Nauka To Lubię

Oficjalna strona Tomasza Rożka

Tag: atom

Nobel z fizyki za fale

Prace nad wykrywaniem i analizą fal grawitacyjnych musiały kiedyś zostać uhonorowane Nagrodą Nobla. No i stało się.

Kosmiczny detektor, kosmiczne zagadnienie. W świecie fizyków i kosmologów po raz kolejny będzie mówiło się o falach grawitacyjnych. Kilkanaście dni temu dzięki pracy kolaboracji LIGO/VIRGO zmarszczki przestrzeni były w czołówkach serwisów na całym świecie. Dzisiaj też będą. Z powodu Nagrody Nobla z fizyki.

Rainer Weiss, Barry C. Barich, Kip S. Thorne

„for decisive contributions to the LIGO detector and the observation of gravitational waves”

waves-101-1222750-1600x1200

Fale grawitacyjne to kompletny odlot. Człowiekiem który sprawę rozumiał, ba, który ją wymyślił, a w zasadzie wyliczył był nie kto inny tylko Albert Einstein (swoją drogą powinien dostać nagrodę za odkrycie najbardziej nieintuicyjnych zjawisk we wszechświecie). Z napisanej przez niego 100 lat temu Ogólnej Teorii Względności wynika, że ruch obiektów obdarzonych masą,  jest źródłem rozchodzących się w przestrzeni fal grawitacyjnych (lub inaczej – choć nie mniej abstrakcyjnie – zaburzeń czasoprzestrzennych). Jak to sobie wyobrazić? No właśnie tu jest problem. Bardzo niedoskonała analogia to powstające na powierzchni wody kręgi, gdy wrzuci się do niej kamień. W przypadku fal grawitacyjnych zamiast wody jest przestrzeń, a zamiast kamienia poruszające się obiekty. Czym większa masa i czym szybszy ruch, tym łatwiej zmarszczki przestrzeni powinny być zauważalne. Rejestrując największe fale grawitacyjne, tak jak gdybyśmy bezpośrednio obserwowali największe kosmiczne kataklizmy: zderzenia gwiazd neutronowych, czarnych dziur czy wybuchy supernowych. Trzeba przyznać, że perspektywa kusząca gdyby nie to… że fale grawitacyjne to niezwykle subtelne zjawiska. Nawet te największe, bardziej będą przypominały lekkie muśnięcia piórkiem niż trzęsienie ziemi. W książce „Zmarszczki na kosmicznym morzu” (Ripples on a Cosmic Sea: The Search for Gravitational Waves) australijski fizyk, prof. David Blair, poszukiwanie fal grawitacyjnych porównuje do nasłuchiwania wibracji wywołanych przez pukanie do drzwi z odległości dziesięciu tysięcy kilometrów. Detektory zdolne wykryć fale grawitacyjne powinny być zdolne zarejestrować wstrząsy sejsmiczne wywołane przez upadek szpilki po drugiej stronie naszej planety. Czy to w ogóle jest możliwe? Tak! Od 2002 roku działa w USA Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory w skrócie LIGO czyli Laserowe Obserwatorium Interferometryczne Fal Grawitacyjnych. Zanim budowa ruszyła, pierwszy szef laboratorium prof. Barry Barrish na dorocznym posiedzeniu AAAS (American Association for the Advancement of Science) oświadczył, że pomimo wielu trudności nadszedł w końcu czas na zrobienie czegoś, co można nazwać prawdzią nauką (swoją drogą, odważne słowa na zjeździe najlepszych naukowców na świecie).

>>> Więcej naukowych informacji na FB.com/NaukaToLubie

This_visualization_shows_what_Einstein_envisioned

Symulacja łączenia się czarnych dziur – jedno ze zjawisk, które wytwarza najsilniejsze fale grawitacyjne

Z falami grawitacyjnymi jest jednak ten problem, że przez dziesięciolecia, mimo prób, nikomu nie udało się ich znaleźć. Gdyby komuś zaświtała w głowie myśl, że być może w ogóle ich nie ma, spieszę donieść, że gdyby tak było naprawdę, runąłby fundament współczesnej fizyki – Ogólna Teoria Względności, a kosmologię trzeba byłoby przepisać od początku. Dzisiaj głośno mówi się, że fale grawitacyjne zostały przez LIGO zarejestrowane. Panuje raczej atmosfera lekkiego podniecenia i oczekiwania na to, co stanie się za chwilę. Potwierdzenie istnienia fal grawitacyjnych nie będzie kolejnym odkryciem, które ktoś odfajkuje na długiej liście spraw do załatwienia.  Zobaczymy otaczający nas wszechświat z całkowicie innej perspektywy.

Jako pierwszy falowe zmiany pola grawitacyjnego, w latach 60 XX wieku próbował zarejestrować amerykański fizyk Jaseph Weber. Budowane przez niego aluminiowe cylindry obłożone detektorami nie zostały jednak wprawione w drgania. Co prawda Weber twierdził, że złapał zmarszczki wszechświata, ale tego wyniku nie udało się potwierdzić. Dalsze poszukiwania trwały bez powodzenia, aż do 1974 roku, gdy dwóch radioastronomów z Uniwersytetu w Princeton (Joseph Taylor i Russel Hulse) obserwując krążące wokół siebie gwiazdy (PSR1913+16) stwierdziło, że układ powoli traci swoją energię, tak jak gdyby wysyłał … fale grawitacyjne. Mimo, że samych fal nie zaobserwowano, za pośrednie potwierdzenie ich istnienia autorzy dostali w 1993 roku Nagrodę Nobla. Uzasadnienie Komitetu Noblowskiego brzmiało: „za odkrycie nowego typu pulsara, odkrycie, które otwiera nowe możliwości badania grawitacji”.

