7 мин
10 августа 2018 г.

Подробный разбор теста «Открытой лабораторной»

Остались вопросы после испытания? Давайте разберемся!
Автор: Александр Сергеев

Если вы здесь, то наш тест в преддверии «Открытой лабораторной-2019» не прошел зря! Вы заинтересовались научными процессами, о которых рассказывается в испытании (или вы не согласны с ответом). Надеемся, из этого разбора все станет ясно. Если нет, – свяжитесь с нами через Вконтакте или Facebook. Мы довольно быстро отвечаем. 

 

Вопрос 1. В любом органическом веществе есть углерод.

Ответ: Да.

Впервые понятие «органическая химия» ввел в 1806 году Йёнс Якоб Берцелиус, определив ее как «часть физиологии, которая описывает состав живых тел вместе с химическими процессами, происходящими в них».

Близкое к современному пониманию определение органической химии предложено в 1865 году Фридрихом Августом Кекуле — это «химия соединений углерода», что отражено уже в самом названии этого труда, которое переводится как «Учебник органической химии, или химии углеродистых соединений».

Однако сегодня понимание органической химии перестало быть таким однозначным. К органическим веществам обычно не относят простые соединения углерода, такие как CO2. Далеко не все химики признают органикой хлорорганические соединения, например четыреххлористый углерод CCl4. Многие карбонаты и гиброкарбонаты традиционно считаются неорганическими (например, CaCO3, NaHCO3). Соединения, состоящие только из атомов углерода — фуллерены, фуллерит, графен — также не считаются органическими. Наконец, несмотря на заметное содержание углерода, никто не сочтет органикой углеродистую сталь.

Многие химики подразумевают под органическими соединениями такие, в которых есть связь C–H. Есть и такие, кто требуют, чтобы были также и связи С–С, в таком случае метан CH4 не считается органическим соединением.

Таким образом, при любом понимании в органическом соединении обязательно должен быть углерод, но далеко не всякое соединение углерода является органическим.

Примечание. Некоторые авторитетные ученые считают, что мир химических соединений, не уступающий по сложности и разнообразию органической химии, может формироваться не только на «скелете» из атомов углерода, но и на базе атомов с близкими к углероду свойствами, например, кремния. Однако кремнийорганические соединения не называют органическими, по крайней мере, если об этом не сделано специальной включающей оговорки.

 

Вопрос 2: Летом Эйфелева башня выше, чем зимой.

Ответ: Да.

Это связано с тепловым расширением металла. Коэффициент теплового расширения стали составляет примерно 12×10-6-1. Это значит, что с каждым градусом высота Эйфелевой башни увеличивается примерно на 0,001%.

Средний перепад температур между январем и июлем в Париже составляет 22°C (от +2°C до +24°C). При высоте Эйфелевой башни 324 м получается изменение высоты на 12×10-6·22·324 = 0,085 м = 8,5 см.

Абсолютные рекорды температуры в Париже составляют −25,6°С и +39,3°С, что дает разницу 64,9°C, которой соответствует изменение высоты на 25 см.

Примечание. Под действием солнечного света разные стороны Эйфелевой башни нагреваются неодинаково. Поэтому с солнечной стороны ее конструкция расширяется сильнее, чем с обратной. Из-за этого верхушка башни может отклоняться в бок на величину до 18 см. Это превосходит максимальное отклонение вершины башни под действием ветровых нагрузок (12 см).

 

Вопрос 3: Вселенная расширяется с ускорением.

Ответ: Да.

То что наша Вселенная не может быть статической, а должна как целое расширяться или сжиматься, было независимо предсказано Жоржем Леметром и Александром Фридманом на основе общей теории относительности Эйнштейна через несколько лет после ее опубликования. Однако тогда никто не воспринял эти выводы всерьез.

В 1929 году Эдвин Хаббл открыл разбегание галактик. Он измерял расстояния до галактик и красные смещения в их спектрах. По эффекту Доплера он определял скорости их приближения или удаления и сопоставлял с расстояниями. Оказалось, что большинство галактик удаляется от нас, причем, чем дальше находится галактика, тем быстрее она удаляется. Это не значит, что мы находимся в центре Вселенной, откуда разлетаются все галактики, а объясняется тем, что расстояния между всеми галактиками пропорционально увеличиваются со временем (кроме галактик, образующих гравитационно связанные системы). Когда это явление было сопоставлено с работами Леметра и Фридмана, оно получило название космологического расширения Вселенной.

До конца XX века считалось, что космологическое расширение идет с замедлением, поскольку взаимное гравитационное притяжение галактик тормозит их разлет. Вопрос стоял лишь о том, достаточно ли быстро идет это замедление, чтобы расширение со временем остановилась и сменилось сжатием.

Однако в самом конце XX века, в 1998 году, Сол Перлмуттер с коллегами по вспышкам сверхновых звезд в других галактиках измерил расстояния до очень далеких галактик, находящихся на расстоянии в миллиарды световых лет, и обнаружил, что скорость расширения Вселенной не уменьшается, а наоборот, постепенно возрастает. За это открытие в 2011 году Перлмуттер получил Нобелевскую премию.

Возможность такого ускоренного расширения Вселенной к тому времени уже рассматривалось космологами теоретически. В рамках общей теории относительности его можно объяснить, допустив, что само пространство, то есть физический вакуум, содержит некую энергию, подчиняющуюся особому уравнению состояния. Эта энергия никак не проявляется, кроме специфического гравитационного отталкивания, величина которого определяется уравнениями Эйнштейна. Поскольку эту энергию невозможно непосредственно наблюдать, она получила название темной энергии. Гравитационное отталкивание, вызванное темной энергией, компенсирует и даже превосходит гравитационное притяжение галактик, тормозящее их разбегание. По современным оценкам, на темную энергию приходится около 70% всей массы Вселенной.

