piątek, 02 maja 2008
Superizolator

Michael Faraday, genialny samouk i jeden z najzdolniejszych fizyków-eksperymentatorów wszechczasów, już za życia był chodzącą legendą. Pewnego razu jego pracownię odwiedził Benjamin Disraeli, późniejszy premier Wielkiej Brytanii, pełniący wówczas urząd ministra finansów. Faraday zaprezentował mu swoje najważniejsze odkrycia - zasadę indukcji elektromagnetycznej i prądnicę. Disraeli nie był zachwycony i zapytał do czego to się może przydać. "Nie mam pojęcia, Sir - odparł Faraday - ale pewnego dnia będzie pan mógł to opodatkować". Ostatecznie odkrycia Faradaya przyczyniły się do wytworzenia dóbr o większej wartości, niż łączna wartość spółek notowanych na wszystkich giełdach świata. Nie ma bezużytecznych odkryć naukowych, są natomiast takie, których użyteczności jeszcze nie odkryliśmy.

Argonne scientist Valerii Vinokur and Russian collaborator Tatyana Baturina examine a graph of the resistance of the insulating film plotted against the applied magnetic field. (Argonne National Laboratory)Historia ta przypomniała mi się, gdy kilka tygodni temu przeczytałem w Nature o odkryciu superizolatora. Jest to układ będący dokładnym przeciwieństwem nadprzewodnika. W nadprzewodniku opór elektryczny spada do zera poniżej pewnej temperatury krytycznej. Dzieje się tak dlatego, że poniżej tej temperatury elektrony łączą się w tak zwane pary Coopera, które następnie "lubią" ustawiać się w długie łańcuchy, umożłiwiając przepływ prądu bez żadnego oporu elektrycznego. Ostatnio amerykańsko-rosyjsko-niemiecko-belgijska grupa badawcza, pracująca w Argonne National Laboratory, odkryła rzecz zadziwiającą. Otóż w cienkich warstwach azotku tytanu (TiN), pary Coopera poniżej temperatury krytycznej, owszem, tworzą się, ale następnie starają się wzajemnie unikać, wytwarzając olbrzymie siły odpychające. Jest to bardzo delikatny efekt kwantowy, związany ze zjawiskiem kwantowej synchronizacji. W efekcie cała warstewka azotku tytanu zachowuje się jak mnóstwo niepołączonych ze sobą maleńkich wysepek nadprzewodzących. Ponieważ z jednej wysepki nijak nie można przedostać się na drugą, prąd elektryczny praktycznie nie może przez taką warstewkę płynąć - po zejściu poniżej temperatury krytycznej, opór układu raptownie rośnie ponad 100000 razy. 

Stan nadprzewodzący można zniszczyć polem magnetycznym - w dostatecznie dużym zewnętrznym polu magnetycznym, nadprzewodnik zmienia się w zwykły przewodnik. To samo dzieje się z superizolatorem. Stan nadprzewodzący można też zniszczyć przepuszczając przez nadprzewodnik prąd o zbyt dużym natężeniu. Stan superizolujący można zniszczyć przykładając zbyt duże napięcie. Można powiedzieć, że w pewnym sensie natężenie prądu i napięcie zamieniają się w superizolatorze rolami.

Przyroda ciągle nas zaskakuje. Dalecy jesteśmy od pełnego zrozumienia natury superizolatorów, otwiera się więc wspaniałe pole do dociekań teoretycznych i badań doświadczalnych. Ludzie zastanawiają się jak superizolatory będzie można wykorzystać w praktyce. Łatwo wyobrazić sobie, że możliwość błyskawicznego odcięcia przepływu prądu, bez konieczności niszczenia fragmentu obwodu (bezpiecznik) i bez wykorzystania zawodnych urządzeń mechanicznych (wyłącznik), może być kusząca. Padają także inne propozycje, ale gdyby ktoś dzisiaj zapytał mnie, do czego superizolator może się konkretnie przydać, odpowiedziałbym cytując Faradaya: "Nie mam pojęcia, Sir".

 

środa, 30 kwietnia 2008
Bez szumu nie ma rozumu?

Nie wytrzymam! W lewe ucho Grieg, w prawe Bach, a przez nos - marsz żałobny Chopina na fagot i basetlę!” - wrzasnął komiksowy Tytus poddany próbie zwiększania możliwości intelektualnych poprzez podpięcie do kilku źródeł muzyki. Co powiedziałby na taki eksperyment: na uszach dziko szumiące słuchawki, a w oko raz po raz dmucha pompka ze sprężonym powietrzem? Sam Papcio Chmiel by tego nie wymyślił...

Mam znajomych, którzy usypiają syna włączając mu odkurzacz. Nie są odosobnieni: na forach o wychowaniu czytam, że obecnie do snu niemowlakom włącza się suszarki elektryczne... Nie dziwię się temu. W pociągu i samolocie zawsze zasypiam: pod wpływem szumu koncentracja maleje, a myśli rozbiegają się.

