Nauka To Lubię

Oficjalna strona Tomasza Rożka

Tag: światło

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

Jak fotografować SUPERKsiężyc?

Każda pełnia Księżyca jest doskonałą okazją do fotografowania. W zasadzie to może być wstęp do astrofotografii. Po pierwsze Księżyca nie da się na nocnym niebie pomylić z jakimkolwiek obiektem niebieskim….

Każda pełnia Księżyca jest doskonałą okazją do fotografowania. W zasadzie to może być wstęp do astrofotografii. Po pierwsze Księżyca nie da się na nocnym niebie pomylić z jakimkolwiek obiektem niebieskim. Po drugie, po to by fotografować pełnię, nie trzeba inwestować w drogi sprzęt. Prawdę mówiąc nie trzeba inwestować wcale. Wystarczy aparat, który wielu z nas i tak ma w domu. 14 listopada nałożą się na siebie dwa zjawiska. Pełnia Księżyca i jego maksymalne zbliżenie do Ziemi. Choć tarcza Srebrnego Globu nie będzie zauważalnie większa, to jego jasność zwiększy się o 20 – 30 proc. Tylko jak zrobić zdjęcie, które byłoby dla nas powodem do domy (a nie wstydu)?

Oprócz aparatu, w zasadzie jedynym sprzętem o jaki warto się zatroszczyć, jest statyw. Zachęcam do ustawienia aparatu w tryb manualny. W trybie automatycznym wszystkie zdjęcia będą bardzo do siebie podobne. Na „manualu” możesz poeksperymentować.

No to do rzeczy:

Ostrość. Jeżeli mamy aparat w trybie manualnym, ostrość trzeba ustawić na nieskończoność. W trybie manualnym powinna się ustawić automatycznie (autofocus).

Czułość. Jeżeli aparat umożliwia ustawianie czułości (ISO), tym parametrem można się nieco pobawić, uzyskując czasami bardzo ciekawe efekty. Czym niższa czułość tym wyraźniejsze będzie zdjęcie (niższy poziom szumów). Niestety czym niższa czułość, tym dłuższy musi być czas naświetlania, a to może być problemem np. gdy nie mamy statywu albo gdy w kadrze są szybko poruszające się obiekty. Ich rozmazanie może być dodatkowy atutem zdjęcia. No ale to już kwestia gustu fotografa. Jeżeli chcemy by czas otwarcia migawki był jak najkrótszy, trzeba ustawić wysoką czułość. W takim wypadku na zdjęciu pojawiają się szumy („ziarno”). Może ono dodać artyzmu, ale znowu, to kwestia gustu. Dobra rada: Jak tylko będzie odpowiednia pogoda, Księżyc w pełni będzie można obserwować na tyle długo, że bez pośpiechu i stresu warto poeksperymentować. Ustawiaj różne czułości. Zawsze lepiej mieć więcej zdjęć (z których część wyląduje w koszu), niż żałować, że zrobiło się za mało.

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

Czas naświetlania. Bardzo trudno zrobić zdjęcie „z ręki” gdy czas otwarcia migawki wynosi mniej niż 1/30 s. Tym bardziej że mówimy o fotografowaniu bardzo odległego obiektu. Stąd jeszcze raz sugestia, by zaopatrzyć się w statyw, nawet gdyby miał być najprostszy. Jeżeli nie masz, obserwuj SUPERKsiężyc z miejsca w którym możesz oprzeć aparat o drzewo, krzesło czy chociażby słup ogrodzenia.

Podobnie jak w przypadku ustawiania czułości, warto poeksperymentować ustawiając różne wartości czasów otwarcia migawki. Zdziwisz się jak różne mogą być zdjęcia tego samego obiektu. Czym krótszy czas migawki, tym bardziej otwarta musi być przysłona aparatu, gdy czas jest długi, przysłona musi być „domknięta”. I tylko z pozoru nie robi to różnicy. Gdy Księżyc będzie nisko nad horyzontem, gdy w kadrze będzie nie tylko jego tarcza ale także np. drzewa albo budynki, domknięta przysłona (wartości od 11 w górę) umożliwi zrobienie zdjęcia na którym ostre będą wszystkie obiekty. Otwarta przysłona (o wartości do 4,5) spowoduje że ostre będą tylko te obiekty na które ustawiona zostanie ostrość. Reszta będzie rozmazana. Jeżeli nie czujesz się na siłach operować przysłoną, ustaw jej automatykę i operuj czasem migawki. Zdziwisz się jak różne zdjęcia uzyskasz.