На сегодняшний день представление о темной энергии, вызывающей ускоренное расширение Вселенной, является общепринятым в космологии. Однако некоторые неспециалисты высказывают сомнения в существовании темной энергии, поскольку такая необнаружимая сущность кажется им умозрительной выдумкой. Здесь уместно провести аналогию с массой покоя. В XIX веке физики уже хорошо представляли себе различные виды энергии: кинетическую, потенциальную, тепловую, электрическую, химическую. Однако в 1905 году, когда Эйнштейн опубликовал свою специальную теорию относительности, оказалось, что в самой по себе массе покоящегося вещества заключена энергия, которая в триллионы раз превосходит все остальные виды энергии, с которыми к тому времени уже сотни лет работали физики. Теперь мы говорим, что это энергия, эквивалентная массе покоя вещества.

Дальнейшие исследования показали, что Вселенная расширялась с ускорением не с самого начала. Первые 8 млрд лет, пока плотность вещества во Вселенной была достаточно высока, его гравитационное притяжение превышало отталкивание, вызываемое темной энергией. Однако с расширением Вселенной плотность вещества уменьшалась, а плотность темной энергии не менялась, поскольку она является неотъемлемым свойством самого пространства, и ее плотность не уменьшается при космологическом расширении. В результате примерно 5 млрд лет назад плотность вещества во Вселенной упала настолько, что отталкивание, вызванное темной энергией, стало доминировать над гравитационным притяжением вещества, и Вселенная стала расширяться ускоренно.

 

Вопрос 4: Все металлы прочнее дерева.

Ответ: Нет.

Есть много мягких металлов, которые уступают по прочности почти любому дереву, а ртуть в нормальных условиях и вовсе находится в жидком состоянии.

Самые мягкие металлы — щелочные (из первой группы таблицы Менделеева): цезий, рубидий, калий, натрий и литий. По твердости они не дотягивают даже до первой ступени шкалы Мооса*. Например, натрий по прочности сравним со стирательной резинкой или твердым сыром. Он без большого усилия разрезается ножом. Немного тверже индий, который соответствует первой ступени шкалы Мооса. Олово и галлий находятся между первой и второй ступенями по Моосу, они легко царапаются ногтем.

Твердость дерева по шкале Мооса не оценивают, так как она предназначена для минералов. Однако даже бруском из дерева мягких пород (ель, сосна) легко можно, например, расплющить слитки упомянутых металлов. А на таких твердых породах как самшит или белая акация нельзя оставить след ногтем.

Примечания. Вообще прочность — это очень широкое понятие, которое не ограничивается твердостью, а означает способность материала сопротивляться разрушению под воздействием внешних сил. Поэтому у прочности нет универсальной общей меры. Различают статическую прочность (способность выдерживать длительную постоянную нагрузку) и динамическую (при циклических переменных нагрузках). Поскольку есть много способов разрушения материалов (хрупкость, усталость, ползучесть, износ, коррозия), то и видов прочности тоже много. И далеко не во всех случаях металлы оказываются прочнее дерева.

* Шкала твердости Мооса использует сравнение с 10 эталонными минералами — от талька и гипса до корунда и алмаза по способности материалов оставлять царапины на поверхности друг друга.

 

Вопрос 5: Спутники-шпионы видят с орбиты номера машин на Земле.

Ответ: Нет.

У лучших спутников разрешение не превосходит 15-20 см. Для достижения более высокого разрешения пришлось бы запускать на низкую орбиту телескопы с зеркалами многометрового диаметра. Таких нет, в противном случае их было бы видно с Земли. Знаки на типичных номерах машин имеют размер около 10 см и потому неразличимы на космических снимках.

Разрешающая способность оптических приборов имеет фундаментальные ограничения, связанные с явлением дифракции, в котором проявляется волновая природа света. Световые волны огибают препятствия, в частности, края объектива, что приводит к размытию изображения.

Для оптических инструментов дифракционный предел углового разрешения рассчитывается в соответствии с критерием Рэлея: минимальное угловое расстояние в радианах между двумя различными точками составляет ψ = 1,2·λ/D, где λ — длина волны света, а D — диаметр объектива. Характерная длина волны света составляет 400 нм. При диаметре объектива 1 м получаем угол 0,0000005 радиана или 0,1" (одна десятая секунды дуги). Высота, на которой работают спутники-шпионы, составляет не менее 300 км, иначе эти дорогие аппараты будут слишком быстро сходить с орбиты. В этом случае разрешению 0,1" соответствует 15 см на поверхности Земли.

С ростом диаметра объектива дифракционный предел снижается в обратной пропорциональной зависимости. Точные характеристики спутников шпионов во всех странах засекречены, однако есть косвенная информация, что диаметр 2,4 м для главного зеркала орбитального телескопа «Хаббл» был унаследован им от разведывательных спутников. Если это так, то дифракционный предел разрешения для спутников шпионов составляет 6-7 см. На практике, однако, разрешение еще несколько ниже из-за помех, создаваемых земной атмосферой. Поэтому лучшие космические снимки земной поверхности имеют разрешение 15-20 см.

Повысить разрешение можно было бы, увеличив диаметр объектива. Однако существенно более крупные инструменты были бы хорошо видны с Земли. Кроме того технология вывода на орбиту зеркал такого размера пока не отработана. Первым космическим оптическим инструментом с диаметром зеркала больше чем у «Хаббла» должен стать телескоп «Джеймса Вебба», запуск которого запланирован на 2019 год. У него будет составное зеркало диаметром 6,5 м.

 

Вопрос 6: Целая семья может позавтракать всего одной животной клеткой.

Ответ: Да.

Обычно говорят, что самые крупные животные клетки — это яйца птиц. А среди яиц самые крупные — страусиные. Яйцо страуса весит 1,5-2 кг, как три десятка куриных яиц. Однако формально клеткой является не все птичье яйцо, а только его желток, на который приходится лишь около четверти массы. В случае страусиного яйца это соответствует 7-8 куриным яйцам. Этого вполне достаточно для приготовления яичницы на четверых человек.

По своему происхождению именно желток яйца является разросшейся яйцеклеткой. В желтке есть ядро и цитоплазма, а от окружающей среды он отгорожен фосфолипидной мембраной. Так что с морфологической точки зрения желток является клеткой. Слой же белка, а затем и скорлупа образуются вокруг желтка в процессе движения по яйцеводу птицы, и частью клетки они не являются.

