки исключительно самим себе, причем реально только самим себе, а не воображаемым собеседникам. Поэтому вероятно, что объяснения нужны для социального взаимодействия, для других людей. И только тогда, когда их просят.

Отличие конфабуляции человека с расстройством работы мозга от человека без расстройства в том, что у одного поврежден проверочный механизм. Человек с синдром Капгра не замечает реакции собеседника, не видит, что ему не верят, не понимает, что он «несет дичь».

Поэтому он довольствуется быстрым и достаточным объяснением, а «нормальный» человек должен подстроить свою историю под собеседника. Но эта подстройка не меняет сути того, что объяснение все равно не отражает реальности. Представьте, что наше восприятие мира и его описание для существа с более высоким уровнем развития с другой планеты звучат так же как для нас – объяснения человека с синдромом Капгра. Инопланетянин послушал бы нас и отметил у себя в блокноте: «просто конченный псих».

Для всех видов конфабуляции также характерен недостаток знания. Мысль, высказываемая, основывается на ошибочных предпосылках, но сам факт ошибочности неизвестен.

Некоторые ученые предполагают, что конфабуляция – адаптивный процесс, защитная реакция на страх неизвестности. Если ты не объясняешь неизвестное как угодно, то оно остается неизвестным и пугающим. Неизвестность требует быстрых и уверенных объяснений. Сомнения – и есть некая форма страха из-за неопределенности, и постоянно сомневаться – не самая лучшая идея, с точки зрения эволюции. За каким лидером вы пойдете – тем, кто постоянно сомневается, или кто всегда уверен в себе? Идеальным Сократом быть хорошо, в сферическом вакууме, а в жизни надо добывать себе на пропитание, завоевывать сердца красавиц и убивать врагов, без страха и сомнений.

Другие считают, что конфабуляция – это соединение всех частей себя в единое целое, в гладкую бесшовную историю, потому что, опять же, для нужд социального проживания, необходимо казаться перед другими цельной личностью, без черных дыр незнания и внутренних разломов, иначе они просто решат, что ты стал малоценным членом общества, со всеми вытекающими последствиями.

Что с этим делать?

Каждый из нас в состоянии, даже будучи в очень плохой психической форме, и без предварительных заготовок, выдать объяснение, звучащее вполне убедительно. Причем вы можете объяснить даже самые фантастические ситуации.

Если нам указывают на противоречия в нашей истории, то их можно просто игнорировать. Пусть у того, кто «купил» вашу историю, плавится мозг.

Смотрите на реакцию слушателей, верят ли они вам. Всего лишь стоит добавить фразу, которую не говорят люди с синдромами: «Это звучит дико и неправдоподобно, но ...»
Не сомневайтесь, раз уж начали развивать какую-то теорию. Не оставляйте никаких неопределенностей.

А вот если вы хотите узнать что-то важное, то пробуйте говорить «я не знаю» сначала самому себе, желательно наедине. Напомните, что скорее всего, ваше первое пришедшее на ум объяснение не имеет никакого отношения к реальности. Вы можете попробовать на вкус страх неизвестности, когда вы вдруг останавливаетесь объяснять что-то первыми пришедшими на ум словами.

Не отказывайтесь от конфабуляции! Если ее роль действительно в интеграции всех частей себя, то отказ от нее может иметь суровые последствия.

Возможно, иногда нам стоит позволить холодной воде попасть в наше левое ухо, чтобы остановиться и не нести пургу.

Еще больше новостей и статей в нашем блоге Timeweb Cloud.

Жидкокристаллические экраны – это давно обыденная вещь. Они повсюду: от мобильного телефона и компьютера до самых разнообразных устройств. Новый взгляд на уже обычные вещи может дать неожиданный и интересный результат. Что может получиться, если немного разобрать обычный экран и использовать его по-другому? Давайте посмотрим.

Как создаётся изображение в обычном ЖК дисплее?

Для начала стоит вспомнить, как устроен жидкокристаллический экран (LCD). Они бывают разных типов, поэтому рассмотрим наиболее распространённый вариант с тонкоплёночными транзисторами (TFT).

Поперечное сечение панели на тонкопленочных транзисторах представляет собой многослойный бутерброд. Крайний слой любой из сторон выполнен из стекла. Между этими слоями расположен тонкопленочный транзистор, панель цветного фильтра, обеспечивающая нужный цвет — красный, синий или зеленый, и слой жидких кристаллов. Обязательной частью экрана является подсветка.

Жидкие кристаллы — это смесь определенных веществ, которая находится одновременно в двух состояниях: жидком и кристаллическом. Как жидкость, она обладает свойством текучести – заполняет собой все пространство, в которое она помещена. Как кристалл, она состоит из молекул, располагающихся в определенном, четко структурированном порядке.

Жидкие кристаллы, использующиеся в дисплеях, состоят из стержнеобразных молекул, которые располагаются параллельно друг другу. Одновременно с этим молекулы являются жидкостными, а значит, могут «течь», то есть менять свою ориентацию в пространстве в зависимости от того, поступает ли на них электрическое напряжение. Основной структурный элемент ЖК-дисплея — это пиксель. Каждый пиксель состоит из трех ячеек (субпикселей).

Каждая ячейка-субпиксель, в свою очередь, содержит в себе жидкие кристаллы, расположенные слоями таким образом, что из молекул внутри них складывается спираль. Спиралевидная структура кристаллов зажата между двумя электродами и двумя цветными пластинками, покрытыми поляризационной пленкой. В первой ячейке пластинки красные, во второй — зеленые, а в третьей — синие.

Поляризационная пленка пропускает через себя световые колебания только определенной ориентации. Через первую пластинку проходят только вертикальные, через противоположную выходят только горизонтальные.

С одной стороны субпиксель подсвечивается. Свет проходит через первую пластинку (вертикальную) и приобретает вертикальную ориентацию. А затем происходит следующее:

Если на электродах нет напряжения, то жидкие кристаллы находятся в покое, образуя спираль. Свет проходит через нее и в итоге меняет ориентацию, становится «горизонтальным» и спокойно выходит наружу через вторую пластинку.

В результате мы получаем яркий красный, зеленый или синий свет. Если же подать на электроды определенное напряжение, то под его воздействием жидкие кристаллы поворачиваются в одно и то же положение перпендикулярно вертикальной пластинке. Свет проходит через них, остается «вертикальным» и упирается в горизонтальную пластинку, которая его не пропускает. Получается более тусклый свет или полное отсутствие света (черный цвет).

Представьте себе тройку субпикселей. В определенный момент времени в одном из них напряжение сильнее, в другом слабее, а в третьем, например, вообще отсутствует. Получается, что, к примеру, красного света мы видим меньше, зеленого — больше, а синего — еще больше.

В большом ЖК-дисплее (например, в телевизоре) миллионы пикселей, а субпикселей, соответственно — втрое больше. Цветные световые потоки от каждого из субпикселей смешиваются в определенных пропорциях и в определенной геометрии. Таким образом, на выходе мы получаем цветное изображение. Так и работает ЖК-дисплей (каюсь, информацию взял отсюда).

Есть очень наглядное и понятное видео по теме:

Необычный взгляд на привычные вещи.

Во всех жидкокристаллических экранах есть встроенная подсветка. Что получится, если немного изменить её, отдалив на некоторое расстояние или сделав другую? Давайте посмотрим необычные проекты с использованием прозрачных экранов.

Самодельный 4К проектор, в 10 раз дешевле заводского?

