Шестой день Фестиваля науки 0+ снова преподнес нам сюрприз. На субботнюю лекцию «СКИФ: на пути к самому яркому месту на Земле» пришли самостоятельно только трое взрослых, другие двое пришли с девятнадцатью…шестиклассниками из лицея №130. Как вы думаете, какая была наша реакция? Мы попросили детей, что когда им будет не интересно, чтобы они не шумели, а тихо встали и ушли. А в результате и во время лекции, и в конце ее лектору задавались самые разные вопросы. Спасибо понятно поданному материалу, иногда помощи из зала от родителя-научного сотрудника, и любознательности не по годам самих школьников. Разумеется, активисты получили призы Фестиваля, переданные нам из Фонда научно-технического развития Новосибирской области — организатора проведения Фестиваля Науки 0+.
Но вернемся к теме встречи с сотрудником ЦКП «СКИФ» и ИЯФ СО РАН — Дарьей Вячеславовной Дороховой. Разговор пошел о «начинке» нового «инструмента», пронизывающего материю до таких глубин, до которых Человечество еще не добиралось. Было рассказано, из чего состоит Сибирский кольцевой источник фотонов, а короче — СКИФ. Пучок света — синхротронное излучение (СИ) — выводится из «бублика», по которому летают электроны, генерирующие эти яркие частицы (фотоны) — на каждую из экспериментальных станций. На первом этапе строительства СКИФа их будет семь. Оборудование для всех станций уже завезли и для каждой станции оно особое, предназначенное для определенных образцов. Поэтому нельзя будет «обойти» очередь на исследования, попросившись на другую станцию, где список ожидания короче.
Пучок перед основным кольцом ускоряют в два этапа: линейный ускоритель, а затем бустер. Бустер — это тоже «небольшой бублик», длина окружности которого составляет 158 м, поэтому целиком из здания его сфотографировать не получится: можно сфотографировать только часть и показать.
Электроны летают почти со скоростью света, а диаметр вакуумной трубы (в которой они, собственно, и летают) 2-3 см. Подставки, на которые ставят магнитные линзы, называются гирдерами. Благодаря тому, что магнитные элементы выставляются очень точно на эти подставки (точность выставки на уровне микрометров), пучок электронов будет долго жить в кольце ускорителя. Каждый элемент системы отвечает за определенную функцию. Дипольные магниты заворачивают пучок, чтобы он летал по кругу (об этом, кстати, юные слушатели догадались сами, упредив объяснение Дарьи). Квадрупольные линзы фокусируют пучок, чтобы он летел ближе к середине линзы. Секступольные линзы корректируют эффект, который возникает из-за сильных полей квадрупольных линз. А вигглер — хитрое устройство, представляющее собой последовательность знакопеременных диполей. Излучение, выходящее из вигглера, более мощное и проникающее и более радиационно опасно.
Лектор ввела понятие «белое излучение», которым обозначили вспышки СИ после пролета электронов через магнит, т.е. неподготовленный для экспериментов пучок излучения. Это излучение настолько мощное, что может прожечь вакуумную трубу, если что-то неправильно сделать. Увы, прецеденты в мировой практике уже были. Поэтому оборудование каналов вывода СИ должно выдерживать высокие тепловые нагрузки (которые могут в 15 и более раз превосходить тепловую плотность на поверхности Солнца.).
Что же такое синхротронное излучение? Это когда электроны разгоняют до околосветовой скорости, а потом резко отклоняют в магнитном поле, именно в этот момент электрон и испускает СИ.
Из зала вопрос: «Почему нельзя собрать электроны и посмотреть на них, когда они «в куче»?» Ответ: «Нельзя, потому что их масса 10-31 кг, и если даже их собрать много вместе, никаким прибором их не увидеть, такие они мизерные. Есть правило, что можно изучать предметы, размер которых соотносится с длиной волны излучения».