С функциональной точки зрения, всё еще сложнее, поскольку при развитии зародыша желток как целое не делится, делится только содержащая ядра небольшая «шапочка» (зародышевый диск). На первых порах они от желтка не отгорожены, и лишь впоследствии отгораживаются мембраной.

Примечание. Хотя желток и можно считать клеткой, против такой точки зрения можно выдвинуть и некоторые возражения. Желток не функционирует как единая клеточная система, а признается клеткой лишь потому, что образовался из одной яйцеклетки и не разделен мембранами на части. Но, например, в поперечнополосатой мышечной ткани миллионы клеток соединяются цитоплазматическими мостиками, то есть не полностью отделены друг от друга мембранами. Это, однако, не дает основания считать мышцу одной клеткой.

 

Вопрос 7: Все вещества состоят из молекул.

Ответ: Нет.

Во многих кристаллах (например, в поваренной соли — NaCl) атомы чередуются в определенном порядке, не образуя отдельных молекул. А если такой кристалл растворить в воде, то вместо молекул NaCl в растворе образуются лишь (гидратированные) ионы Na+ и Cl−. Металлы представляют собой кристаллы из положительных ионов, заполненные вырожденным электронным газом. Никаких молекул в металле не наблюдается. Большинство ковалентных кристаллов (например, алмаз или сульфид цинка) представляют собой одну «молекулу» на весь объем кристалла. Наконец, инертные газы не образуют молекул и состоят из отдельных атомов.

Примечание. В процессе обсуждения данного вопроса со специалистами выяснилось, что в разных областях используются несколько различающиеся определения молекул. Для физиков молекула — это обычно минимальная частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Поэтому физики нередко говорят об одноатомных молекулах инертных газов или паров металлов. Однако, для большинства химиков молекула — это по определению совокупность как минимум двух атомов, связанных ковалентной связью, и, соответственно, инертные газы состоят из атомов, а не из молекул. Впрочем, в некоторых случаях, например, когда подсчитывается баланс химических реакций, химики готовы говорить о номинальных молекулах (например, NaCl), которые не существуют как отдельные физические объекты. Все это — хорошая иллюстрация того, что в разных областях один и тот же термин может использоваться по-разному.

 

Вопрос 8: Полярная звезда — самая яркая на ночном небе.

Ответ: Нет.

Полярная звезда — по-видимому, самая известная из звезд ночного неба. Однако известна она не благодаря своей яркости, а благодаря особому положению. Она находится всего в одном градусе от северного полюса мира — точки, вокруг которой происходит видимое вращение звездного неба, вызванное вращением Земли вокруг своей оси. Благодаря этому положение Полярной звезды на небе в течение суток практически не меняется, и она всегда находится в северной стороне небосвода. Это делает Полярную звезду удобный для ориентировки и навигации.

Что же касается самой яркой звезды, то это Сириус (альфа Большого Пса), имеющий звездную величину −1,5m. А среди звезд северного полушария неба рекорд блеска принадлежит Арктуру (альфе Волопаса). Он имеет нулевую звездную величину (0m) и занимает четвертое место среди всех звезд.

Впрочем, в некоторых случаях, Полярная звезда все-таки может оказаться самой яркой на ночном небе. Достаточно, чтобы другие яркие звезды не были видны. Например, если вы находитесь на Северном полюсе, и при этом поднимается дымка, которая ограничивает видимость всех звезд, кроме небольшой области в зените, Полярная звезда, имеющая звездную величину +2,0m, может оказаться вне конкуренции.

Примечание. Полярная звезда не всегда будет находиться вблизи Северного полюса мира. Вследствие прецессии земная ось описывает конус, а полюс мира перемещается по небе по окружности диаметром 47°. Полный круг он проходит за 26000 лет. Из-за этого 5000 лет назад роль Полярной звезды играла альфа Дракона, через 2000 лет эта роль перейдет к гамме Цефея.

 

Вопрос 9: С антибиотиками всегда надо принимать пробиотики для восстановления кишечной микрофлоры.

Ответ: Нет.

Пробиотики — это не лекарства, а пищевые добавки, содержащие живые культуры микроорганизмов, которые, как считается, способствует нормализации или повышению биологической активности нормальной микрофлоры кишечника. Существует мнение, в том числе его придерживаются и некоторые врачи, что пробиотики всегда должны применяться совместно с антибиотиками, поскольку последние нарушают нормальную работу кишечной микрофлоры. Это мнение, однако, не имеет достаточных научных оснований.

Во-первых, не все антибиотики действительно сильно влияют на кишечную микрофлору. Многие из них нацелены против грибов или бактерий, которые в нее не входят.

Во-вторых, клиническая эффективность пробиотиков пока убедительно не доказана даже в тех случаях, когда применяемый антибиотик действительно оказывает негативное воздействие на кишечную микрофлору, тем более, что она, как правило, очень быстро восстанавливается самостоятельно.

Примечание. Поскольку практически нет антибиотиков узкого спектра действия, какое-то влияние на кишечную микрофлору они все же оказывают, а отсутствие доказательств клинической эффективности пробиотиков убеждает не всех врачей. Поэтому многие продолжают рекомендовать принимать пробиотики во время и после приема антибиотиков, хотя для этого и нет достаточных оснований.

 

Вопрос 10: Ядра атомов состоят из протонов, нейтронов и электронов.

Ответ: Нет.

Из протонов, нейтронов и электронов состоят атомы в целом. Однако, атомные ядра состоят только из протонов и нейтронов (в случае водорода только из одного протона), которые собирательно называются нуклонами (от слова nucleus — ядро). Электроны же занимают окружающее ядро орбитали, которые имеет поперечник примерно на 4 порядка (в 10000 раз) больше размеров ядра.

Примечание. Подробное описание строения атома является до известной степени упрощением. В действительности сами нуклоны представляют собой сложные системы: каждый из них состоит из трех кварков, которые взаимодействуют между собой, обмениваясь глюонами — квантами поля, отвечающего за сильное ядерное взаимодействие. Также именно глюоны обеспечивают притяжение между нуклонами в ядре.