>>> Więcej naukowych informacji na FB.com/NaukaToLubie

virgoviewInstalacja, która z lotu ptaka wygląda jak wielka litera L, to dwie rury o długości 4 km każda, stykające się końcami pod kątem prostym. Choć całość przypomina przepompownię czy oczyszczalnię ścieków jest jednym z najbardziej skomplikowanych urządzeń kiedykolwiek wybudowanych przez człowieka. Każde z ramion tworzy betonowa rura o średnicy 2 metrów. W jej wnętrzu – jak w bunkrze – znajduje się druga ze stali nierdzewnej, która jest granicą pomiędzy światem zewnętrznym a bardzo wysoką próżnią. Z miejsca w którym rury się stykają, „na skrzyżowaniu”, dokładnie w tym samym momencie wysyłane są wiązki lasera. Ich celem są zwierciadła umieszczone na końcu każdej z rur. 2000px-Ligo.svgOdbijane przez zwierciadła tam i z powrotem około 100 razy promienie, wpadają z powrotem do centralnego laboratorium i tam zostają do siebie porównane. Dzięki zjawisku interferencji możliwe jest wyliczenie z wielką dokładnością różnicy przebytych przez obydwie wiązki światła dróg. A drogi te powinny być identyczne, no chyba że… chyba że w czasie pomiaru przez Ziemie – podobnie jak fala na powierzchni wody – przejdzie fala grawitacyjna. Wtedy jedno z ramion będzie nieco dłuższe, a efekt natychmiast zostanie wychwycony w czasie porównania dwóch wiązek. Tyle tylko, że nawet największe zaburzenia zmienią długość ramion o mniej niż jedną tysięczną część średnicy protonu (!). To mniej więcej tak, jak gdyby mierzyć zmiany średnicy Drogi Mlecznej (którą ocenia się na ok. 100 tys. lat świetlnych) z dokładnością do jednego metra. Czy jesteśmy w stanie tak subtelne efekty w ogóle zarejestrować ? Lustra na końcach każdego z korytarzy (tuneli) mogą zadrgać (chociażby dlatego, że przeleciał nad nimi samolot, albo w okolicy przejechał ciężki samochód). By tego typu efekty nie miały wpływu na pomiar zdecydowano się na budowę nie jednej, ale dwóch instalacji, w Handford w stanie Waszyngton i w Livingston w stanie Luizjana. Są identyczne, choć oddalone od siebie o ponad 3 tys. kilometrów. Ich ramiona maja takie same wymiary i maja takie same układy optyczne. Nawet gdy w jednym LIGO zwierciadło nieoczekiwanie zadrga, niemożliwe by to samo w tej samej chwili stało się ze zwierciadłem bliźniaczej instalacji. Zupełnie jednak inaczej będzie gdy przez Ziemię przejdzie z prędkością światła fala grawitacyjna. Zmiany jakie wywoła zajdą w dokładnie tej samej chwili w obydwu ośrodkach.

>>> Więcej naukowych informacji na FB.com/NaukaToLubie

A kończąc, pozwólcie na ton nieco nostalgiczny. Wszechświat jest areną niezliczonych kataklizmów a dramatyczne katastrofy, to naturalny cykl jego życia. To nic, że od tysięcy lat na naszym niebie królują te same gwiazdozbiory. W skali kosmicznej taki okres czasu to nic nieznacząca chwila, a nawet w czasie jej trwania widoczne były wybuchy gwiazd. Z bodaj największego kataklizmu – Wielkiego Wybuchu – „wykluło” się to co dzisiaj nazywamy kosmosem. Obserwatoria grawitacyjne (np. takie jak LIGO) otworzą oczy na inne wielkie katastrofy, i to nie tylko te które będą, ale także te które były. Już prawie słychać zgrzyt przekręcanego klucza w drzwiach. Już za chwilę się otworzą. Najpierw przez wąską szparę, a później coraz wyraźniej i coraz śmielej będziemy obserwowali wszechświat przez nieznane dotychczas okulary. Ocenia się, że to co widzą „zwykłe” teleskopy (tzw. materia świecąca) to mniej niż 10% całej masy Wszechświata. A gdzie pozostałe 90% ? Na to pytanie nie znaleziono dotychczas odpowiedzi. Tzw. ciemna materia powinna być wszędzie, a nie widać jej nigdzie. Przypisuje się jej niezwykłe właściwości, łączy się ją z nie mniej tajemniczą ciemną energią. Czy LIGO, pomoże w rozwiązaniu tej intrygującej zagadki? Czy będzie pierwszym teleskopem, przez który będzie widać ciemną materię? Jeżeli obserwatoria grawitacyjne będą w stanie „zobaczyć” obiekty, które można obserwować także w świetle widzialnym (np. wybuch supernowej), a nie będą widziały ani grama ciemnej materii, to zagadka staje się jeszcze bardziej tajemnicza. Bo albo ta materia nie podlega prawom grawitacji, albo nie ma żadnej ciemnej materii. Konsekwencje obydwu tych scenariuszy są trudne do przewidzenia. Czy teraz rozumiecie dlaczego odkrycie fal grawitacyjnych jest tak ważne? 

8 komentarzy do Nobel z fizyki za fale

Ciemno to widzę

Dzisiaj nad ranem agencje prasowe podały smutną wiadomość. W wieku 88 lat, z powodów naturalnych, zmarła Vera Rubin. Amerykańska astrofizyk, odkrywczyni ciemnej materii. Tej jest znacznie więcej niż materii, która nas buduje. Czym jest? Ciemna materia to jedna z największych zagadek współczesnej nauki.

Dzisiaj nad ranem agencje prasowe podały smutną wiadomość. W wieku 88 lat, z powodów naturalnych, zmarła Vera Rubin. Amerykańska astrofizyk, odkrywczyni ciemnej materii. Tej jest znacznie więcej niż materii, która nas buduje. Czym jest? Ciemna materia to jedna z największych zagadek współczesnej nauki.

 

Gdyby zważyć cały wszechświat, wszystkie gwiazdy, planety, mgławice, komety, asteroidy,… wszystkie te obiekty stanowiłyby zaledwie kilka procent masy całości. Większość, przeważającą większość stanowiłaby nieznana forma materii i jeszcze bardziej tajemnicza forma energii.

