Od dawna twierdzę, że w obecnych czasach prawdziwy sukces mogą odnieść tylko projekty o wdzięcznych nazwach lub akronimach. Takim przedsięwzięciem jest europejski satelita badawczy PAMELA. Jak donosi najnowszy numer Nature, PAMELA być może odkryła nadwyżkę wysokoenergetycznych pozytonów, która być może jest bezpośrednią wskazówką odnośnie do tego, czym jest ciemna materia. Być może jest to wielki sukces.

Według powszechnie przyjmowanych szacunków, ciemna materia stanowi aż 85% całej materii Wszechświata (pomijam tu jeszcze bardziej tajemniczą ciemną energię). Ze zwykłymi cząstkami (na ogół) oddziałuje tylko grawitacyjnie, stabilizując gromady galaktyk i ruch gwiazd w samych galaktykach. Obserwacje astrofizyczne wyraźnie sugerują, że ciemna materia istnieje, nie wiadomo jednak z czego się składa. Według najmodniejszej ostatnio koncepcji teoretycznej, ciemna materia zbudowana jest z cząstek supersymetrycznych. Fizycy spodziewają się, że cząstki takie uda się wykryć w oddawanym właśnie do użytku akceleratorze LHC, ale jeżeli supersymetryczna jest także ciemna materia, od czasu do czasu może w niej dochodzić do zderzeń, w wyniku których produkowane będą zwykłe cząstki i ich antycząstki.

I tutaj wracamy do PAMELI. Podobno odkryła ona zadziwiająco dużo wysokoenergetycznych pozytonów (antyelektronów) w przestrzeni kosmicznej. Miałyby one być pozostałościami po zderzeniach wysokoenergetycznych cząstek supersymetrycznych. To byłoby ważne odkrycie, jako że załatwiałoby jednocześnie dwa wielkie problemy: Dowodziłoby istnienia cząstek supersymetrycznych, wyjaśniając zarazem własności ciemnej materii. Proszę jednak zwrócić uwagę na tryb warunkowy. Używam go, gdyż

• danych tych nie opublikowano, a tylko ktoś (Nature nie pisze nawet, kto) na chwilę pokazał je na pewnej konferencji, a potem nie udostępnił innym do analizy;
• nawet jeżeli gołe dane są poprawne, być może wcale nie świadczą o obecności wysokoenergetycznych pozytonów, ale o obecności protonów – aparatura PAMELI ma problemy z odróżnieniem jednych od drugich, tymczasem zaś protony są całkiem zwyczajnym składnikiem międzygwiezdnej plazmy;
• nawet jeżeli są to pozytony, ich obecność niekoniecznie świadczy o istnieniu supersymetrycznej ciemnej materii, jako że ich źródłem mogą też być jakieś inne „konwencjonalne” procesy, czego nie można wykluczyć na podstawie istniejących (?) danych.

To wszystko są tylko hipotezy. Codziennie mnóstwo ludzi ma wiele hipotez, część z nich kiedyś zapewne okaże się słuszna, ale przecież nie trafiają one natychmiast na łamy czołowych periodyków naukowych świata. Po co więc teraz doniesienie w Nature (co prawda nie w sekcji artykułów recenzowanych)? Otóż ja sądzę, że ludzie odpowiedzialni za PAMELĘ, ni mniej, ni więcej, tylko starają się zapewnić sobie udział... w nagrodzie Nobla. Pomyślmy: Gdyby wyniki PAMELI i ich ofiacjalna interpretacja się potwierdziły, naprawdę byłoby to odkrycie noblowskiej rangi. Gdyby jednak wyniki PAMELI ogłoszono dopiero po całkiem prawdopodobnym odkryciu cząstek supersymetrycznych przez LHC, byłyby one tylko potwierdzeniem znanych skądinąd faktów. Jeżeli natomiast wyniki PAMELI ujrzą światło dzienne przed wynikami LHC, to LHC będzie zaledwie potwierdzeniem. Anuszka sądzi dodatkowo, że także redakcja Nature chce sobie przydać splendoru – jeśli wyniki PAMELI się potwierdzą, wszyscy będą pamiętać, iż to Nature pierwsza napisała o odkryciu cząstek supersymetrycznych. A jeśli się nie potwierdzą, wszyscy o tym zapomną, jak o wielu innych chybionych pomysłach naukowych.