 

Вопрос 11: Автомобили за год выбрасывают больше углекислого газа, чем вулканы.

Ответ: Да.

В результате человеческой деятельности в последнее время в атмосферу ежегодно выбрасывается 31-32 млрд тонн углекислого газа. Вклад автомобилей в этот показатель составляет около 20%, то есть примерно 6 млрд тонн. Вулканы же выбрасывают в среднем всего 300 млн тонн CO2 в год, то есть около 1% от всех антропогенных выбросов и 5% от автомобильных выбросов.

Объем автомобильных выбросов CO2 нетрудно прикинуть на пальцах, используя элементарные общедоступные данные. На Земле около миллиарда автомобилей. Каждый из них в среднем проходит около 20 тыс. км в год, расходуя на это около 2 тонн углеводородного топлива. На все машины вместе получается около 2 млрд тонн. При сгорании топливо дает примерно втрое больше по массе CO2 т.к. на каждый атом углерода в составе углеводородов приходится примерно 14 атомных единиц массы, а в составе CO2 — 44 а.е.м., то есть в 3 раза больше. Отсюда - общие выбросы автотранспорта — около 6 млрд тонн.

Примечание. В истории Земли известны катастрофические вулканические извержения, которые выбрасывали сотни кубических километров пород и соответственно триллионы тонн вещества. И хотя CO2 составляет лишь незначительную часть этого вещества, столь мощное извержение могло бы составить конкуренцию автомобильным выбросам, но только в тот год, когда оно произошло. Однако такие извержения происходят крайне редко. Приведенная цифра 300 млн тонн в год уже учитывает усредненный эффект крупных извержений, которые случаются примерно раз в 10 лет. На них приходится менее 10% общих вулканических выбросов CO2. Регулярные измерения содержания CO2 в атмосфере не обнаруживают практически никакого влияния крупных извержений.

 

Вопрос 12: Лягушки и жабы могут заразить людей бородавками.

Ответ: Нет.

Это миф, возникший из-за того, что на коже этих амфибий есть характерные наросты, внешне напоминающие бородавки. Лягушки и жабы не могут заразить человека бородавками, как правило, их вызывают папилломавирусы человека.

 

Вопрос 13: Один бит — это минимальная возможная порция информации.

Ответ: Нет.

У тех, кто начинает знакомиться с устройством компьютеров, обычно складывается впечатление, что информация по своей природе дискретна, а бит является минимальной возможной ее порцией. Это, однако, верно лишь применении к устройству запоминающих устройств двоичных цифровых компьютеров. Их память действительно состоит битов, которые имеют вполне конкретную физическую реализацию. Однако с точки зрения математической теории информации количество информации является непрерывной величиной, аналогичной понятию энтропии в физике.

Количество информации, переданное по каналу связи не обязательно равно числу посланных по нему двоичных сигналов. Сами сигналы могут и не быть двоичными, а сообщение может нести любое количество битов, в том числе нецелое, в том числе меньше 1 бита. Двоичное сообщение (да/нет) несет 1 бит информации лишь при условии, что оба варианта являются равновероятными в потоке сообщений. Если же один из вариантов более вероятен, то сообщение о нем принесет менее 1 бита информации.

Рассмотрим лотерею, в которой с равной вероятностью выигрывает 1 из 10 номеров. Мы ставим на определенный номер и хотим, чтобы нам сообщали, выиграли мы или проиграли в каждом розыгрыше. Казалось бы, на каждый розыгрыш надо передать 1 бит: 0 — проиграл, 1 — выиграл. Однако мы азартные игроки и играем сразу сериями. Поэтому просим сообщать результаты не отдельно по каждому розыгрышу, а сразу за два последовательных.

В двух розыгрышах возможно 4 исхода со следующими вероятностями:
- выиграл-выиграл — 1%
- выиграл-проиграл — 9%
- проиграл-выиграл — 9%
- проиграл-проиграл — 81%

Теперь вместо того, чтобы кодировать каждый исход одним битом, поступим немного хитрее. Самый вероятный вариант «проиграл-проиграл» будем кодировать нулем (0). Вариант «проиграл-выиграл» будем передавать как 10. На случай «выиграл-проиграл» используем код 110. И, наконец, самый редкий случай «выиграл-выиграл» кодируем как 1110. Все коды заканчиваются нулем, так что с расшифровкой мы не ошибемся. Итак:
- выиграл-выиграл — 1% — 1110
- выиграл-проиграл — 9% — 110
- проиграл-выиграл — 9% — 10
- проиграл-проиграл — 81% — 0

Теперь можно подсчитать среднее количество битов, которое будет нами передаваться для сообщения об исходе двух розыгрышей лотереи:

1×81% + 2×9% + 3×9% + 4×1% = 0,81 + 0,18 + 0,27 + 0,04 = 1,3

Оказывается, чтобы передать сообщение об исходе 100 розыгрышей нам в среднем понадобится не 100, а всего 65 битов. Это значит, что сообщение об исходе одного розыгрыша несет не более чем 0,65 бита информации. (В действительности меньше, так как мы использовали не самый эффективный метод кодирования.)

В нашем примере возможность сжатия потока сообщений определяется тем, что сообщения «выиграл» и «проиграл» неравновероятны. Двоичное сообщение да/нет или 0/1 несет 1 бит информации лишь в том случае, когда оба варианта встречаются с равной вероятностью, Если же их вероятности различаются, то в каждом двоичном сообщении будет в среднем меньше 1 бита информации.

Описанный здесь способ кодирования близок к так называемому коду Хаффмана, который применяется во многих архиваторах. Принцип состоит в том, что в сжимаемом файле отыскиваются повторяющиеся последовательности битов, и тем которые встречаются часто, назначаются короткие кодовые последовательности, а редким — длинные.