Ogniskowa. Wszystko zależy od kompozycji zdjęcia, a wiec od tego co chcesz na nim mieć. Jeżeli tylko tarczę Księżyca, ustaw jak najdłuższą ogniskową (jak najbardziej przyzoomuj). Unikaj zoomu cyfrowego, zdjęcie zawsze możesz skadrować na komputerze.

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

Napisałem to już tutaj kilka razy, ale napisze jeszcze raz. EKSPERYMENTUJ. Masz sporo czasu. Nie ma sensu robienie kilkunastu czy kilkudziesięciu zdjęć przy takich samych parametrach. Baw się ustawieniami czasu, baw przysłoną i czułością. Jeżeli masz zmienne obiektywy, korzystaj z tego. Spróbuj zmienić lokalizację. Na długich czasach pięknie na tle Księżyca wyglądają np. jadące samochody, albo panorama oświetlonego miasta. Ponadto:

– Robiąc zdjęcie korzystaj z samowyzwalacza albo ze zdalnie uruchamianej migawki. W ten sposób nie poruszysz aparatu w czasie robienia zdjęcia.

– Spróbuj zrobić kilka zdjęć przy tych samych parametrach po to by potem nałożyć je na siebie. Zobaczysz, że uzyskasz ciekawy efekt.

– Spróbuj zrobić kilkanaście tak samo skadrowanych zdjęć (nie ruszając aparatu) np. co kilka minut. Nakładając je na siebie uzyskasz… prostą animację.
A jak już zrobisz dobre zdjęcie, pochwal się nim na FB.com/NaukaToLubie 

Powodzenia !!!

Brak komentarzy do Jak fotografować SUPERKsiężyc?

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

Fajerwerki – gra świateł

Podobno czarny proch wymyślili Chińczycy. Nie po to jednak by używać go na polu walki, ale by się nim bawić. Jak ? Budując sztuczne ognie.

Pierwsze fajerwerki budowano by odstraszać złe duchy. Spalano suszone łodygi bambusowe by wydawały charakterystyczne trzaski. Później wypełniano je różnymi substancjami. Rozrywka zaczęła się wraz z rozwojem chemii. A właściwie nie tyle rozwojem ile świadomością. Odkrywano coraz to nowe substancje czy związki, których wcześniej nikt nie podejrzewał o wybuchowe konotacje. Dziś wiele z nich znaleźć można w petardach, bombkach czy rakietach. W Polsce pokazy sztucznych ogni odbyły się po raz pierwszy w 1918 r., kilka dni po ogłoszeniu niepodległości. Trwały wtedy zaledwie 3 minuty. Pierwsze znane pokazy sztucznych ogni zorganizowano na dworze cesarskim w Chinach w roku 468 p.n.e.

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

To wszystko fizyka …

Wybuchające na niebie sztuczne ognie to jedna z lepszych ilustracji tzw. zasady zachowania pędu. To dokładnie ta sama reguła, która tłumaczy dlaczego wyskakując z pokładu łódki na brzeg czy molo powodujemy, że łódka zaczyna odpływać. No właśnie, dlaczego ? Bo – jak powiedziałby fizyk – w układzie w którym nie działają siły zewnętrzne, pęd układu musi zostać zachowany. Oczywiście w wyżej opisanym przykładzie z łódką i jej pasażerem działają siły zewnętrzne – siły oporu, ale są one małe i można je pominąć. Tak więc jeżeli pasażer łódki wskakuje z jej pokładu na molo – łódka zaczyna się poruszać w przeciwnym kierunku. Można by powiedzieć, że ruch łódki równoważy ruch jej pasażera. Im z większym impetem wyskoczy on z łódki, tym szybciej sama łódka zacznie odpływać w przeciwnym kierunku. Co to wszystko ma wspólnego z fajerwerkami ? Człowiek płynący na łódce to układ składający się z dwóch elementów. Petarda rozrywana nad naszymi głowami, to układ składający się z setek a może nawet tysięcy elementów. Ilość nie gra jednak tutaj roli. Fizyka pozostaje taka sama. Każdy wybuch jest w pewnym sensie symetryczny. Jeżeli kawałek petardy leci w prawo, inny musi – dla równowagi – lecieć w lewo. Jeden do przodu, to inny do tyłu. W efekcie malujące się na ciemnym niebie wzory mają kształty kul, okręgów czy palm. Zawsze są jednak symetryczne. Zawsze takie, że gdyby potrafić cofnąć czas, wszystkie te ogniste stróżki spotkałyby się w punkcie znajdującym się dokładnie w środku, pomiędzy nimi.