Для чего же используется СИ? Это — сверхмощной «микроскоп». Излучение позволяет детально посмотреть, как устроены очень маленькие (микро- и нано- размера) объекты, не повреждая их. Оно происходит очень короткими импульсами 10-6 (микросекунды), 10-9 (наносекунды), а на некоторых установках и 10-15 (фемтосекунды), соответственно. Поэтому оно позволяет снимать «медленное кино» быстропротекающих процессов, таких как взрыв. Кстати, такая станция «Быстропротекающие процессы» уже скоро будет действовать.
Дарья в своей презентации рассмотрела только самые наглядные примеры.
Медицина. Во время пандемии COVID19 трудность борьбы с вирусом заключалась в том, что он молниеносно мутировал, и производство вакцин не успевало за всеми изменениями. Ученые на Шанхайском источнике СИ исследовали с помощью СИ строение разных модификаций вируса и выяснили, что неизменным остается «шип», которым вирус цепляется за здоровую клетку. И тогда была создана эффективная вакцина.
В случае с вирусом Эбола СИ помогло определить фермент, который отвечает за создание вирусом своих копий. Оно проходило раньше так стремительно, что лекарственные препараты не помогали. Была создана вакцина, встраивающая в фермент блокатор, что останавливало процесс копирования.
СИ также помогает достигать успеха в борьбе с раком и с ВИЧ.
Методика HIР-СТ помогает рассмотреть орган как на ладони, поскольку СИ дает разрешение в сотни раз лучше, чем у томографа.
Когда человек заболевает чем-то серьезным, то в настоящее время врачи могут увидеть только макроизменения в его организме, но не микроизменения. С помощью СИ создается атлас органов человеческого тела, который позволит проводить более эффективные диагностику и лечение различных заболеваний. На фотографиях презентации ясно видно поражение легких у пациента, умершего от COVIDа, или сердца после инфаркта.
Еще одним перспективным направлением в использовании СИ является создание микролабораторий на чипе для проведения экспресс анализов.
СИ очень пригодится и для авиации, машиностроения и ракетостроения. Даже краску для электромобилей создают с учетом синхротронных исследований, отчего она становится более стойкой. Т.е. создание новых материалов с требуемыми свойствами является одним из самых важных применением СИ в современном мире
LIGA (от немецкого Литография, Гальванопластика, Формовка) — технология, когда с использованием СИ можно растить очень точные микродетали, изготавливать микродатчики. Уже создаются микротурбины для микродвигателей.
В сельском хозяйстве СИ применяется для получения новых сортов плодовых растений, зерновых, устойчивых к грибковым заболеваниям; исследуют химический состав самих растений и почвы, на которой они выращиваются, т.к. в почве могут быть вредные для человек вещества, которые накапливаются растениями. Лектор привела в пример историю во Въетнаме, когда люди стали поступать в больницу с симптомами отравления. Оказалось, все они поели рис, собранный на определенном поле. Ученые установили, что именно на этом поле произошло скопление мышьяка (As) от находящегося рядом производства. Таким образом, контроль за качеством продуктов питания может успешно выполнять синхротронное излучение.
Удивительные открытия свершаются и при применении СИ в области искусства. При изучении картин Рембрандта оказалось, что ни одна из них не написана так, как изначально задумывал автор. Персонажи или элементы интерьера стирались совсем или заменялись на другие. Ван Гог, получая свои чудесные краски путем смешивания разных химических веществ, конечно, не подозревал, что со временем при обычном галерейном хранении они станут темнеть, менять цвет. Синхротронное излучение и тут придет на помощь, сообщив точный химический состав, что даст понимание специалистам, в какой влажности, при какой температуре и освещенности хранить картины знаменитого голландца.