Примечание. Есть очень простой способ показать, что сообщение может нести нецелое число битов информации. Допустим, мы бросаем игральную кость в форме октаэдра, имеющую восемь равновероятно выпадающих граней и сообщаем полученный результат по двум каналам связи. В первом канале используется двоичная система счисления, и там для кодирования одного из 8 вариантов достаточно 3 битов. В другом канале применяется троичная система и передаются триты — сигналы, несущие значения 0, 1 или 2. Здесь нам с запасом хватит двух тритов, поскольку ими можно закодировать даже не 8, а 9 разных вариантов (один из них мы использовать не будем). Раз для передачи трех битов с избытком хватает двух тритов, значит каждый трит содержит больше 1,5 бита информации.

Теперь допустим, что нам надо передать результаты лотереи, в которой из лототрона вынимается 1 из 27 шаров. 27 — это 3 в кубе, то есть, для передачи каждого сообщения нам хватит 3 тритов. В двоичном же канале понадобится 5 битов, которые могут кодировать 32 разных варианта (пять из них мы использовать не будем). Таким образом, 5 битов несут больше информации, чем 3 трита. А значит, один трит несет меньше, чем 5/3 = 1,67 бита.

Вывод: 1,5 бита < 1 трит < 1,67 бита. То есть трит (сообщение в троичной системе счисления) несет нецелое число битов.

 

Вопрос 14: Источником головной боли не являются ткани мозга.

Ответ: Да.

В тканях мозга нет болевых рецепторов. Они есть в стенках кровеносных сосудов, в мышцах и коже головы, а также в мозговых оболочках, покрывающих мозг: твердой, паутинной и мягкой. Пользуясь отсутствием болевых рецепторов в мозге, медики иногда оставляют пациентов в сознании во время операции на мозге и даже разговаривают с ними.

Примечание. Это задание вызвало бурную дискуссию среди составителей. Дело в том, что боль является субъективным ощущением и поэтому суждения о локализации ее источника могут существенно различаться с точки зрения пациента и врача, который стремится снять болевой синдром или использует его в диагностических целях.

Локализация боли сильно зависит не только от расположения болевых рецепторов, но и от того, как пролегают в теле нервные волокна, несущие болевые сигналы в мозг. При многих нарушениях, боль проецируется пациентом на области тела, которые сами по себе могут быть не затронуты патологическим процессом.

Также локализация боли зависит от образа собственного тела у пациента. Отсюда так называемые фантомные боли, когда у человека болит ампутированная конечность, а также более общий случай мнимых болей, когда болевой синдром возникает в отсутствие объективно наблюдаемой физиологической причины.

В некоторых случаях пациент может ощущать головную боль как локализованную глубоко внутри мозга. Однако, как было отмечено, сами ткани мозга не могут посылать болевые сигналы ввиду отсутствия болевых рецепторов. То есть, если у пациента возникает ощущение, что болит сам мозг, это можно считать иллюзией восприятия, подобно фантомным болям.

И все же тут надо сделать важную оговорку: даже если ощущение боли в мозгу с психофизиологической точки зрения является иллюзией, саму эту иллюзию порождает мозг пациента. И в этом смысле источником боли является сам мозг, однако не на уровне физиологии его тканей, а на уровне от обработки сигнальной информации до работы сознания.

 

Вопрос 15: Горение водорода на Солнце происходит без участия кислорода.

Ответ: Да.

Строго говоря, термин «горение» означает самоподдерживающийся химический процесс окисления, протекающий при высокой температуре с выделением энергии, которая поддерживает эту температуру. В составе Солнца очень мало кислорода, который мог бы обеспечивать химическое горение. Кроме того, химическое горение на Солнце невозможно, поскольку при характерных для него температурах не могут существовать молекулы, которые являются продуктами такого горения.

Энерговыделение Солнца обеспечивается не химическими, а термоядерными реакциями превращения водорода в гелий, которые протекают в его ядре. Однако это тоже высокотемпературный процесс, самоподдерживающийся за счет выделяемого им тепла, и поэтому о нем часто говорят как о горении, хотя и в переносном смысле. Кислород для термоядерного горения водорода не требуется и в качестве продукта реакции тоже не образуется.

Энерговыделение термоядерной реакции в расчете на единицу массы исходного вещества примерно в 40 млн раз выше энерговыделения химического горения водорода. Если бы Солнце черпало энергию в химических реакциях, продолжительность его жизни составляла бы не миллиарды лет, а лишь около тысячи.

Примечания:

1. На поздних стадиях эволюции Солнца, через 6,5 млрд лет, горение к водорода в его ядре сменится горением гелия, который будет превращаться в углерод, а в дальнейшем и в кислород. Солнце при этом значительно увеличит свою светимость и вырастет в размерах, став красным гигантом. Именно такие ядерные реакции в звездах предыдущего поколения наработали тот кислород, которым мы дышим. В конце жизни этих звезд часть их вещества, обогащенного кислородом была рассеяна в окружающей среде и вошла в состав звезд и планет, которые образовались из него в дальнейшем.

2. Строго говоря, примерно 2% солнечной энергии вырабатывается в ходе так называемого углеродно-азотного цикла, продолжительность которого составляет более 300 млн лет. На одном из его этапов возникает неустойчивое ядро кислорода-15, среднее время жизни которого составляет около 2 минут.)

 

Вопрос 16: Человек умнее животных, потому что у него больше нейронов в мозге.

Ответ: Нет.

Понятие «умнее», конечно, не является строгим научным термином, но примерно соответствует используемому в психологии понятию «интеллект», хотя и к понятию интеллекта тоже есть много разных подходов. И все же мы хорошо понимаем, что человек обладает определенными способностями к языку, абстрактному мышлению и творческому поиску, каких не наблюдается ни у каких других животных. Естественно, возникает вопрос о причинах столь существенных отличий.

Раньше интеллект пытались связать с размером мозга. Однако у африканского слона мозг в 3 раза больше, чем у человека, и нейронов у слона тоже втрое больше — 257 млрд. Правда, почти все они находятся в гигантском мозжечке, а на кору полушарий приходится лишь 5,6 млрд. Но и по нейронам коры человек не является чемпионом — в коре мозга черного дельфина 37 млрд нейронов, тогда как у человека их почти в два раза меньше. Таким образом, интеллект не связан жестко ни с размером мозга, ни с количеством клеток в нем.

