Nauka To Lubię

Oficjalna strona Tomasza Rożka

Tag: elektron

Ukryta komnata

Ukryta komnata, promienie kosmiczne i piramidy. Nie, to nie jest streszczenie taniego filmu science-fiction. Streszczenie tekstu z Nature

To podobno pierwsze znalezisko w piramidzie Cheopsa od XIX. I to od razu z grubej rury. Magazyn Nature napisał, że w jednym z najbardziej monumentalnych grobowców odkryto tajemniczą komnatę. Jej długość jest szacowana na kilkadziesiąt metrów, a o tym, że w ogóle istnieje dowiedziano się dzięki analizie… promieni kosmicznych. Jak tego dokonano?

Czerwoną strzałką zaznaczyłem odkrytą komnatę 

Składnikiem  strumienia cząstek, które docierają do nas z kosmosu są miony. A ściślej mówiąc, miony powstają jako cząstki wtórne w wyniku rozpadu mezonów w wyższych warstwach ziemskiej atmosfery. Miony mają cechy elektronów, ale są ponad 200 razy od nich cięższe. Strumień mionów jest dość duży, bo w każdej sekundzie, przez metr kwadratowy powierzchni Ziemi przelatuje ich prawie 200. Miony nie omijają także nas, ale nie są dla nas groźne. Od jakiegoś czasu fizycy nauczyli się je wykorzystywać praktycznie.

 

Wiadomo ile mionów leci na nasze głowy. Jeżeli na ich drodze postawimy przeszkodę, część z nich, w niej ugrzęźnie. Im gęstsza ta przeszkoda, tym ugrzęźnie ich więcej. Ustawiając w odpowiedni sposób detektory mionów, jesteśmy w stanie wykonać trójwymiarowy obraz skanowanego obiektu. Zasada działania tego pomiaru jest identyczna co działania tomografu komputerowego. Jest źródło promieniowania (promienie Roentgena, zwane promieniami X) i są detektory. Robiąc odpowiednio dużo pomiarów pod różnymi kątami, jesteśmy w stanie z dużą precyzją określić kształt, budowę i strukturę tych części ludzkiego ciała, które dla oka lekarza są zakryte.

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

W przypadku piramidy Cheopsa w Gizie nie było lekarzy, tylko fizycy i archeologowie, nie było promieni X, tylko kosmiczne miony. Nie było tomografu medycznego, tylko zmyślny system detektorów. Ale udało się dokonać tego samego. Znaleziono obiekt, a właściwie pustą przestrzeń, która wcześniej była przed wzrokiem badaczy zakryta.

Nie wiadomo czym jest tajemnicza komnata. Rozdzielczość tej metody jest zbyt mała, by stwierdzić czy znajdują się w niej jakieś obiekty. Może więc być pusta. Ale może też być pełna skarbów. Pusta przestrzeń znajduje się nad tzw. Wielką Galerią, czyli korytarzem prowadzącym do Komory Królewskiej. Nie wiadomo też, czy komnata (pusta przestrzeń) była zamurowana na etapie budowy piramidy, czy ktokolwiek po jej wybudowaniu do niej zaglądał. Piramida Cheopsa powstała w okresie tzw. Starego Państwa, czyli około 2560 roku p.n.e. Budowano ją zaledwie przez 20 lat. Jak na metody i technologie jakimi wtedy dysponowano, to tempo ekspresowe.

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

7 komentarzy do Ukryta komnata

Burza w sercu

Zakochanie to biochemia, genetyka i cała masa czynników które moglibyśmy nazwać „naukowymi”. Zakochane mózgu bada się najbardziej zaawansowanymi technikami jakie zna medycyna.

Połowa lutego to czas w którym o miłości i zakochaniu mówi się szczególnie często. Oczywiście za sprawą dnia świętego Walentego (czyli Walentynek), który w pop-kulturze jest szczególnie czczony przez zakochanych. Nieczęsto wspomina się o tym, że święty Walenty jest także patronem psychicznie chorych (epilepsję do niedawna nazywano chorobą Św. Walentego), a szkoda. Z naukowego punktu widzenia to co dzieje się w chwili zakochania ma sporo wspólnego z czystym szaleństwem. I rzeczywiście, u osób zakochanych obserwuje się mocne ukrwienie tej części mózgu, która jest odpowiedzialna za zachowania obsesyjne.

Kurierzy w mózgu

To nie tak, że o zakochaniu wiemy wszystko, to nie tak, że to co dzieje się w sercu, mózgu czy brzuchu zakochanego, potrafimy wyrazić równaniami fizycznymi czy reakcjami biochemicznymi. Wciąż sporo w tym tajemnicy. Dlaczego zakochujemy się w tej, a nie w innej osobie? Dlaczego czasami zauroczenie zamienia się w trwające dziesiątki lat głęboki i szczere uczucie, a czasami mija jak śnieg wiosną? Tego nie wiemy. Pozostaje operowanie danymi statystycznymi, uśrednieniami i szacunkami.

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

Z biochemicznego punktu widzenia za stan zakochania, który czasami porównuje się do stanu odurzenia jakimiś środkami, odpowiedzialne są przynajmniej trzy neurotransmitery (neuroprzekaźniki). To związki chemiczne, których cząsteczki działają trochę jak kurierzy w firmie, czyli przenoszą informacje z miejsca na miejsce. I tak jak w dużym wieżowcu kurierzy kursują pomiędzy biurkami, pokojami, korytarzami, piętrami czy nawet budynkami, tak w mózgu, linia startowa dla cząsteczki neuroprzekaźnika to dendryt, a meta to akson. Dendryty i aksony to „wypustki” komórek nerwowych. Impulsy elektryczne są przenoszone po zewnętrznej powierzchni komórki nerwowej, ale to neurotransmitery przenoszą informacje pomiędzy sąsiadującymi komórkami. W praktyce, impuls elektryczny (sygnał fizyczny) na zakończeniu każdej wypustki jest „tłumaczony” na sygnał chemiczny przenoszony przez neurotransmitery do kolejnej wypustki. Tam z powrotem chemia „zamienia się” w fizykę i w kolejnej komórce impuls elektryczny wędruje dalej. Neurotransmiterów jest bardzo dużo, ale w procesie zakochania uaktywniają się głównie trzy. Dopamina, serotonina i oksytocyna. Ta pierwsza pobudza te same części mózgu, które są pobudzane przez niektóre narkotyki. Powoduje, że świat wydaje się być bezproblemowy i piękny. Dopamina zmusza do aktywności, do działania. W skrócie… zakochany nie jest w stanie usiedzieć na miejscu. Potrzebuje swojego bodźca. Głosu, obrazu, zapachu osoby w której się zakochał. Ten bodziec uwalnia w mózgu nową porcję dopaminy. To dlatego zakochani zerkają na siebie ukradkiem.

Podczas gdy dopamina nas pobudza, drugi neuroprzekaźnik, serotonina, nas uspokaja. W końcu jest też oksytocyna. Ona pomaga nam nawiązywać relacje z drugą osobą. I dotyczy to nie tylko zakochanych. Oksytocyna jest uwalniana u matki np. podczas ssania piersi przez jej dziecko. Oksytocyna czyni nas bardziej uległymi, bardziej skorymi do współpracy i współodczuwania oraz ufnymi. Ale także bardziej szczodrymi (prezenty!) i zazdrosnymi.

Wieczna tajemnica?

Trzy wspomniane wyżej neuroprzekaźniki powodują, że świat wydaje się być różowy, bezproblemowy a osoba w którą jesteśmy zapatrzeni wydaje się nie mieć wad. Tym bardziej, że przytłumiona jest ta racjonalna część mózgu. Oczywiście nie u wszystkich działa to w ten sam sposób. Generalnie jednak, to mężczyźni szybciej się zakochują i szybciej odkochują. Kobiety są bardziej zrównoważone w tym względzie. Z czego to wynika? Teorii jest kilka, ale jedna z nich (tzw. teoria inwestycji rodzicielskiej) mówi, że skoro panie ponoszą większy biologiczny ciężar wydania na świat potomstwa, zostały obdarzone cechami, które proces zakochania się jakoś racjonalizują. To jak gdyby mieć w mózgu dodatkowe hamulce. Zgodnie z tą teorią, mężczyźni nie muszą mieć tych hamulców, bo… w sumie nie ponoszą odpowiedzialności biologicznej za przelotne romanse.

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

Na koniec jeszcze garść wyników badań statystycznych. Nie jest prawdą, że w miłości przeciwieństwa się przyciągają. Prawdą za to jest, że mężczyźni znacznie większą wagę przywiązują do wyglądu kobiety niż kobiety do wyglądu mężczyzny. Z jednym wyjątkiem, zarówno płeć piękna, jak i brzydka za bardziej atrakcyjne uważa osoby z dużymi oczami. Może dlatego panie optycznie powiększają sobie oczy makijażem? A może osoby zakochane wydaję się być atrakcyjniejsze, bo w okresie zauroczenia mają rozszerzone źrenice?

Zakochanie to biochemia, genetyka i cała masa czynników które moglibyśmy nazwać „naukowymi”. Zakochane mózgu bada się najbardziej zaawansowanymi technikami jakie zna medycyna. Dzięki rezonansowi magnetycznemu jesteśmy w stanie odróżnić zakochanie od pożądania. To kwestia dokładnej obserwacji tzw. pola brzusznego nakrywki, które wchodzi w skład tzw. układu nagrody. Rumieniące się policzki (uczucie gorąca włącza system chłodzenia), pocące się dłonie, drżący głos… ale to wciąż za mało, by zrozumieć to co dzieje się w głowie zakochanego. Czy kiedykolwiek zrozumiemy? Mam nadzieję że nie. Mam nadzieję, że miłość i zakochanie pozostaną przynajmniej trochę tajemnicze.