… czy może chemia ?

Najczęściej występującą barwą na pokazach sztucznych ogni jest pomarańcz i czerwień. Pojawiają się też inne kolory. Skąd się biorą ? Wszystko zależy od tego z czego zrobiona, a właściwie z dodatkiem czego zrobiona jest petarda. Jej zasadnicza część to środek wybuchowy, ale czar tkwi w szczegółach. I tak, za często występujący pomarańcz i czerwień odpowiedzialny jest dodany do materiału wybuchowego wapń i bar. Inny pierwiastek – stront powoduje, że eksplozja ma kolor żółty, z kolei związki boru i antymon, że zielony. Ale to dopiero początek kolorowej tablicy Mendelejewa. Bo płomienie może barwić także rubid – na kolor żółto fioletowy, cez na kolor fioletowo-niebieski i bar na kolor biały. Potas spowoduje, że niebo stanie się liliowe, a miedź, że niebieskie. W produkcji fajerwerków wszystkie chwyty są dozwolone – o ile wykonuje je specjalista pirotechnik. Bo o efekt toczy się gra. Tak więc mieszanie poszczególnych związków jest nie tyle wskazane, ile wręcz pożądane. Jedno jest pewne. Specjalista spowoduje, że w czasie pokazu na niebie będzie można podziwiać więcej barw niż w łuku tęczy. Będą się pojawiały dokładnie w tym momencie, w którym chce je przedstawić twórca sztucznych ogni. Niebo z liliowego, przez zielony może stać się krwisto czerwone, aż na końcu spłonie intensywnym pomarańczem. A wszystko wg wyliczonego co do ułamka sekundy scenariusza. Ale czy na pewno tylko o kolory chodzi ? Co z dymem ? Co z hukiem ?

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

To sztuka!

Prawdziwy mistrz dba nie tylko o efekty wizualne, ale także dźwiękowe w czasie pokazu fajerwerków.  Żeby petarda zdrowo nadymiła trzeba zaopatrzyć się w zapas chloranu potasu, laktozę i barwniki – w zależności od oczekiwanego koloru dymu. Petardy błyskowe będą wypełnione magnezem, a hukowe i świszczące będą zawierały duże ilości nadchloranów i soli sodu i potasu. Można też wyprodukować mieszaninę iskrzącą, a wtedy przyda się węgiel drzewny albo oświetlającą. W praktyce – szczególnie w ładunkach profesjonalnych – różnego rodzaju mieszanki stosuje się razem. Nie wszystkie, w jednym worku, ale ułożone w odpowiedniej kolejności.

Można zapytać jak zadbać o chronologię w czasie trwającej ułamki sekund eksplozji ? To jest właśnie sztuka. Ładunek pirotechniczny wygląda trochę jak cebula. Składa się z wielu warstw. Petarda najpierw musi wznieść się w powietrze. Ani nie za wysoko, ani za nisko. W pierwszym wypadku efekt wizualny będzie marny, a w drugim – gdy wybuchnie zbyt blisko widzów – może dojść do tragedii. Prawdziwa magia zaczyna się, gdy ładunek jest już wysoko nad głowami. Poszczególne warstwy zapalają się od siebie i w zaplanowanej wcześniej kolejności wybuchają. Widz z zapartym tchem podziwia gęste kule rozrastającego się we wszystkich kierunkach różnokolorowego ognia, albo błysk i kilka opadających w bezwładzie długich ognistych języków. Gdy wszystko wydaję się być skończone, nagle pojawiają się migoczące gwiazdki, albo wirujące wokół własnych osi ogniste bombki. Po nich jest ciemność i cisza. Do następnej eksplozji, innej niż poprzednia. Innej niż wszystkie poprzednie.

Sztuczne ognie można sprowadzić do chemii materiałów wybuchowych. Można też powiedzieć, że są wręcz encyklopedycznym przykładem znanej każdemu fizykowi zasady zachowania pędu. Ale tak naprawdę sztuczne ognie to czary.