И раз простые количественные характеристики мозга не позволяют объяснить интеллектуальное превосходство человека, остается сделать вывод, что определяющую роль играют какие-то архитектурные особенности. Причем эти архитектурные особенности являются достаточно тонкими, поскольку в общих чертах строение мозга человека и, скажем, других приматов вполне сопоставимо.

Примечание. В мозге человека всего на порядок больше нейронов, чем транзисторов в процессорах современных компьютеров. А поскольку число транзисторов в новых процессорах удваивается каждые два года, через 10 лет их число будет сравнимо с числом нейронов в человеческом мозге. А суперкомпьютеры с десятками тысяч процессоров уже давно превосходят человека по числу элементов. Однако для получения искусственного интеллекта, сравнимого с человеческим, числа элементов самого по себе недостаточно, нужна иная архитектура на уровне процессора или программного обеспечения, и мы пока не знаем, какая именно.

 

Вопрос 17: Вся используемая компьютером электроэнергия превращается в тепло.

Ответ: Да.

Компьютер не совершает никакой работы, которая могла бы приводить к долгосрочному увеличению потенциальной или кинетической энергии материальных тел. Поэтому в практическом смысле вся потребляемая компьютером, энергия переходит в тепло.

Это особенно впечатляюще проявляется на примере модной в последнее время деятельности по майнингу биткойна и других криптовалют. Биткойн-транзакции удостоверяются посредством алгоритма, который требует очень трудоемкого поиска специальных хэш-кодов. Это делается методом случайного перебора. Майнерские компьютеры по всему миру ежесекундно проверяют десятки квинтиллионов (1018) хэшей, расходуя на это столько энергии, сколько потребляет вся Новая Зеландия с пяти миллионным населением — более 40 тераватт-часов в год. Все эта энергия целиком переходит в тепло.

Примечание. При очень дотошном подходе к делу необходимо сделать несколько оговорок.

1. Если компьютер соединить с исполнительными механизмами, например, с лифтом или зарядным устройством для аккумуляторов, то часть потребляемой системой энергии будет переходить не в тепло, а в другие формы — кинетическую, потенциальную, электрическую или химическую. Однако в этом случае компьютер следует рассматривать отдельно от исполнительных устройств, занимающихся преобразованием энергии.

2. При записи информации в долговременную, например магнитною память, часть энергии компьютер расходует на изменение потенциальной энергии, содержащейся в ячейках памяти. Однако величина запасаемой в памяти энергии пренебрежимо мала, и, кроме того, если в память записываются реальные данные, то в них содержится примерно одинаковое количество нулей и единиц, а значит, в целом потенциальная энергия накопителя информации практически не будет меняться.

3. Часть энергии компьютеры испускают в виде электромагнитного излучения: радиоволн Wi-Fi-адаптеры, оптического излучения экраны и светодиодов. Однако это излучение практически полностью поглощается в ближайших окрестностях компьютера и превращается в тепло.

 

Вопрос 18: В дни солнцестояния день равен ночи.

Ответ: Нет.

День равен ночи в дни равноденствий (весной и осенью) — потому они так и называются. А в дни солнцестояний (летом и зимой) разница в продолжительности дня и ночи максимальна.

Слово «солнцестояние» отражает тот факт, что вблизи этих дней удаление Солнце от небесного экватора (склонение) достигает максимума и останавливается, прежде чем начать уменьшаться. Именно из-за этого замирания на максимальном удалении от экватора день зимнего солнцестояния долгое время остается очень коротким, а вблизи летнего солнцестояние — наоборот длинным.  

 

Вопрос 19: В 2011 году Всероссийский центр изучения общественного мнения провел опрос, согласно которому 32% россиян считают, будто Солнце обращается вокруг Земли. Мы уверены, что вы подобной ошибки не допустите. Но знаете ли вы, какие наблюдаемые с Земли явления подтверждают, что наша планета обращается вокруг Солнца, а не наоборот?

Ответ: A (Небольшие ежегодные смещения звезд на небе).

Смена времен года происходила бы и при вращении Солнца вокруг Земли с наклоненной осью. Затмения и полеты спутников на низких орбитах возможны и в геоцентрической модели. Наиболее явный признак движения Земли вокруг Солнца — небольшие периодические (ежегодные) смещения звезд на небе. Они связаны с двумя эффектами.

(1) Годичная аберрация. Скорость движения Земли по орбите (30 км/с) складывается (векторно) со скоростью идущего к ней звездного света. Из-за этого звезды на небе немного смещаются в направлении движения Земли, подобно тому, как капли вертикально падающего дождя оставляют косые следы на стекле едущей электрички. Наблюдаемое направление отклонения за полгода меняется на противоположное, отчего положения всех звезд на небе немного меняются. Годичная аберрация была открыта в 1727 году и стала первым прямым подтверждением вращение Земли вокруг Солнца. Максимальная величина годичной аберрации — ±20”.

(2) Годичный параллакс: за полгода Земля перемещается на противоположную сторону своей орбиты вокруг Солнца и земной наблюдатель смотрит на звезды уже из другой точки пространства. Расстояние между этими точками составляет 300 млн км. Из-за этого перемещения кажется, что более близкие звезды немного сдвигаются на фоне очень далеких, подобно тому, как рука перемещается на фоне пейзажа, если смотреть на нее поочередно левым и правым глазом. Параллактические смещения звезд были впервые измеренный в тридцатых годах XIX века. Они служат наиболее надежным способом измерения расстояния до звезд, Однако даже для самых близких звезд параллаксы и не превосходит 1 угловой секунды.

Примечание. Есть еще одно наблюдение, непосредственно подтверждающее факт движения Земли вокруг Солнца — периодический доплеровский сдвиг линий в спектрах звезд. Когда Земля движется по орбите в сторону звезды, линии в ее спектре смещаются в голубую сторону, а когда Земля удаляется от звезды, спектральные линии смещаются в красную сторону. Впервые этот эффект был измерен в 1848 году.