Proszę mnie dobrze zrozumieć: Całkiem możliwe, że to, o czym donosi Nature, jest prawdą, a jeśli tak, to zasługuje na wszelkie możliwe nagrody. Jednak sposób, w jaki o odkryciu poinformowano, łamie, moim zdaniem, zasady rzetelności naukowej. To jest czysty PR i machanie rękami. Tak się nie uprawia nauki. Być może.

W czerwcu, w Los Alamos National Laboratory, ruszył najszybszy komputer świata. Komputer ten wykonuje ponad 1,026 biliarda operacji na sekundę, osiąga więc moc obliczeniową jednego petaflopa^(*). Jego głównym zadaniem będzie prowadzenie tajnych obliczeń wojskowych, ale i cywilna nauka z niego skorzysta.

Komputer, noszący wdzięczną nazwę Roadrunner (ale podobno nie na cześć ptaszka po lewej, ale ptaszka po prawej, będącego symbolem stanu Nowy Meksyk), zawiera łącznie 116 640 rdzeni procesorowych, w tym 7 000 dwurdzeniowych Opteronów i 12 960 procesorów Cell, zaprojektowanych do obsługi PlayStation 3. Moc obliczeniowa Roadrunnera jest tysiąc razy większa od mocy najszybszego komputera sprzed 11 lat. Oprogramowanie takiego monstrum, zapewniające optymalne wykorzystanie wszystkich procesorów, będzie nie lada sztuką. Procesory graficzne nie będą przy używane do wizualizacji wyników obliczeń, ale do przyspieszania samych obliczeń - takie wykorzystanie procesorów graficznych to stosunkowo nowa technologia. Cały koszt Roadrunnera wyniósł około 133 milionów dolarów. Superkomputer nie będzie też tani w eksploatacji - jego zapotrzebowanie na energię (3 megawaty) będzie porównywalne z zapotrzebowaniem sporego centrum handlowego.

Czym, oprócz symulowania wybuchów jądrowych, może się zajmować Roadrunner? Przede wszystkim badaniami klimatu, ale także bardzo wymagającymi obliczeniami z pogranicza chemii, biologii i fizyki. Autorzy specjalnego wydania tygodnika Science, poświęconego chemii teoretycznej, entuzjastycznie przewidują, że Roadrunner może przyczynić się do znacznego postępu w zrozumieniu zwijania się białek, działania motorów molekularnych i badania układów złożonych aż z miliona atomów.

A co z tego będą mieli zwykli użytkownicy komputerów domowych? Producenci procesorów twierdzą, że doświadczenia zdobyte przy konstrukcji Roadrunnera przydadzą się przy projektowaniu komputerów domowych nowej generacji, które mają zawierać naprawdę wiele rdzeni procesorowych. Cóż, sceptycy porównują te zapowiedzi do reklam, w których słyszymy, że w samochodzie, jakim jeździsz codziennie do pracy, możesz używać tego samego oleju, ogumienia czy innych materiałów, co w bolidach Formuły 1. Kto chce, ten niechaj wierzy...

^(*)Ponoć powinno się mówić "petaflopsa", ale mnie to "s" się nie podoba.

Nie, nic o polityce. Ten tekst planowałam, odkąd w bibliotece mojego instytutu w Augsburgu odkryłam hipnotyzującą książkę: The Flying Circus of Physics. Trudno się od niej oderwać, bo autor sprytnie podzielił dzieło na tom pytań i tom odpowiedzi, które trzeba dopiero wyszukać. Po to, żeby można było najpierw samemu pogłówkować. Na przykład: dlaczego przy puszczaniu „kaczek" kamień odbija się od wody?

Lecz wróćmy do naszych „kaczek". Latający cyrk, wydany po raz pierwszy w 1977 roku, jest wciąż uzupełniany. W internecie można przeczytać co prawda nie całą książkę, ale jej najnowsze fragmenty. Jak się okazuje, w kwestii skaczących po wodzie kamieni jest co uzupełniać! Dopiero w XXI wieku fizycy zaczęli bliżej rozumieć to zjawisko, znane przecież od starożytności. Znamienite pismo Nature w 2004 roku opisało doświadczenia francuskich badaczy z filmowaniem „kaczek" w zwolnionym tempie. Zastosowali oni specjalną katapultę, pozwalającą kontrolować prędkość pocisku i tempo jego wirowania.