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

Tekst ukazał się w tygodniku Gość Niedzielny

Brak komentarzy do Burza w sercu

Wszystko jest matematyką – rozmowa z X. prof. Michałem Hellerem

O kosmosie, ciekawości, przypadku i matematyce z księdzem profesorem Michałem Hellerem, teologiem, kosmologiem, matematykiem i filozofem rozmawia Tomasz Rożek

Z księdzem profesorem Michałem Hellerem, teologiem, kosmologiem, matematykiem i filozofem rozmawia Tomasz Rożek. Poniższy wywiad jest uzupełnieniem dwóch rozmów, które opublikowałem na kanale YouTube.com/Nauka To Lubie. Pierwsza z tych rozmów dotyczyła wszechświata, a druga człowieka. U dołu wywiadu znajdują się bezpośrednie odnośniki do obydwu rozmów.

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

Co się stało się prawie 14 miliardów lat temu? Możemy w ogóle udzielić jakiejkolwiek odpowiedzi?

Historię wszechświata rekonstruujemy poruszając się wstecz. Do 3 minut po wielkim wybuchu mamy wiedzę bardzo solidną, a potem grzęźniemy w hipotezach. Im bliżej początku, tym bardziej hipotetyczna jest nasza wiedza. Ta wiedza opiera się na teorii, ale teoria jest dobrze sprawdzona chociażby w takich miejscach jak laboratorium fizyki cząstek CERN, gdzie zderza się ze sobą np. protony.

Wiemy w takim razie co stało się po Wielkim Wybuchu, ale co było w punkcie zero?

Pytanie, czy taki punkt zero w ogóle był. Według klasycznej kosmologii, według teorii Einsteina, rzeczywiście punkt zero istniał i był tzw. osobliwością, czyli obszarem, w którym załamuje się pojęcie czasoprzestrzeni. Pojęcia czasu i przestrzeni tracą tam sens. Tam urywa się nasza wiedza, znane nam prawa natury przestają działać.

Skoro nie prawa przyrody, to co się tam dzieje?

To jest pytanie, na które nie znam odpowiedzi. Mamy dwie wielkie teorie: fizyka kwantowa i fizyka grawitacji. Fizyka kwantowa rządzi światem cząstek elementarnych, mikroświatem. Fizyka grawitacji rządzi kosmosem w wielkiej skali. Zaraz po Wielkim Wybuchu te dwie teorie nakładały się na siebie. Po to by wyjaśnić co dzieje się w osobliwości, trzeba połączyć te dwie teorie w jedną. Jest to niezmiernie trudne wyzwanie, bo te dwie siły mają zupełnie inną naturę. Moim zdaniem, to jest w tej chwili problem numer jeden fizyki teoretycznej. Mamy kilka, może nawet kilkanaście pomysłów jak grawitację i teorię kwantów ze sobą połączyć, ale żaden z nich nie jest potwierdzony doświadczalnie. Wszystko to są hipotetyczne rzeczy, posługują się bardzo ładną i zaawansowaną matematyką, ale nie mamy empirycznego rozstrzygnięcia, która jest prawdziwa i pewnie długo nie będziemy mieć.

Czy to jest przypadek, że człowiek został obdarzony umysłem, żeby dociekać tak skomplikowanych i abstrakcyjnych rzeczy?

Tego też nie wiemy. W każdym razie jest to rzecz niesamowita, że mamy taką władzę poznawania wszechświata. Bo pomyślmy nad tym. Jeżeli umysł ludzki powstał ewolucyjnie przez oddziaływanie z otoczeniem, to jak mówią biologowie, utrwalały się te cechy, które są potrzebne do przeżycia.

Wiedza o czarnej dziurze nie jest potrzebna?

Wiedza o czarnej dziurze jest absolutnie niepotrzebna do przeżycia.

Od biedy dałoby się połączyć wiedzę z sukcesem reprodukcyjnym. W końcu wolimy się otaczać ludźmi mądrzejszymi. Może intelekt czy wiedza to coś w rodzaju pożądanego przez przyszłego partnera gadżetu?

Myślę, że chyba wystarczyłby taki gadżet, który służyłby do uchylania głowy jak maczuga leci. Niemniej jednak jest to niesamowite, że człowiek ma tak rozwinięty umysł. Jeśli popatrzymy na historię, to tak naprawdę fizyka zaczęła się gdzieś w XVII wieku. Jesteśmy dopiero na samym początku. Co to jest kilkaset lat wobec 14 miliardów? I to jest rzeczywiście coś absolutnie niesamowitego. Można by to pytanie, które pan zadał, postawić w innej formie: czy złożoność ludzkiego mózgu wystarczy, ażeby zbadać złożoność wszechświata? Innymi słowy, czy złożoność wszechświata jest przykrojona na miarę naszego mózgu? Niezależnie od tego, czy jesteśmy sami we wszechświecie jako istoty rozumne, czy też są jacyś nasi bracia w rozumie, specjaliści mówią, że złożoność mózgu jest większa, niż złożoność całego wszechświata.

Ilość potencjalnych połączeń między komórkami w mózgu jednego człowieka jest większa niż ilość gwiazd we wszechświecie.

No właśnie. I to nas stawia w dość wyróżnionej pozycji. Natomiast czy dzięki tej złożoności możemy pojąć wszystko? Tu jest pewien logiczny paradoks. Jeśli chcielibyśmy pojąć wszystko, to musielibyśmy zrozumieć także mózg. Czy mózg może poznać sam siebie?

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

Mówiliśmy trochę o ewolucji, a z nią bardzo często wiąże się słowo „przypadek”. 

Arystoteles miał przyczynową koncepcję nauki, która w jakimś sensie jest aktualna do dzisiaj. Wyjaśniamy wszechświat według Arystotelesa przez ciągi przyczyn i skutków, takie łańcuchy przyczynowe. Natomiast on przypadek określił jako coś, co przerywa taki ciąg. Interweniuje przypadkowo w ten ciąg i zaburza go. I dlatego według niego nie może być wiedzy naukowej o przypadku. I ludzie uwierzyli, że przypadek jest jakimś takim obcym ciałem w nauce. Tymczasem okazuje się, że tak nie jest. Najbardziej dramatycznym czy widocznym przykładem próby oswajania przypadku jest ludzka chciwość. Jak ktoś gra hazardowo, to chce wygrać. Ludzie szukali więc jakiejś strategii, żeby zapewnić sobie zwycięstwo w totolotku, ruletce, czy w pokerze.

No i takiego sposobu nie znaleźli. Wygrana czy przegrana to kwestia przypadku.

Czy na pewno? Statystyka i rachunek prawdopodobieństwa mówią co innego. Gdyby było tak jak pan mówi, nie mogłyby działać np. banki czy towarzystwa ubezpieczeniowe, które liczą prawdopodobieństwo w związku z ubezpieczeniami na życie. Bez prawdopodobieństwa i statystyki nie byłoby dzisiejszej wiedzy. Ani fizyki, ani medycyny.

Bo statystyka daje odpowiedzi dotyczące ogółu a pojedynczy przypadek dalej jest dziełem… przypadku.

Też nie całkiem. W „Summa contra gentiles” św. Tomasz pisze, że boża opatrzność rządzi zdarzeniami ex casu del fortuna – dziejącymi się z przypadku lub losowo. Dwoje ludzi pobiera się, bo spotkali się, gdy spóźnił się pociąg. Czy to przypadek? Wszystko tu ma przyczynę. Pociąg się spóźnił, bo popsuła się lokomotywa. Młodzi ludzie byli w tym samym miejscu o tym samym czasie, bo każde z nich jechało w konkretne miejsce. W fizyce tak jest na każdym kroku. Dobrym przykładem jest zwykły rzut kamieniem. On jest opisany prostymi równaniami ruchu Newtona i wszystko jest – wydawałoby się – zdeterminowane, ale ja mogę przypadkiem tym kamieniem zamiast trafić w tarczę, to komuś w głowę. W nauce jest bardzo dużo miejsca na przypadki, a one same nie są zaprzeczeniem zasad przyrody. W siatce praw przyrody są pewne luzy na przypadki. Bez tych przypadków prawa przyrody by nie mogły działać.

A ten plan, te reguły, które tym wszystkim rządzą, te luzy, o których ksiądz profesor mówi, czy one jakoś powstały, czy one były zawsze? Jak to rozumieć?

No to jest problem genezy praw przyrody. I ja nie wiem jaka ona jest. To na pewno nie jest zagadnienie z dziedziny fizyki, bo fizyka zakłada prawa przyrody. Nie wyjaśnia ich. W każdym modelu fizycznym prawa fizyki są założone. Takie, a nie inne i koniec. Natomiast wyjaśnienie, skąd się biorą prawa przyrody, to już raczej należy do filozofii czy na przykład do teologii. Można powiedzieć, że to po prostu Pan Bóg stworzył.

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

To jest bardzo wygodne podejście. Pan Bóg stworzył, kropka. A może by się nad tym zastanowić ?

Często fizycy nie nazywają tego Panem Bogiem, ale skądś się one musiały wziąć. Einstein nie uznawał Boga w formie chrześcijańskiej. Raczej był bliżej panteizmu, ale używał hasła „Zamysł Boga” – the Mind of God. Może używał to jako metaforę, ale uważał, że zestaw praw przyrody to jest właśnie the Mind of God. I mówił: nie chciałbym nic więcej wiedzieć, tylko znać the Mind of God.