Japońsko-niemiecka grupa naukowców postanowiła natomiast sprawdzić, czy możliwe jest coś odwrotnego. Ośrodek słuchu znajduje się w mózgu blisko ośrodka dotyku. Czy szum z jednego ośrodka będzie zakłócać działanie drugiego? Uczeni wykonali eksperyment z pompką i słuchawkami, aby pokazać, że przeciwnie – sygnały te mogą się wzajemnie wzmacniać.

Dmuchanie w kącik oka pacjenta wywołuje u niego odruch mrugania. Oczywiście, jeśli jest wystarczająco mocne. Pompkę ustawiono więc tak, aby dmuchała zbyt słabo by wywołać ten odruch. To znaczy, że sygnał płynący do ośrodka dotyku nie przekraczał pewnego koniecznego progu. Następnie zaczęto pacjentowi sączyć do uszu szum. Przy cichym szumie pacjent nie reagował mrugnięciem na dmuchanie. Przy mocnym szumie – również. Jednak przy pewnej pośredniej głośności szumu – zaczynał odczuwać dmuchnięcie, normalnie zbyt słabe do wyczucia - i odruchowo mrugał. Takie zjawisko nazywa się rezonans stochastyczny. Polega na wzmacnianiu sygnałów poprzez dodanie do nich szumu, który - wydawałoby się – powinien je raczej zakłócać. Fizycy w ostatnich latach odkrywają coraz więcej takich efektów (i niekoniecznie z szumem akustycznym, może to być np. szum elektryczny). Najbardziej jednak ekscytujące jest poszukiwanie tych zjawisk w mózgu. Może niedługo będzie można wyostrzać i przyspieszać ludzkie reakcje poprzez serwowanie odpowiednio dostrojonego szumu?

13:55, anuszka_ha3.agh.edu.pl , Aktualności
Link Komentarze (2) »
wtorek, 29 kwietnia 2008
Huragan w bańce mydlanej

Huragan EmilyHuragan, jeden z najpotężniejszych żywiołów na Ziemi, siał od wieków zniszczenie i przerażenie.
Najgroźniejszą bronią huraganu, zaraz po jego niszczycielskiej sile, była zawsze nieprzewidywalność. Być może zmieni się to za sprawą ... bańki mydlanej.

Procesy zachodzące w atmosferze są w dużym stopniu nieprzewidywalne. Kto z nas choć raz nie narzekał: "a mówili, że nie będzie padać"? Atmosfera jest niezwykle skomplikowanym układem. Choć znamy prawa fizyki rządzące ruchem powietrza, ciągle nie możemy trafnie przewidzieć pogody na dłużej niż na kilka dni. Pomiary stanu atmosfery nigdy nie dają kompletnego obrazu. Ponadto komputery, jakich używamy mają ograniczone możliwości obliczeniowe. Zawsze pomijane są jakieś drobne fluktuacje. Część tych fluktuacji zanika, ale część, wręcz przeciwnie, narasta tak, że z czasem nasze przewidywania znacznie odbiegają od rzeczywistości. Taki efekt nazywa się często efektem motyla.

Oczywiście najważniejszym problemem jest przewidywanie ekstremalnych zjawisk pogodowych takich jak huragany. Przewidzenie gdzie i kiedy uderzy huragan może ocalić życie wielu ludzi. W chwili obecnej meteorologowie dość dobrze potrafią przewidzieć najbardziej prawdpodobną trajektorię huraganu. Problem w tym, że nie są w stanie ocenić, jak wielkie mogą być odchylenia od tej przewidywanej trajektorii. Być może wiry na powierzchni baniek mydlanych pomogą zrozumieć ruch huraganów.

 

Wir


Zarówno atmosfera Ziemi, jak i powierzchnia bańki mydlanej mają jedną bardzo ważna wspólną cechę. Obie są niezwykle cienkie w porównaniu z ich średnicami. Naukowcy postanowili wykorzystać to podobieństwo. Stworzono półkolistą bańkę, którą podgrzano na równiku i schłodzono na biegunie. W wyniku powstał wir bardzo przypominający huragan. Okazało się, wir również poruszał się jak rzeczywisty huragan.

Zmieniając warunki termiczne można symulować różne stany atmosfery. Badając wiele wirów można przewidzieć statystyczne własności ich ruchu. Pozwoli to, z kolei, dokładniej przewidzieć trajektorie przyszłych huraganów i poprawnie określić strefy zagrożenia.


Ruch wiru
sobota, 26 kwietnia 2008
Niebiańskie piersi

Szczęśliwcy mogą czasem dojrzeć na niebie osobliwy rodzaj chmur: mammatus. Sama nazwa doskonale opisuje wygląd zjawiska: po łacinie znaczy ona... „piersiasty”.

Chmury te mają kształt gładkich i pękatych, zwisających w dół balonów. Mimo że malownicze kształty mammatusa przedstawiano już na XVI-wiecznych obrazach, dopiero kilkanaście lat temu pojawiły się pierwsze poważne badania nad mechanizmami tego fenomenu. Mammatus może powstać z różnych typów chmur, a nawet ze smug po odrzutowcach i z obłoków pyłu wulkanicznego. Meteorolodzy nurkujący samolotami pomiędzy „podniebne piersi” raportowali, że czasem składają się one z kryształków lodu, czasem zaś z grubych kropli wody. Niekiedy przelot przez mammatusa był gładki i spokojny, w innych przypadkach – samolotami szarpały turbulencje. Niektórzy obserwowali, że krągłe kształty zamieniały się w końcu w pasma padającego deszczu lub śniegu, który jednak nigdy nie docierał do powierzchni ziemi – bo wyparowywał.