Uparta dziewczyna

Co takiego może być tajemniczego w materii? Cóż, problem polega na tym, że my nie mamy pojęcia czy ciemna materia wygląda tak jak nasza, czy jest zbudowana tak jak nasza. Więcej, nie wiemy czy obowiązują ją te same prawa przyrody co materię naszą. Naszą czyli tą, z której jesteśmy zbudowani my i wszystko co nas otacza. Patrząc w niebo, nawet jeżeli używamy największych teleskopów nie widzimy ciemnej materii. Skąd zatem wiemy, że ona w ogóle istnieje? Z odpowiedzią na to pytanie wiąże się historia pewnej upartej młodej naukowiec.

>>> Więcej naukowych informacji na FB.com/NaukaToLubie.

W 1970 roku młoda doktorantka jednego z amerykańskich uniwersytetów, Vera Rubin, postanowiła zmierzyć prędkość gwiazd w standardowej galaktyce spiralnej. Badania nie zapowiadały się ciekawie, bo wiedza o tym, że gwiazdy w galaktyce spiralnej poruszają się jak woda w wirze, była wtedy powszechna. Uważano, że te gwiazdy, które znajdują się dalej od centrum galaktyki powinny poruszać się wolniej, niż gwiazdy, które znajdują się bliżej jej środka. Verze odradzano zajmowanie się tym tematem.

q-100No bo w końcu po co robić pomiary, skoro wiadomo jaki będzie ich wynik? Vera uparła się jednak, że chce swoje obserwacje przeprowadzić. I odkryła… że niezależnie od odległości od centrum galaktyki, gwiazdy mają taką samą prędkość. Ta jedna obserwacja zburzyła fundament na którym stała wiedza o galaktykach. Od teraz nic się nie zgadzało. Takie galaktyki nie miały prawa istnieć. A przecież istniały. Jeżeli ktokolwiek miał wątpliwość, mógł spojrzeć przez teleskop. Próba wyjaśnienia tego fenomenu była jeszcze bardziej zaskakująca niż samo odkrycie.  Nikt – z Verą Rubin włącznie – nie miał wątpliwości, że za ruch gwiazd w galaktyce odpowiedzialna jest grawitacja. Problem polegał na tym, że jej źródło głównie znajduje się w centrum galaktyki. Tak przynajmniej myślano. Tymczasem Vera Rubin uznała, że centrum galaktyki wcale nie musi być jedynym miejscem silnie przyciągającym gwiazdy. Uznała, że pomiędzy gwiazdami musi być jakaś masa dodatkowa, taka, która nie świeci (i jej nie widać). To ona jest źródłem siły grawitacyjnej, która powoduje, że wszystkie gwiazdy w galaktyce mają taką samą prędkość. Jak taką masę sobie wyobrazić? Może jako chmurę niewidocznej dla nas materii w której galaktyka jest zanurzona? Może gwiazdy na tej chmurze się unoszą tak jak oka tłuszczu unoszą się na powierzchni rosołu?

Coś się odkleiło

Potem zaczęto się przyglądać innym galaktykom, gromadom galaktyk i jeszcze większym strukturom. Wszędzie widziano efekt działania ogromnej siły grawitacji. Tyle tylko, że źródła tej siły, czyli samej masy nigdzie nie dostrzeżono. Szybko policzono, że gdyby nie ciemna materia, galaktyki rozsypałyby się. Siła grawitacji jest za mała by duże kosmiczne struktury utrzymywać w porządku, potrzeba kleju, czegoś co to wszystko scala. No i to jest największa tajemnica, czym ten klej jest? Jak wygląda, co jest jego źródłem? I czy stosuje się do praw natury, które obowiązują w naszym świecie?

>>> Więcej naukowych informacji na FB.com/NaukaToLubie.

Co do tego można mieć wątpliwości po ostatnich obserwacjach zespołu naukowców z największych na świecie ośrodków, w tym NASA, ESA (Europejska Agencja Kosmiczna) oraz kilku amerykańskich uniwersytetów. Korzystając z danych obserwacyjnych teleskopu kosmicznego Hubble’a oraz teleskopu VLT należącego do Europejskiego Obserwatorium Południowego, udało się sfotografować zderzenie czterech galaktyk wchodzących w skład gromady galaktyk Abell 3827. Dokładna obserwacja ruchu gwiazd wchodzących w skład tych galaktyk, dokładna obserwacja biegu promieni światła pozwoliła astronomom stwierdzić, że ciemna materia oderwała się od jednej ze zderzających się galaktyk. Brzmi co najmniej abstrakcyjnie, ale tak rzeczywiście jest. Za jedną z galaktyk, w odległości kilku tysięcy lat świetlnych ciągnie się obłok czegoś, czego co prawda nie widać, ale co wpływa grawitacyjnie na całe otoczenie. Tego „czegoś” nie powinno tam być! To „coś”, czyli ciemna materia, powinno być we wnętrzu galaktyki, pomiędzy gwiazdami, które galaktykę tworzą. Co takiego się stało, że materia „zwykła” i ciemna, w tym konkretnym przypadku odłączyły się od siebie? Na to pytanie nie ma dzisiaj odpowiedzi, trudno też powiedzieć czy takie sytuacje zdarzają się często. Ta jest pierwszą tego typu. Choć szczerze mówiąc, o niczym nie musi to świadczyć, nie jesteśmy zbyt dobrze w obserwowaniu czegoś… czego nie widać.