Kolory sztucznych ogni:

karminowy: lit, bar i sód

szkarłatny: stront i bar 

czerwono-żółty: wapń i bar

żółty: stront, śladowe ilości sodu i wapnia

biały: cynk i bar

szmaragdowy: miedź i tal

niebiesko-zielony: związki fosforu ze śladowymi ilościami kwasu siarkowego lub kwasu borowego

jaskrawy zielony: antymon i amon

żółto-zielony: bar i molibden

lazurowy: ołów, selen i bizmut

jasnoniebieski: arszenik

fioletowy/liliowy: niektóre związki potasu z dodatkiem sodu i litu

purpurowy: potas, rubid i cez

1 komentarz do Fajerwerki – gra świateł

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

W kosmosie woda jest wszędzie!

Jest na planetach, księżycach, kometach a nawet… w mgławicach. Dość powszechnie panująca opinia o tym, że woda jest obecna tylko na Ziemi, jest kompletnie błędna. Wody w kosmosie jest bardzo dużo. Ale to wcale nie musi znaczyć, że wszędzie tam jest życie.

Dość powszechnie panująca opinia o tym, że woda jest obecna tylko na Ziemi, jest kompletnie błędna. Choć w kolejnym odcinku „Megaodkryć” na National Geographic Channel będzie mowa o „Wodnej apokalipsie” to okazuje się, że ta wspomniana apokalipsa to nasz ziemski problem.

>> Polub FB.com/NaukaToLubie i pomóż mi tworzyć stronę pełną nauki. 

Woda płynna jest na przynajmniej kilku obiektach Układu Słonecznego. Kilka tygodni temu odkryto ją także na powierzchni Marsa. Co zaskakuje, obłoki pary wodnej „wiszą” także w przestrzeni kosmicznej. Kilka lat temu odkryto taki wokół kwazaru PG 0052+251. Póki co, to największy ze wszystkich znanych rezerwuarów wody w kosmosie. Dokładne obliczenia wskazują, że gdyby całą tę parę wodną skroplić, byłoby jej 140 bilionów (tysięcy miliardów) razy więcej niż wody we wszystkich ziemskich oceanach. Masa odkrytego wśród gwiazd „zbiornika wody” wynosi 100 tysięcy razy więcej niż masa Słońca. To kolejny dowód, że woda jest wszechobecna we wszechświecie.

Do wyboru: lód, woda i para

Naukowców nie dziwi sam fakt znalezienia wody, ale jej ilość. Cząsteczka wody (dwa atomy wodoru i jeden atom tlenu) jest stosunkowo prosta i występuje we wszechświecie powszechnie. Bardzo często łączy się ją z obecnością życia. Faktem jest, że życie, jakie znamy, jest uzależnione od obecności wody. Ale sam fakt istnienia gdzieś wody nie oznacza istnienia tam życia. Po to, by życie zakwitło, musi być spełnionych wiele różnych warunków. Woda wokół wspomnianego kwazaru jest w stanie gazowym, a woda niezbędna do życia musi być w stanie ciekłym. Nawet jednak ciekła woda to nie gwarancja sukcesu (w poszukiwaniu życia), a jedynie wskazówka.

Takich miejsc, którym badacze się przyglądają, jest dzisiaj w Układzie Słonecznym przynajmniej kilka. Woda może tu występować – tak jak na Ziemi – w trzech postaciach: gazowej, ciekłej i stałej. I właściwie we wszystkich trzech wszędzie jej pełno. Cząsteczki pary wodnej badacze odnajdują w atmosferach przynajmniej trzech planet Układu Słonecznego. Także w przestrzeni międzygwiezdnej. Woda w stanie ciekłym występuje na pewno na Ziemi. Czasami na Marsie, najprawdopodobniej na księżycach Jowisza, ale także – jak wykazały ostatnie badania – na księżycach Saturna. A na jednym z nich – Enceladusie – z całą pewnością. Gdy kilka lat temu amerykańska sonda kosmiczna Cassini-Huygens przelatywała blisko tego księżyca, zrobiła serię zdjęć, na których było wyraźnie widać buchające na wysokość kilku kilometrów gejzery. Zdjęcia tego zjawiska były tak dokładne, że badacze z NASA zauważyli w buchających w przestrzeń pióropuszach nie tylko strugi wody, ale także kłęby pary i… kawałki lodu. Skąd lód? Wydaje się, że powierzchnia Enceladusa, tak samo zresztą jak jowiszowego księżyca Europy, pokryta jest bardzo grubą (czasami na kilka kilometrów) warstwą lodu. Tam nie ma lądów czy wysp. Tam jest tylko zamarznięty ocean. Cały glob pokryty jest wodą.