Несмотря на то, что это самодельный проектор, он даёт отличную картинку с резким контрастом и яркими цветами. Источником изображения здесь выступает жидкокристаллический экран, у которого удалены некоторые слои и штатная подсветка. Небольшие дисплеи используются в смартфонах. Автор предлагает использовать телефон Sony Xperia Z5 Premium, экран которого как раз 4К (5,5-дюймовый дисплей 4K UHD (3840 x 2160), 806 PPI). Для мобильного телефона такое разрешение, наверное, избыточно – глаз вряд ли заметит разницу. А вот для проектора такой экран будет в самый раз, ведь картинка растягивается. Для управления матрицей можно использовать как сам телефон, так и специальные платы, преобразующие сигналы hdmi (или другие) в сигналы, необходимые конкретной модели экрана. Родная плата телефона может быть предпочтительнее, так как она же выполняет все функции управления и никакого дополнительного компьютера в этом случае не нужно. Особое внимание стоит уделить выбору подходящего объектива.

Как сообщает автор видео, его проектор получился в десять раз дешевле коммерческих продуктов (Мэт использовал подержанный телефон). Заводские проекторы имеют большую яркость, но они более шумные из-за вентилятора охлаждения. Качество картинки у самодельного проектора получилось ничуть не хуже заводского, а резкость, быть может, даже лучше:

Чем порадовать и поразвивать ребёнка?

Не знаете, чем занять ребёнка – просто сделайте с ним простой проектор! У многих есть ненужный рабочий мобильный телефон, светодиодная лампочка и линза. Ах да, ещё нужен соплеклей (куда же без него в таких вещах). Из этого без особых сложностей можно сделать действительно стоящий проект:

Поверьте, детей многому можно научить на примере этого устройства. И они надолго запомнят это время, проведённое с вами.

Кот залез в телевизор?!

Авторы следующего проекта решили поэкспериментировать с обычным монитором, пытаясь сделать его необычным. Устройство разобрали, сделали источник света на некотором отдалении от матрицы. Разбирать такие большие экраны нужно крайне осторожно – матрицу можно легко сломать (не зря парень так нервничал). Помните приложения для добавления всяких глупых подрисовок на фотографиях? Честно говоря, когда узнал, что такое hairy lizard, немного удивился.

Где ещё можно использовать такое устройство? Возможно, оно может быть элементом интерьера. В качестве элемента интерьера можно использовать и такое решение.
Авторы высказали мысль, что можно играть в игры или смотреть романтические фильмы, находясь по разные стороны экрана и глядя при этом друг на друга. Мне такое применение кажется сомнительным (картинка с обратной стороны отражена), проект же больше забавным, чем полезным. А вам?

Лирическое отступление. Коты (и не только) явно умнее, чем может показаться. Один мой друг занимается электроникой, в том числе и оптической техникой. Его маленький рыжий «сынок» тоже увлекается оптикой. Так и норовит потрогать лапой хрупкие детали. Наверное, он в этом понимает.
Ещё вспоминается случай про кота товарища @DIHALT (вы ведь знаете сайт easyelectronics?), когда автор сайта никак не мог побороть глюк в микроконтроллере. Пришёл Лысый, специально лапой кувырк микросхему под стол. Лень было доставать, пришлось взять другой такой же контроллер, и всё заработало. Оказалось, котик скинул китайский брак.

Свет мой, зеркальце!

Сначала я подумал, что здесь тоже используется прозрачный экран. Но это не так. Однако проект всё же интересный и заслуживает внимания. Также хотелось отдать некоторую дань памяти замечательному автору прекрасных строк. Поэтому название решил оставить как есть. Вы ведь помните из какого произведения взята фраза для названия?
В проекте используется не прозрачный экран, а двустороннее или полупрозрачное зеркало, которое с одной стороны пропускает свет, а с обратной отражает. Такие зеркала используются, например, психологами для наблюдения за пациентами или в комнатах для допросов.
За зеркалом размещают монитор. При идеальном освещении всё, что на экране выведется чёрным, будет выглядеть как зеркало. А всё белое (или имеющее другой высококонтрастный цвет) будет просвечивать сквозь зеркало.
В сети множество различных реализаций данной идеи. На Хабре тоже есть материал про такое зеркало.
В качестве зеркала используют либо плёнку, либо зеркало на основе стекла. Обычно делают что-то вроде информационной панели, на которую выводится различная полезная информация: календари, погода, курс валют, биткоина, список дел или покупок.
Получается некая смесь Raspberry Pi, открытого проекта Magic Mirror и голосового помощника Alexa.

Такой проект может быть полезным для отображения информации и дополнить убранство помещения.
Позже мне всё таки попалось что-то похожее на зеркало именно с прозрачным экраном.

С таким экраном можно давать представления в кукольном театре – он может дополнить или облегчить создание декораций.

Выводы.

Необычный взгляд на привычные вещи может показать их с действительно неожиданной стороны. А иногда и вовсе преобразить их до неузнаваемости. Наверное, новые устройства так и появляются.
Забыл сказать, что hairy lizard – это волосатая ящерица, и такие, видимо, существуют.
Экспериментировать лучше в компании мелких любознательных животных. Они часто помогают решать задачи, а творческий процесс с их участием становится веселей. У вас ведь есть такие помощники?

Оригинал

Подписывайтесь на наш блог, чтобы не пропустить новые интересные посты!

Поезда на магнитных подушках не являются новой концепцией и уже используются в Китае, Южной Корее и Японии. Система магнитной левитации удерживает поезд над рельсами и движет его вперёд. Поезд фактически плывёт на высоте 5 см над рельсами и движется на воздушной подушке. Поезда на магнитной подвеске быстрее и тише, чем обычные поезда.

Две крупнейшие экономики мира, Китай и Япония, соперничают за лидерство в разработке до 2040 года первой в мире железной дороги дальнего следования для сверхбыстрого левитирующего поезда на магнитной подвеске. Китайцы и японцы создают новые виды поездов, стремясь продемонстрировать свое превосходство, и тот, кто победит в этой гонке, получит огромную прибыль от экспорта технологии высокоскоростного железнодорожного транспорта следующего поколения.

В августе 2022 года в Южном Китае впервые продемонстрирована первая в мире экспериментальная железнодорожная транспортная система — Red Rail. Её наиболее заметной особенностью является подвеска с нулевой мощностью, которая может сэкономить не менее 31 % электроэнергии, обычно необходимой для подвешивания поездов с использованием предыдущей технологии магнитной левитации.

Страна маглева

Маглев (также называемый поездом на магнитной подушке) использует магнитное отталкивание как для подъёма поезда над землёй, что уменьшает трение, так и для его продвижения вперёд. Основным преимуществом поездов на магнитной подвеске является тот факт, что в них нет движущихся частей, как в обычных поездах, что делает износ деталей минимальным, а это значительно снижает стоимость обслуживания. Что ещё более важно, между поездом и путями отсутствует физический контакт, поэтому отсутствует сопротивление качению, что обеспечивает пассажирам более спокойное и плавное путешествие. Поезд на магнитной подвеске не совместим с обычными железнодорожными путями, что делает их строительство очень дорогим, поскольку необходимы новые пути.

Самой высокоскоростной магистралью на магнитной подвеске является Шанхайская линия. Помимо неё в Китае действуют ещё две линии на магнитной подвеске и ещё две строятся.

Шанхайский маглев

Шанхайский маглев, запущенный в 2002 году, является третьим в мире высокоскоростным поездом на магнитной подвеске, введённым в коммерческую эксплуатацию после линии AirRail Link в Лондоне в 1984 году и линии M-Bahn в Берлине в 1989 году. Это первая коммерческая система на магнитной подвеске в Китае; она также единственная в мире, которая всё ещё работает. Она охватывает 29,8 км и проходит от центра Шанхая до международного аэропорта Пудун. Максимальная скорость поезда составляет 431 км/ч.

Маглев Чанша

Маглев Чанша соединяет городской аэропорт Чанша с железнодорожным вокзалом; его длина составляет 18,5 км. Строительство было завершено в 2016 году. Это первая в Китае линия на магнитной подвеске, спроектированная и изготовленная внутри страны, и самая длинная в мире линия на магнитной подвеске со средней и низкой скоростью. Поезд движется с рабочей скоростью 110 км/ч.