Pajęczyna

Jednym z pomysłów na wyjaśnienie zaobserwowanego zjawiska jest to, że ciemna materia nie stosuje się do praw, które nas obowiązują, że grawitacja działa na nią inaczej niż na obiekty „zwykłej” materii. Na razie, to zwykłe gdybanie. Ale to nie znaczy, że kosmolodzy i astrofizycy nie próbują ciemnej materii złapać. Jednym ze sposobów na jej poznanie jest tworzenie map jej rozmieszczenia. To bardzo trudna sztuka, ale czasami się udaje. Takie mapy tworzy się po to, by znaleźć klucz, by zobaczyć gdzie ciemna materia szczególnie chętnie się grupuje. To może pomóc w określeniu jej właściwości.

seqD_063Takie trójwymiarowe  mapy różnych części kosmosu powstają od wielu lat. Właśnie opublikowano kolejną, dokładniejszą niż poprzednie. Pracował nad nią zespół trzystu naukowców z całego świata. I została zaprezentowana podczas ostatniego spotkania Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego w Baltimore. Mapa jest dość spora, zawiera miliardy gwiazd i obejmuje całe… cztery dziesiąte procent nieba. Co ciekawe, na wielu mapach nieba, na których zaznacza się występowanie ciemnej materii, jest ona uformowana w postaci włókien. Po raz pierwszy udało się to zauważyć kilka lat temu, gdy dzięki użyciu Obserwatorium Kecka na Hawajach astrofizycy obserwowali kwazar UM287. Wyniki ich prac były opublikowane w Nature. Kwazar o którym mowa oddalony jest od Ziemi o około 10 miliardów lat świetlnych. Kwazary przypominają gwiazdy, ale w rzeczywistości są bardzo aktywnymi galaktykami, które „wyrzucają” w przestrzeń ogromne ilości energii. Badacze wykorzystali to promieniowanie tak, jak wykorzystuje się światło latarki, wchodząc do ciemnego pokoju. Światło kwazaru UM287 padało na ogromną, mającą średnicę dwóch milionów lat świetlnych chmurę gazu. Ile to jest 2 miliony lat świetlnych? Trudno to sobie wyobrazić. Układ Słoneczny ma średnicę około 30 dni świetlnych, a cała Galaktyka Drogi Mlecznej nieco ponad 100 tys. lat świetlnych. Oświetlana przez kwazar chmura pyłu była więc 20 razy większa od naszej galaktyki.

>>> Więcej naukowych informacji na FB.com/NaukaToLubie.

Wracając jednak do ciemnej materii. Astronomowie analizując rozchodzenie się światła w tej chmurze, zauważyli, że materia nie jest w niej równomiernie rozłożona, że tworzy coś w rodzaju włókien. Podali hipotezę, że to włókna ciemnej materii. Obserwacja jest w zgodzie z modelami teoretycznymi, które mówią, że ciemna materia nie jest posklejana jak materia widzialna w obiekty takie jak np. planety czy gwiazdy, czyli w struktury kuliste. Przypomina raczej pajęczynę na której „utkany” jest cały wszechświat. Kawałek tej pajęczyny właśnie zauważono. Nigdy wcześniej nie widziano bezpośrednio takich włókien.

Przegrana grawitacja

Ciemna materia – zdaniem astronomów – ma w odpowiadać za kształt dużych obiektów, takich jak np. galaktyki czy ogromne chmury gazu i materii. Trudno powiedzieć, czy może budować całe (ciemne) galaktyki. Pewne jednak jest, że wszechświat składa się z ciemnej materii w około 24 proc. Materia widzialna, taka z której i my jesteśmy zbudowani tworzy go w około 4 procentach. Razem 28 proc. Gdzie jest reszta? Czym jest reszta? I to jest chyba największa zagadka kosmologii. 72 proc. wszechświata to ciemna energia. Nie wiadomo czym jest, nie wiadomo gdzie jest. Być może wszędzie dookoła, być może jest gdzieś skupiona. Wydaje się, że na małych odległościach nie widać efektów jej działania. Być może są one tak ulotne, że nie potrafimy ich zarejestrować. Gdy jednak spojrzeć na kosmos w dużej skali, skali nawet nie galaktyk, tylko gromad galaktyk czy supergromad… Galaktyki oddalają się od siebie. Czym dalej są, tym szybciej się oddalają. Dlaczego tak się dzieje? Dlaczego grawitacja, przyciąganie, nie powoduje, że zaczną się do siebie przybliżać? Dzisiaj uważa się, że to właśnie ciemna energia powoduje puchnięcie wszechświata. A to znaczy, że w pewnym sensie działa przeciwko grawitacji. Ta ostatnia na małych dystansach tą walkę wygrywa. Ale w dużych skalach, to ciemna energia króluje.

Wszechświat jest fascynujący! I wciąż tajemniczy.

Tomasz Rożek

>>> Więcej naukowych informacji na FB.com/NaukaToLubie.

Brak komentarzy do Ciemno to widzę

(wszech)Świat się marszczy !!!

Lada dzień gruchnie wiadomość na którą czekamy od kilku dziesięcioleci. Wszechświat, przestrzeń marszczy się. W LIGO podobno odkryto fale grawitacyjne.

Kosmiczny detektor, kosmiczne zagadnienie. W świecie fizyków i kosmologów od kilku dni nie mówi się o niczym innym niż fale grawitacyjne, które miał podobno wykryć LIGO. O co chodzi?

>>> Więcej naukowych informacji na FB.com/NaukaToLubie

waves-101-1222750-1600x1200

Fale grawitacyjne to kompletny odlot. Człowiekiem który sprawę rozumiał, ba, który ją wymyślił, a w zasadzie wyliczył był nie kto inny tylko Albert Einstein (swoją drogą powinien dostać nagrodę za odkrycie najbardziej nieintuicyjnych zjawisk we wszechświecie). Z napisanej przez niego 100 lat temu Ogólnej Teorii Względności wynika, że ruch obiektów obdarzonych masą,  jest źródłem rozchodzących się w przestrzeni fal grawitacyjnych (lub inaczej – choć nie mniej abstrakcyjnie – zaburzeń czasoprzestrzennych). Jak to sobie wyobrazić? No właśnie tu jest problem. Bardzo niedoskonała analogia to powstające na powierzchni wody kręgi, gdy wrzuci się do niej kamień. W przypadku fal grawitacyjnych zamiast wody jest przestrzeń, a zamiast kamienia poruszające się obiekty. Czym większa masa i czym szybszy ruch, tym łatwiej zmarszczki przestrzeni powinny być zauważalne. Rejestrując największe fale grawitacyjne, tak jak gdybyśmy bezpośrednio obserwowali największe kosmiczne kataklizmy: zderzenia gwiazd neutronowych, czarnych dziur czy wybuchy supernowych. Trzeba przyznać, że perspektywa kusząca gdyby nie to… że fale grawitacyjne to niezwykle subtelne zjawiska. Nawet te największe, bardziej będą przypominały lekkie muśnięcia piórkiem niż trzęsienie ziemi. W książce „Zmarszczki na kosmicznym morzu” (Ripples on a Cosmic Sea: The Search for Gravitational Waves) australijski fizyk, prof. David Blair, poszukiwanie fal grawitacyjnych porównuje do nasłuchiwania wibracji wywołanych przez pukanie do drzwi z odległości dziesięciu tysięcy kilometrów. Detektory zdolne wykryć fale grawitacyjne powinny być zdolne zarejestrować wstrząsy sejsmiczne wywołane przez upadek szpilki po drugiej stronie naszej planety. Czy to w ogóle jest możliwe? Tak! Od 2002 roku działa w USA Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory w skrócie LIGO czyli Laserowe Obserwatorium Interferometryczne Fal Grawitacyjnych. Zanim budowa ruszyła, pierwszy szef laboratorium prof. Barry Barrish na dorocznym posiedzeniu AAAS (American Association for the Advancement of Science) oświadczył, że pomimo wielu trudności nadszedł w końcu czas na zrobienie czegoś, co można nazwać prawdzią nauką (swoją drogą, odważne słowa na zjeździe najlepszych naukowców na świecie).