Aby kamień skakał po wodzie, jego prędkość musi przekraczać pewną wartość progową. Inaczej pocisk prześliźnie się po wodzie, szybko zatrzyma i zatonie. Odkryto, że przez całą drogę prędkość pozioma kamienia jest prawie stała, podczas gdy w kierunku pionowym podskakuje on coraz wolniej. Pocisk musi jednak wirować - i to z szybkością również przekraczającą określony próg - żeby stabilizować swój ruch. Okazało się, że istnieje „magiczny kąt" - około 20 stopni - pod którym kamień musi być nachylony, aby można było uzyskać najdłużej skaczącą „kaczkę" przy minimalnej sile rzutu. W ślady Francuzów poszli zaś fizycy z Japonii i w 2005 roku opublikowali w renomowanym Physical Review Letters obliczenia teoretyczne dokładnej wartości „magicznego kąta", oraz minimalnej prędkości dla uzyskania „kaczki", zależnej od ciężaru i wielkości kamienia.

Vincent van Gogh, którego dzieła biją dziś wszelkie rekordy cenowe, za życia sprzedał bodajże jeden obraz. Żył w biedzie. Żeby trochę zaoszczędzić, przemalowywał niektóre swoje prace, aby móc ponownie wykorzystać to samo płótno. Szacuje się, że aż jedna trzecia obrazów van Gogha powstała na jego wcześniejszych kompozycjach. Jak donoszą najnowsze numery Analytical Chemistry i Nature, naukowcom udało się wyjątkowo dobrze odtworzyć jeden z takich "odrzuconych" obrazów. Dokonano tego przy użyciu promieniowania synchrotronowego.

Synchrotron to typ akceleratora. Elektrony są w nim przyspieszane do prędkości podświetlnych i krążą po okręgach w polu magnetycznym, wysyłając przy tym promieniowanie elektromagnetyczne, zwane promieniowaniem synchrotronowym. Początkowo uważano je za "odpad" - większość energii dostarczanej elektronom nie służy zwiększeniu ich energii kinetycznej, którą można wykorzystać w eksperymentach z zakresu fizyki cząstek elementarnych, lecz jest "tracona". Fizycy w końcu zdali sobie sprawę, iż promieniowanie to samo może stać się narzędziem badawczym, czymś w rodzaju bardzo potężnego i bardzo dokładnego aparatu rentgenowskiego. Obecnie stosuje się je w badaniach materiałowych (do określania struktury kryształów i związków chemicznych, także do szukania ukrytych wad materiałów), w naukach biomedycznych, a teraz także - w historii sztuki.

Od dawna wiedziano, że obraz Grasgrond (Łan trawy) kryje jakąś wcześniejszą pracę van Gogha. Prześwietlenie zwykłym promieniowaniem rentgenowskim ujawniło tylko niewyraźny zarys czegoś, być może jakiegoś portretu. Zespół, którym kierował Joris Dik z Uniwersytetu Technicznego w Delft, zbadał płótno promieniowaniem synchrotronowym w DESY w Hamburgu. Promieniowanie synchrotronowe oddziaływało z jonami metali - kobaltu, arsenu, ołowiu i innych - stanowiącymi naturalne składniki farb, pobudzając je do emisji wtórnego promieniowania rentgenowskiego. Rejestrując to promieniowanie i wiedząc, jakie metale odpowiadają jakim pigmentom, naukowcom udało się stworzyć wyjątkowo dokładną rekonstrukcję ukrytego obrazu. Ukazał się ciemny w tonacji, poważny portret jakiejś kobiety, zapewne chłopki z holenderskiej wsi Nuenen, gdzie van Gogh mieszkał w latach 1883-85.

Świat Nauki donosi o nowym spojrzeniu na kwantową teorię grawitacji, o którym i my pisaliśmy w tym blogu. 