 

Вопрос 20: В последнее время активно развивается рынок так называемых органических пищевых продуктов. При их производстве ограничивается использование химических удобрений, пестицидов, гормональных и пищевых добавок, не применяются ГМО, рафинирование, минерализация, искусственная ароматизация. Вокруг полезности продуктов, выращенных «без химии и ГМО», существует много мифов. Какое из следующих утверждений об органических продуктах верно?

Ответ: E (Нет правильного варианта).

Все приведенные варианты — мифы, на которых строится маркетинговая кампания «органических» продуктов. А еще очень часто можно услышать, что в «органических» продуктах нет веществ, которые в пищевой промышленности обозначают E-кодами, и которые многие считаю вредными. В действительности списке E-кодов есть множество безвредных в разумных концентрациях веществ, например, аскорбиновая кислота (E300), сода (E500), лимонная кислота (E330), уксусная кислота (E260). И, конечно, такие вещества присутствуют и в «органических» продуктах. (Конечно, в списке E-добавок есть и вредные вещества, но они, как правило, запрещены к использованию и не встречаются в продуктах.)

Примечание. Безусловно, различие в способах производства могут оказывать некоторое влияние на свойства готовой продукции. Например, известно, что у промышленно разводимого лосося содержание омега-3 жирных кислот примерно вдвое ниже, чем у дикого. Это связано с тем, что при выращивании лосося в условиях аквакультуры используется много растительного корма. Однако такие различия носят точечный характер и нехарактерны для «органических» продуктов в целом. Их следует рассматривать как разницу между продукцией разных поставщиков, а не как иллюстрацию системного превосходства «органических» продуктов. К тому же не следует путать производимые в условиях организованного сельского хозяйства «органические» продукты, с продуктами из дикой природы.

 

Вопрос 21: Парниковый эффект на Земле возникает оттого, что тепло с земной поверхности не уходит сразу в космос, а задерживается в нижних слоях атмосферы. Именно благодаря парниковому эффекту наша планета подходит для жизни. Без него средняя температура у поверхности составляла бы около минус 15°C. Какое из составляющих атмосферу веществ вносит самый большой вклад в парниковый эффект на Земле?

Ответ: D (Водяной пар).

Прежде всего, не следует путать угарный газ (CO) с углекислым (CO2). Угарный газ представляет собой сильнейшее отравляющее вещество, предельно допустимые концентрация для которого составляет 3 мг на кубометр. Именно об углекислом газе чаще всего приходится слышать в контексте обсуждения парникового эффекта. И действительно, рост содержания CO2 в атмосфере в результате сжигания ископаемого топлива — основная причина идущего сейчас глобального потепления климата. Однако основной вклад в парниковый эффект дает не углекислый газ, а водяной пар. Его присутствие в атмосфере поднимает среднюю температуру у поверхности Земли более чем на 30°С. Если бы не водяной пар, средняя температура на поверхности Земли составляла бы −18°C. Углекислый газ дает к этой величине прибавку еще в несколько градусов. Метан тоже дает большой удельный вклад в парниковый эффект, но ввиду малого содержания в атмосфере его общее влияние невелико.

 

Вопрос 22: «Наш полет проходит на высоте 10 тысяч метров», — объявляет пилот самолета в небе. Какова самая главная причина выбора именно этой высоты?

Ответ: D (Здесь оптимальная плотность воздуха для реактивного полета).

Для каждой скорости полета есть своя оптимальная плотность воздуха. Это связано с тем, что, с одной стороны, высокая плотность воздуха создает значительное лобовое сопротивление, а, с другой, воздух необходим для создания подъемной силы и для работы двигателей самолета. С высотой плотность воздуха быстро снижается, и это определяет выбор оптимальной высоты полета. Для пассажирских реактивных самолетов, скорость которых немного меньше скорости звука, оптимальной оказывается высота 9-12 км. Турбовинтовые самолеты летают медленнее и, соответственно, ниже (4-6 км). Для сверхзвуковых самолетов оптимален полет в нижних слоях стратосферы (15-20 км). Что касается остальных причин, то шум двигателей едва заметен на земле уже при высоте полета в 3 тыс. м. Грозовые системы нередко достигают высоты в 10 км, гражданские лайнеры их стараются обходить стороной. Расположение гор хорошо известно, и маршруты регулярных линий проложены с их учетом. Птицы в основном создают угрозу для самолетов на этапе взлета и посадки, и только из-за них не имело бы смысла подниматься так высоко. Во всяком случае, турбовинтовые самолеты, имеющие меньшую скорость, спокойно летают на высотах 4-6 тыс. м.

 

Вопрос 23: Блондинка, брюнетка, рыжий парень и ребенок целый день загорали на пляже без защитного крема. Кто из них, вероятнее всего, придет домой с солнечным ожогом?

Ответ: C (Рыжий).

Рыжие волосы, нередкое сочетающиеся с веснушками и белоснежной кожей, являются самым частым фенотипом, получающим солнечный ожог. Данных о цветотипе ребенка в вопросе нет. Если он окажется рыжеволосым, то может пострадать. Однако вероятность этого составляет 1-2% — столько по статистике в мире рыжеволосых людей. Поэтому, если мы оцениваем вероятность, то для достоверно рыжеволосого человека шансы получить солнечный ожог выше, чем для всех остальных участников отдыха, включая ребенка.  

 

Вопрос 24: Спутники и космические станции на околоземной орбите непрерывно падают на Землю, но из-за большой скорости все время промахиваются и в итоге облетают планету вокруг. Как вы думаете, сколько кругосветных путешествий совершают в сутки космонавты на МКС?

Ответ — D (16).

Один оборот вокруг Земли в сутки совершают спутники, находящиеся на геостационарной орбите на высоте 36 тыс. км. два оборота вокруг Земли в сутки совершают спутники, навигационные системы GPS а, которые движутся на высоте около 20 тыс. км. МКС движется по низкой орбите на высоте около 400 км над поверхностью Земли. Длина ее окружности составляет около 43 тыс. км, а скорость движения — чуть меньше первой космической, 7,9 км/с (с высотой орбитальная скорость постепенно убывает). Это дает период обращения примерно 5400 секунд или 1,5 часа. Таким образом, станция успевает совершить за сутки 24/1,5 = 16 оборотов вокруг Земли, что соответствует почти 700 тыс. км.

