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.

czwartek, 29 maja 2008
Duchy pustyni

wydma na pustyni w MarokuBeduini nazywają go „duchem pustyni”, Marco Polo słysząc go podczas podróży do Chin przypisał jego obecność siłom nieczystym, Charles Darwin doświadczył go podczas swego pobytu w Chile. Na świecie jest około sto miejsc, w których od czasu do czasu można usłyszeć śpiew pustyni –  przerażający pomruk tak głośny, jak dźwięk Jumbo Jeta przelatującego tuż nad naszymi głowami.

Koncert wydm trwa zazwyczaj kilkanaście minut. Dźwięk, jaki wydają, jest przenikliwy, o natężeniu 110 dB (próg bólu dla człowieka wynosi zaledwie 120 dB). Wydaje się, że pochodzi on z niewiadomego kierunku, ze względu na swą niską częstotliwość i długość fali dźwiękowej około 3 m (człowiek jest w stanie rozpoznawać kierunek fal tylko wówczas, gdy ich długość jest mniejsza niż odległość pomiędzy parą uszu, czyli około 30 cm).  

Badacze od wielu lat zastanawiali się nad naturą i źródłem tej swoistej muzyki. Wiadomo było, że zjawisko to jest sezonowe oraz że występuje jedynie w niektórych obszarach pustynnych. Najbardziej wyraźne pomruki następowały zawsze po wietrznym dniu, a z kolei wilgoć zupełnie uniemożliwiała wysłuchanie koncertu. W ciągu ostatnich trzech lat dwie grupy badawcze z Francji (B. Andreottiego i S. Douady’ego) oraz grupa ze Stanów Zjednoczonych przeprowadziły serie testów na pustyniach oraz w laboratoriach, dochodząc do wspólnych wniosków, że za dźwięk ten odpowiedzialne są samosynchronizujące się lawiny piasku, które zamieniają wydmę w instrument muzyczny. To nie wiatr, lecz grawitacja jest inicjatorem koncertu! Naukowcy ustalili ponadto, że w śpiewających wydmach występują warstwy piasku o posortowanych, ściśle określonych wielkościach ziaren: grubsze na wierzchu, drobniejsze na spodzie. To właśnie przesuwanie się warstw ziaren wytwarza falę mechaniczną, pod wpływem której powierzchnia wydmy zaczyna drgać jak membrana głośnika, generując pomruk. Prawdopodobnie każda wydma ma swoją charakterystyczną częstotliwość zależną od średniego rozmiaru ziaren: im większe ziarna, tym niższy dźwięk generowany przez wydmę.

Nie każda wydma może wytwarzać dźwięk. Ważne jest, aby ziarenka piasku były małe i okrągłe, a szybkość przesuwania się warstw niezbyt duża (ale też nie za mała). Douady zauważył także, że najpiękniejsze dźwięki udawało mu się usłyszeć na pustyniach w miejscach położonych w pobliżu morza. Piasek sprowadzony z tych miejsc do laboratorium przestawał śpiewać po około miesiącu eksperymentów, ale po wykąpaniu go w słonej wodzie i ponownym osuszeniu, odzyskiwał swoje wirtuozerskie właściwości. Dlaczego?  

Wydaje się, że śpiewające wydmy kryją w sobie jeszcze wiele tajemnic.
17:58, daga.sokolowska , Niewyjaśnione
Link Komentarze (5) »
poniedziałek, 26 maja 2008
Precz ze zdrowym rozsądkiem
Aniołowie wprawiający planety w ruch

Współczesna fizyka jest nieustannie atakowana za sprzeczność ze zdrowym rozsądkiem. Krytycy fizyki współczesnej zdają się twierdzić, że fizyka klasyczna jest z nim całkowicie zgodna. Czy aby na pewno?

Zgodne ze zdrowym rozsądkiem było to, co o fizyce twierdził Arystoteles. Był on genialnym filozofem, jednym z duchowych ojców europejskiej cywilizacji, ale jego poglądy na fizykę były błędne. Ich istotą było twierdzenie, że do podtrzymania ruchu konieczne jest działanie siły. Tak jest w naszym świecie codziennym, gdzie na skutek sił tarcia, niepodtrzymywany ruch ustaje. Dziś wiemy, że teza Arystotelesa nie jest bezwzględnie prawdziwa, ale dawni astronomowie przydawali każdej planecie specjalnego anioła, który miał ją popychać przez nieboskłon - wszak według Arystotelesa, ruch bez przyczyny miał być niemożliwy. Trzeba było dopiero geniuszu Galileusza i Newtona, żyjących bez mała dwa tysiące lat po Arystotelesie, żeby obalić jego poglądy na fizykę.

W oparciu o dokonania Newtona sformułowano nową fizykę, zwaną dziś „fizyką klasyczną". Oprócz zupełnie nieintuicyjnych praw, znanych jako zasady dynamiki Newtona, fizyka ta opiera się o szereg pojęć, takich jak punkty materialne, bryły doskonale sztywne i temu podobne. Pomyślmy: Punkt materialny to coś, co ma nieskończoną gęstość. Bryła sztywna z nieskończoną siłą przeciwstawia się każdej próbie odkształcenia. Przecież takie twory nie mogą istnieć! Nikt jednak nie twierdzi, że świat naprawdę zbudowany jest z punktów materialnych, brył sztywnych, ładunków punktowych i ich rozlicznych kuzynów. Przeciwnie, są to tylko obiekty modelowe, idealizacje, ujmujące pewne aspekty otaczającej nas rzeczywistości. Nie elementy rzeczywistości, a tylko części składowe modelu.

Na przełomie XIX i XX wieku, dwieście lat po czasach Newtona, zaczęliśmy doświadczalnie zauważać sytuacje, w których „klasyczne" idealizacje i modele przestawały działać. Zbudowaliśmy więc nowy model, kwantowy, który teraz intensywnie badamy i którego używamy do opisu rozmaitych zjawisk. Elementami tego modelu są między innymi pojęcia funkcji falowej, kwantów i cząstek elementarnych, także będące idealizacjami pewnych aspektów rzeczywistości. Wciąż nie znaleźliśmy przypadków, w których obecny model załamywałby się całkowicie. Można się cieszyć, że jest on tak dobry. Znając jednak historię modeli Arystotelesowskiego i Newtonowskiego, spodziewamy się, że kiedyś napotkamy zjawiska, których obecna fizyka kwantowa nie będzie w stanie ogarnąć. Nie wiemy czy nastąpi to za rok, czy za sto lat. Ale nie martwmy się: przyszli fizycy wymyślą wówczas nowy model, oparty o nowe, dziś dla nas niewyobrażalne idealizacje.

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