А еще оно помогает прочитывать древние рукописи, найденные в городе Геркуланум рядом со всем известными Помпеями. Рукописи окаменели, но вы же помните, что рукописи не горят! СИ смогло «прочитать» невидимый для глаза текст, свернутый по спирали, а вычислительные технологии позволили развернуть эти записи! Тем самым нам открылись философские труды древних ученых, которые считались утраченными. Также одним из самых поразительных исследований было обнаружение под христианскими текстами математических записей Архимеда! Это как с современными цифровыми технологиями: ничто, написанное в интернете, нельзя стереть окончательно и бесповоротно. След записей все равно можно отыскать. Так вот, историки сообщили всему миру, что еще за 1800 лет до Ньютона серьезная математика уже существовала.
Дарья рассказала об исследовании еще одних легендарных рукописях: свитках Мертвого моря. Коллекция древних манускриптов впервые была обнаружена в 1946 году в пещерах местности Кумран у самого берега моря, а позже ещё в нескольких местах на Западном берегу реки Иордан. Они хранились в сосудах и стали очень хрупкими. Их очень сложно склеить, а потом разобрать, что же было на них начертано. СИ не только успешно справилось с этим, но и определило, что все ранее проданные в Америку экземпляры оказались подделками, оригиналы благополучно остались в Израиле.
А сколько чудесного произошло в археологии и палеонтологии с приходом СИ! Меняется даже методика раскопок. Если раньше главным было не повредить объект и вынуть его из окружающего грунта, то теперь необходимо собрать и сам этот грунт. Просветив его, можно узнать его химический состав, куда примешались частички древнего животного или растения, можно узнать, чем или кем они питались. Так обнаружилось, что динозавры, жившие на Севере Китая, даже страшный родственник Тираннозавра — Ютираннус (жил на территории Китая в меловой период) был покрыт перьями, похожими на пух. Также интересным открытием было то, что динозавры были разноцветными! Самым ярким примером может служить открытие небольшого пернатого динозавра Цайхун, обитавшего на территории Китая в юрский период. Считается, что развитие перьевого покрова стало эволюционным преимуществом для оперенных динозавров: они стали больше заботиться о своем потомстве и насиживать яйца. Также последние исследования показывают, что многие динозавры болели артритом и чем-то вроде современного гриппа.
Находка окаменевшего куска, в котором виднелась еле различимая пяточка, обернулась неожиданным событием: в одной узкой норе, тесно прижавшись друг к другу погибли от затопления древняя амфибия брумистега и древний предок млекопитающих тринаксодон. Брумистега была ранена, но повреждение ноги уже заживало. Почему они оказались рядом? Снова загадка истории.
Но на этом ошеломительная информация не иссякла: на слушателей обрушились новые данные. Теперь они касались народа Гуанчи с Канарских островов (или «людей Тенерифе»). Люди этого исчезнувшего народа были белокожими, голубоглазыми, с огненно-рыжими или светлыми волосами, отличались высоким ростом. Установлено их ближайшее родство с северными берберами, имеющими зеленые глаза и светлую кожу. Всегда считалось, что гуанчи уничтожила туберкулезная палочка, но сейчас выяснилось, что у них уже был иммунитет к туберкулезу. Значит, причину нужно искать в другом.
Естественно, что было рассказано и об исследованиях мумии, найденной нашими археологами на плато Укок на Алтае; они были захоронены в III-IV тысячелетиях до нашей эры. Также на лекции мы немного познакомились с древней культурой Чинчорро. Их мумии еще более древние, чем древнеегипетские, были найдены в Южной Америке. Представители этой культуры мумифицировали своих предков еще в IX тысячелетии до нашей эры. СИ помогло узнать, что их ритуальные краски содержали все тот же мышьяк (As), что приводило к ранней смертности.
Все пересказать, что мы еще услышали в прошедшую субботу об открывшемся благодаря СИ «окне» в мир реальный или ушедший, не представляется возможным. Лучше ждите новых выступлений Дарьи Вячеславовны Дороховой и приходите на них!
И не забывайте задавать вопросы, не бойтесь их задавать, какими бы глупыми они вам ни казались. Об этом Дарья всегда просит свою аудиторию, особенно школьную. Ведь именно так случаются открытия, когда любопытство пересиливает доводы разума и уже известного знания.
