piątek, 13 czerwca 2008
O trudnej sztuce bycia niewidzialnym
3500 kilometrów na godzinę 24 kilometry nad ziemią. Tajna misja szpiegowska nad ZSRR. To były czasy. Na razie nie wrócą, bo legendarnego SR-71 Blackbirda wycofano ze służby w 1999 roku. Samolot zaprojektowana jako maszynę słabo widoczną dla radaru. Jak to działa(ło)?
Blackbirda można podziwiać w Muzeum Lotnictwa w Seattle. Robi niesamowite wrażenie, ma ponad 30 metrów długości, 15 szerokości i wygląda kosmicznie
 
SR-71 Blackbird w Muzeum Lotnictwa w Seattle
(zdjęcia autora) 

Uwagę na zdjęciach zwracają płaskie kształty samolotu i zaostrzone krawędzie. Mają one redukować tzw. profil radarowy samolotu, czyli jak bardzo widać maszynę na radarze. O ile samolot pasażerski podobnych rozmiarów wygląda na radarze jak latająca stodoła, o tyle profil radarowy SR-71 Blackbird to mniej więcej drzwi od tej stodoły.
 
Aby odpowiedzieć sobie na pytanie jak zrobić samolot niewidzialny dla radaru, należy pierwsze się zastanowić jak działa radar. Urządzenie to emituje fale elektromagnetyczne, które następnie odbijają się od samolotu i są odbierane w detektorze. Cała sztuka polega teraz na takim doborze kształtu i materiałów z których zrobiony jest samolot, żeby do detektora dotarło jak najmniej odbitego od samolotu promieniowania. Jak widać na załączonych obrazkach sprzyjają temu ostre profile i płaske powierzchnie.
 
 
Radar namierzający zwykły samolot pasażerski
(www.howstuffworks.com)
 
 
Radar namierzający samolot stealth - większość sygnału jest rozpraszana "na bok"
(www.howstuffworks.com)
 
 
Konstruktorzy nie pomyśleli jednak o jednym: rozgrzany gaz z dysz silników napędzających samolot do zawrotnych prędkości jest silnie zjonizowany i doskonale odbija promienie radarów. Dlatego powracające z misji SR-71 były jednymi z jaśniejszych punktów na cywilnych radarach.
22:24, michal.heller , Jak to działa
Link Komentarze (5) »
poniedziałek, 09 czerwca 2008
Drogi Watsonie, dlaczego ten izolator nadprzewodzi?

Nauka to rzadko wyskakiwanie z wanny z okrzykiem „Eureka!”. Częściej jest jak kryminalne śledztwo, gdzie wyklucza się kolejne tropy. Są sprawcy, co bardzo mataczą: Metal, który powinien przewodzić prąd, okazuje się izolatorem. Potem ten izolator okazuje się... nadprzewodnikiem.

Atomy w krysztale mają miejsca parkingowe dla elektronów. Jedne miejsca są tańsze, inne droższe - kosztują mniej lub więcej energii. W izolatorze te tańsze są wszędzie zajęte, więc elektrony nie przeskakują między atomami, bo musiałyby za dużo zapłacić. W metalu prąd płynie, gdyż tanie miejsca parkingowe są wolne, więc elektrony prawie swobodnie podróżują po krysztale (prawie, bo drgające atomy rozpraszają je).

Kryształy zwane izolatorami Motta powinny być metalami - według teoretycznych obliczeń wielkości parkingów. Lecz doświadczenia pokazują, że nie przewodzą one prądu! Odkryto, dlaczego elektrony nie poruszają
się mimo wolnych miejsc parkingowych: ułożenie atomów sprawia, że elektrony odpychają się silniej niż zwykle i nie chcą ruszać się z miejsca.

Nieraz, gdy zabrać kilka elektronów z takiego izolatora, inne mogą już przeskakiwać na wolne miejsca i zaczyna on przewodzić jak metal. Czasem zaś elektrony zaczynają podróżować po krysztale bez oporu, ignorując rozpraszanie o drgające atomy! Izolator zamienia się w nadprzewodnik wysokotemperaturowy .

Niektóre izolatory Motta potrafią przewodzić i nadprzewodzić już po odebraniu paru elektronów, lecz inne - nie. Jaka jest różnica pomiędzy nimi? Znaleziono poszlakę: te, które nie potrafią - mają uporządkowanie orbitalne. Orbitale - chmury elektronowe wokół atomów - mają tam szczególnie sztywną strukturę. Czy to ona decyduje o braku przewodzenia prądu? Fizycy z UJ w prestiżowym piśmie Physical Review Letters wykluczyli ten ważny trop. Obliczyli, że gdyby chodziło tylko o uporządkowanie orbitalne, to kryształ i tak by przewodził. Wydaje się, że nie jest to również przyczyna braku nadprzewodnictwa, ale śledztwo trwa...