Пекинская линия метро S1

Линия S1 пекинского метро — это линия на магнитной подвеске со средней и низкой скоростью. Линия была открыта 30 декабря 2017 года. В линии используется технология средне-низкой скорости магнитной левитации, которая может обеспечить максимальную скорость 105 км/ч. Фактическая скорость линии составляет 100 км/ч.

Плюсы и минусы маглева

Плюсы:

1. Поезда на магнитной подвеске могут развивать скорость, не уступающую скорости самолётов. Это позволит пассажирам сократить время в пути и добраться до места назначения быстрее и проще. 13 января 2021 года в городе Чэнду на юго-западе Китая был развёрнут прототип поезда, использующего технологию высокотемпературной сверхпроводимости (HTS) на магнитной подвеске, который может похвастаться расчётной скоростью 620 км/ч.

2. У поезда на магнитной подвеске нет колес, поэтому не производится шум, как от обычных поездов.

3. Маглев потребляет меньше энергии, до 30 %, чем обычные поезда.

4. Простота обслуживания.

Маглев, использующий технологию высокотемпературной сверхпроводимости

Минусы:

Самым большим недостатком является то, что поезда на магнитной подвеске несовместимы с существующими железнодорожными путями, и поэтому необходимо строить новые маршруты и линии, что приводит к высоким затратам на первоначальное строительство. Поскольку существующая железнодорожная инфраструктура не может использоваться для магнитолевитации, её придется либо заменить системой магнитной подвески, либо построить совершенно новую сеть — и то, и другое будет очень дорогостоящим с точки зрения первоначальных инвестиций.

Также некоторые критики утверждали, что маглев излучает вредное электромагнитное излучение, но тесты доказали, что такие утверждения ложны. На самом деле шанхайский маглев даёт меньше излучения, чем обычный фен для волос.

Высокоскоростные поезда

Разница между поездом на маглеве и сверхскоростным поездом (маглев не относится к высокоскоростным поездам).

Китай стал мировым лидером в строительстве высокоскоростных железных дорог. К концу 2020 года в стране насчитывалось 37 900 км высокоскоростных железнодорожных линий, что является самой обширной сетью в мире. Скоростные поезда могут доставить пассажиров во все крупные города Китая.

Новая магистраль Red Rail знаменует собой очередную попытку Китая использовать передовые технологии для преобразования отечественной железнодорожной отрасли.

Паровозик, который сможет

Red Rail построен в уезде Синго, провинция Цзянси, на юге Китая. Экспериментальный поезд едет по рельсам, протяжённостью 800 м и подвешенными на высоте 10 м на стальной конструкции, и выглядит точно так же, как и любой другой надземный поезд, только перевёрнутый. Вместо того, чтобы ехать поверху пути, поезд движется под ним, из-за чего и получил своё название — Sky Train.

Маглевы используют два комплекта электромагнитов для создания магнитного поля, необходимой для движения поезда на больших скоростях. Sky Train работает на постоянных магнитах, богатых редкоземельными элементами, которые создают постоянной силу отталкивания, достаточную для того, чтобы «держать поднятым над рельсами и двигать вперёд» вагон поезда. Рукав поезда окружает рельс, а постоянные магниты в рычаге и рельсе отталкивают друг друга, подвешивая поезд. Отсутствие трения, создаваемое системой, означает, что транспортное средство может оставаться «на плаву» бесконечно долго, практически без электропитания. Поезд способен бесшумно парить над рельсами со скоростью до 80 км/ч. Эта технология магнитной подвески генерирует меньше электромагнитного излучения, а деньги затраченные на её строительство составляют 10 % от стоимости строительства метро аналогичной протяжённости (будучи поднятой на стальных опорах, Red Rail требует меньше недвижимости на земле).

В настоящее время поезд состоит из двух вагонов и может перевозить до 88 пассажиров одновременно. Как только первый этап будет завершён, поезд будет испытан на трассе протяженностью 7,5 км. Дополнительное пространство позволит Sky Train развивать скорость до 120 км/ч.

Red Rail является третьей по счёту технологией магнитной подвески после технологии магнитной подвески с нормальной проводимостью и технологии сверхпроводящей подвески. На исследования и разработки 800-метровой системы Red Rail ушло девять лет. Для этого были разработаны проекты с общим объёмом инвестиций в 11,43 млрд юаней (1,69 млрд долларов США).

Щепотка неодима

Транспортная система Maglev была впервые представлена американским изобретателем Робертом Годдардом и инженером Эмилем Башле в первой половине XX века. В 1984 году система Maglev была официально представлена в государственном секторе для коммерческого использования.

Преимущества электропоездов на магнитной подвеске довольно очевидны. С другой стороны, они не так часто используются в низкоскоростных транспортных перевозках, поскольку электроэнергия, используемая для левитации обычного поезда на магнитной подвеске, добавляет 15 % к общему счёту за электричество по сравнению с метро или легкорельсовым транспортом.

Но это при условии, что используются электромагниты. Постоянные магниты не теряют свои магнитные свойства круглосуточно и без выходных — при условии, что можно позволить себе редкоземельные металлы. На Китай приходится 40 % всех известных мировых запасов редкоземельных элементов. Поднебесная также добывает гораздо больше этих металлов, чем любая другая страна, и абсолютно доминирует в цепочке обработки и поставок — шесть государственных китайских компаний добыли 85 % от общего количества мировых редкоземельных элементов за 2020 год.

Поэтому для других стран как бы многообещающе ни выглядела технология магнитной подвески на постоянных магнитах, производство на данный момент возможно только в Китае.

Обычные магниты с одинаковыми полюсами отталкивают друг друга, но их магнитная сила со временем ослабевает. Добавление редкоземельных элементов в магнит значительно увеличивает срок его службы. Неодим, например, может уменьшить потерю магнетизма до менее чем 5 % за столетие. Поэтому магниты с редкоземельными элементами называются постоянными магнитами.

Маглев с постоянными магнитами превосходит подземные транспорт с точки зрения скорости и комфорта. Максимальная скорость большинства внутренних линий метро, как правило, ограничена 80 км/ч, но поезд на магнитной подвеске с постоянными магнитами, полностью управляемый искусственным интеллектом, может развивать скорость вдвое быстрее.

Поезду также трудно выйти из строя или повредиться во время длительной эксплуатации, потому что постоянное магнитное поле поглощает большую часть толчков и ударов. В будущем постоянные магниты помогут создать новый двигатель для индустрии железнодорожного транспорта и даст Китаю новое преимущество.

Оригинал

Подписывайтесь на наш блог, чтобы не пропустить новые интересные посты!

Спустя 2 года с момента начала пандемии Covid-19 в Ганновере провели масштабную промышленную выставку HANNOVER MESSE. Ключевыми темами стали устойчивое развитие, «зеленая» энергетика и промышленные технологии. А надежды на позитивное изменение мира возложили на чипы, датчики и технологию Internet of things, которая представляет собой сеть подключенных устройств. Поскольку внедрение технологии сильно ускорилось за последние пару лет, ежегодно отмечаются новые тенденции в развитии IoT. Этот год не стал исключением.
Если вы тоже неравнодушны к вопросу о будущем интернета вещей, прошу под кат. А кто еще не в теме, предлагаю начать с истории появления IoT в нашей жизни.

Как все начиналось

Появление Internet of things было предсказано известным физиком Николой Тесла еще в 1926 году. В его представлении именно радио должно было стать «большим мозгом», к которому смогут подключаться различные устройства. Это случилось, но не так быстро. И если верить истории, то произошло довольно случайно. Джон Ромки – один из создателей протокола TCP/IP, попробовал подключить тостер Sunbeam Deluxe Automatic Radiant Control к интернету по сети TCP/ IP. Подключение сработало, и он смог управлять им через простую информационную базу SNMP MIB. На тот момент была доступна только одна функция – это включение и выключение. Так в 1990 году появилась первая интернет вещь.