061215_europa_02

Powierzchnia jowiszowego księżyca Europa

Nie tylko u nas

Skoro cała powierzchnia księżyców Jowisza i Saturna pokryta jest bardzo grubym lodem, skąd energia gejzerów? Skąd płynna woda pod lodem? Niektóre globy żyją, są aktywne. Ich wnętrze jest potężnym reaktorem, potężnym źródłem ciepła. Tak właśnie jest w przypadku zarówno Europy, jak i Enceladusa. Swoją drogą ciekawe, co musi się dziać pod kilkukilometrowym lodem, skoro woda, która wydrążyła sobie w nim lukę, wystrzeliwuje na wiele kilometrów w przestrzeń?

Może nie morza, jeziora czy chociażby bajora, ale lekka rosa – wodę znajduje się także na powierzchni naszego Księżyca. Zaskakujące odkrycie to dzieło indyjskiej sondy Chandrayaan-1, potwierdzone przez dwie amerykańskie misje (Deep Impact i Cassini).

Niejedna praca naukowa powstała też na temat wody na Czerwonej Planecie. Wiadomo, że jest na marsjańskich biegunach. Nie brakuje jednak danych, że woda, nawet w stanie ciekłym, pojawia się czasowo w różnych innych miejscach planety. Wyraźnie ją widać na zboczach kraterów, o ile padają na nie promienie letniego Słońca.

Z badań amerykańskiej sondy Messenger, która od 2004 roku badała Merkurego, wynika, że woda jest także w atmosferze pierwszej od Słońca gorącej planety. Co z innymi planetami spoza Układu Słonecznego? Na nich też pewnie jest mnóstwo wody. Tylko jeszcze o tym nie wiemy. Chociaż… Pierwszą egzoplanetą, na której najprawdopodobniej jest woda jest HD 189733b, która znajduje się 63 lata świetlne od nas. Ta planeta to tzw. gazowy gigant. Ogromna kula gorących i gęstych gazów z płynnym wnętrzem. Gdzie tutaj miałaby być woda? Wszędzie – twierdzą badacze. Dzięki aparaturze wybudowanej w California Institute of Technology, USA udało się odkryć, że mająca prawie 1000 st. C atmosfera zawiera duże ilości pary wodnej.

>> Polub FB.com/NaukaToLubie i pomóż mi tworzyć stronę pełną nauki. 

Czy któreś z tych kosmicznych źródeł wody będzie nas w stanie uchronić przez niedostatkiem pitnej wody na Ziemi? Tego jeszcze nie wiemy, choć problem braku podstawowej do życia substancji wydaje się być coraz bardziej palący. Przekonują o tym hollywoodzka gwiazda – Angela Basset – i jej goście – światowej sławy naukowcy, którzy próbują odpowiedzieć na pytanie czy czeka nas „Wodna Apokalipsa” w ostatnim już odcinku niezwykłej serii „Megaodkrycia” na National Geographic Channel. Jeśli chcecie wiedzieć, gdzie najtęższe umysły naukowe szukają teraz źródeł H2O, oglądajcie „Wodną Apokalipsę” – już w niedzielę, 13 grudnia, o 22.00 na National Geographic Channel.

 

 

Brak komentarzy do W kosmosie woda jest wszędzie!

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?

Orionidy nadlatują !!!

Już za chwileczkę, już za momencik… a tak właściwie od kilku dni Ziemia w swoim ruchu wokół Słońca przelatuje przez chmurę kawałków komety Halley’a. Maksimum tych zderzeń nastąpi z środy na czwartek.

Ziemia z resztkami komety Halley’a „spotyka się” kilka razy w roku. W październiku skutkuje to deszczem Orionidów, na przełomie kwietnia i maja Eta Akwadydów, a w pierwszych dniach sierpnia Akwarydów. Dzisiaj w nocy jest maksimum roju Orionidów.