Znać boży zamysł… czyli to jedno równanie, które opisuje wszystko?

No tak. I tu są te granice fizyki, o których mówimy. Na to wszystko nakłada się matematyka, która jest uniwersalnym językiem opisu wszechświata. Tylko trzeba pamiętać, że matematyka nie oznacza wcale determinizmu.

2 + 2 zawsze równa się 4. Cała matematyka szkolna jest deterministyczna.

No bo w szkole się uczy najprostszych rzeczy: dodawania, odejmowania i pierwiastkowania. Niewiele więcej. W prawdopodobieństwie nic nie jest pewne, choć wszystko prawdopodobne. A to dopiero początek. Mechanika kwantowa posługuje się matematyką, która jest indeterministyczna. Wcześniej rozmawialiśmy o przypadkach. Ja rozróżniam dwa ich rodzaje. Jeden to przypadek wynikający z niewiedzy albo ignorancji. Np. mogę się z kimś założyć, czy z zza rogu wyjedzie tramwaj numer 8 czy 4. Ja nie wiem który i traktuję to w kategoriach przypadku, ale jeżeli te tramwaje są w drodze, to proces jest zdeterminowany. Natomiast czy są przypadki, zdarzenia, które rzeczywiście nie są zdeterminowane? Mechanika kwantowa jest świadectwem, że tak, są. I takie przypadki pojawiają się u podstaw całej naszej rzeczywistości.

Czy wszechświat ma jakieś granice geometryczne? Pytam zarówno o to, czy możemy dowolnie długo dzielić cząstki elementarne na coraz mniejsze kawałki, jak i o to, czy kosmos gdzieś się kończy?

Może być tak, że świat jest skończony, ale nie ma granicy. I wtedy idąc cały czas w jedną stronę, w końcu trafimy do punktu wyjścia. Modele otwarte mówią, że można zmierzać w jednym kierunku w nieskończoność. Nie ma żadnych naukowych powodów, by wszechświat miał granice. Natomiast czy można dzielić cząstki w nieskończoność? Nie wiem.

Co zapaliło małego Michała Hellera do tego by zajął się nauką? A co zapala już dorosłego księdza profesora by zajmował się nią dalej? 

Dorastałem w domu, gdzie rozmawiało się o nauce, o świecie. Ojciec był inżynierem, opublikował nawet kilka prac matematycznych. Od dziecka, jak tylko miałem jakąś książkę popularnonaukową, to się w niej zaczytywałem. I trudno tak ciekawymi rzeczami się nie zajmować. A dzisiaj? Chyba ta sama ciekawość co u małego Michała. Ciekawość jest motorem działania. Ale trzeba uważać, bo ona musi być pod kontrolą. Inaczej do niczego się nie dojdzie, niczego nie uda się wystarczająco dobrze zbadać. Na świecie żyje wielu geniuszy, którzy nie potrafili się ograniczyć. Wiedzą prawie wszystko o prawie wszystkim i zarazem niewiele. Wszystko ich za bardzo ciekawi. I w moim przypadku to zawsze było dość trudne i bywa trudne do dzisiaj. Interesuje mnie za dużo, a trzeba się ograniczyć do jednego.

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

Ksiądz Profesor Michał Heller jest teologiem, filozofem i kosmologiem. W 2008 roku jako jedyny dotychczas Polak został laureatem międzynarodowej Nagrody Templetona, przyznawanej za pokonywanie barier między nauką a religią. Jest autorem kilkudziesięciu książek. 

Opublikowany powyżej wywiad jest fragmentem rozmowy jaką przeprowadziłem z X. prof. Michałem Hellerem dla tygodnika Gość Niedzielny.
1 komentarz do Wszystko jest matematyką – rozmowa z X. prof. Michałem Hellerem

Burza światła

Podobno dzisiaj i jutro widoczna na polskim niebie ma być zorza polarna. O ile nie będzie chmur. 156 lat temu miała miejsce największa opisana burza geomagentyczna. Gdyby zdarzyła się dzisiaj, zamilkłyby telefony, radia i stacje telewizyjne. Najpewniej uszkodzona zostałaby także infrastruktura energetyczna.

Dzisiaj, a może nawet jutro widoczna ma być na polskim niebie zorza polarna. O ile nie będzie chmur.  156 lat temu miała miejsce największa opisana burza geomagentyczna. Gdyby zdarzyła się dzisiaj, zamilkłyby telefony, radia i stacje telewizyjne. Najpewniej uszkodzona zostałaby także infrastruktura energetyczna.

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

Dokładnie 1 września 1859 roku na Słońcu zdarzył się potężny wybuch. Materia słoneczna została wyrzucona w przestrzeń z prędkością dochodzącą nawet do 900 km na sekundę. Wybuchy na Słońcu to nic niezwykłego, ale ten był wyjątkowo silny. Co ciekawe nasza dzienna gwiazda wcale nie była wtedy w fazie swojej największej aktywności.

Tymczasem na Ziemi…     

… rozpętała się burza światła. Dzień po wybuchu na Słońcu, wyrzucona z jego powierzchni materia dotarła do Ziemi. Naładowane elektrycznie cząstki, w zderzeniu z naszą atmosferą, a właściwie hamowane przez ziemskie pole magnetyczne były źródłem jednej z największych, kiedykolwiek rejestrowanych zórz polarnych. W 1859 roku nie było telefonów komórkowych, telewizorów ani odbiorników radiowych. Gdyby były, na pewno by zamilkły. Straty byłyby ogromne. Do listy strat trzeba doliczyć stacje transformatorowe i całą flotyllę satelitów. Nie tylko tych naukowych, ale także komercyjnych. Szacuje się, że dzisiaj straty spowodowane burzą porównywalnej wielkości wyniosłyby około 2 trylionów dolarów. Trylion to miliard miliardów. Wtedy, w połowie XIX wieku, zaburzona została jedynie raczkująca wtedy łączność telegraficzna. Pierwszy telegraf elektryczny zbudowano 22 lata wcześniej, w 1837 roku. Dzisiaj burza sparaliżowałaby życie. Trudno je sobie wyobrazić bez elektronicznej komunikacji, prądu czy choćby GPS’a. Wtedy, w zasadzie nikomu nie utrudniła życia. Mocno je za to urozmaiciła.

Zorze na Kubie

Na wysokości od 100 do 400 km nad naszymi głowami naładowane elektrycznie cząstki pochodzące ze Słońca (elektrony i protony), są przechwytywane przez ziemskie pole magnetyczne. Zaczynają się poruszać wzdłuż jego linii. Te zagęszczają się w okolicach biegunów i tam cząstki wiatru słonecznego zderzają się z atomami rozrzedzonej atmosfery. Atom w który uderzają traci część swoich elektronów (zjawisko jonizacji). Gdy „złapie” je z powrotem, energię którą otrzymał od protonu czy elektronu ze Słońca, wypromieniowuje w postaci światła. To światło, to zorza polarna. Luminescencję rozrzedzonych gazów zaobserwowano także wokół biegunów innych planet, m.in. Jowisza, Saturna, Urana, Neptuna, a nawet Marsa.

Zorze występują zwykle w okolicach biegunów. 150 lat temu, w wyniku rekordowej ilości naładowanych cząstek, zjawisko było widoczne jednak w całej Ameryce Północnej, a nawet na Kubie. Zorze były tak intensywne i jasne, że ludzie wstawali w środku nocy myśląc, że już świta. Ich zdziwienie, a może przerażenie, musiało być całkiem spore gdy zamiast wschodu Słońca na niebie pojawiły się piękne, kolorowo pulsujące niby-płomienie.

To może się zdarzyć jutro

Na dużych szerokościach geograficznych zorze polarne – nazywane czasami światłami północy – mają kolor biały, żółty i zielony, na niższych, charakteryzują je kolory ciemniejsze: czerwone, niebieskie, a nawet fioletowe. Zorze polarne w Polsce zdarzają się rzadko i tylko w okresie najwyższej aktywności Słońca. Co około 11 lat nasza dzienna gwiazda przeżywa burzliwe chwile. Kolejne maksimum było rejestrowane w latach 2012-2013. Nie powinniśmy być tego jednak całkowicie pewni. Nasza gwiazda jest nieprzewidywalna. Gdy coś stanie się na jej powierzchni, mamy kilkadziesiąt godzin czasu na przygotowanie się na niesamowite zjawisko. A gdyby eksplozja na Słońcu była duża, lepiej wyłączyć wszystkie urządzenia elektroniczne i … zaopatrzyć się w świeczki. Prądu może nie być przez kilka dni.

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

5 komentarzy do Burza światła

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 ?

100 lat abstrakcji

Czas jest względny, a masa zakrzywia czasoprzestrzeń. To jedno zdanie jednych przyprawia o ból głowy, dla innych jest źródłem nieograniczonej fascynacji. Fascynacji, która trwa dokładnie 100 lat.

>>> Polub FB.com/NaukaToLubie to miejsce w którym komentuję i popularyzuję naukę.

Pióra i ołówki na teorii grawitacji połamało już wielu badaczy. To co wiemy, to prosty wzór, którego dzieci uczą się w szkole. Że siła grawitacji zależy od masy obiektów, które są jej źródłami (im obiekt cięższy, tym większa siła), oraz że słabnie wraz z zwiększającą się odległością pomiędzy tymi obiektami. Dzięki tej prostej zależności, udaje się doskonale przewidywać ruchy planet, satelitów, także zachowanie sporej części gwiazd w galaktyce. Sporej, ale nie wszystkich.