Презентация тостера:

По сравнению с этим, сейчас мы имеем значительно больше контроля над приборами, которыми пользуемся, а многие из этих приборов работают в автономном режиме. Люди все реже задаются вопросом, а все ли выключено, когда выходят из дома. Это положило начало появлению «умных» домов, «умных» городов.

Прошел практически десяток лет, пока технология получила название и стала встраиваться во многие сферы нашей жизни.

В 1999 Кевин Эштон – британский инженер и основатель исследовательской группы при Массачусетском технологическом институте разработал систему для оптимизации торговой отрасли. Он внедрял радиодатчики с целью оптимизации процесса поставки продукции, отслеживания складских запасов и выстраивания выгодных логистических цепочек для транспортировки товаров к торговым точкам. В дальнейшем эти данные стали использовать для анализа спроса и предложения. Торговые сети быстро заметили эффективность такой технологии и стали интегрировать ее в свою работу. В этом же году понятие Internet of things появилось у многих на слуху. Также была опубликована книга «Когда вещи начинают думать» от автора Нила Гершенфельда. Вещи, о которых он писал, могут на самом деле ждать нас в будущем. Когда наступит посткомпьютерный мир, а на замену придут микрочипы.

Как устроен интернет вещей

Интернет вещей — это множество устройств со встроенными датчиками и исполнительными механизмами, которые объединены между собой через проводные и беспроводные сети. Задача IoT заключается в том, чтобы собирать, обрабатывать и доставлять данные о процессах конечному пользователю. Пока данные не поступили людям, осуществляется M2M-взаимодействия (устройства взаимодействуют между собой). Датчики собирают информацию об условиях окружающей среды или о состояниях внутри системы, чтобы в дальнейшем можно было обнаружить закономерности, создать рекомендации и предотвратить возможные проблемы до их возникновения.

На самом деле, концепция IoT сейчас очень распространена на обывательском уровне. В повседневной жизни мы используем «умные» кухонные приборы, живем в «умных» домах, или самое простое – носим фитнес-браслеты, которые в режиме реального времени измеряют частоту сердечных сокращений и количество пройденных шагов. Сейчас большинство предметов можно подключить к интернету. Так происходит встреча реального мира с цифровым. Предлагаю разобраться, как это все работает и взаимодействует между собой.

Без этих компонентов экосистема не сможет существовать:

Устройства. Именно с них все начинается, потому что это и есть «вещи» в понятии Интернета вещей. В этот слой входят практически любые объекты, в которые можно интегрировать необходимые датчики.Сеть. Это обязательное условие для взаимодействия объектов друг с другом (М2М). После того, как устройства получили данные, их нужно отправить в облако по средствам связи (сотовая/ спутниковая связь или использовать Bluetooth/ Wi-Fi для подключения на более коротких расстояниях).Средства обработки данных. С их помощью осуществляется анализ информации и вывода результата, который в дальнейшем можно использовать под свои цели.Приложения (пользовательский интерфейс). На этом замыкается круг, поскольку на этом этапе информация попадает в руки к людям и отображается на устройствах.

Сама концепция проста для понимания. Но то, что устройства делают с собранной информацией и каков результат этих действий — поистине является мощным и впечатляющим.
Когда устройства собирают какую-то информацию, она не попадает людям в необработанном виде. Инструменты обработки информации сами решают, что нужно оставить, а что нет. И если бы здесь не использовали машинное обучение, то пришлось бы потратить много времени для программирования каждого устройства IoT вручную под разные сценарии. Это выполнимо для каких-то небольших объектов, но не для машин, производства и других крупных областей.

Как будет развиваться IoT 2022-2023

IoT по-прежнему в основе устойчивого развития.

В этом году тема экологичности на Ганноверской ярмарке была затронута если не каждым, то большей частью экспонентов. Несколько компаний полностью посвятили свои стенды данному вопросу. И как было замечено, наряду с возросшим интересом среди инвесторов повышается бизнес-ценность таких продуктов на рынке. То есть в технологию не бояться вкладывать ресурсы, как это было на старте. Изначально в наших городах начали появляться «умные» мусорные баки, «умные» системы освещения, «умные» парковки и много других «умных» вещей. Затем продвинулись дальше и стали предлагать технологию сельскому хозяйству. Приложения, которые осуществляют мониторинг состояния окружающей среды, помогают оптимизировать процессы и управлять ресурсами быстро доказали свою эффективность и оправдали вложения. Теперь наступил новый этап — решение глобальных проблем.

Показательным примером является сотрудничество компании Libelium с крупнейшим в Европе аквариумом Сарагосы. Плодом их взаимодействия стал Libelium One для измерения параметров окружающей среды пяти различных экосистем. Данная технология гарантирует значительное улучшение качества воды и грунтовых условий, чтобы повысить качество жизни животных в водоемах. В аквариуме Сарагоса воссоздали 5 экосистем с 5000 видами животных. Libelium One будет использоваться в реальной среде для мониторинга состояния 5 рек: Нил, Меконг, Амазонка, Дарлинг Мюррей и Эбро. Учитывая условия окружающей среды и ее воздействие, устройство имеет прочные корпус и в то же время эко-дизайн, который не нарушает общей концепции устойчивого развития.

Список подобных технологических решений пополняется. Например, чтобы сократить количество новостей о неконтролируемых пожарах, Dryad Networks и NetOp разрабатывают цифровые «Dryads» со встроенным интеллектом. Датчики работают на солнечных батареях и могут обнаружить пожар на самых ранних стадиях, в том числе на фазе тления. Основная задача в том, чтобы обнаружить водород, углекислый газ на уровне ppm во избежание ложного срабатывания.

Ключевой целью по прежнему остается интегрирование IoT во все жизнеспособные модели устойчивой экономики. Это позволит получать максимум данных, чтобы понимать все процессы. Как подтверждают примеры, важную роль играет партнерство. Чтобы максимально раскрыть возможности устройств IoT, необходимо пройти большой путь из тестов, модернизаций и ошибок

Пик «облачных» технологий

IoT — это про большие данные, которые нужно хранить, анализировать, обрабатывать. С чем успешно справляется «облако». После того, как устройства собрали информацию, она направляется на облачный сервер, где в дальнейшим обрабатывается. Настало то время, когда «облачные» технологии используются как инфраструктура, платформа или ПО.

Корпорация Microsoft подхватила эту волну и запустила «Облако для устойчивого развития». Бизнесу и предприятиям предлагаются готовые решения, которые направлены на достижение целей устойчивого развития. При этом не стоит воспринимать это как волшебную таблетку, способную моментально решить все проблемы. С помощью данной технологии можно получать структурированные данные, отчеты о выбросах, интеллектуальную аналитику. Все это помогает выявить проблемы, которые в дальнейшем можно искоренить, но не решает их.

Искусственный интеллект ближе, чем мы думаем

Искусственный интеллект постепенно становится вездесущим, хотя для нас он по прежнему остается невидимым. В интернете нет точной даты, когда появился ИИ. И можно предположить, что не будет даты, когда он исчезнет. Однако, его появление обусловлено достижениями в таких областях, как вычислительная мощность, машинное обучение и в целом интернет. Если «облачные» технологии мы уже приняли, то к ИИ по прежнему недоверчивое отношение.

Отбросив все страхи, фармацевтическая компания Charles River начала сотрудничать с платформой Valence. Задачей их сотрудничества является использование реакторной технологии Valence, способной моделировать химические реакции, которые будут происходить после приема медикаментов. В конечном счете, врачи и пациенты не будут знать, что в основе разработки лекарства ИИ. Медицина является самой масштабной отраслью, вклад в которую могут привнести специалисты из самых разных отраслей.

Что касается других сфер, компанией Siemens был продемонстрирован анализатор прогнозного обслуживания. С его помощью можно выявить дефекты в системах привода до того, как они окажут негативное влияние на производство. А это могут быть повреждения подшипников/двигателя, смещения или дисбаланс. Такая технология исключает незапланированные простои производства, оценивает уровень повреждения и оставшееся время работы. В свою очередь позволяет своевременно провести обслуживание. Интеллектуальный сервисный анализатор подходит для приборов, которые постоянно находятся в действии. В их числе насосы, вентиляторы, компрессора и тд. В основе решения Predictive Service Analyzer искусственный интеллект.