Pisaliśmy niedawno o pracy Jana Ambjørna z Danii, Jerzego Jurkiewicza z Polski i Renate Loll z Holandii dotyczącej tego, jak można złożyć wielowymiarową czasoprzestrzeń ze znacznie prostszych kawałków, "klocków Lego", zwanych w języku fachowym sympleksami. Wiele osób próbowało opisać ten proces, ale nie uzyskało zadowalających rezultatów. Ambjørn, Jurkiewicz i Loll uświadomili sobie, że "klocków" nie można składać dowolnie - okazuje się, że zasada przyczynowości znacznie ogranicza możliwe konfiguracje. Ta konstatacja (plus bardzo skomplikowane obliczenia i symulacje) stanowiła klucz do sukcesu.

Miło nam donieść, że najnowszy (sierpniowy) numer Świata Nauki zamieszcza artykuł Samoorganizujący się kwantowy Wszechświat, pięknie przybliżający tę tematykę laikom. Jest to tłumczenie artykułu zamieszczonego w czerwcowym numerze Scientific American (cała wersja angielska jest dostępna on-line). Gorąco polecamy!

Słynna już praca Ambjørna, Jurkiewicza i Loll stanowi ukoronowanie wysiłków wielu fizyków. Badania te są kontynuowane przez samych tych autorów, ich studentów i współpracowników, a także przez niezależne grupy. Wygląda na to, iż "kauzalne triangulacje" mogą być kluczem (jednym z kluczy?) do zrozumienia bardzo wczesnych etapów historii Wszechświata, gdy dominującą rolę odgrywała kwantowa struktura czasoprzestrzeni.

Chemia. Ale nie ta ciężka, kojarzona z wielkimi zakładami, ale taka malutka, zachodząca na poziomie subkomórkowym. Gdybyśmy mogli ją kontrolować, uzyskalibyśmy niebywały wpływ na procesy rządzące naszym życiem. Najpierw jednak musimy mieć narzędzia pozwalające obserwować reakcje chemiczne zachodzące bardzo szybko - naprawdę bardzo szybko. Jak donosi Nature Physics, francusko-brytyjsko-polska grupa badawcza dokonała ostatnio znaczącego postępu w kierunku konstrukcji takich urządzeń.

Jeśli na cząsteczkę chemiczną padnie światło lasera, może ono wyrwać z niej elektron. Światło jest falą i w drugiej połówce okresu kierunek pola elektrycznego ulega odwróceniu. Jeśli odpowiednio dobrać energię i czas trwania impulsu laserowego, wyrwany elektron jest wtedy przyspieszany w stronę macierzystej cząsteczki i zostaje przez nią wychwycony. Oddaje przy tym energię, wysyłając bardzo krótkie impulsy promieniowania o częstotliwości w zakresie miękkiego promieniowania rentgenowskiego. „Kształt tych impulsów potrafimy mierzyć z dokładnością do 50 attosekund", mówi współautor eksperymentu, Leszek Frasiński z londyńskiego Imperial College. Jedna attosekunda to 0,000 000 000 000 000 001 sekundy. „50 attosekund jest tyle razy krótsze od jednej sekundy, ile razy jedna sekunda jest krótsza od czasu, jaki upłynął odkąd życie wyszło z oceanów na ląd", tłumaczy Frasiński. Trzeba jednak zadbać o mnóstwo skomplikowanych szczegółów, zwłaszcza o odpowiednią energię lasera. „Jeśli energia będzie za duża, z cząsteczki wyrwie się kilka elektronów i zrobi się straszny bałagan", mówi inny uczestnik eksperymentu, Marek Stankiewicz z Uniwersytetu Jagiellońskiego.

To jednak tylko połowa obrazka. Drugą połowę stanowią subtelne efekty kwantowe. Tak z powracającym elektronem, jak i z macierzystą cząsteczką związane są fale materii. Kształt wysyłanych impulsów zależy od wzajemnej interferencji tych fal. Oddziaływanie powracającego elektronu z rdzeniem cząsteczki można uznać za bardzo wyrafinowaną wersję doświadczenia Younga, w którym rolę „szczelin" odgrywają atomowe centra rozpraszania. Sukces najnowszego eksperymentu polega na tym, iż uczonym udało się bardzo precyzyjnie kontrolować kwantową interferencję: za pomocą dodatkowego impulsu laserowego kontrolowali odpowiednie ustawienie cząsteczek wyrzucających z siebie, a potem wychwytujących elektrony.