Tymi, których wytłumaczyć się nie da są np. kolizje gwiazd neutronowych, pulsary, czarne dziury czy wybuchy supernowych. Grawitacji nie sposób także „dopasować” do wielkiego wybuchu. A skoro od niego swój początek wziął czas i przestrzeń, nasze braki w rozumieniu grawitacji stają się kłopotliwe.

Dokładnie 100 lat temu Albert Einstein ogłosił (a konkretnie odczytał) Ogólną Teorię Względności. Jej manuskrypt (ma 46 stron) można dzisiaj zobaczyć w Bibliotece Narodowej Izraela. Dla postronnego obserwatora, niespecjalisty , notatki Einsteina mogą sprawiać wrażenie niewyraźnych bazgrołów zrobionych na pożółkłych kartkach. Są napisane bardzo drobnym maczkiem, często poprawiane, miejscami podkreślone, w innych miejscach przekreślone. Sporo w nich matematycznych wzorów. Niesamowite, jak wiele w fizyce czy w ogóle w postrzeganiu świata (wszechświata) zmieniło to, co 100 lat temu zostało zaprezentowane światu.

Ogólna Teoria Względności została ogłoszona w 1915 roku, gdy Albert Einstein przebywał w Niemczech. Już wtedy Einstein był znanym człowiekiem, a jego prace – choć przez bardzo nielicznych rozumiane – były w pewnym sensie kultowe. Stworzenie OTW nie było olśnieniem, jak wielu innych teorii fizycznych. Einstein pracował nad nią 9 lat. Czasami błądził, czasami się mylił. To była żmudna praca. OTW jest – jak sama nazwa wskazuje – uogólnieniem Szczególnej Teorii Względności Einsteina. Choć teoria Ogólna i Szczególna są dwoma najbardziej znanymi jego pracami, Einstein największe naukowe zaszczyty (Nagrodę Nobla) odebrał za prace nad zupełnie innym problem (konkretnie nad efektem fotoelektrycznym).

Ogólna Teoria Względności (OTW) jest w zasadzie teorią opisującą najbardziej namacalne dla nas oddziaływanie – grawitację. Z nią wiążą się takie wielkości jak masa, przestrzeń i czas. OTW jest bardzo skomplikowana. Nie sposób jej zrozumieć bez ogromnej wiedzy czysto matematycznej. Wynika z niej, że każda masa jest źródłem zakrzywienia otaczającej ją przestrzeni. Czym większa masa, tym większa siła grawitacji, czyli większe zakrzywienie przestrzeni. Jak to rozumieć? Gdy dwie osoby trzymają za rogi obrus jego powierzchnia jest płaska. Ale gdy na sam środek obrusu wrzucimy piłkę, obrus w miejscu w którym się ona znajduje lekko się „naciągnie” czy inaczej „zakrzywi”. Czym większa piłka, tym większe zakrzywienie. Gdy położymy na skraju obrusu mniejsza piłeczka, stoczy się do tego zakrzywienia, tak jak przyciągana grawitacyjnie asteroida „stoczy” się w kierunku Słońca. Tyle tylko, że obrus ma dwa wymiary, a przestrzeń wokół nas ma ich trzy. Ta nieintuicyjność (nie mylić z nielogicznością) to jeden z powodów dla których dwie teorie względności tak trudno zrozumieć. Drugim jest bardzo zaawansowana matematyka, której Einstein musiał użyć do rozwiązania swoich równań.

Gdy Einstein referował swoje pomysły na względność, był znany z zupełnie innych badań teoretycznych. Słuchano go więc z zaciekawianiem. Ale to zaciekawienie wynikało z szacunku do znanego fizyka a nie ze zrozumienia tego o czym mówił. W pewnym sensie tak jest do dzisiaj. Albert Einstein jest postacią kultową. Ale nie dlatego, że tak wielu ludzi rozumie Szczególną czy Ogólną Teorię Względności.  Tak naprawdę zaledwie garstka fizyków wie o co w niej chodzi. Nieco większa grupa rozumie co wynika z teorii Einsteina. Całkiem sporo fizyków na codzień wykorzystuje w swojej pracy naukowej zjawiska, które udało się dzięki teoriom Einsteina zrozumieć. Jednym z takich zjawisk są soczewki grawitacyjne. W zakrzywionej przestrzeni światło nie porusza się po liniach prostych, tylko krzywych. To dlatego światło dalekich galaktyk biegnące w okolicach dużych mas (czarnych dziur czy innych galaktyk) jest zakrzywione, tak samo jak światło przechodzące przez szklane soczewki. Dla astrofizyków i astronomów soczewki grawitacyjne to coś w rodzaju naturalnego teleskopu dzięki któremu mogą obserwować obiekty i zjawiska których inaczej nie udałoby się zaobserwować. Zakrzywiane światło to jednak dopiero początek wchodzenia w świat abstrakcji. Z równań Einsteina wynika także, że czas jest pojęciem względnym, że nie płynie dla nas wszystkich tak samo. Jego bieg jest zależny bowiem od siły grawitacji i od prędkości z jakim porusza się ciało. To z kolei wykorzystuje się w systemach globalnej lokalizacji (np. GPS).

Einstein był teoretykiem. Nie sprawdzał eksperymentalnie tego co wyliczył na drodze matematyki. Zresztą wtedy kiedy dokonywał swoich odkryć, nie było możliwości sprawdzenia ich poprawności. Urządzenia pomiarowe nie były dość czułe, a człowiek jeszcze nie latał w kosmos. To właśnie w przestrzeni pozaziemskiej wielokrotnie testowano wyliczenia Alberta Einsteina. Wszystkie dokładnie się zgadzają. No może za wyjątkiem jednej. Przewidywanych w Teorii Względności fal grawitacyjnych. Ale o nich napiszę innym razem 🙂 Tak samo jak o największej naukowej pomyłce Einsteina.

>>> Zapraszam na profil FB.com/NaukaToLubie (kliknij TUTAJ). To miejsce w którym staram się na bieżąco informować o nowościach i ciekawostkach ze świata nauki i technologii.

Brak komentarzy do 100 lat abstrakcji

Wszechświaty równoległe?

Pracujący w Kalifornii astrofizyk, analizując mapę mikrofalowego promieniowania tła zauważył na niej dziwne struktury. Naukowiec uważa, że to światło które pochodzi z wszechświatów równoległych.

Pracujący w Kalifornii astrofizyk, Ranga-Ram Chary, analizując mapę mikrofalowego promieniowania tła zauważył na niej dziwne struktury. Tam gdzie na mapie miało być ciemno, pojawiały się jasne plamy. Naukowiec uważa, że najbardziej prawdopodobnym wytłumaczeniem jest to, że światło które widzi pochodzi z wszechświatów równoległych.

Czy to możliwe? Tak. Żadna teoria nie zabrania istnienia wszechświatów równoległych do naszego. Nie zabrania także istnienia wszechświatów starszych od tego w którym my żyjemy. Tyle tylko, że to nie jest żaden dowód za tym, że takie światy rzeczywiście istnieją.

Czym jest mikrofalowe promieniowanie tła, zwane inaczej promieniowaniem reliktowym? To echo Wielkiego Wybuchu. Brzmi abstrakcyjnie. Około 380 tysięcy lat po Wielkim Wybuchu, a więc w bardzo BARDZO wczesnej fazie rozwoju naszego wszechświata, temperatura materii obniżyła się do około 3000 Kelwinów a to spowodowało, że zupa materii i energii (a tym właśnie był wczesny wszechświat) zaczęła się rozdzielać. Fotony oddzieliły się od materii, a ta zaczęła się skupiać w pragalaktyki. Od tego czasu te pierwotne fotony przemierzają wszechświat we wszystkich kierunkach, a my dzięki temu jesteśmy w stanie zobaczyć, jak ten wczesny wszechświat wyglądał. Na mapie mikrofalowego promieniowania tła widać bowiem mniejsze i większe skupiska materii. To są miejsca w których zaczęły powstawać galaktyki i ich gromady. Promieniowania reliktowego jest bardzo mało (w każdym centymetrze sześciennym świata jest około 300 tworzących go fotonów), ale za to jest ono wszędzie. Otacza nas ze wszystkich stron. W skrócie mówiąc to promieniowanie to nic innego jak resztki światła, które emitował rozgrzany i potwornie ściśnięty młody wszechświat. Tak jak żarzące się włókno żarówki czy rozgrzany do czerwoności rozpalony w ogniu metalowy pręt. Poświata Wielkiego Wybuchu wydostała się z gorącej zupy materii dopiero, gdy zaczął się z niej formować przezroczysty gaz atomów. Szacuje się, że było to ok. 380 tyś lat po Wielkim Wybuchu.

A wracając do wszechświatów równoległych. Ich istnienia nie możemy wykluczyć, ani potwierdzić. Przynajmniej na razie. Tajemnicze plamy o których wspomniałem wcześniej nie są żadnym dowodem. W najlepszym wypadku będą argumentem za tym, by jeszcze raz, jeszcze dokładniej przeanalizować wyniki badań, które przeprowadza się nieustannie od kilkudziesięciu lat. Zdaniem naukowca, który zauważył tajemnicze plamy, są to ślady materii, która pochodzi z innego świata, na dodatek takiego w którym mają obowiązywać inne niż u nas prawa fizyki. To ostatnie stwierdzenie jest – delikatnie mówiąc – słabo udokumentowane. Badacza poniosła chyba fantazja. Dobrze jest pamiętać, że w XXI wieku nie jesteśmy w stanie powiedzieć z czego zbudowane jest ponad 90 proc. Naszego własnego wszechświata. Ciemna energia i ciemna materia to ogromne znaki zapytania dla kosmologów. Zanim więc zaczniemy dowodzić istnienia innych wszechświatów, będzie trzeba rozwikłać zagadkę tego w którym my żyjemy.