Niczego tutaj nie odkryto ani nie wytłumaczono, lecz wynik jest bardzo cenny: Pewna ścieżka poszukiwań nie prowadzi do celu. Krzysztof Wohlfeld, współautor, komentuje: "Tak wyglada współczesna nauka: kolejne grupy ludzi wynajdują coś małego i sukcesywnie zaczyna nam się wyłaniać całość. Ci ostatni w kolejce dostają Nobla..."

12:17, anuszka_ha3.agh.edu.pl , Aktualności
Link Komentarze (5) »
czwartek, 05 czerwca 2008
Kraków w Kosmosie

Jedna z okrążających Słońce planetoid otrzymała nazwę Kraków.

Planetoidy, zwane także planetkami lub asteroidami, to małe ciała niebieskie, których tysiące krążą po Układzie Słonecznym. Są to mniejsze lub większe okruchy skalne lub skalno-lodowe, pozostałości po najwcześniejszym dzieciństwie Układu. Największe planetoidy mają rozmiary sięgające setek kilometrów, ale przeważają obiekty znacznie mniejsze. Niektóre z nich mogą potencjalnie zagrażać Ziemi - gdyby któraś zderzyła się z naszą planetą, mogłaby wywołać katastrofalne zniszczenia.

Większość planetoid nie ma swoich nazw, a tylko numery katalogowe, niektóre jednak, z tych lub innych względów, otrzymują swoje własne imię. Ostatnio Centrum Małych Planet, działające przy Smithsonian Astrophysical Observatory i Międzynarodowej Unii Astronomicznej, planetoidzie o numerze 46977 nadało nazwę Kraków. Odkrywcą kosmicznego Krakowa jest belgijski astronom Eric Walter Elst. Kraków nie zagraża Ziemi, gdyż krąży w pasie planetoid pomiędzy orbitami Marsa i Jowisza, gdzie zresztą znajduje się większość znanych planetek i gdzie panują stabilne warunki. Niektórzy astronomowie twierdzą, że zawartość pasa planetoid to surowy materiał, z którego miała uformować się kolejna "prawdziwa" skalista planeta Układu - nie udało się to, gdyż na przeszkodzie stanął grawitacyjny wpływ największej planety, Jowisza, nie pozwalając na skupienie się materiału skalnego w jednym miejscu. Ponieważ orbita Krakowa ma stosunkowo duży mimośród, być może ta asteroida kiedyś wypadnie z pasa planetoid, ale wówczas zapewne zbliży się do Jowisza i zostanie przez niego rozerwana na strzępy.

Kosmiczny Kraków nie jest ciałem szczególnie imponującym i ani jego odkrycie, ani fakt nadania mu nazwy, znacząco nie zmieniają naszej wiedzy o Kosmosie. Ponieważ jednak jesteśmy silną grupą fizyków z Krakowa, a oto pojawił się drugi Kraków, musieliśmy ten fakt skomentować.

środa, 04 czerwca 2008
Wszechświat z klocków Lego

Fizycy lubią markowe rzeczy. Przykładowo publikować w Physical Review D albo Nuclear Physics B jest modnie, jednak prawdziwe haute couture to papier w Physical Review Letters. Niedawno ukazał się tam artykuł polsko-duńsko-holenderskiej drużyny, w którym autorzy opisują jak zbudować 4-wymiarowy wszechświat startując z podejścia a la klocki Lego.

O co tyle hałasu? W fizyce mamy 4 oddziaływania podstawowe: elektromagnetyczne, słabe, silne i grawitacyjne. Pierwsze 3 opisywane są przez mechanikę kwantową (ściślej kwantową teorię pola), natomiast z grawitacją jest problem: mimo kilkudziesięciu lat wysiłków nie ma zadowalającej teorii kwantowej grawitacji. Taka teoria przydałaby się m.in. do opisu czarnych dziur. Oczywiście nie jest tak, że przez ten czas nic nie zrobiono - są różne podejścia, jednak żadne nie jest zadowala w pełni. Teoria strun na przykład zawiera w sobie grawitację, jednak oprócz tego ma w sobie mnóstwo dodatkowych "egzotycznych" składników, których do tej pory nie zaobserwowano (na przykład supersymetria, dodatkowe wymiary). Tak zwana pętlowa kwantowa grawitacja dostarczyła różnych cząstkowych wyników, jednak ciągle nie zachwyca.
Podejście zapoczątkowane m.in. przez profesora Jerzego Jurkiewicza z Zakładu Teorii Układów Złożonych Instytutu Fizyki Uniwersytetu Jagiellońskiego jest jednocześnie bardzo proste pojęciowo i dostarcza ciekawych wyników na temat teorii kwantowej grawitacji w 4 wymiarach.