>>> Więcej naukowych informacji na FB.com/NaukaToLubie

This_visualization_shows_what_Einstein_envisioned

Symulacja łączenia się czarnych dziur – jedno ze zjawisk, które wytwarza najsilniejsze fale grawitacyjne

Z falami grawitacyjnymi jest jednak ten problem, że przez dziesięciolecia, mimo prób, nikomu nie udało się ich znaleźć. Gdyby komuś zaświtała w głowie myśl, że być może w ogóle ich nie ma, spieszę donieść, że gdyby tak było naprawdę, runąłby fundament współczesnej fizyki – Ogólna Teoria Względności, a kosmologię trzeba byłoby przepisać od początku. Dzisiaj głośno mówi się, że fale grawitacyjne zostały przez LIGO zarejestrowane. Panuje raczej atmosfera lekkiego podniecenia i oczekiwania na to, co stanie się za chwilę. Potwierdzenie istnienia fal grawitacyjnych nie będzie kolejnym odkryciem, które ktoś odfajkuje na długiej liście spraw do załatwienia.  Zobaczymy otaczający nas wszechświat z całkowicie innej perspektywy.

Jako pierwszy falowe zmiany pola grawitacyjnego, w latach 60 XX wieku próbował zarejestrować amerykański fizyk Jaseph Weber. Budowane przez niego aluminiowe cylindry obłożone detektorami nie zostały jednak wprawione w drgania. Co prawda Weber twierdził, że złapał zmarszczki wszechświata, ale tego wyniku nie udało się potwierdzić. Dalsze poszukiwania trwały bez powodzenia, aż do 1974 roku, gdy dwóch radioastronomów z Uniwersytetu w Princeton (Joseph Taylor i Russel Hulse) obserwując krążące wokół siebie gwiazdy (PSR1913+16) stwierdziło, że układ powoli traci swoją energię, tak jak gdyby wysyłał … fale grawitacyjne. Mimo, że samych fal nie zaobserwowano, za pośrednie potwierdzenie ich istnienia autorzy dostali w 1993 roku Nagrodę Nobla. Uzasadnienie Komitetu Noblowskiego brzmiało: „za odkrycie nowego typu pulsara, odkrycie, które otwiera nowe możliwości badania grawitacji”.

>>> Więcej naukowych informacji na FB.com/NaukaToLubie

virgoviewInstalacja, która z lotu ptaka wygląda jak wielka litera L, to dwie rury o długości 4 km każda, stykające się końcami pod kątem prostym. Choć całość przypomina przepompownię czy oczyszczalnię ścieków jest jednym z najbardziej skomplikowanych urządzeń kiedykolwiek wybudowanych przez człowieka. Każde z ramion tworzy betonowa rura o średnicy 2 metrów. W jej wnętrzu – jak w bunkrze – znajduje się druga ze stali nierdzewnej, która jest granicą pomiędzy światem zewnętrznym a bardzo wysoką próżnią. Z miejsca w którym rury się stykają, „na skrzyżowaniu”, dokładnie w tym samym momencie wysyłane są wiązki lasera. Ich celem są zwierciadła umieszczone na końcu każdej z rur. 2000px-Ligo.svgOdbijane przez zwierciadła tam i z powrotem około 100 razy promienie, wpadają z powrotem do centralnego laboratorium i tam zostają do siebie porównane. Dzięki zjawisku interferencji możliwe jest wyliczenie z wielką dokładnością różnicy przebytych przez obydwie wiązki światła dróg. A drogi te powinny być identyczne, no chyba że… chyba że w czasie pomiaru przez Ziemie – podobnie jak fala na powierzchni wody – przejdzie fala grawitacyjna. Wtedy jedno z ramion będzie nieco dłuższe, a efekt natychmiast zostanie wychwycony w czasie porównania dwóch wiązek. Tyle tylko, że nawet największe zaburzenia zmienią długość ramion o mniej niż jedną tysięczną część średnicy protonu (!). To mniej więcej tak, jak gdyby mierzyć zmiany średnicy Drogi Mlecznej (którą ocenia się na ok. 100 tys. lat świetlnych) z dokładnością do jednego metra. Czy jesteśmy w stanie tak subtelne efekty w ogóle zarejestrować ? Lustra na końcach każdego z korytarzy (tuneli) mogą zadrgać (chociażby dlatego, że przeleciał nad nimi samolot, albo w okolicy przejechał ciężki samochód). By tego typu efekty nie miały wpływu na pomiar zdecydowano się na budowę nie jednej, ale dwóch instalacji, w Handford w stanie Waszyngton i w Livingston w stanie Luizjana. Są identyczne, choć oddalone od siebie o ponad 3 tys. kilometrów. Ich ramiona maja takie same wymiary i maja takie same układy optyczne. Nawet gdy w jednym LIGO zwierciadło nieoczekiwanie zadrga, niemożliwe by to samo w tej samej chwili stało się ze zwierciadłem bliźniaczej instalacji. Zupełnie jednak inaczej będzie gdy przez Ziemię przejdzie z prędkością światła fala grawitacyjna. Zmiany jakie wywoła zajdą w dokładnie tej samej chwili w obydwu ośrodkach.