Doskonała kontrola czasu trwania i kształtu impulsów pozwala myśleć o konstrukcji mikroskopów elektronowych nowej generacji, mogących nie tylko rozróżniać poszczególne atomy w cząsteczkach, ale nawet obserwować ruch elektronów w wiązaniach chemicznych.

Już w kilka razy pisaliśmy o trzęsieniach ziemi i o ruchach płyt tektonicznych. Nic w tym dziwnego, są to jedne z najpotężniejszych sił naturalnych, z jakimi ludzkość musi się zmagać. Trzęsienie ziemi w chińskiej prowincji Syczuan po raz kolejny uświadomiło nam, jak nieubłagana bywa przyroda. I jak bezradna jest ludzkość próbując trzęsienia ziemi przewidywać.

Płyta tektoniczna, na której leżą Indie, nieustępliwie wbija się w euroazjatycką płytę kontynentalną. To właśnie doprowadziło do wypiętrzenia się Himalajów. Ale na tym nie koniec: Himalaje naciskają na Wyżynę Tybetańską, która z kolei naciska na Kotlinę Syczuańską. Skały są tam bardzo twarde, nie ustępują, tworzy się tak zwany odwrotny uskok - zbudowana z miękkich skał płyta tektoniczna, nadjeżdżająca z prędkością kilku milimetrów na rok, wspina się na tą, która stawia jej opór. Ruch nie jest płynny, dochodzi do zakleszczenia się skał. Gdy zakumulowane naprężenie gwałtownie się uwolni, mamy trzęsienie ziemi.

Chińscy naukowcy doskonale to wiedzą. Aby lepiej poznać dynamikę ruchów tektonicznych, postanowili uważnie obserwować system uskoków w Syczuanie. Jak donosi najnowszy numer Science, uczeni z chińskiego Instytutu Geologii odkryli uskok, który przesuwa się o 10 mm na rok. Uznali go za najbardziej niebezpieczny i dwa lata temu obstawili wartą 6 milionów dolarów siecią 300 sejsmografów. Zgromadzili całe terabajty danych (którymi teraz nie chcą się podzielić z geologami z innych krajów, ale tu już ocieramy się o wielką politykę), ale pomylili się. Trzęsienie ziemi nastąpiło na innym uskoku, a Chińczycy, nie dość, że dysponując całym morzem danych, nie umieli go przewidzieć, to początkowo nawet źle oszacowali jego wielkość.

Trzęsienie ziemi z 12 maja miało natężenie 7.9 stopni w skali Richtera. Wyzwoliło energię równą energii 2000 bomb zrzuconych na Hiroszimę. W jego wyniku zginęło 70 000 osób, a półtora miliona straciło dach nad głową. Poziom gruntu wzdłuż uskoku podniósł się gdzieniegdzie nawet o 4 metry. Uczeni na całym świecie bezradnie rozkładają ręce: Cóż z tego, że oto widzimy, jak powstają nowe góry, cóż z tego, że rozumiemy dlaczego dochodzi do trzęsień ziemi, skoro wciąż nie umiemy ich przewidywać?

Ławice pływają w wodzie, ale też woda płynie poruszana przez ławice. Jest to zjawisko na zaskakująco wielką skalę. Drobne kryle potrafią zmieszać do wodę w oceanie do głębokości 100 m. Plemniki pływają stadami, wspólnie kierując przepływem płynu nasiennego. Nawet bakterie umieją razem wywołać wiry - dużo większe od rozmiaru pojedynczego mikroba.

Ławica centymetrowych kryli potrafi wzbudzić w wodzie wielometrowe turbulencje. Ruchy tych skorupiaków są ważnym elementem równowagi ekologicznej: powodują mieszanie wody nawet 1000 razy silniejsze niż w niezamieszkanych obszarach morza. W ten sposób do pozbawionych tlenu głębin dopływa napowietrzona woda i substancje odżywcze, pozwalając na rozwój życia.

Również plemniki nie pływają bezładnie, donosi wiodące pismo naukowe Science. Badane w laboratorium plemniki jeżowca tworzą wiry po około 10 sztuk, kręcące się zgodnie z ruchem wskazówek zegara. W dodatku wiry układają się obok siebie w sześciokątny wzór! Poszczególne komórki spermy komunikują się ze sobą wyłącznie poprzez ruchy płynu nasiennego wytwarzane przez siebie i kolegów.