>>> Zapraszam na profil FB.com/NaukaToLubie (kliknij TUTAJ). To miejsce w którym staram się na bieżąco informować o nowościach i ciekawostkach ze świata nauki i technologii.

3 komentarze do Wszechświaty równoległe?

Kolorowa jesień naukowo

Jest taki moment w roku, kiedy las – zwykle zielony – mieni się niemalże wszystkimi możliwymi kolorami. Dlaczego liście zmieniają kolor jesienią?

Liście są zielone, bo zawierają chlorofil. To związek chemiczny, barwnik, który potrafi „produkować” elektrony pod wpływem światła słonecznego. Po co roślinom elektrony? Potrzebują ich po to, by zaszła fotosynteza, czyli proces, w trakcie którego – w skrócie – z wody, dwutlenku węgla i światła powstają cukry i tlen. Ten ostatni jest usuwany do atmosfery, a cukry stanowią pożywienie dla roślin. W ciągu roku ilość wody i dwutlenku węgla jest mniej więcej stała. Co innego jednak ze światłem. Jego ilość w ciągu 12 miesięcy zmienia się diametralnie.

Sekret tkwi w świetle
Chlorofil to niejedyny barwnik – choć najważniejszy – z wielu występujących w roślinach zielonych. Gdy jesienią temperatura obniża się i powoli spada ilość dochodzącego do powierzchni ziemi światła słonecznego, dla roślin to znak, że zbliża się zima. Czas odpoczynku, a właściwie snu. To także sygnał, by przestać produkować chlorofil. To dosyć racjonalna decyzja. Skoro światła i tak jest coraz mniej, a za chwilę przyjdzie w ogóle „przystopować”, po co tracić energię na produkcję chlorofilu?

A więc chlorofilu jest coraz mniej, ale tutaj niespodzianka. Można by się spodziewać, że wraz z zanikiem barwnika liści, powinny one stawać się coraz bardziej przezroczyste. Otóż nie! Chlorofil znika a wraz ze zbliżaniem się zimy „do głosu” dochodzą inne barwniki. Są w liściach przez cały czas, ale „hegemonia” chlorofilu powoduje, że tych innych po prostu nie widać. Pojawiają się dopiero wtedy, gdy zmniejsza się ilość zielonego barwnika. Liście stają się coraz bardziej żółte i pomarańczowe, ale nie dlatego, że przysychają, ale dlatego, że znajduje się w nich całkiem sporo barwników z grupy karotenoidów. To te, które nadają kolor marchewce czy pomarańczom. Dzięki karotenoidom liście stają się żółte, pomarańczowe czy brązowe. Ale nie wszystkie liście są tak samo żółte. Sekret tkwi w ilości dochodzącego do powierzchni ziemi światła, a także temperaturze, gatunku drzewa, a nawet odczynie pH gruntu, na którym roślina się rozwija. Na jesień bardzo żółte są liście osiki, ale już liście klonu czy jesionu w ogóle nie żółkną. Te stają się intensywnie czerwone.

O co chodzi z czerwienią?
Barwniki, które odpowiadają za wiele odcieni czerwieni jesiennych liści, pochodzą z grupy antocyjanidyn. Te same związki występują zresztą w kwiatach. I tutaj ciekawostka. Dokładnie ten sam barwnik (cyjanidyna) nadaje róży kolor krwistej czerwieni i chabrom ciemnego błękitu. Wracając jednak do liści. Tak jak barwnik żółty czy pomarańczowy jest w liściach przez okrągły rok, tak barwniki czerwone produkowane są dopiero jesienią. Bez sensu? Po co tuż przed opadnięciem liść traci energię na produkcję czegokolwiek? To rzeczywiście swego rodzaju tajemnica. Dzisiaj naukowcy sądzą, że barwniki z grupy czerwonych chronią komórki liści przed zamarznięciem.

Jesienią nocne przymrozki są czymś zupełnie normalnym. Rośliny, w których liściach jest dużo czerwonych barwników, są odporniejsze na nie. To, co zastanawia badaczy, to fakt, że związki z grupy antocyjanidyn są produkowane także w innych okolicznościach. Na przykład wtedy, gdy roślinę zaatakują jednokomórkowe grzyby, gdy natężenie światła UV jest zbyt wielkie albo gdy zanieczyszczenie środowiska staje się dla nich uciążliwe. Czerwone liście mogą świadczyć o chorobie roślin. I znowu pojawia się pytanie. Dlaczego wyczerpana, chora roślina marnuje swoją energię na produkcję czerwonych barwników ? Czy nie lepiej, by w tej sytuacji ją oszczędzała? Eksperci przypuszczają, że jeżeli antocyjanidyny są produkowane po to, by liść wisiał na drzewie tylko troszkę dłużej, może oznaczać, że tuż przed zimą drzewo chce pobrać ze środowiska coś, co pomoże mu we wzroście w kolejnym sezonie. Być może tak jest rzeczywiście. W końcu liść zawiera wiele soli mineralnych czy pierwiastków, które roślinie mogą się jeszcze przydać. Część z nich drzewo odzyska, gdy liść zgnije na powierzchni gruntu, ale być może substancje najbardziej potrzebne roślina chce odzyskać bezpośrednio z liścia? Jeżeli tak, czerwone barwniki przypominałyby nieco komandosów czy BORowców, którzy w sytuacji zagrożenia pilnują ewakuacji ważnych osób. Dbają by liść wisiał jak najdłużej, po to by zanim spadnie, udało się z niego nak najwięcej wyciągnąć.

Przepis na kolorową jesień
Niektóre barwniki są charakterystyczne dla konkretnego gatunku roślin. Inne występują we wszystkich, ale pojawiają się w zależności od warunków zewnętrznych. To dlatego liście nawet dwóch stojących obok siebie drzew mogą mieć nieco inny odcień. Czy można sformułować przepis na kolorową jesień? Listę warunków, jakie muszą zostać spełnione, by spacer po jesiennym lesie był przeżyciem wręcz metafizycznym? Można się o to pokusić. Temperatura powietrza powinna spadać powoli, nie gwałtownie. To samo dotyczy ilości dochodzącego do liści światła. Pogoda powinna być słoneczna, a niebo niezasnute chmurami. Tylko wtedy chlorofil będzie ustępował innym barwnikom w sposób ciągły. Jakiekolwiek nagłe zmiany mogą spowodować, że liście znajdą się na ziemi, zanim zdążą zapłonąć feerią kolorów. Jeżeli jest zbyt mokro, liście wcześniej spadną, a jeżeli zbyt często chmury będą przysłaniały słońce, liście nie wyprodukują czerwonego barwnika. W skrócie: jesień musi być ciepła, sucha i słoneczna. Wtedy będzie złota, czerwona, brązowa, żółta, pomarańczowa…

 

Polecam wideo  „Tajemnica czerwonego drzewa – Nauka. To lubię.”

 

Polecam wideo „Liście jesienią (okiem fizyka) – Nauka. To lubię.”

Brak komentarzy do Kolorowa jesień naukowo

Nobel z fizyki – abstrakcja goni abstrakcję

W ciągu każdej sekundy, przez nasze ciała przenika kilkadziesiąt bilionów neutrin. Abstrakcyjnie dużo. Masa każdego z nich jest mniejsza niż miliardowa część masy atomu wodoru. Abstrakcyjnie mało. Takie właśnie są neutrina. Abstrakcyjne. Za ich badania przyznano tegorocznego Nobla z fizyki.

Neutrina są najbardziej chyba nieuchwytnymi cząstkami badanymi przez fizyków. Prawie w ogóle nie oddziałują z materią. Po prostu przez nią przenikają. Zupełnie tak, jak gdyby była dla nich przezroczysta. Nie stanowią dla nich żadnej przeszkody ciała niebieskie jak i olbrzymie odległości (które pokonują z prędkością zbliżoną do prędkości światła). Powstają w czasie reakcji jądrowych, nie mają ładunku i posiadają nieskończenie małą masę. Neutrina występują w trzech odmianach. Najlepiej poznane są tzw. neutrina elektronowe, ale oprócz nich istnieją jeszcze neutrina taonowe i mionowe. I to właśnie różne odmiany tej samej cząstki były przez 30 lat powodem zamieszania nazwanego tajemnicą neutrin słonecznych. Ale zanim o tajemnicy.

PH20-water-withboat-apr23-wm-small

Wnętrze ogromnego detektora neutrin Super-Kamiokande. Wydrążony we wnętrzu góry mieści 50 000 ton superczystej wody. Widoczne na zdjęciu bańki to fotopowielacze, które rejestrują subtelne błyski światła. Te powstają wtedy, gdy neutrino zderzy się z jądrem atomowym.