>>> Więcej naukowych informacji na FB.com/NaukaToLubie

A kończąc, pozwólcie na ton nieco nostalgiczny. Wszechświat jest areną niezliczonych kataklizmów a dramatyczne katastrofy, to naturalny cykl jego życia. To nic, że od tysięcy lat na naszym niebie królują te same gwiazdozbiory. W skali kosmicznej taki okres czasu to nic nieznacząca chwila, a nawet w czasie jej trwania widoczne były wybuchy gwiazd. Z bodaj największego kataklizmu – Wielkiego Wybuchu – „wykluło” się to co dzisiaj nazywamy kosmosem. Obserwatoria grawitacyjne (np. takie jak LIGO) otworzą oczy na inne wielkie katastrofy, i to nie tylko te które będą, ale także te które były. Już prawie słychać zgrzyt przekręcanego klucza w drzwiach. Już za chwilę się otworzą. Najpierw przez wąską szparę, a później coraz wyraźniej i coraz śmielej będziemy obserwowali wszechświat przez nieznane dotychczas okulary. Ocenia się, że to co widzą „zwykłe” teleskopy (tzw. materia świecąca) to mniej niż 10% całej masy Wszechświata. A gdzie pozostałe 90% ? Na to pytanie nie znaleziono dotychczas odpowiedzi. Tzw. ciemna materia powinna być wszędzie, a nie widać jej nigdzie. Przypisuje się jej niezwykłe właściwości, łączy się ją z nie mniej tajemniczą ciemną energią. Czy LIGO, pomoże w rozwiązaniu tej intrygującej zagadki? Czy będzie pierwszym teleskopem, przez który będzie widać ciemną materię? Jeżeli obserwatoria grawitacyjne będą w stanie „zobaczyć” obiekty, które można obserwować także w świetle widzialnym (np. wybuch supernowej), a nie będą widziały ani grama ciemnej materii, to zagadka staje się jeszcze bardziej tajemnicza. Bo albo ta materia nie podlega prawom grawitacji, albo nie ma żadnej ciemnej materii. Konsekwencje obydwu tych scenariuszy są trudne do przewidzenia. Czy teraz rozumiecie dlaczego odkrycie fal grawitacyjnych jest tak ważne? 

9 komentarzy do (wszech)Świat się marszczy !!!

Czy zgasną światła na Ziemi ?

Światowa konsumpcja energii do 2050 roku podwoi się. Jeżeli nie znajdziemy nowych źródeł – może nam zabraknąć prądu.

W Paryżu trwa międzynarodowy panel klimatyczny. Wiele wątków, wiele interesów, wiele sprzecznych celów. Energia jest tematem, który z klimatem wiąże się bezpośrednio. I pomijając kwestie emisji i CO2, warto zdać sobie sprawę z tego, że światowa konsumpcja energii do 2050 roku podwoi się. Jeżeli nie znajdziemy nowych źródeł – będzie kłopot.

Słońce jest dostawcą większości energii dostępnej dzisiaj na Ziemi. Dostarcza ją teraz i dostarczało w przeszłości nie tylko dlatego, że świeci, ale także dlatego że pośrednio powoduje ruchu powietrza (czyli wiatry) i wody (czyli fale). Dzisiaj dostępne źródła energii można więc podzielić na te zdeponowane przez Słońce w przeszłości – nazwane nieodnawialnymi –  i te udostępniane nam na bieżąco – czyli odnawialne. Z tego podziału wyłamuję się energetyka jądrowa, geotermalna i grawitacyjna oraz fuzja jądrowa.

Najefektywniejszym odbiornikiem energii słonecznej na Ziemi jest roślinność. Dzięki zjawisku fotosyntezy, gdy Słońce świeci – rośliny rosną. Rosną i rozprzestrzeniają się także dlatego, że wieje wiatr. Bardzo długo człowiek korzystał tylko z tego przetwornika energii słonecznej. Drzewo jednak wolniej rośnie niż się spala. Z biegiem lat było nas coraz więcej i coraz więcej energii potrzebował nasz przemysł. Wtedy zaczęło brakować lasów pod topór. Całe szczęście umieliśmy już wydobywać i spalać węgiel, ropę naftową i gaz. Ale w gruncie rzeczy to to samo, co spalanie drewna. Tyle tylko, że w przypadku drzewa energia słoneczna była „deponowana” na Ziemi przez kilka dziesięcioleci, a w przypadku węgla czy ropy – przez miliony lat.

Kłopot w tym, że spalanie kopalin jest toksyczne. Badania przeprowadzane w różnych krajach potwierdzają, że typowa elektrownia węglowa o mocy 1 GWe  powoduje przedwczesną śmierć od 100 do 500 osób. Nie są to ofiary związane z wydobywaniem węgla, czy jego transportem, a jedynie ci, którzy mieli wątpliwe szczęście mieszkać w sąsiedztwie dymiącego komina. Oczyszczanie spalin jest bardzo drogie, a usuwanie szkód środowiskowych związanych z wydobyciem kopalin, w zasadzie niewykonalne. Skoro więc nie paliwa tradycyjne, to może odnawialne?  Siłownie wykorzystujące energię wody, wiatru czy Słońca powinny być budowane jak najszybciej tam, gdzie jest to opłacalne. Nie ulega jednak wątpliwości, że nie wszędzie jest. W Islandii, bogatej w gorące źródła, aż 73 proc. całej produkcji energii stanowi energia odnawialna. W Norwegii (długa i wietrzna linia brzegowa) 45 proc energii produkują wiatraki, a w niektórych krajach Afryki ponad połowa całej wyprodukowanej energii jest pochodzenia słonecznego. Ale równocześnie w proekologicznie nastawionych – ale nie usytuowanych – Niemczech mimo miliardowych inwestycji i olbrzymiej ilości elektrowni wiatrowych zielona energia stanowi około 20 proc. całej zużywanej energii. W tych statystykach nie liczę biomasy, bo ta nie jest żadną energią odnawialną.

