wtorek, 29 lipca 2008
Wszechświat z klocków Lego w Świecie Nauki

Kwantowy Wszechświat (by Jean-Francois Podevin)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.

poniedziałek, 30 czerwca 2008
Krócej niż mgnienie oka

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.

czwartek, 26 czerwca 2008
Gdy tworzą się góry

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.

Skutki i mechanizm trzęsienia ziemi w Syczuanie

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?

środa, 18 czerwca 2008
Wielkie zamieszanie

 

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?

21:35, anuszka_ha3.agh.edu.pl , Aktualności
Link Komentarze (2) »
poniedziałek, 16 czerwca 2008
Kontynenty na twoim stole
Dryf kontynentówPłyty tektoniczne tworzące skorupę Ziemi pływają po oceanie gorącej magmy. Najnowsze badania sugerują, że kontynenty nie są biernymi pływakami, poddanymi działaniu potężnych prądów termicznych, ale że same modyfikują swój ruch.

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.

Konwekcja Benarda-RayleighaEksperyment 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.

1 , 2 , 3 , 4 , 5 ... 11