Эту оценку легко можно было бы получить, если вспомнить знаменитую цифру: полет Гагарина длился 108 минут, то есть 1,8 часа. Это соответствует 13 виткам в сутки, но надо учитывать, что часть времени ушла на разгон, а часть на торможение.

 

Вопрос 25: При общении в социальных сетях не хватает мимики и жестов. Отчасти роль этой важной невербальной составляющей живого общения выполняют лайки и смайлики. Сколько примерно отметок «нравится» (лайков) ставят за сутки все пользователи самой популярной в России социальной сети «ВКонтакте»?

Ответ: D (1 млрд).

На самом деле, более 90 миллионов пользователей социальной сети «ВКонтакте» оставляют ежедневно даже несколько больше 1 миллиарда лайков. Это можно оценить следующим образом. Большинство пользователей соцсетей ставит лайки почти каждому понравившемуся сообщению или комментарию. А таких в течение дня бывает от нескольких до нескольких десятков. Меньшее значение (10 млн) уже выглядит нереальным: оно предполагает, что пользователи ставят лайки примерно раз в неделю — десять дней.

 

Вопрос 26: Вы помните, сколько байтов в мегабайте? Мы – с трудом. Все путаются в приставках: гига — это миллиард (10^9) байтов, тера — триллион (10^12), пета — 10^15, экса — 10^18, зетта — 10^21, йотта —10^24. Какие единицы измерения сегодня лучше всего подходят, чтобы описать общий объем цифровых накопителей информации в мире?

Ответ: C (Зеттабайты).

Грубая оценка. Характерная емкость жестких дисков персональных компьютеров измеряется сейчас терабайтами. Учтем, что еще как минимум столько же места в совокупности есть для хранения данных каждого пользователя на интернет-серверах, а также на рабочих компьютерах различных компаний. Можно считать, что в среднем имеется 10 терабайт на данные одного человека. Умножим эту величину на численность населения Земли (7 млрд человек) и получим около 100 зеттабайт. Эта величина скорее является оценкой сверху, поскольку не учитывает, что многие люди (маленькие дети, старики, жители беднейших стран) не являются пользователями компьютеров.

Примечание. Некоторые специалисты критиковали использование в задании слова «удобнее», поскольку оно содержит отсылку к субъективной оценке, в условиях разных задач удобными могут быть разные единицы измерения. Однако тут надо отметить, что само введение стандартных кратных приставок для единиц измерения изначально предназначалась именно для удобства выражение величин. В общем случае, приближенные значения удобно выражать в тех единицах, в которых не понадобится использовать десятичную запятую или добавлять в конце много нулей. Запись 25 зеттабайт, безусловно, удобнее для восприятия, чем 25 000 000 000 терабайт, 25×1021 байт или 0,025 петабайта.

 

Вопрос 27: Вокруг нас всегда есть небольшой уровень фоновой радиации. Он в тысячи раз ниже опасного для здоровья уровня, так что человек может без вреда подвергаться дополнительным видам облучения. Но с этим лучше разобраться конкретнее. Что больше: облучение при цифровом рентгеновском снимке грудной клетки или облучение при межконтинентальном путешествии на реактивном самолете?

Ответ: A (Эти виды облучения примерно одинаковы).

Средняя доза ионизирующего излучения, получаемая жителем Земли составляет 2,4 мЗв/год (миллизиверта в год), или 6,5 мкЗв/сут. (микрозиверта в сутки). Источником этого облучения служат космические лучи, а также распад естественных радиоактивных элементов, содержащихся в окружающей среде.

Установленная в России максимально допустимая накопленная за год доза облучения при рентгеновских обследованиях составляет 1 мЗв. При этом один цифровой рентгеновский снимок грудной клетки несет дозу облучения 30-50 мкЗв, что примерно соответствует неделе воздействия естественного фона, и эта величина сокращается по мере совершенствования оборудования. Примерно столько же получает и пассажир при длительном авиаперелете из-за того, что на высоте около 10 км, где проходит полет, атмосфера в меньшей степени защищает от воздействия космических лучей.

Таким образом, в течение года можно совершенно безопасно делать до 20-30 подобных рентгеновских обследований и дальних авиаперелетов. И даже 2-3-кратное превышение этой нормы еще не приведет к серьезным последствиям, поскольку облучение остается на уровне, сравнимом с естественным.

Важно, однако, отметить, что сказанное относится именно к цифровым рентгеновским аппаратам, а вот при использовании старых пленочных доза облучения на порядок выше — 300-500 мкЗв, и тут уже каждое обследование должно быть на счету.

 

Вопрос 28: Две трети веса человеческого тела составляет вода. Сердце прокачивает порядка 10 тысяч литров крови в сутки. А сколько слюны выделяет человек в день?

Ответ: D (Более 1 л).

Грубо оценить эту величину можно, просто накопив слюну во рту в течение минуты. Если вас не мучает жажда, ее наберется заметно больше 1 мл. Учитывая, что в сутках 1440 минут, можно предположить, что за сутки вырабатывается не менее литра слюны. Общепринятая оценка — от 1 до 2,5 л. Кстати, ответ A (до 1 мл) соответствует суточному выделению слезной жидкости (в условиях, когда нет стресса или повышенного раздражения глаз).

Если вам понравились задания, участвуйте в «Открытой лабораторной-2019»!

Это можно сделать онлайн, но если вам хочется в полной мере прикоснуться к науке – можно принять участие в полноценной просветительской акции. Для этого нужно зарегистрироваться на нашем сайте – и прийти в одно из тысяч мест, где проходит «Открытая лабораторная». Там вас будут ждать не только наши забавные и полезные тесты, но еще больше науки и веселья!

Похожие материалы
Тест
10 августа

Факт или чепуха? 28 вопросов, которые вынесут вам мозг