Этих примеров недостаточно, чтобы полностью раскрыть возможности ИИ. Но мы видим, что его включают в свои продукты, платформы, услуги не только компании гиганты, но и небольшие предприятия. Чем чаще мы будем слушать о том, как на самом деле используется ИИ, тем быстрее будет появляться доверие.

Фокус на безопасность

Количество подключенных устройств к 2022 году превысило население нашей планеты. Как и количество кибератак. Поэтому в этом году больше внимания будет уделяться безопасным подключениям.

Три ключевых решения в области кибербезопасности:

Обеспечить видимость активов. Разработанное ПО предоставляет возможность получения информации обо всех узлах и подключенных к сети пользователях. Таким образом администраторы оперативно могут выявить подозрительные устройства.Глубокая проверка пакетов дает сигнал операторам промышленных сетей при обнаружении подозрительной активности в промышленных протоколах, которые непосредственно управляют сетями.Архитектура с нулевым доверием. Эта модель безопасности работает по принципу “никогда не доверяй, всегда проверяй”. Предполагается, что собственная среда также не является безопасной по умолчанию.

5G IoT

2G/3G IoT отошли на второй план, как число подключений 4G Internet of things увеличилось на 24% за счет широкого внедрения чипсетов на базе Cat6, Cat4 и LTE Cat1. Следом идет 5 G IoT. Эксперты утверждают, что мобильная сеть 5G поможет в решении проблем со скоростью подключения, передачи данных и повысит надежность сети. А это, в свою очередь, окажет положительное влияние на IoT, поскольку в данной технологии многое зависит от подключении.
С другой стороны, IoT также оказывает влияние на развитие пятого поколения мобильных сетей. IT компании смогут применять соглашения IoT с целью проведения исследований и улучшения сетевых параметров.

К этому времени частная автономная беспроводная сеть 5G появилась на главном заводе автопроизводителя Volkswagen. Компания Nokia для закрытия потребностей в области надежного подключения, тестирования новых интеллектуальных заводских сценариев предложила использовать решение Nokia Digital Automation Cloud (DAC).

Такие технологии полезны только при условии, что общество готово поддерживать и развивать технологическую культуру. Для этого требуется взаимодействия бизнеса, государства и населения.

Оригинал

Подписывайтесь на наш блог, чтобы не пропустить новые интересные посты!

Пора уже поближе познакомиться с квантовой физикой на практике! Сегодня я расскажу вам об истории открытия эффекта ядерного магнитного резонанса, но в отличие от классических учебников полных зубодробительного матана мы обратим наш разрушительный для когеренции взгляд на экспериментальную составляющую. С полученными знаниями вы сможете в духе старого доброго DIY собрать несложный прибор, который позволит вживую послушать сигналы ядер атомов водорода а также измерить величину магнитного поля нашей планеты.

Немного истории

Где-то сто лет тому назад, физики увлечённо пытались разобраться из чего же состоит наш мир. На тот момент было очень мало известно о том, что же из себя представляют мельчайшие частицы материи – атомы. Резерфорд в своём знаменитом эксперименте обстрелял тонкую золотую фольгу альфа-частицами и после интерпретации результатов предположил что атом (уж по крайней мере, золота) это положительное ядро-планета, а вокруг него вращаются отрицательные спутники-электроны. Однако это был полный нонсенс для физиков того времени, так как уже тогда в школах изучали простую истину «положительный заряд притягивается к отрицательному». Ради забавы делали даже расчёты, которые предсказывали что электрон в такой модели должен был бы упасть на ядро за примерно 0.0000000001 секунды, на чём история нашей вселенной и закончилась бы. Но Нильс Бор всех спас, введя свои знаменитые постулаты. Он послал подальше классическую механику и заявил, что орбиты электронов в отличие от хорошо уже изученных на тот момент орбит планет, могут принимать только несколько определённых значений. Причём обязательно таких, чтобы атом был стабилен, и никто никуда в нём не падал. Честно говоря, такая модель физикам ещё больше не понравилась, ведь это было скорее похоже на натягивание совы на глобус атом. Масла в огонь подлил Арнольд Зоммерфельд, который дополнил модель Бора и предположил, что на этих невообразимо мелких масштабах вообще всё в атоме должно принимать только определённые значения (проще говоря — квантоваться): энергия, угловой момент движущихся электронов и ядер и даже ориентация орбит электронов в пространстве!

Последнее особенно сильно зацепило Отто Штерна, тоже физика. Он потратил кучу времени на то, чтобы найти способ опровергнуть эту возмутительную теорию, и даже выпросил денег на эксперименты у самого Эйнштейна. Вместе со своим коллегой Вальтером Герлахом они построили установку, которая позволяла бы определить, любую ли ориентацию в пространстве могут иметь орбиты электронов атомов или только несколько определённых. Предположения были довольно простые: как было известно из простейших экспериментов, ток, текущий по кругу в медной рамке, приводит к возникновению магнитного поля. Ток — это поток электронов, следовательно и на атомарном уровне, электрон, двигающийся по орбите, тоже должен создавать своё небольшое магнитное поле, а атом в целом вести себя как маленький магнитик. Выходит, что если пустить поток атомов через неоднородное поле больших магнитов, то в зависимости от того, как ориентирована орбита каждого атома в пространстве, они разлетятся в разные случайные направления, что и можно попытаться зафиксировать.

Установка состояла из печи, которая нагревала серебро до тех пор, пока оно не начинало испаряться (более 1000 ), после чего его атомы собирались в подобие пучка при помощи заслонки с отверстием посередине. Стоит ли говорить, что всё это, разумеется, происходило в вакууме. Поток атомов пролетал между магнитами и в итоге попадал на пластину — детектор.

Схема экспериментальной установки Штерна-Герлаха, которую можно часто встретить на страницах учебников. Магнит сверху специально сделан в виде клина, чтобы сделать поле в районе пучка как можно более неоднородным. Для простоты показаны только полюса магнитов, участвующие в процессе (нет, это не монополи!).

Прожжённый физик конечно скажет, что картинка эта слишком рафинированная. Ведь настоящая установка напоминала собой этакий самовар с кучей непонятных трубочек, вполне в духе своего времени. Эксперимент с ней шёл пару часов, после чего надо было разбирать аппарат и подготавливать всё заново. Вместо отверстия для получения луча из атомов исследователи в итоге использовали щель (с отверстием опыт нормально не получался). Также, в первых попытках след не было видно вовсе и какое-то время коллеги полагали, что луч просто не попадал в пластину. Однако в один прекрасный момент, в процессе пристального разглядывания Штерн имел неосторожность подышать на неё, от чего внезапно рисунок проявился. Оказалось что дешёвые сигары, которые Отто курил порой прямо в лаборатории содержат очень много серы, реакция с которой и приводила к такому эффекту (похоже на байку, но это таки было проверено в 2002 году). В итоге, из-за несовершенства магнитов и сложностей в их юстировке, два раздельных пучка всё равно не расходились полностью, а лишь в середине, но тем не менее, рисовали на стекле первый поцелуй от квантовой физики человечеству:

Настоящая установка Штерна-Герлаха во всей красе.

Результат у них получился шокирующим и полностью противоположным их ожиданиям. Вместо опровержения теории они подтвердили её: поток атомов серебра четко разбивался на два пучка, что означало что квантование — это не теоретическая выдумка и математические шуточки, а нечто реальное. И где-то на глубоком уровне наноскопических масштабов магнитные свойства электронов могут принимать только два значения и никаких промежуточных. Исследователи по всему миру тут же стали повторять опыт, дорабатывать его, и писать новые теоретические обоснования и статьи. Было выяснено, что наблюдаемый эффект возникает из-за наличия магнитного момента у одного-единственного электрона, что болтается без пары на внешней орбитали атома серебра. Взяли бы Штерн и Герлах другое вещество для эксперимента, где все электроны парные и компенсируют моменты друг друга, не факт, что у них бы что-то получилось. Так, случайность как минимум дважды сыграла главную роль в этой цепочке событий.