Energia zdeponowana przez Słońce w przeszłych epokach wyczerpuje się, a korzystanie z niej w dotychczasowy sposób jest zbrodnią na środowisku naturalnym, z kolei energii dawanej nam przez Słońce „on-line” jest za mało. No więc jaki jest wybór? Wydaje się, że dzisiaj istnieją dwa scenariusze. Obydwa opierają się na skorzystaniu z nieograniczonej energii zdeponowanej jeszcze w czasie Wielkiego Wybuchu. Ta energia nas otacza w postaci materii, ale nie na poziomie związków chemicznych, ale na poziomie pojedynczych jąder atomowych. Jak to rozumieć ? Zanim powstał węgiel kamienny czy ropa naftowa, strumień energii ze Słońca umożliwiał zachodzenie tutaj, na Ziemi, przemian chemicznych, dzięki którym np. rozwijała się bujna roślinność. Dzięki światłu, wodzie i dwutlenkowi węgla tworzą się węglowodany (cukry), białka i tłuszcze. W tych reakcjach nie tworzą się jednak nowe atomy. Dzięki energii z zewnątrz już istniejące łączą się w większe kompleksy. Energia jest zmagazynowana w połączeniach pomiędzy atomami, w wiązaniach.  Ale same pierwiastki też są magazynami energii – energii, która umożliwiła ich stworzenie – pośrednio czy bezpośrednio – w czasie Wielkiego Wybuchu.

Tę energię da się pozyskać na dwa sposoby. Pierwszy to fuzja jądrowa, a drugi to rozszczepienie jądra atomowego. W pierwszym przypadku energia jest uwalniana przez łączenie dwóch lżejszych elementów w pierwiastek cięższy. Część masy tych pierwszych jest zamieniana na energię, którą można zamienić na prąd elektryczny. Paliwem w takim procesie mogą być powszechnie dostępne w przyrodzie lekkie pierwiastki. Produktem końcowym reakcji – oprócz dużej ilości energii – jest nieszkodliwy gaz – hel. Niestety fuzja jądrowa to śpiew przyszłości. Choć naukowcy usilnie nad tym pracują, najwcześniej będziemy mieli do niej dostęp dopiero za kilkanaście, kilkadziesiąt lat. Drugi scenariusz jest w pewnym sensie odwrotnością fuzji jądrowej. W rozszczepieniu jądra atomowego pierwiastek ciężki zostaje rozerwany na elementy lżejsze. I to ten rozpad jest źródłem energii. Pierwsza elektrownia jądrowa została wybudowana w 1942 roku, a dzisiaj dzięki energetyce jądrowej niektóre kraje pokrywają ponad 75 % całego swojego zapotrzebowania na energię elektryczną.

Przewidywanie przyszłości zawsze obarczone jest spora niepewnością. W każdej chwili, może się okazać, że ktoś wymyślił zupełnie nową technologię pozyskiwania energii. Wtedy powyższe rozważania w jednej chwili mogą się stać nieaktualne. Jeżeli jednak nic takiego się nie stanie, nie ma wątpliwości, że z wyczerpaniem paliw kopalnych będziemy musieli się zmierzyć nie za kilkaset, ale za kilkadziesiąt lat. Oszczędzanie energii, zwiększanie efektywności jej wykorzystania nie zahamuje tego procesu tylko go nieznacznie opóźni. Od nas zależy czy na czas przygotujemy się do tej chwili, czy obudzimy się w świecie ciemnym, zimnym i brudnym. I wcale nie trzeba czekać na moment, w którym wyczerpią się pokłady węgla. W końcu „epoka kamieni łupanego nie skończyła się z powodu braku kamieni”.

 

 

 

Brak komentarzy do Czy zgasną światła na Ziemi ?

Jesteśmy dziećmi gwiazd

My i całe nasze otoczenie, jesteśmy zbudowani z atomów różnych pierwiastków. Te pierwiastki – w przeważającej części – powstały we wnętrzu gwiazdy, która w naszej okolicy wszechświata kiedyś świeciła. Innymi słowy, jesteśmy zbudowani z popiołów gwiazd.

Najlżejsze atomy powstały zaraz po Wielkim Wybuchu. Te cięższe, powstają cały czas we wnętrzach świecących gwiazd. Atomy najcięższe powstają w czasie śmierci dużych słońc.

Na początku był…

Wielki Wybuch. To początek wszystkiego co fizyczne. Materii, czasu i przestrzeni. Nie ma sensu rozważać gdzie miał miejsce. Zdarzył się wszędzie równocześnie. Wtedy cała przestrzeń skupiona była w jednym punkcie, nie było nic na zewnątrz, nie było nic poza. Od tego momentu zaczął się także liczyć czas. Nie ma sensu rozważanie co było przed Wielkim Wybuchem, bo nie istniało … przed. Już kilkadziesiąt sekund po Wielkim Wybuchu z kwarków powstały protony i neutrony. Po kolejnych kilku minutach te cząstki wraz z elektronami (które nie składają się z kwarków) powstał wodór, jego cięższa odmiana – deuter oraz hel, lit i beryl. Z tej grupy najcięższy jest beryl. Składa się z 4 protonów i 5 neutronów w jądrze i 4 elektronów krążących wokoło. Powstawanie najlżejszych atomów trwało nie więcej niż kilkanaście minut. W bardzo szybko rozszerzającym się wszechświecie cięższe niż beryl pierwiastki nie miały szans powstać, bo energia za bardzo zdążyła się już rozproszyć.

Przez kolejnych kilkaset milionów lat, cała materia we wszechświecie była zbudowana z zaledwie kilku pierwiastków. Gdyby tak pozostało do dzisiaj, układ okresowy pierwiastków miałby zaledwie kilka pozycji.