Dlaczego ich badanie jest tak ważne? Na prawdę zasługuje aż na Nagrodę Nobla?  Neutrina są być może najliczniejszą grupą cząstek jakie „zasiedlają” nasz wszechświat. W ciągu każdej sekundy, przez nasze ciała przenika ich kilkadziesiąt miliardów. Abstrakcyjnie dużo. Skoro chcemy poznać wszechświat, skoro mamy ambicje by go zrozumieć, nie poradzimy sobie bez wiedzy o neutrinach. Przez lata uważano, że są to cząstki bezmasowe, czyli, że w ogóle nie mają masy. W rzeczywistości ważą, choć tyle co nic. W przypadku tak małych i ulotnych obiektów trudno mówić o precyzyjnym pomiarze masy, ale szacunkowo masę neutrin określa się na dziesiąte części elektronowolta, a to mnie niż jedna miliardowa część masy atomu wodoru. Abstrakcyjnie mało.

A wracając do tajemnicy neutrin słonecznych. Naukowcy doskonale wiedzą w wyniku jakich reakcji we wnętrzu Słońca powstaje jeden z rodzajów neutrin, czyli neutrina elektronowe. Z dużą precyzją można policzyć ile neutrin elektronowych powinno trafiać na Ziemię i ile powinno być rejestrowanych. Przez lata problem polegał jednak na tym, że te przewidywania teoretyczne nijak się miały do danych eksperymentalnych. Neutrin elektronowych na Ziemi rejestrowano o wiele mniej (aż o ok. 70 proc. mniej) niż powinno ich być. Możliwości były dwie. Albo reakcje, które wg. fizyków powinny zachodzić w jądrze Słońca wcale tam nie zachodzą i dlatego o wiele mniej neutrin elektronowych dociera do Ziemi, albo w czasie swojej podróży pomiędzy gwiazdą a naszą planetą coś z neutrinami się dzieje. Ostatecznie okazało się, że fizycy mieli rację co do procesów zachodzących w Słońcu. One po prostu oscylują – czyli zmieniają swoje właściwości. Zamieniają się pomiędzy sobą postaciami. Jedne neutrina spontanicznie, zmieniają się w inne. W naszym świecie dużych przedmiotów to zdolność mocno abstrakcyjna. Jak można ją sobie wyobrazić? A można sobie wyobrazić spadające z drzewa jabłko, które w czasie lotu ku powierzchni gruntu spontanicznie zamieni się w śliwkę, po to by ostatecznie upaść na trawę jako gruszka? Takie właśnie są neutrina. Abstrakcyjne.  Zamiast badać jeden rodzaj neutrin docierających do Ziemi,  zaczęto przyglądać się im wszystkim na raz. Tym razem, wszystko się zgadzało. To było ostateczne potwierdzenie tzw. oscylacji neutrin.

Zapraszam na profil FB.com/NaukaToLubie (kliknij TUTAJ). To miejsce w którym staram się na bieżąco informować o nowościach i ciekawostkach ze świata nauki i technologii.

 

 

 

Tomasz Rożek

3 komentarze do Nobel z fizyki – abstrakcja goni abstrakcję

Złapali kwant !!!

Dwójce młodych fizyków, doktorantów Uniwersytetu Warszawskiego, jako pierwszym na świecie udało się sfotografować kwanty, cząstki światła, w bardzo szczególnym momencie – chwili, w której się parują.

Dwójce młodych fizyków, doktorantów Uniwersytetu Warszawskiego, jako pierwszym na świecie udało się sfotografować kwanty, cząstki światła, w bardzo szczególnym momencie – chwili, w której się parują.

Tak, światło składa się z cząstek. A właściwie sprawa jest bardziej złożona. Światło ma cechy fali (podobnej do tej na wodzie), ale wykazuje też cechy korpuskularne. W skrócie mówiąc, jest i falą, i cząstką. Trudno to odnieść do naszej rzeczywistości, bo w makroświecie cechy fali i cząstki wykluczają się. W świecie kwantów nic się nie wyklucza.

Quantum paparazzi spying identical photon pairs

„Łapacze fotonów”, młodzi fizycy z UW, na tym zdjęciu zachowują się jak fotony. Są w dwóch miejscach równocześnie. Obok układu pomiarowego Radosław Chrapkiewicz (po prawej) oraz Michał Jachura (stojący za nim) .

W zasadzie proste 

Cząstki światła nazywają się kwantami. Nie mają masy spoczynkowej, nie da się ich zatrzymać i przyjrzeć im się „na spokojnie”. Przeciwnie, pędzą z prędkościami, które trudno sobie nawet wyobrazić. 300 tys. kilometrów na sekundę! Ile to jest? Odległość między Zakopanem i Trójmiastem (prawie 700 km) światło pokonuje w tysięczne części sekundy. Jak złapać, jak sfotografować coś, co porusza się z taką prędkością? – Układ, który zastosowaliśmy do naszych pomiarów, jest dość złożony, ale sama idea nie jest skomplikowana – powiedział mi Michał Jachura z Uniwersytetu Warszawskiego. – Źródłem fotonów jest fioletowy laser. Padają one na urządzenie, w którym z jednego fotonu powstaje jeden elektron. Następnym elementem jest wzmacniacz powielający ten jeden elektron. Tak powstaje kilka milionów elektronów, które następnie padają na płytkę z fosforu, gdzie powodują błysk światła. Ten błysk rejestrujemy specjalną kamerą – mówi drugi z młodych badaczy, Radosław Chrapkiewicz. – I to w zasadzie wszystko – dodaje. Niektóre elementy układu, w którym udało się złapać fotony, np. wzmacniacz obrazu, to urządzenia wykorzystujące technologię wojskową. Samo sfotografowanie pojedynczej cząstki światła to jednak nie było topowe osiągnięcie Michała i Radka. Im udało się zobaczyć moment, w którym fotony się parowały. Ale zanim o tym, warto powiedzieć trochę o samych fotonach.

Światło wprost ze światłowodu

Światło wprost ze światłowodu. Obiektyw aparatu Radka Chrapkiewicza był skierowany dokładnie w kierunku światłowodu (wyjścia) z lasera femtosekundowego. Ten laser emituje bardzo krótkie błyski światła, których długość nie przekracza 100 fs (femtosekund). Femtosekunda to jedna bilionowa część sekundy. W czasie jednej femtosekundy światło pokonuje drogę sto razy krótszą niż grubość ludzkiego włosa!

Jaki kształt? Jaki kolor?

Fotografia kojarzy nam się z odwzorowywaniem rzeczywistości. Skoro foton dał się sfotografować, można chyba zapytać, jak on wygląda. Zacznijmy od kształtu. Da się go określić? – W jednym pomiarze nie, ale robiąc wiele pomiarów, wiele zdjęć, udaje się to zrobić, choć od razu trzeba powiedzieć, że kształt fotonu nie jest stały. Może się różnić w zależności od tego w jakim otoczeniu się znajduje – tłumaczy Michał. – W naszej aparaturze obserwowaliśmy np. fotony o wydłużonych kształtach, takich trochę jak ołówek, ale udawało nam się także obserwować fotony rozseparowane, czyli takie, w których jeden foton był rozdzielony na dwie części. I to części, które znajdują się od siebie w odległości nawet centymetra – dodaje Radek. A kolor? Tutaj sprawa zaczyna się komplikować jeszcze bardziej. – Foton ma trzy cechy, które nazywamy stopniami swobody – opowiada Michał Jachura.

– Pierwszy to struktura w przestrzeni, czyli w pewnym sensie kształt. Drugi stopień swobody – spektralny – to innymi słowy kolor. Fotony mogą być czerwone, niebieskie, ale możemy mieć fotony w tak zwanej superpozycji, np. fotony białe, składające się z wielu barw dla których określony kolor ustala się dopiero w momencie pomiaru. Ten sam foton mierzony wielokrotnie może mieć różne kolory. Ostatni stopień swobody to polaryzacja, tzn. kierunek, w jakim foton drga. Jeżeli dwa fotony mają identyczne trzy stopnie swobody, nie ma żadnej możliwości, by odróżnić je od siebie – kończy Michał Jachura. Zatem wróćmy do osiągnięcia dwóch doktorantów. Fotografowali oni fotony, które dobierały się w pary. W czasie tego procesu zauważyli, że dwa różne fotony skazane są na samotność. Nawet gdy znajdą się obok siebie, „nie widzą” się i zwykle nie dobierają się w pary. Sytuacja wygląda zupełnie inaczej, gdy fotony są identyczne, to znaczy, gdy wszystkie trzy stopnie swobody dwóch cząstek są takie same. Wtedy powstają pary, które na dodatek są wyjątkowo jednomyślne. Jeden foton „idzie” zawsze tam, gdzie ten drugi. Chociaż trudno powiedzieć, który jest pierwszy, a który drugi, skoro obydwa są identyczne. Łączenie fotonów nazywa się efektem Hong-Ou-Mandela i na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego po raz pierwszy na świecie udało się go sfilmować.

Quantum memory - glowing green

Układ pamięci nowej generacji do komputerów kwantowych. Zielona tuba to pamięć. Za pomocą lasera (czerwona wiązka) w atomach rubidu „zapisywana” jest informacja, która następnie może być odczytywana. Ta pamięć to także dzieło doktorantów z UW.

Nauka podstawowa

Pozostaje tylko znaleźć odpowiedź na pytanie, po co tego typu badania się robi. – Być może kiedyś uda się wyniki naszych eksperymentów wykorzystać w rozwijanych technologiach kwantowych, na razie myślimy jednak o naszych eksperymentach w kategoriach badań podstawowych – mówi Michał Jachura. – Nas bardziej niż kształt samego fotonu interesuje to, jaki kształt będzie miała para fotonów, które zaczną ze sobą interferować, zaczną się na siebie nakładać. To można wykorzystać do zupełnie nowego rodzaju mikroskopii o bardzo wysokiej rozdzielczości. – uzupełnia Radosław Chrapkiewicz.