Ещё немного истории

Когда все отошли от первого шока, стало интереснее заглянуть ещё глубже и понять вращаются ли ядра атомов, как и планеты, есть ли у них свой магнитный момент и самое главное, квантуется ли он. В экспериментальной установке Штерна-Герлаха электронные оболочки мешали это выяснить, так как момент электронов был много больше, чем у ядер. Одним довольно логичным решением оказалось использовать в экспериментах вместо атомов целые молекулы. Ведь если два атома с одним внешним электроном образуют молекулу, то магнитный момент оболочек будет скомпенсирован, и станет видно только момент ядер. Таким образом удалось определить, что момент есть в наличии у ядер водорода (протонов), однако точно измерить его не получалось. И тут за дело взялся Исидор Раби. Он улучшил разработку своих коллег, скрестив в своём аппарате сразу две их секции:

Парные магниты А и В повторяли собой конструкцию Штерна-Герлаха, но при этом технологично были более совершенны. Вместо постоянных везде были использованы компактные и температурно-стабилизированные электромагниты с активным жидкостным охлаждением. Это позволяло точнее контролировать и без того многочисленные переменные величины эксперимента и избавиться от кучи проблем связанных с неодинаковостью параметров молекул в пучках. Предполагалось, что пучок молекул входит в установку немного под углом и дважды изгибаясь снова фокусируется на выходе, где стоит детектор. Он, кстати, тоже стал электронным и курить около него не требовалось:

Хитрость была в том, что пары магнитов А и B были расположены с противоположной друг другу по вертикали полярностью, что и позволяло загибать и разгибать обратно пучки используя только магнитный момент ядер атомов. Две синие кривые на рисунке показывают путь молекул с разной скоростью и угловым моментом. Как бы они ни старались, в середине установки они были в одинаковых условиях и над ними можно было проводить всяческие манипуляции. Именно там Раби разместил третий электромагнит, помеченный как «С» с однородным полем, направленным уже горизонтально и, чтобы совсем стало сложно и научно, ещё и небольшие витки из медных трубочек внутри этого магнита, подключаемые к высокочастотному генератору.

Идея Раби была основана на теории о том, что у молекул, ядер атомов и электронов в постоянном магнитном поле должен быть разный угловой, а следовательно, и магнитный момент. Предпосылки к таким умозаключениям выросли опять же из механики: имея две юлы с разной массой вы скорее всего получите разные скорости их вращения в одном и том же поле тяготения вашей планеты и при прочих других равных условиях. А потому он предполагал, что когда пучок молекул попадает в магнит «С», на вращающиеся ядра составляющих их атомов можно будет выборочно воздействовать при помощи переменного поля подходящей частоты и таким образом переориентировать их в пространстве. Если такое произойдёт, то пучок молекул уже не сможет достигнуть детектора, так как он изогнётся в другую сторону. Именно такая ситуация показана на рисунке в виде перехода синих кривых в желтые.

Раби подавал на медные витки в центре установки фиксированный высокочастотный сигнал 3.5 МГц и менял ток в центральном электромагните, таким образом регулируя величину поля. В какой-то момент было зафиксировано отклонение пучка от детектора, что означало, что магнитный момент ядер поменялся под воздействием внешнего сигнала. Причём важно отметить, что процесс происходил довольно внезапно, то есть носил резонансный характер. Это было свидетельством квантовой природы феномена. Ядра при смене своего магнитного состояния поглощали энергию фотонов только строго определённой величины, и конечно же, количество таких состояний было ограничено:

Первый в мире график, демонстрирующий ядерный магнитный резонанс, именно Раби дал этому эффекту его имя (1938 г.). Получен он на пучках хлорида лития, содержащих изотоп 7Li.

Зная параметры процесса, стало возможным с небывалой точностью измерять магнитные моменты ядер разных атомов. Правда даже гениальному Раби на тот момент не пришло в голову, что открытый им эффект может быть повёрнут с ног на голову и использован где-то ещё кроме экспериментальных вакуумных установок для ядерной физики.

Лишь некоторое время спустя, в разных местах планеты Феликс Блох, Эдвард Пёрселл и Константин Завойский независимо обнаружили, что магнитный резонанс – это не только поглощение энергии ядрами, для смены их магнитной ориентации, но ещё и последующий процесс её высвобождения при их возвращении в предыдущее состояние. Оказалось, что такие сигналы релаксации вполне можно детектировать и в обычных материалах и предметах, а не только с отдельными атомами или молекулами в пучках. Достаточно поместить исследуемый объект в однородное магнитное поле, побеспокоить его другим перпендикулярным полем, и ядра атомов (или электроны) хором начнут отвечать:

Как измеряются сигналы магнитного резонанса. Стрелка компаса имитирует общую суммарную намагниченность ядер атомов внутри какого-либо объекта. Для их возбуждения на катушку можно подавать постоянный ток, или же сигнал определённой частоты (что, конечно, более эффективно). На экране осциллографа — сигнал релаксации от ядер атомов, снимаемый с той же катушки. Частота его специфична для разных атомов и даже их позиций в молекулах вещества.

Такой разворот открыл человечеству небывалые перспективы для новых методов определения состава веществ, структур молекул и всякой там томографии при помощи одних только магнитных полей. Все кроме Завойского в итоге получили нобелевские премии, химики – крутейшие спектроскопические анализаторы для лабораторий, а вы — возможность посмотреть, что же там болит в пояснице без какого-либо внешнего вмешательства.

Дико неэффективный процесс

Сегодня мы уже знаем, что ничего нигде в атомах не вращается. Ведь, например, чтобы получить величину магнитного момента электрона, наблюдаемую экспериментально, последний в своём вращении должен превышать скорость света где-то в сто раз, что крайне сомнительно. А ещё выяснилось, что он не возвращается в исходное состояние за один оборот, как это происходит с привычными нам в быту предметами. Поэтому для всех этих квантовых странностей был введён специальный отдельный термин «спин». Он есть и у ядер, которые следуют похожей никому непонятной логике.

Также выяснилось, что далеко не с любыми атомами магнитно-резонансные фокусы работают. Необходимым условием оказалось наличие нечётного количества протонов и (или) нейтронов в ядре. Но тем не менее, охват таблицы Менделеева впечатляет. Вот современные сводные данные от лаборатории государственного университета Флориды, где профессионально увлекаются вопросом:

Как видите, покрытие практически полное. Однако нельзя игнорировать слово «изотопы». Оно присутствует на картинке вовсе не для научного занудства. Многие химические элементы в обычном своём состоянии не удовлетворяют условиям получения сигналов от их ядер, а потому приходится выкручиваться с их собратьями другой массы, которые зачастую и не особо интересны для исследователей.

Другая титаническая проблема состоит в том, что ядра будучи не в лабораторных условиях, а внутри вещества упорно не хотят поляризоваться внешним магнитным полем, особенно если оно слабое. Причин для этого на атомных масштабах целая куча, но мы с высоты своих гигантских размеров не имеем возможности особо в них вникать, а поэтому называем ёмким термином «температура». Так, например, в поле величиной 1 Тесла (примерно такое можно найти у самой поверхности неслабых таких неодимовых магнитов) при комнатной температуре поляризация ядер водорода будет всего лишь 3 ядра на миллион своих ленивых собратьев, которые участвовать в этом откажутся. Разумеется, поймать сигнал от трёх ядер малореально, даже если задействовать самые топовые технологии человечества. Выручает тот факт, что в одной лишь капле воды атомов водорода будет где-то в районе 3,34*10^21. Благодаря такому безумному множителю мы уже можем что-то с этим сообразить.

