Фемтосекундный импульс
Для изучения таких сверхбыстрых процессов, как снятие возбуждения молекул, наиболее подходят лазеры, испускающие мощные, необычайно короткие световые импульсы. Первый импульс возбуждает молекулы в исследуемом образце. Следующие за ним более слабые импульсы позволяют измерить время, за которое система возвращается в исходное состояние, и даже обнаружить некоторые энергетические переходы, происходящие в ходе такого процесса. Чем короче импульс, тем более тонкие и сложные эффекты можно наблюдать.
В журнале «Applied Physics Letters» Э. Иппен, Э. Вайнер и Дж. Фудзимото из Массачусетского технологического института (МТИ) сообщили о том, что им удалось осуществить генерацию самых коротких световых импульсов, когда-либо полученных: вспышек видимого (красно-оранжевого) света длительностью всего лишь 16 фемтосекунд.
Установка, которую использовали эти ученые, представляет собой вариант установки, ставшей обычной при исследовании сверхбыстрых процессов — лазер с синхронизацией (продольных) мод.
Когда тысячи мод, т.е. отдельных частот, возбуждаемых в лазере на органическом красителе, синхронизированы, или «сцеплены», по фазе, они интерферируют, усиливая друг друга в одних точках и ослабляя в других. В результате на выходе лазера получается последовательность коротких интенсивных импульсов. Длительность одного такого импульса обратно пропорциональна частотной полосе мод, входящих в него.
Самый эффективный лазер с синхронизацией мод — лазер с встречными световыми волнами в кольцевом резонаторе, созданный Ч. Шэнком и его коллегами из фирмы “AT&T Bell Laboratories”, дает импульсы длительностью 65 фс.
Чтобы улучшить этот результат (до недавнего времени группе Шэнка принадлежал рекорд 30 фс), сотрудники фирмы “AT&T Bell Laboratories” и сотрудники МТИ применили метод, который включает два этапа: растяжение частотной полосы в оптическом волокне и затем сжатие импульса при прохождении через две дифракционные решетки.
Растяжение частотной полосы возможно благодаря тому, что скорость света в стекле слабо зависит от его интенсивности. Такой нелинейный эффект заметен только при очень большой интенсивности света. Иппен и его коллеги добиваются нужной интенсивности, усиливая импульс лазера (с встречными световыми волнами в кольцевом резонаторе) и каналируя его в оптическое волокно диаметром несколько микрометров.
Скорость волновых составляющих, образующих передний фронт импульса, увеличивается, а их частота уменьшается. На заднем фронте импульса происходит обратное. Таким путем Иппену и его коллегам удалось увеличить частотную полосу импульсов длительностью 65 фс в 4 раза.
Обычно при растяжении частотного спектра увеличивается и длительность импульса. Но в данном случае при помощи системы двух дифракционных решеток добиваются того, что задний фронт импульса, сдвинутый в сторону синей области спектра, выйдя из оптического волокна, проходит путь, меньший, чем тот, который проходит передний фронт, сдвинутый в сторону красной области спектра.
В результате задний фронт несколько нагоняет передний и длительность импульса уменьшается. Сотрудники МТИ полностью использовали четырехкратное растяжение частотной полосы “65-” фемтосекундных импульсов, уменьшив их длительность в 4 раза.
Химия ЭМОЦИЙ
Имеют ли патологические психические состояния, например депрессивное и противоположное ему — маниакальное, биохимическую основу? Современная наука отвечает на этот вопрос утвердительно. Заболевания, затрагивающие эмоции, такие как маниакально-депрессивный психоз, возникают из-за нарушений в круговороте медиаторов — веществ, посредством которых передаются нервные импульсы.
В журнале «The New England Journal of Medicine» H. Нади из Государственного университета Уэйна в Детройте и ее коллеги из Национального института психического здоровья опубликовали экспериментальные данные в пользу подобного представления.
Полученные исследователями результаты проливают свет на роль медиатора ацетилхолина и его рецептора в возникновении психических расстройств. Оба вещества являются важнейшими элементами холинергической нервной системы.
Координированное действие двух систем:
- Холинергической (парасимпатической);
- Адренергической (симпатической) — регулирует непроизвольные функции организма, например частоту сердечных сокращений.
В мозгу обнаружены медиаторы и их рецепторы обоих типов. По мнению исследователей, при маниакально депрессивном психозе нарушается согласованность в работе адренергической и холинергической систем: депрессия возникает из-за избытка ацетилхолина или его рецепторов, а маниакальное состояние — от аналогичных изменений в симпатической нервной системе.
Характерной особенностью метода граничных элементов, отличающей его от других численных методов (конечных разностей и конечных элементов), является дискретизация не всей изучаемой области, а лишь ее границы.
Таким образом, существенно уменьшается число дискретных элементов и соответственно снижается порядок системы алгебраических уравнений, к решению которой в конечном итоге сводится задача.
В методе граничных элементов исходные дифференциальные уравнения заменяются соотношениями, связывающими неизвестные функции на границе области, и решение получается либо методами граничных уравнений, либо вариационными методами.
Цель книги известных специалистов П. Бенерджи (США) и Р. Баттерфилда (Англия) — научить непосредственных пользователей-инженеров применять методы граничных элементов на практике. Изложение построено таким образом, что при последовательном изучении книги не требуется обращение.
Нади и ее коллегам удалось показать, что с депрессивным состоянием действительно связано повышенное содержание холинергических рецепторов. Поскольку ткань головного мозга трудно доступна для исследования, ученые анализировали плотность холинергических рецепторов в фибробластах кожи (фибробласты — это клетки
соединительной ткани, по ряду свойств они сходны с нейронами).
Исследовали 18 человек, страдающих депрессиями либо маниакально-депрессивным психозом, и для контроля 12 здоровых людей. И тем и другим была сделана биопсия кожи и оказалось, что у больных существенно больше холинергических рецепторов, чем у здоровых.
Причем избыток рецепторов сохранялся в ряду поколений культивируемых клеток продолжительное время. Повышенное содержание рецепторов было обнаружено как у людей, болевших ранее и в момент биопсии практически здоровых, так и у пациентов с острой формой заболевания.
Нади полагает, что генетически детерминированный избыток холинергических рецепторов обусловливает предрасположение к депрессивным и маниакальным душевным расстройствам. Исследователи, однако, признают, что трудно понять, каким образом одно и то же биохимическое нарушение может приводить к таким противоположным явлениям, как депрессия и маниакальное состояние.
Для того чтобы подтвердить свою гипотезу, Нади и ее коллеги намерены исследовать содержание рецепторов в коже детей, родители которых страдают маниакально депрессивным психозом и у которых поэтому высока вероятность таких же расстройств.
Как утверждает Нади, дальнейшие исследования позволят с определенностью установить, можно ли по числу рецепторов предсказать, разовьется у ребенка психическое заболевание или нет.