Mechanika kwantowa polega na '"sumowaniu" po trajektoriach. W przypadku cząstki trajektorie to wszystkie możliwe sposoby na jakie cząstka może przejść z punktu A to B. "Sumowanie" oznacza po prostu, że dla każdej trajektorii obliczamy pewną liczbę, a następnie dodajemy wszystkie wyniki. W grawitacji powinno się "sumować" po geometriach. W przypadku dwóch wymiarów różne geometrie można sobie wyobrazić jako wszystko, co możemy zrobić z kartki papieru (możemy ją także ciąć, jednak nie rozrywać). W fizyce stawka jest wyższa - interesują nas 4 wymiary. Jak obliczyć "sumę"?

Powiedzmy, że uprościmy sobie życie i będziemy traktować czas tak samo jak pozostałe wymiary (mówimy wtedy, że rozważamy teorię Euklidesową). Pomysł polega teraz na przybliżeniu ciągłej geometrii przez obiekty dyskretne. Podobny trik wykorzystuje się w grafice komputerowej - na przykład sfera, obiekt 2-wymiarowy, "zrobiona" z trójkątów. Gdy trójkąty robią się coraz mniejsze, przybliżenie jest coraz lepsze.

 

Triangulacja sfery. Zmniejszając trójkąty coraz lepiej przybliżamy gładką powierzchnię.

W 3-wymiarach "klockami Lego" są czworościany . Nasz świat ma 3 wymiary przestrzenne i 1 czasowy i zamiast trójkątów lub czworościanów używa się 4-wymiarowych obiektów, tzw. sympleksów. W modelu Euklidesowym sympleksy można dowolnie sklejać ze sobą, jednak nie działa to dobrze.
 
Trik (tzw. kauzalne dynamiczne triangulacje) wymyślony przez profesora Jurkiewicza, Jana Ambjorna (Kopenhaga) i Renate Loll (Utrecht) polega na tym, żeby przy sklejaniu uwzględnić czas - możliwe są tylko takie połączenia sympleksów w których przyczyna poprzedza skutek (kauzalność). W wyniku zaawansowanych symulacji komputerowych otrzymuje się niewielki (około 0.000000000000000000000000000000001 metra "długości") 4-wymiarowy wszechświat o małej, dodatniej stałej kosmologicznej . Co ciekawe, najnowsze obserwacje astronomiczne sugerują, że jego większy kuzyn, nasz Wszechświat, ma bardzo podobną strukturę. Ciekawe co z tego wyniknie - badania są w toku.
22:28, michal.heller , Aktualności
Link Dodaj komentarz »
poniedziałek, 02 czerwca 2008
Fale materii - jednak trochę inne

Istnienie postulowanych przez mechanikę kwantową fal materii jest dobrze potwierdzonym faktem doświadczalnym.  Okazuje się jednak, że fale materii nieco się różnią od fal świetlnych.

Doświadczenie Younga

Ważną cechą fal jest ich zdolność do interferencji: gdy grzbiet jednej fali spotyka się z grzbietem drugiej, fale wzmacniają się, gdy grzbiet jednej spotyka się z doliną drugiej - osłabiają. Ilustracją tej zasady jest doświadczenie Younga. Na bardziej precyzyjne pomiary pozwala interferometr Macha-Zehndera. Kilka lat temu zbudowano jego odpowiednik dla elektronów: prąd elektryczny rozdzielany jest w specjalnym mikroczipie na dwie gałęzie, częściowo odbijające elektrony, częściowo przepuszczające je dalej. Z ruchem elektronów w każdej gałęzi związana jest pewna fala materii. Elektrony z obu gałęzi, a więc i związane z nimi fale, spotykają się w odbiorniku, gdzie obserwujemy ich interferencję. To, czy grzbiet jednej fali spotka się z grzbietem drugiej, czy też z doliną, zależy od przyłożonego pola magnetycznego. Stosując zmienne pole, można odtworzyć klasyczny obraz interferencyjny.

Niedawno odkryto, iż fale materii zachowują się nieco inaczej od fal świetlnych. Dla światła im większe natężenie, tym wyraźniejsze są prążki interferencyjne. Tymczasem dla elektronów interferencja słabła, gdy natężenie prądu rosło. Wyjaśnienie tego zjawiska pojawiło się dopiero kilka tygodni temu w Physical Review Letters (tutaj i tutaj): Cząstki światła, fotony, nie oddziałują ze sobą, a więc obecność jednego nie wpływa na losy pozostałych. Elektrony, przeciwnie, odpychają się elektrostatycznie, "wiedzą" zatem, że jakieś inne elektrony podążają ich drogą. Gdy do gałęzi interferometru wstrzyknięty zostaje nowy elektron, te, które już się tam znajdują, muszą się nieco przesunąć, aby zrobić miejsce przybyszowi. Osłabia to, a w końcu nawet niszczy efekty interferencyjne pomiędzy dwiema gałęziami.

Natura fal materii jest bardziej złożona, niż to się dotychczas wydawało. Może to potencjalnie rzutować na użyteczność komputerów kwantowych. Z drugiej jednak strony otwiera się oto możliwość badania zupełnie nowych zjawisk kwantowych, które z czasem mogą okazać się do czegoś przydatne. Ale do czego? Nie mam pojęcia, Sir.

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