Вообще говоря, водород как будто идеально был создан для магнитного резонанса: он есть практически везде и в больших количествах а его частота прецессии в магнитных полях, которые мы можем технически организовать или даже найти в природе — очень удачно подходит под возможности нашей приёмной электроники. Именно сигналы этого элемента чаще всего измеряют во всех сферах деятельности, где так или иначе замешан ядерный магнитный резонанс. И именно поэтому далее мы будем получать сигналы от протонов водорода в нашем самодельном магнитометре.

Ну наконец-то! Переходим к практике

Итак, довольно историй, пора действовать! Сперва понадобится найти подходящую ёмкость для водорода. Шучу, нам сойдет любая чистая вода, даже из-под кулера в вашем офисе (но в идеале, конечно, дистиллированная). Нужных атомов в ней будет предостаточно. Но тем не менее, не повторяйте моих ошибок и найдите по-настоящему герметичную ёмкость для жидкости. Для выбора её размеров есть ограничения с двух сторон — слишком маленькая бутылочка даст в итоге очень слабый сигнал, слишком большую использовать нецелесообразно экономически, так как впоследствии потребуется намотать вокруг неё катушку медного провода, который сегодня в дефиците. Я остановил свой выбор на баночке из-под жвачки:

Баночка из-под жвачки избавлена от содержимого и этикетки. Катушка справа — спойлер к дальнейшим действиям.

Следующий важный компонент — много медной проволоки. Понадобится как минимум метров 50-80 если речь идёт о диаметре 0.08 мм, который использовал я. В моём случае она была аккуратно выдрана из сломанного двигателя от какой-то бытовой техники. Вообще говоря, чем больше будет у вас проволоки и чем она толще — тем лучше для экспериментов. Проволоку надо намотать прямо поверх бутылки. Я использовал суперклей для фиксации в начале и прямо в процессе. Если вы когда-либо собирали катушку Тесла, то это не вызовет у вас затруднений. Да, нам понадобится значение индуктивности этой самодельной катушки далее, так что если у вас нет приборов для её измерения, то придётся считать витки по ходу дела:

Мотаем первый слой, не останавливаемся, и также мотаем поверх второй и третий. Резинка на горлышке немного поможет от будущих протечек.

Данная конструкция будет одновременно служить и для возбуждения протонов в воде и для приёма сигнала от них. Поэтому катушка должна иметь с одной стороны как можно большую индуктивность (много витков), с другой — не слишком большое сопротивление (мало витков). Эти условия как два конца одной палки, поэтому придётся находить баланс, учитывая материалы, которые вы найдёте. Для поляризации протонов на катушку понадобится подавать ток в пределах 250-750 мА, соответственно, если намотаете слишком много, то придётся объединять кучу батареек последовательно, чтобы получить нужный ток. Да-да, именно батареек. Забудьте про любые импульсные источники питания и стабилизаторы, ибо данный процесс будет дико чувствительным к любым помехам. Сопротивление моей катушки получилось около 27 Ом, что потребовало в итоге использования как минимум одного (18 В) аккумулятора от шуруповёрта для получения нужного тока поляризации.

Процесс работы устройства будет выглядеть так:

Принцип работы простейшего магнитно-резонансного протонного магнитометра (о-о-о-чень упрощённый).

Мы поляризуем протоны воды магнитным полем, создаваемым катушкой, а далее подключаем её к аудио-усилителю и слушаем ответные сигналы водорода. Частота сигналов будет зависеть от величины внешнего однородного магнитного поля, в котором находится бутылочка. Где ж его взять? Оно уже здесь вокруг вас, бесплатно предоставлено в пользование нашей любимой планетой Земля. Так удачно совпало, что резонансные сигналы водорода в поле Земли будут в районе 2 кГц, прекрасно слышимых нашими ушами (не зря же выбирали водород!).

Усилитель

К сожалению, сигналы эти, несмотря на огромное количество протонов в воде, будут категорически слабыми, с амплитудой где-то в десяток микровольт в лучшем случае. Посему просто прицепить к катушке переключатель и динамик как на анимации выше не прокатит, и без специального усилителя тут не обойтись. И спаять его придётся самостоятельно:

Да, коэффициент усиления будет бешеный, но и мы собираемся тут атомные ядра слушать, а не перфоратор соседа.

Общую архитектуру я скопировал отсюда, хотя компонентно моё решение думаю будет даже проще для повторения. Нам понадобится всего лишь три микросхемы двойных операционных усилителей. Я использовал то что было под рукой (TL082), но безусловно можно найти и что-то получше. Для данной задачи нужно обратить внимание на такие характеристики как коэффициент шума и входное сопротивление. Чем первая ниже, а вторая соответственно выше, тем будет лучше устройство работать в итоге.

Итак, главная причина, по которой усилитель надо собрать самостоятельно состоит в том, что его конструкция будет буквально зависеть от того, на каком месте планеты вы находитесь. Так как мы задействуем в эксперименте магнитное поле Земли, то перед созданием схемы сначала надо примерно выяснить величину этого поля, после чего получить значение рабочей частоты, а от него уже посчитать номиналы элементов схемы.

Карта магнитных полей нашей планеты, значения представлены в нанотесла.

По такой карте выходит довольно грубая прикидка, поэтому тут можно схитрить и использовать плоды прогресса. В смартфоне, с которого вы вероятнее всего читаете этот текст, уже есть магнитометр, который можно задействовать для более точных локальных измерений. Также в маркетах много приложений, которые показывают величины для вашей местности (напр. CrowdMag). В моём случае я выяснил величину в 49600 нанотесла. Её нужно умножить на гиромагнитное соотношение для водорода (42.58) и разделить на тысячу чтобы не было путаницы в порядках. Таким образом у меня вышло 2112 Герц. Это число далее будем использовать для подбора резонансного конденсатора, а также полосовых фильтров в схеме усилителя.

Кстати, вот и она:

Нажмите чтобы увидеть полный размер.

Несмотря на то, что выглядит сложно, она состоит из одинаковых кирпичиков — ступеней усиления, повторяя структуру с картинки выше. Если уж у вас хватит усидчивости мотать катушку, то спаять вместе три микросхемы — и подавно.

Небольшое описание к схеме

Кратко пройдёмся по ней слева-направо: сигнал приходит с катушки и встречает два диода 1n4007. Они ограничивают максимальную амплитуду на входе усилителя, чтоб не спалить его при тестах.

Следом идёт конденсатор. Он является, наверное, самым критичным элементом, и должен чётко быть в резонансе с катушкой. Именно для расчёта его номинала нам нужно значение индуктивности последней, а также рабочая частота контура (2112 Гц в моём случае). В интернете полно калькуляторов для его вычисления. Обратите внимание, для вашей местности номинал будет скорее всего отличаться от моего! Если вдруг у вас есть векторный анализатор (напр. OSA103), то настроить резонансный контур будет проще простого. Особо отчаянные могут использовать научный метод подбора и генератор. Чем меньше индуктивность вашей катушки — тем больше придётся делать номинал этого конденсатора.

Затем идут каскады усиления. Каждому операционному усилителю в соответствии с нужным коэффициентом вычисляются номиналы резисторов, тут можно просто повторить представленные в моей схеме. А вот для ступеней полосовых фильтров придётся применить вот этот калькулятор (снова используем значение частоты, полученное ранее). В итоге во всей схеме получается четыре одинаковые каскада, отличающиеся лишь номиналом одного резистора и две ступени с дополнительными резисторами и конденсаторами, формирующие фильтры. Как и в соц сетях, без фильтров тут никак не обойтись.

Катушки индуктивности на линиях питания — тоже важный элемент, предотвращающий взаимодействие каскадов друг с другом, их надо поставить обязательно. Номинал я не написал, так как намотал их наобум, но в данном случае — чем больше мкГн тем лучше.