Poruszająca się w kierunku Słońca kometa (nie tylko kometa Halley’a) topiąc się pozostawia na swojej drodze niewielkie skalne kawałki, z których jest posklejana. Powstaje wtedy ślad, który znaczy drogę po której kometa się poruszała. W ciągu roku Ziemia wielokrotnie wlatuje w tak pozostawioną „ścieżkę” (u dołu tego wpisu wypisałem listę największych rojów meteorytów jakie można oglądać w Polsce).

Pozostałości komet z którymi Ziemia się „zderza” to pył i małe okruchy skalne. W ziemskiej atmosferze pozostawiają widoczny gołym okiem świetlny ślad nawet te, które są wielkości ziarenek pisaku. To dzięki grubej ziemskiej atmosferze możemy oglądać – o ile pogoda na to pozwoli – ciekawe widowisko. Nie musimy przy tym chować się pod dach 😉 , choć gdyby nie chroniąca nas atmosfera byłoby to konieczne, bo drobne cząstki pyłu i większe okruchy skalne wpadają w nią nawet z prędkością 75 km/s. Wtedy ocierając się i zderzając z cząsteczkami powietrza silnie rozgrzewają swoją powierzchnię. Zderzenia te są tak intensywne i jest ich tak dużo, że powierzchnia obiektu zaczyna się topić i wrzeć. Część w ten sposób „nabytej” energii przekazana zostaje do otaczającego meteor powietrza. To nagrzewa się i świeci a my widzimy „spadającej gwiazdy”.

Znakomita większość „spadających gwiazd” spala się całkowicie w ziemskiej atmosferze. Co więcej to co obserwujemy gołym okiem, to zaledwie ułamek wszystkich spadających na Ziemię meteorów. Większość z nich  jest na tyle mała, że ich „spalania” nie widać gołym okiem. Szacuje się, że w ciągu doby na powierzchnię Ziemi spada aż 100 ton tego niezauważalnego pyłu. Corocznie – w ściśle określonych porach – różnych rojów pojawia się na naszym niebie ok. 20. Niektóre z nich widoczne są na jednej półkuli a inne – tak jak Orionidy – na obydwu. Do ich obserwacji nie trzeba kosztownych urządzeń i o ile pogoda dopisze – i dodatkowo noc będzie bezksiężycowa – powinno być widać spadające gwiazdy. Uważny obserwator może ich zauważyć nawet 15 w ciągu jednej godziny.

Najobfitsze roje meteorytów występujące na półkuli północnej (w Polsce).  
Nazwa i okres występowania    
Kwadrantydy (1-6 I)    
Eta Akwarydy (24 IV – 20 V)    
Delta Akwarydy (15 VII – 20 VIII)    
Geminidy (7-16 XII)    
Perseidy (23 VII – 20V III)    
Orionidy (16-27 X)    
Taurydy (20 X- 30XI)    
Leonidy (15-20 XI)    

 

>>> 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 Orionidy nadlatują !!!

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

A co gdyby Mars zzieleniał?

Wiadomo, Ziemia jest niebieska a Mars czerwony. Tak przynajmniej te planety wyglądają z kosmosu. Ale czy tak było zawsze? Mars mógł być kiedyś zielony. W końcu wiemy ponad wszelką wątpliwość, że była tam i wciąż jest płynna woda. Jak wyglądałbym Mars, gdyby były na nim rzeki, jeziora, morza i oceany?

Kilkanaście dni temu świat obiegła wiadomość, że na Marsie znaleziono ciekłą wodę. O tym, że na Czerwonej Planecie jest woda – wiedzieliśmy od dawna. Widzieliśmy ją zamarzniętą na biegunach planety. Podejrzewaliśmy, że jest także pod powierzchnią w formie wiecznej zmarzliny. Co więcej, podejrzewaliśmy, że czasami ta woda wypływa małymi strumyczkami z oświetlonych promieniami Słońca zboczy gór i kraterów. Podejrzenia jednak to nie to samo co fakty i niezbite dowody. Dzisiaj wiemy jednak, że – przynajmniej tym razem – podejrzenia były słuszne. Tam rzeczywiście nie tylko była, ale wciąż jest całkiem sporo wody.