8 komentarzy do Złapali kwant !!!

Teleportuj się !!!

Powiem szczerze: bałbym się teleportacji, skoro mamy kłopot z tradycyjnymi środkami transportu. A tymczasem naukowcom udała się teleportacja na odległość 25 km!

Może więc i dobrze, że teleportacja ludzi jest (na razie) niemożliwa. O co w ogóle chodzi? Teleportacja to przenoszenie obiektów z miejsca na miejsce, ale – jak mówią fizycy – bez zachowania ciągłości istnienia. Brzmi nie najlepiej, ale w największym skrócie polega na tym, że obiekt w jednym miejscu znika, a w drugim się pojawia.

Mielonka

Teleportacja jest dość popularna np. w filmach science fiction. Szczególnie w tych, których akcja dzieje się w przestrzeni kosmicznej. To jeden z dwóch sposobów radzenia sobie z ogromnymi odległościami, jakie w kosmosie są faktem. Nie chcąc narażać się na śmieszność, trzeba znaleźć w miarę prawdopodobny sposób szybkiego przemieszczania się. Jednym ze sposobów radzenia sobie z tym kłopotem jest zamontowanie w statkach kosmicznych napędów nadświetlnych, czyli takich, które rozpędzają obiekt do prędkości wyższej niż prędkość światła. Drugim ze sposobów jest teleportowanie. Napędów nadświetlnych nie ma i nie wiem, czy kiedykolwiek będą. Jeżeli zaś chodzi o teleportację, to problemu nie ma. Naukowcy potrafią teleportować… choć na razie nie ludzi. Na razie nie mamy ani urządzenia, ani nawet pomysłu, jak powinno wyglądać urządzenie do teleportowania większych i bardziej złożonych obiektów. Pisząc „większych i bardziej złożonych”, nie mam na myśli słonia afrykańskiego czy fortepianu. Mam na myśli większe atomy, nie mówiąc już nawet o najprostszej cząsteczce chemicznej.

Problemy z teleportowaniem przewidzieli także futurolodzy. Od czasu do czasu także w produkcjach science fiction nielubiany bohater korzystał z uszkodzonego „portalu” i w efekcie pojawiał się „po drugiej stronie” w kawałkach albo w formie przypominającej – brutalnie mówiąc – mielonkę. I także tutaj scenarzyści mieli nosa i nie bardzo minęli się z prawdą. Z definicji przy przesyłaniu cech zwanych stanami kwantowymi cząstki A do oddalonej cząstki B, niszczony jest stan kwantowy A. Trochę to skomplikowane, ale w zasadzie da się prosto wytłumaczyć. Nie może być tak, że teleportacja polega na skopiowaniu obiektu. Wtedy istniałyby dwa takie same obiekty. Teleportacja polega na „sczytaniu” obiektu A i przesłaniu w oddalone miejsce. Ale w czasie tego przesyłania obiekt A przestaje istnieć („znika”). Gdy przychodzi do jego odtworzenia, a coś pójdzie nie tak jak trzeba, wychodzi… w największym skrócie mielonka.

W czym jest problem?

Dzisiaj nikt ludzi oczywiście nie próbuje teleportować. Poza zasięgiem naukowców jest nawet teleportacja najprostszych cząsteczek. Nawet tak prostych jak chociażby trzyatomowa cząsteczka wody. Więcej, dzisiejsza technika nie pozwala teleportować nawet pojedynczego atomu, o ile mówimy o większym atomie, np. uranu, który składa się z kilkuset protonów, neutronów i elektronów. Jak to wygląda w praktyce? Każda cząstka ma tzw. stany kwantowe, czyli swoją specyfikę. Cząstki różnią się od siebie właśnie stanami kwantowymi, tak jak obiekty makroskopowe różnią się od siebie np. kolorem, zapachem, smakiem czy fakturą. Teleportacja polega na odczytaniu tych „cech”, przesłaniu ich w nowe miejsce i tam nadaniu ich innej cząstce. Przy okazji niszczy się stany kwantowe cząstki pierwotnej, stąd nie ma mowy o kopiowaniu czegokolwiek, tylko rzeczywiście o przesyłaniu.

Skoro to takie proste, w czym problem, żeby teleportować duże obiekty? Nie da się przesłać takich cech jak kolor, kształt, smak czy zapach po to, by w drugim teleporcie je odtworzyć… Te wspomniane cechy makroskopowe są wypadkową stanów kwantowych miliardów, bilionów cząstek, z których duże obiekty się składają. Problem teleportowania dużych czy większych od pojedynczych cząstek obiektów jest więc problemem skali. Na razie ledwo radzimy sobie ze stanami kwantowymi maleńkich obiektów, ale przyjdzie czas na te większe. I może wtedy pojawi się problem, czy da się teleportować wiedzę, czy da się teleportować duszę…

Wróćmy jednak na Ziemię (albo ziemię). Pierwszą teleportację kwantową przeprowadzono w 1997 r., ale już 7 lat później zespół badaczy z USA i Austrii opublikował dane, z których wynikało, że teleportowano najmniejszy atom, czyli wodór. Tym razem w piśmie „Nature Photonics” ukazała się publikacja, z której wynika, że dzięki badaczom z Uniwersytetu w Genewie, należącego do NASA Jet Propulsion Laboratory, oraz z National Institute of Standards and Technology w USA, udało się teleportować cząstkę na rekordową odległość 25 kilometrów. Informacja o stanach kwantowych została przesłana światłowodem, ale w przyszłości być może uda się ją przesłać falami radiowymi albo promieniem lasera. Tylko 25 kilometrów? Tak, wiem, wiem. W ten sposób na Księżyc czy Marsa się nie dostaniemy, ale od czegoś trzeba zacząć

Tekst ukazał się w tygodniku Gość Niedzielny

1 komentarz do Teleportuj się !!!

Nano-lekarz

Kiedyś po naszym ciele będą krążyły niewielkie urządzenia badawcze. Będą sprawdzały stan naszego zdrowia, podawały leki, a może nawet wykonywały – od wewnątrz – operacje chirurgiczne. Kiedy to się stanie?

Kiedyś po naszym ciele będą krążyły niewielkie urządzenia badawcze. Będą sprawdzały stan naszego zdrowia, podawały leki, a może nawet wykonywały – od wewnątrz – operacje chirurgiczne. Kiedy to się stanie?

Nie wiem, kiedy ta wizja się spełni, ale widzę, że świat inżynierii zmierza w tym kierunku. A wszystko zaczęło się w 1960 roku od słów jednego z najbardziej zasłużonych i barwnych fizyków w historii nauki. Richard Feynman był znany z bardzo dużego poczucia humoru i talentów popularyzatorskich. Uwielbiał grać na bębnach bongo. W ich rytmie zdarzało mu się nawet prowadzić wykłady. Malował, pisał książki i zbierał znaczki. Ale w historii zapisał się z innego powodu. Był fizykiem teoretykiem i laureatem Nagrody Nobla. Pracownikiem najlepszych na świecie uniwersytetów. Zajmował się dość hermetyczną dziedziną, jaką jest kwantowa teoria pola i grawitacji, ale interesował się także fizyką cząstek i nadprzewodnictwem. To on jako pierwszy podał koncepcję komputera kwantowego i – w 1960 roku – zapowiedział powstanie nowej dziedziny inżynierii – nanotechnologii.

Sporo miejsca

Nanotechnologia bada i próbuje wykorzystać potencjał natury i właściwości świata bardzo małych rozmiarów i bardzo małych odległości. Co jest tam tak interesującego? – „There is plenty of room at the bottom” – powiedział w czasie pamiętnego wykładu zapowiadającego powstanie nowej dziedziny wspomniany już Richard Feynman. W tłumaczeniu na polski to zdanie znaczyłoby mniej więcej: „gdzieś tam na dole jest dużo miejsca”. Feynman zastanawiał się, jak naśladować naturę, która z atomów i cząsteczek potrafi tworzyć większe, olbrzymie, piękne struktury, takie jak chociażby białka czy cukry. A wszystko to robi ze znakomitą wydajnością, i mechaniczną, i energetyczną. Innymi słowy, człowiek powinien spróbować nauczyć się naśladować przyrodę, tworzyć układy złożone, wychodząc z atomów i cząsteczek, i kontrolując ten proces, mieć jakiś wpływ na powstającą nową materię. Brzmi dumnie, ale jak to zrobić? To jest właśnie coś, co ma rozstrzygnąć nowa dziedzina. Naukowcy i inżynierowie do tego wyzwania próbują podejść na dwa sposoby. Jeden to tak zwane „bottom up”, czyli przejście od podstaw, z tego poziomu najniższego, atomowo-cząsteczkowego, do większych, zaprojektowanych struktur. Czyli od pojedynczych atomów i cząsteczek do konkretnych materiałów. Najpierw tych w skali nanometrowej, a później o tysiąc razy większej, czyli mikrometrowej.

To podejście przypomina budowanie domu z cegieł. Małe elementy łączone są w duże struktury. Atomy łączone są w cząsteczki. Na przykład takie, które w przyrodzie nie występują. Cząsteczki białek, które mogą być lekarstwem na wciąż niezwyciężone choroby, czy cząsteczki o takich właściwościach, które można będzie wykorzystać w elektronice. Drugie podejście jest dokładnie odwrotne, czyli „top down” – z góry do dołu. To jak wytwarzanie ziarenek piasku podczas mielenia większych kawałków skały albo jeszcze lepsza analogia, mielenie całych ziaren kawy na kawowy proszek. Po co? Im drobniej zmielone, tym lepiej gorąca woda wyciągnie z nich kofeinę. Z całych ziaren kofeiny nie da się wyciągnąć. Wracając do fizyki czy technologii: to drugie podejście polega na rozdrabnianiu materii i schodzeniu do niższych jej form wymiarowych, do skali nano włącznie.