На выходе последнего операционника стоит электролитический конденсатор, он позволяет отсечь постоянный ток через наушники, чтобы выход нашего усилителя не надорвался, если вдруг сопротивление подключенных динамиков будет слишком малым.
Для запитки усилителя снова потребуются батарейки. Я задействовал две «кроны», так как TL082 хочет двухполярного питания для нормальной работы. В любом случае, не следует использовать один и тот же источник питания для запитки усилителя и для поляризации во избежание недоразумений.

Чтобы читатель не пугался всех этих электронных сложностей, я спаял схему в максимально небрежной и раздолбайской манере и ещё и на макетке. Это было сделано умышленно и должно продемонстрировать насколько грубой может быть реализация такого чувствительного прибора, но работать он всё равно будет:

Электронный NSFW

Мне настолько понравилось мотать катушки в процессе экспериментов, что и мелкие блокирующие индуктивности я изготовил самостоятельно, используя в качестве основы гильзы для обжима проводов. К сожалению, один из операционников у меня был только в мелком корпусе, отсюда такие страсти на обратной стороне платы. Кстати, она вышла эко-френдли, все компоненты кроме SMD я взял со старой сломанной техники.

А работать усилитель будет в полевых условиях. Поэтому желательно засунуть всё в какой-никакой корпус. Я распечатал вот такую коробочку из трёх частей с претензией на дизайн:

Усилитель в сборе. Внутри платка и две батареи «крона». Кнопка просто выключатель для питания, чтобы не сажать батареи попусту.

Вход усилителя будет соединяться с переключателем поляризации и далее с катушкой при помощи коаксиальных кабелей, именно поэтому вы наблюдаете SMA разъём спереди. Коаксиальные кабели нужны чтобы защитить и так слабые сигналы от внешних наводок. В целом для этого сойдёт абсолютно любой антенный кабель и разъёмы к нему. Единственное, нельзя размещать никаких магнитных частей около катушки, а саму катушку расположить как минимум в метре от усилителя.

Вернёмся к катушке

Прерывать в катушке индуктивности ток — это очень нехорошо. Катушки такое не любят и в ответ выдают большое обратное напряжение на своих концах. Разумеется, в таких условиях ничего измерять нельзя. Чтобы избавиться от этого паразитного эффекта, достаточно воткнуть в схему ещё один диод, повесив его прямо на её выводы:

Схема подключения катушки к диоду, переключателю поляризации и усилителю.

Катушка соединяется при помощи длинного кабеля к кнопке с батареей — переключателю режимов «поляризация» и «приём», а та — уже при помощи короткого коаксиала к усилителю.

Итак, если вы таки соберёте всё это дело вместе и включите, в наушниках вы должны услышать знакомое радиоприёмное «пшшш». Да, усилитель (будучи собран без ошибок) будет настолько чувствителен, что вы с его помощью сможете слышать вообще всё: статику от переливающейся воды в ёмкости с катушкой, трение коаксиального кабеля о пол, любые источники электромагнитного излучения, особенно всепроникающие 50 Герц и их гармоники. Даже узкополосные фильтры в нашей схеме увы не помогут это отфильтровать. В такой какофонии звуков пытаться расслышать жалкие сигналы атомных ядер просто невозможно физически. Чтобы прикоснуться к протонной магии, придётся отправится в путешествие подальше от людей. Только отринувши мирскую суету можно будет познать природу настолько глубоко.

Чем дальше от цивилизации и металлических объектов — тем лучше.

Перед стартом позаботьтесь о подставке для катушки. Измерения лучше проводить в метре от поверхности земли или выше, там поле более однородное. Я использовал пластиковую палку и распечатал небольшой крепёж для бутылочки:

Следы на катушке — это излишки суперклея.

Снизу крепления я сделал градуированную шкалу с шагом 22.5 градуса. Дело в том, что максимально эффективно процесс релаксации протонов будет происходить только когда бутылочка ориентирована в направлении на запад или восток. Нормального компаса у меня под рукой не было, и я решил сделать серию измерений, чтобы точно не ошибиться.

Вся установка в одном кадре:

Итак, когда все условия будут соблюдены, после нескольких секунд поляризации вы услышите его:

Первый щелчок на аудио обозначает старт тока через катушку и начало поляризации, а второй возникает при переключении в режим приёма. Именно протяжный угасающий звук колокольчика после второго щелчка — это и есть далёкий чарующий голос протонов, доносящийся из глубокой бездны ядерных масштабов. Длится он целых пару секунд, так что перепутать его с чем-либо ещё будет сложно. Построим в matplotlib спектрограмму этого сигнала:

Это спектры шестисекундного отрывка со стартом от второго щелчка.

Измеренная частота довольно близко оказалась к расчётной! Далее я провёл измерения сигнала в разных положениях поворота бутылочки, чтобы найти заветное направление запад-восток.

Что интересно, частота не сильно менялась от измерения к измерению.

Тут меня ждал сюрприз, так как по ожиданиям должно было быть два максимума за полный оборот, а вместо этого, я получил один. Я провёл два раунда таких измерений, поворачивая бутылку сначала по часовой стрелке, затем против неё, пока не заметил, что вода в ней заметно нагрелась от тока, периодически текущего по катушке, на чём я и решил остановиться. Результаты я представил в виде диаграммы направленности:

График зависимости максимальной амплитуды сигнала от угла поворота бутылочки. По идее тут должна была быть «восьмёрка», но что-то пошло не так.

Такой результат вышел очень занятным, в качестве варианта объяснения, я могу предположить, что бутылочка была слегка под наклоном, а из-за того, что её конструкция не позволяла наполнить её доверху, там был воздушный пузырь, который переходил из одного её конца в другой, меняя количество воды внутри катушки, а соответственно и протонов. На этом мои эксперименты подошли к концу, а вот возможные применения для приборчика — нет.

Ну и зачем это всё?

Итак, полученный девайс не зря называется магнитометром. В первую очередь, он позволяет точно измерить величину магнитного поля планеты, достаточно использовать формулу для расчёта рабочей частоты в обратную сторону (мой результат 50186 нанотесла). Поле Земли непостоянно, и можно следить за его сезонными и годовыми изменениями, чтобы, например не проворонить переполюсовку. Также такой магнитометр можно использовать в археологических изысканиях, чтобы находить следы древних строений и их фундаментов, а ещё строить всякие интересные карты, привязав измерения к координатам GPS.

Далее, можно сделать две такие бутылочки и повесить их на концы длинной палки. В таком случае мы получим металлоискатель, работающий за счёт разницы резонансных частот протонов. Если в магнитном поле будут локальные неоднородности, то такая конструкция позволит их отыскать. Она, кстати, была предложена впервые аж в 1967 году,

за много лет до этих всяких МРТ

Картинка из статьи с примером использования дифференциального ядерного магнитометра — металлоискателя.

Кроме того, никто не заставляет ставить эксперименты только над водой. Можно залить и любую другую жидкость, где есть протоны и измерить резонансные частоты ядер в ней. Кто-то даже строит в таких условиях целые спектры. Конструкцию приёмника, для этого правда, придётся доработать, так как в данной статье она узкополосная.

Если добавить к этой штуке градиентные обмотки и какую-нибудь ардуину, то можно получить простейший аппарат МРТ для применения в полях. Он, конечно, будет очень долгим и разрешение картинок будет оставлять желать лучшего, но зато не требует никакого гелия и записи на приём за неделю.

Итог

Вот такой получился рассказ. Я надеюсь, что вы, как и я оценили объём практической и теоретической работы, который стоит за этим маленьким «дзынь», еле слышимым в наушниках. Квантовый мир хоть и окружает нас повсюду, но в тоже время он такой же далёкий, как и космос. Сегодня мы немного побыли в роли астрономов, которые развернули свои телескопы в другую сторону шкалы масштабов. Мир вокруг нас интересен в каждой мельчайшей детали, и поразительно как при помощи бутылки с водой и мотка проволоки можно немного коснуться самой его сути.

Оригинал

Подписывайтесь на наш блог, чтобы не пропустить новые интересные посты!