 

Zdjęcie: NASA


W 2006 roku grupa amerykańskich meteorologów podsumowała dotychczasową wątłą wiedzę o mammatusach: niewielka ilość obserwacji, sprzeczne dane, dziesięć różnych teorii fizycznych próbujących wyjaśnić zjawisko. Wszystkie one obracają się wokół różnych kombinacji chłodzenia, ogrzewania i wypromieniowywania ciepła, oraz powstałych w wyniku tego ruchów powietrza. Jak wiadomo, ciepłe powietrze unosi się do góry, a zimne opada w dół. Jednak to, jak dokładnie poruszają się jego masy, jak się o siebie ocierają bądź mieszają ze sobą, wreszcie – jak unoszona w powietrzu woda zmienia stany skupienia – to bywa samo w sobie niezwykle skomplikowane.

Najnowsze – i wciąż nieliczne – badania angażują nowoczesną technologię: Wykonuje się coś na kształt... mammografii, prześwietlając chmury radarem w wysokiej rozdzielczości, by zbadać cyrkulację powietrza w ich wnętrzu. W symulacjach komputerowych testuje się złożone modele przepływów, które mogłyby nadać chmurom owe pobudzające wyobraźnię kształty.

Na razie jednak pozostają one zagadką.

 

09:26, anuszka_ha3.agh.edu.pl , Niewyjaśnione
Link Komentarze (2) »
środa, 23 kwietnia 2008
Dlaczego zderzać?

W Genewie rusza LHC, w Stanach od jakiegoś czasu działa RHIC. O maszynach tych było, jest i będzie głośno. Wszyscy czekamy na sensacyjne odkrycia, a może i na koniec świata ;). Mało kto jednak zadał sobie trochę trudu i zastanowił się dlaczego ci szaleni fizycy zderzają te malutkie cząstki.

Stephen Hawking, strasznie znany fizyk, dowiedział się kiedyś, że każde równanie w książce obniża liczbę potencjalnych czytelników o połowę. Mimo to w swojej słynnej Krótkiej historii czasu umieścił jeszcze słynniejszy wzór:

 

Cokolwiek on oznacza, na trwałe wpisał się on w kulturę masową. Skoro Hawkingowi uszło to na sucho, to i ja mogę zaszaleć. Oto "mój" wzór:

"ENERGIA ~ 1 / ODLEGŁOŚĆ"

Przysłowiowe trzęsienie ziemi już za nami, teraz czas na wyjaśnienia. Po pierwsze: wzorów nie należy się bać. Po drugie: "~" oznacza "proporcjonalny do". Po trzecie: ten wzór nie jest do końca prawdziwy, ale pozwala wychwycić fizykę. Pomińmy więc subtelności i zastanówmy się nad konsekwencjami. Powiedzmy, że nie wiemy nic o fizyce i nie mamy pojęca czym są odległość i energia. Jesteśmy ciekawscy, więc kombinujemy. Zmniejszamy "ODLEGŁOŚĆ" 10 razy - "ENERGIA" rośnie 10 razy. Zmniejszamy "ODLEGŁOŚĆ" 1000 razy - "ENERGIA" rośnie 1000 razy. Trywialne, prawda?

Teraz czas na interpretację i tu z pomocą przychodzą szaleni fizycy. Okazuje się (i to jest absolutnie nietrywialna i zupełnie genialna sprawa), że na ten wzór można spojrzeć w następujący sposób:

Dysponując "ENERGIĄ" jesteśmy w stanie zbadać "ODLEGŁOŚĆ" wynoszącą 1 / "ENERGIA". W skrócie im większą dysponujemy energią, tym badamy mniejsze odległości. Przykładowo jeśli zwiększymy energię 10 razy, obserwowane odległości będą 10 razy mniejsze. Jeśli chcemy zbadać cos milion razy mniejszego, musimy dysponować milion razy większą energią.

Skąd ten wzór? W wielkim skrócie z mechaniki kwantowej, która opisuje zjawiska w skali mikro. Jak to się ma do współczesnych akceleratorów? Cząstki elementarne to z definicji małe odległości. Nowe cząstki i nowe zjawiska to oczywiście odległości jeszcze mniejsze. Akcelerator przyspiesza cząstki (mogą to być też na przykład jądra atomowe) nadając im energię. W końcu cząstki zderzają się w detektorze. W wyniku przeważnie powstaje coś takiego (ślady cząstek zarejestrowane przez detektor STAR po zderzeniu jonów złota w eksperymecie RHIC):

 

Z grubsza im szybsze cząstki, tym większa energia zderzenia, tym mniejsze odległości, które badamy. A tam, na małych odległościach, czai się ciekawa fizyka: Higgs, supersymetria, ukryte wymiary, superstruny. Sounds good, co nie?