ФИЗИКА. Учёные узнали, что напряженность электрического поля в живой клетке составляет несколько миллионов вольт на метр.

Шведские физики придумали, как можно проверить гипотезу о том, что даже кварки и лептоны не являются истинно элементарными частицами, а состоят из преонов. Статья будет опубликована в Physical Review Letters, препринт выложен на arXiv.org.

История элементарности

Адроны (протоны и нейтроны) утратили элементарность в начале шестидесятых годов XX века, когда Гелл-Манн высказал гипотезу о существовании еще "более элементарных" частиц - кварков. Лептоны (частицы типа электрона) элементарность сохранили.

Увидеть столь маленькие объекты в космосе, разумеется, нельзя, но можно обнаружить их по косвенным эффектам: в частности, по искривлению света (а также других электромагнитных волн, особенно гамма-волн) под их гравитационным влиянием.
Используя отдельные фотоны (которые пока еще считаются элементарными частицами), австралийские физики научились проводить исключительно точные измерения длин. Исследователи могут теперь точно зафиксировать разницу длин, которая в десятки тысяч раз меньше диаметра человеческого волоса. Точнее, по их словам, уже практически невозможно: не позволяют законы квантовой механики.

(Изображение авторов исследования нового интерферометра на сайте)

Американские ученые тем временем решили измерить сами фотоны: выяснить, нет ли у них ненулевой массы порядка 10-49 грамм. По современным теориям считается, что нет, но физики придумали новый сверхточный интерферометр, который позволит в очередной раз проверить закон Кулона (сила взаимодействия двух зарядов обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними). Если окажется, что закон Кулона хоть чуть-чуть, да нарушается, то придется внести исправления в основы современной теоретической физики и, в частности, признать массу фотона ненулевой.

Переходя от элементарных частиц к частицам очень маленьким, но все же уже побольше, упомянем бельгийских физиков, которые придумали броуновский холодильник, он же броуновский двигатель. Устройство использует дармовое движение, которым наполнен наш мир: тепловое движение атомов и молекул (им, в частности, вызывается хаотическое движение твердых частиц в газе или жидкости - броуновское движение).



Универсальное броуновское устройство.
Изображение авторов исследования


Устройство состоит из двух микроскопических спиралей особой формы, насаженных на ось и разделенных тонкой мембраной. Одна спираль находится в теплом газе, другая в холодном. Когда устройство работает как двигатель, то внешняя сила к нему не прикладывается. Молекулы теплого газа сталкиваются со спиралью, передавая ей свою кинетическую энергию. Часть этой энергии по оси попадает к нижней спирали, которая передает ее молекулам холодного газа. За счет формы спиралей (сложнее всего, по словам исследователей, было именно определить форму спирали) возникает вращающий момент, и двигатель начинает крутиться. По расчетам, он может делать более тысячи оборотов в секунду - в зависимости от перепада температур.

Когда же устройство работает как холодильник, то к нему прикладывается внешняя сила: вращающая спираль в обратном направлении. Соединенные осью спирали отбирают кинетическую энергию у молекул холодного газа и передают ее молекулам теплого (как и система, действующая в обычном пищевом холодильнике). Устройство может использоваться, например, для охлаждения микросхем в компьютере.

Размер спирали броуновского двигателя-холодильника должен составить не более двенадцати нанометров, а диаметр сферического вольтметра, созданного сотрудниками Мичиганского университета, уже целых тридцать нанометров. По словам исследователей, вольтметр в тысячу раз меньше самого маленького из ранее существовавших измерителей напряжения. Смысл устройства в том, что оно позволило измерить напряженность электрического поля внутри живой клетки.

В клетку вводится не один, а сразу много вольтметров, каждый представляет собой наночастицу, покрытую специальной краской, цвет которой зависит от напряженности электрического поля, в котором она находится. Если направить на частицы поток синего света, они принимают красный и зеленый цвета. Соотношение красного и зеленого в клетке позволяет установить напряженность поля.

До сих пор этого никто не делал: ученым удавалось лишь измерить электрическое поле в клеточной мембране. Предполагалось, что в цитозоле (основном компоненте цитоплазмы) напряженность электрического поля близка к нулю, однако мичиганские исследователи получили совершенно иной результат. Несколько серий измерений показали, что напряженность может достигать 15 миллионов вольт на метр (для сравнения: в обычном доме напряженность электрического поля составляет пять-десять вольт на метр, непосредственно под ЛЭП - десять тысяч вольт на метр). Откуда берутся такие огромные значения и что с ними делать, пока не очень понятно.