Podróże do wnętrza

O nanotechnologii można bardzo dużo pisać. Choć to nowy kierunek, rozwija się bardzo dynamicznie. Trudno znaleźć dziedzinę nauki, w której nie byłaby obecna. Jednym z bardziej pasjonujących kierunków jej rozwoju jest nanomedycyna. Ta rozwija się w dwóch kierunkach. Jeden to próby (coraz częściej udane) stworzenia nanocząsteczek, które będą nośnikami leków, a nawet genów. Wnikając do organizmu, będą uwalniać przenoszony materiał dokładnie w tym miejscu i dokładnie o tym czasie, jaki jest optymalny. Drugi kierunek to nanosensory i nanoroboty. Już kilka lat temu stworzono nanodetektor komórek rakowych. Do jego działania wystarczy – dosłownie – jedna kropla krwi. Krew przesączana jest przez tysiące mikroskopijnych kanalików krzemowych, w których znajdują się przeciwciała wyłapujące komórki nowotworowe. Analiza przeciwciał pozwala stwierdzić, czy w krwi znajdują się komórki rakowe, a jeżeli tak, to ile i jakie. Taka informacja nie może być pozyskana w trakcie standardowej analizy, bo komórek nowotworowych w krwi jest bardzo mało. Nanomedycyna jednak najbardziej kojarzy się z nanorobotami. Wpuszczone do ludzkiego krwiobiegu będą nie tylko monitorowały funkcje życiowe, ale także reagowały na stany kryzysowe organizmu.

Te skojarzenia – przynajmniej na razie – są nierealne. Na razie. W listopadowym numerze czasopisma naukowego „Nature Communications” opisano urządzenie wielkości kawałka główki od szpilki. Zbudowane jest jak muszla małża, z dwóch połówek połączonych w jednym punkcie (to połączenie przypomina zawias w drzwiach). Niewielkie elektromagnesy w obydwu częściach urządzenia mogą powodować otwieranie i zamykanie „muszli”. Ta w efekcie takiego ruchu może się poruszać. Prędkość tego ruchu jest oczywiście zależna od przekroju naczynia i prędkości krwi (oraz kierunku), ale już dzisiaj mówi się, że urządzenie, którego wielkość nie przekracza 0,3 mm, jest jednym z tych, które w przyszłości będą podróżowały we wnętrzu naszego ciała.

 

Tekst ukazał się w tygodniku Gość Niedzielny

Brak komentarzy do Nano-lekarz

Ile waży elektron?


Elektron waży mało, bardzo mało. Ale teraz przynajmniej wiemy, jak mało. Pracującemu w Niemczech Polakowi udało się najdokładniej na świecie zważyć masę elektronu.


Elektron waży mało, bardzo mało. Ale teraz przynajmniej wiemy, jak mało. Pracującemu w Niemczech Polakowi udało się najdokładniej na świecie zważyć masę elektronu.


Elektron jest tzw. cząstką elementarną, czyli taką, której nie da się już podzielić na mniejsze kawałki. Jest dość powszechny i powstał zaraz po Wielkim Wybuchu. Każdy atom składa się z jądra atomowego, w którym znajdują się protony i neutrony (wyjątkiem jest jądro wodoru, w którym jest tylko jeden proton), krążących wokół elektronów. Pomijając szczególne sytuacje, elektronów krążących wokół jądra atomowego jest tyle samo, ile protonów znajdujących się w jego wnętrzu. To powoduje, że atomy są obojętne elektrycznie, w skrócie mówiąc – mają tyle samo ładunków elektrycznych dodatnich (niesionych przez protony), ile ujemnych (te są niesione przez elektrony). Proton i elektron wydają się w tej opowieści swoimi przeciwieństwami. Jeden niesie ładunek ujemny, drugi dodatni. Ale to tylko pozory. Protony i elektrony są cząstkami skrajnie różnymi. Powstały po Wielkim Wybuchu, ale w zupełnie inny sposób.

Protony (i neutrony zresztą też) należą do rodziny tzw. hadronów, czyli cząstek sklejonych z kwarków. Elektron nie jest hadronem, nie jest z niczego sklejony, jest niepodzielny. Elektron należy do grupy cząstek zwanych leptonami. Pomijając jednak te obco (i może nawet nieco groźnie) brzmiące nazwy, można powiedzieć, iż różnica pomiędzy elektronem i protonem nie polega tylko na tym, że jeden się dzieli, a drugi nie, oraz na tym, że należą do dwóch różnych rodzin. Elektron jest dużo, dużo mniejszy od protonu. O ile mniejszy?

Ile dokładnie?


Nikogo nie trzeba chyba przekonywać, że zmierzenie masy cząstki nie jest łatwe. Nie da się jej tak po prostu położyć na wadze, odczekać, aż szalki się ustabilizują, a następnie odczytać masę z podziałki. Pomijając fakt, że jakiekolwiek standardowe urządzenia nie wchodzą w ogóle w grę, ponieważ cząstki są w ciągłym ruchu. Szczególnie dotyczy to właśnie elektronów. Można by się zastanawiać, po co w ogóle komukolwiek precyzyjna wiedza o masie elektronu. Nie da się zrozumieć tego, co dzieje się we wnętrzu atomu, tego, jakie panują mechanizmy i oddziaływania, bez dokładnego pomiaru masy cząstek, które atom budują. Oczywiście te masy cząstek są znane, ale zespół fizyków z niemieckiego Instytutu Maxa Plancka w Heidelbergu stwierdził, że precyzja tego pomiaru jest niewystarczająca i trzeba ją poprawić. Pomiar masy, jakiego udało się dokonać, jest 13 razy bardziej precyzyjny niż te, którymi dysponowano dotychczas. Ile więc waży jeden elektron? Jest dokładnie 1836 razy lżejszy niż proton. Z kolei w jednym gramie mieści się 600 tryliardów protonów (tryliard to 1 i 21 zer). Jeszcze inaczej można powiedzieć, że masa atomowa elektronu wynosi ok. 0,000548579909067. 
Elektron jest najlżejszą cząstką, jaką udało się dotychczas fizykom precyzyjnie zważyć. Co prawda istnieją lżejsze cząstki od elektronów, ale ich masa nie jest znana, szacuje się jedynie jej wartość.

Jak zmierzono?


Bezpośredni pomiar masy elektronu jest absolutnie niemożliwy. Po to, by go zważyć, trzeba było posłużyć się pewnym trikiem. Wzięto atom węgla, w którym znajduje się 6 elektronów i „odczepiono” od niego 5 elektronów. W efekcie powstał tzw. jon, który miał jadro atomu węgla, ale wokół niego krążył tylko jeden elektron. Taki jon węgla zamknięto w urządzeniu zwanym pułapką Penninga. I dopiero tam zaczął się pomiar właściwy masy elektronu. Elektron (zresztą inne cząstki także) może się zachowywać jak niewielki magnesik. Manipulując złapanym w pułapkę jonem węgla, naukowcy mierzyli zachowanie elektronu, który krążył wokół jądra. Z tych pomiarów, przez zastosowanie wzorów, udało się precyzyjnie wyliczyć masę elektronu. Pomiary i badania trwały wiele miesięcy, a po ich zakończeniu wyniki eksperymentu znalazły się w pracy naukowej opublikowanej w prestiżowy czasopiśmie „Nature”. Jednym ze współautorów tej publikacji był pracujący w Niemczech Polak dr Jacek Zatorski. To on był odpowiedzialny za obliczeniową część eksperymentu.

Jak tam jest? 
Pusto


Mały elektron, większe protony i neutrony. Jak można sobie wyobrazić świat na poziomie pojedynczych atomów? Z całą pewnością inaczej, niż rysują go w podręcznikach. Przede wszystkim jądro atomowe wcale nie musi być kulką. Po drugie elektrony są znacząco mniejsze niż protony i neutrony, podczas gdy na modelach atomów w książkach są prawie takie same. Gdyby proton był wielkości jabłka, elektron byłby ziarenkiem słonecznika, a może większym ziarenkiem piasku. I jeszcze jedno. Atom to w większości pustka. Podobnie zresztą jak Układ Słoneczny. To dość udana anologia. Bo zarówno w atomie, jak i w naszym układzie planetarnym przeważająca większość masy zgromadzona jest w centrum.
99 proc. masy całego Układu Słonecznego to Słońce. Podobnie jest w atomie, gdzie jądro atomowe „zabiera” 99 proc., a czasami jeszcze więcej masy całego atomu. I jeszcze jedno: elektrony są nie tylko dużo, dużo lżejsze od jądra atomowego, ale tak samo jak w Układzie Słonecznym planety, krążą bardzo od niego daleko. Powracając do analogii z jabłkiem jako protonem i ziarenkiem piasku jako elektronem – w tej skali elektron krąży w odległości kilkudziesięciu, a może nawet 100 metrów od jądra atomowego. Atom to w większości pustka. •

Tomasz Rożek
tekst ukazał się w numerze 11/2014 tygodnika Gość Niedzielny

Czy można zobaczyć cząstkę elementarną?

2 komentarze do Ile waży elektron?


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/

15 komentarzy do Konkurs o energii

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