I wtedy pojawiły się gwiazdy

Choć na początku swojego istnienia wszechświat był jednorodny, po jakimś czasie zaczęły w nim powstawać lokalne zagęszczenia. Te grawitacyjnie przyciągały swoje otoczenie. W środku tak zagęszczającej się materii rosło ciśnienie i temperatura. Im więcej materii się ze sobą zlepiało, tym większe ciśnienie (a więc i temperatura). Temperatura rosła aż do chwili gdy przyszła gwiazda „zapalała się”. Co to oznacza ? Gwiazdy czerpią energię z reakcji w której małe atomy łączą się w większe. Żeby jednak ta reakcja zastartowała, potrzeba bardzo wysokiej temperatury. Gdy ta została osiągnięta, gwiazda zaczynała świecić. Lekkie atomy łączyły się w cięższe, co dawało ogromną ilość energii. Ta energia daje gwiazdom życie, to dzięki niej gwiazdy świecą.

I tak, czasami przez miliardy lat lekkie atomy łączą się w gwiazdach w cięższe, te cięższe w jeszcze cięższe i jeszcze cięższe. Z wodorów powstaje hel, potem węgiel. Później tworzy się tlen, krzem, neon czy magnez. Każdy cięższy pierwiastek powstaje z połączenia się (fuzji albo inaczej syntezy) tych lżejszych. Ale we wnętrzu gwiazd nie powstają wszystkie znane z układu okresowego pierwiastki. Czym większy atom, tym więcej energii potrzeba do jego stworzenia. Ostatnim jaki może powstać we wnętrzu gwiazdy jest żelazo. Ma 26 protonów i 30 neutronów w jądrze, oraz 26 elektronów krążących wokoło. Gwiezdny piec jest za mały, by wytworzyć cokolwiek cięższego. Jak zatem powstają te naprawdę wielkie pierwiastki ?

Potrzebna jest śmierć

Duża gwiazda kończy swój żywot jako kula żelaza (żelaza, bo to ono jest najcięższym pierwiastkiem jaki może powstać w gwieździe). Ale to nie koniec życia gwiazdy. Przed nami najlepsze! Następuje największy bodaj kataklizm z jaki można sobie wyobrazić. Gwiazda wybucha jako supernowa. To dzieje się w zaledwie kilka sekund. Eksplozja jest tak duża, że zewnętrzne warstwy gwiazdy wyrzucane są w przestrzeń z prędkością rzędu dziesiątków tysięcy kilometrów na sekundę. To chwila, w której gwiazda może świecić jaśniej niż cała galaktyka w której się znajduje. Z zapisków w starych kronikach wynika, że w 1054 roku na dziennym niebie, oprócz Słońca, widoczny był efekt wybuchu jednej z supernowych. Przez 23 doby ludzie widzieli dwa „słońca”! Ten efekt równocześnie obserwowali chińscy astronomowie, arabscy mędrcy i Indianie Nimbres mieszkający na terenie obecnego Meksyku. Dzisiaj po tej supernowej został rozszerzający się obłok rozżarzonego gazu tworzący Mgławicę Kraba.

Crab_NebulaW czasie samego wybuchu energia eksplozji jest tak wielka, że dochodzi do produkcji najcięższych z występujących we wszechświecie pierwiastków. Także w tym przypadku powstają one z połączenia elementów lżejszych. To właśnie w czasie tylko niezwykle krótkich chwil powstaje np. ciężki, bo składający się aż 238 neutronów i protonów uran. Ale także ołów czy złoto. To ostatnie, choć wydobywane jest na Ziemi, powstało w czasie wybuchu gwiazdy, której teraz już nie ma. Te najcięższe pierwiastki w wyniku eksplozji zostają rozrzucone wokół eksplodującej gwiazdy. Wokół w kosmicznej skali. Wspomniana Mgławica Kraba ma średnicę około 11 lat świetlnych ( 100 bilionów kilometrów) i co sekundę powiększa się o 1500 kilometrów.

Człowiek, ale także wszystko to co wokoło widzimy zbudowane jest z cegiełek – dosłownie – wypalonych we wnętrzu gwiezdnego pieca. Te cięższe budujące nas elementy nie zaistniałyby gdyby nie dochodziło do gwałtownego i widowiskowego wybuchu gwiazdy supernowej. Jesteśmy – nie tylko w przenośni – dziećmi gwiazd. Korzystamy z tego co one wytworzyły, a gdy nasza dzienna gwiazda Słońce dożyje wieku sędziwego, budujące nas cegiełki na powrót zostaną rozsypane w kosmosie. Może wykorzysta je kto inny?

1 komentarz do Jesteśmy dziećmi gwiazd

Konkurs o energii

W badanie i wdrażanie którego rodzaju energii powinniśmy w Polsce inwestować najwięcej środków i wysiłku. Uzasadnijcie proszę Waszą odpowiedź.

W odcinku  „Ekstremalna energia”, który w serii Megaodkrycia, National Geographic Channel pokaże o godzinie 22.00 w niedzielę 6 grudnia, naukowcy z kilku wiodących światowych ośrodków naukowych opowiedzą, gdzie szukają realnej alternatywy dla pozyskiwania energii z węgla, ropy i gazu. Będzie o ujarzmianiu huraganów, promieni Słońca, o geotermii, fuzji wodorowej i kilku innych pomysłach na „czystą” energię.

A teraz pytanie:

>>> Napiszcie w badanie i wdrażanie którego rodzaju energii powinniśmy w Polsce inwestować najwięcej środków i wysiłku. Uzasadnijcie proszę Waszą odpowiedź.  

Odpowiedzi wpisujcie proszę w komentarzach pod tym tekstem. Trzy najlepsze odpowiedzi zostaną nagrodzone moją najnowszą książką „Człowiek” (no chyba, że ktoś woli poprzednią „Kosmos”). Jeżeli takie będzie życzenie wygranego, chętnie napiszę imienną dedykację. 

Człowiek okłądki_II

 Regulamin konkursu:  http://naukatolubie.pl/regulamin-konkursu/

14 komentarzy do Konkurs o energii

Type on the field below and hit Enter/Return to search