Fizycy od jakiegoś czasu lubią zajmować się ławicami i stadami. Lecz dotychczas mało kto badał poruszanie płynu przez ławicę. Badacze z USA w prestiżowym Physical Review Letters prezentują nowatorskie obliczenia, jak z mieszaniem zawiesin radzą sobie bakterie wyposażone w witki. Wiadomo, że takie mikroby poruszają się w kierunku większego stężenia pożywienia. Znany jest fakt, że mogą one kolektywnymi ruchami wywołać wiry w skali dużo większej niż rozmiar pojedynczej bakterii. Wiadomo też, że np. bakterie E. coli kręcąc witką w jedną stronę potrafią płynąć do przodu, a kręcąc w stronę przeciwną - mogą cofać się.

Wyniki rachunków wskazują, że pływające bakterie dramatycznie zwiększają mieszanie płynu. To może mieć ważne konsekwencje dla sposobu, w jaki komórki szukają pożywienia: samo płynięcie w jego kierunku powoduje jego rozpraszanie. Co ciekawe, pływanie przodem (gdy witka popycha jak śruba okrętowa) powoduje znacznie silniejsze mieszanie, niż pływanie tyłem (gdy witka ciągnie jak śmigło). Czyżby bakteriom szukającym pożywienia bardziej opłacało się pływać tyłem? A może - np. w ziarnistym środowisku w treści jelitowej - bardziej opłaca się im pływać przodem, by lepiej wymieszać jedzenie?

Skorupa Ziemi składa się z kilkunastu płyt tektonicznych, pływających po powierzchni grubego na prawie trzy tysiące kilometrów płaszcza Ziemi, utworzonego z płynnej magmy. Podoceaniczne płyty są cienkie, natomiast te leżące pod kontynentami są znacznie grubsze. Ruch płyt tektonicznych odpowiedzialny jest za wędrówkę kontynentów i za większość trzęsień ziemi. Do niedawna przypuszczano, że ruch ten jest całkowicie przypadkowy. Geologów i geofizyków zastanawiało jednak dlaczego wszystkie kontynentalne płyty tektoniczne co mniej więcej 300 milionów lat spotykają się w jednym miejscu, tworząc superkontynent, który rozpada sie po kolejnych kilkudziesięciu milionach lat - dotychczasowa teoria nie umiała tego wyjaśnić.

Eksperyment wykonany przez dwóch chińskich geofizyków pracujących w Nowym Jorku, którego wyniki zostaną opublikowane w Physical Review Letters, rzuca nowe światło na teorię ruchu płyt kontynentalnych. Jun Zhang i Bin Liu nalali do przezroczystego pojemnika mieszaninę wody i gliceryny. Pojemnik był podgrzewany od dołu i chłodzony od góry. Mieszanina zaczyna wówczas wykonywać ruchy konwekcyjne - warstwy cieplejsze, a więc lżejsze, unoszą się do góry, tam się ochładzają i opadają na dół. Ruch cieczy odbywa się na ogół w zamkniętych pętlach. Jest to to eksperyment prosty, można go wykonać nawet w przeciętnie wyposażonej pracowni. Można się z niego wiele dowiedzieć o ruchach cieczy, o turbulencji i o chaosie. Nowojorscy geofizycy dodali do eksperymentu coś jeszcze: kawałki plastiku, grające role "kontynetów". Okazało się, że "kontynenty" działały jak izolacja termiczna, blokując przepływ ciepła i zakłócając ruch cieczy. W rezultacie "kontynenty" gromadziły się w jednym miejscu tworząc "superkontynent". Po jakimś czasie chłodna ciecz opadała gwałtownie na dno zbiornika, odwracając kierunek przepływu w pętlach konwekcyjnych i doprowadzając do rozpadu "superkontynentu". Potem cały cykl zaczynał się od nowa.

Ziemskie kontynenty są więc grubą "kołderką", chroniącą wnętrze Ziemi przed utratą ciepła. Tym samym wpływają one jednak na mechanizm, który powoduje ich dryf.