Mars jest czerwony, bo pokrywający planetę pył jest bogaty w rdzawego koloru tlenki żelaza. Jeżeli planeta boga wojny kiedykolwiek była zielona to nie z powodu odbijających zielone światło minerałów, tylko z powodu życia. O ile było ono takie samo jak to ziemskie. Życie potrzebuje płynnej wody. Z tym akurat – jak się okazuje – w przypadku Marsa nie ma problemu i najpewniej nigdy nie było. Skąd przypuszczenie, że wody na Marsie kiedyś było znacznie, znacznie więcej niż tej, która znajduje się tam dzisiaj? Wystarczy sprawnym (naukowym) okiem rzucić na powierzchnię Czerwonej Planety. Pełno tam struktur do złudzenia przypominających wyschnięte koryta rzek, wąwozy, strumyki a nawet wodospady. Sam amerykański łazik Curiosity, wylądował w dawnym korycie rzeki, w którym głębokość wody sięgała dwóch metrów. Są też ogromne przestrzenie położone znacznie poniżej średniego poziomu gruntu planety. Te do złudzenia przypominają wyschnięte morza i oceany. Te mniejsze zagłębienia to wypisz wymaluj puste jeziora. A teraz zamknijmy oczy i pofantazjujmy. Jak wyglądałby Mars, gdyby, tak jak na Ziemi, płynnej wody było na nim pod dostatkiem?

mars-kevin-gill-01Wygląda jak Ziemia

Na pewno nie byłby czerwony. Może byłby niebieski, może zielony. Spróbujmy wyobrazić sobie Marsa sprzed miliardów lat. Kevin Gill, amerykański informatyk i entuzjasta astronomii wykorzystując zaawansowaną technologię cyfrową, trójwymiarowe zdjęcia Marsa oraz dokładne pomiary jego topografii stworzył obrazy planety z czasów, gdy – tak jak Ziemia – był ona planetą pełną płynnej wody. Gill poszedł w swoim fantazjowaniu o krok dalej. W swoim komputerowym modelu założył, że na Marsie – gdy była na nim woda – rosła bujna roślinność. I znowu z pomocą przyszła mu technologia cyfrowa. Posiłkując się danymi z Ziemi, marsjańskie drzewa i rośliny „posadził” tam, gdzie dostęp do wody i światła był najłatwiejszy. Autor symulacji wziął nawet pod uwagę wysokość nad poziomem marsjańskiego morza (w wysokich partiach gór roślin nie ma) oraz fakt, że najwyższa średnioroczna temperatura panuje na równiku, a najniższa na biegunach. Także od tego zależy wegetacja. Jeżeli jest woda, jeżeli jest atmosfera, muszą być także chmury. I one zostały naniesione na obraz Marsa z przeszłości. Jak więc wyglądał Mars kiedyś? Jak mógł wyglądać? Prawdę mówiąc prawie tak samo jak Ziemia. Trzeba się mocno przyglądać wirtualnemu obrazowi Marsa by zorientować się, że nie patrzy się na zrobione z orbity zdjęcie Ziemi. Wyżyny i niziny na Marsie występują w podobnych proporcjach co na Ziemi. Na stworzonych w komputerze obrazach widać wyraźnie najdłuższą dolinę w układzie słonecznym – Vallis Marineris – oraz szczyty ogromnych wulkanów Olympus Mons, Pavonis Mons, Ascraeusa Mons i Arsia Mons.

mars-water-2A może go dostosować?

Praca Gill’a nie może być uznana za w pełni naukową. Ale nie ma wątpliwości, że bardzo porusza wyobraźnię. Mars rzeczywiście mógł kiedyś wyglądać tak, jak „zaprojektował” go Kevin Gill. Jego praca w pewnym sensie pokazuje jednak nie tylko przeszłość (przy spełnieniu kilku warunków), ale może pokazywać także przyszłość. Być może w przyszłości ludzie skolonizują Czerwoną Planetę. Jej zaludnienie będzie niemożliwe jeżeli wcześniej planetę odpowiednio dostosujemy. Oczywiście można sobie wyobrazić budowę systemu szklarni w których ludzie, zwierzęta i rośliny będą żyły w równowadze podobnej do tej jaka panuje na Ziemi, ale jednak łatwiej chyba będzie taką równowagę stworzyć nie pod szklanym sufitem, tylko na powierzchni całej planety. Sprawa nie jest prosta i jest całkowicie poza zasięgiem naszych dzisiejszych możliwości, ale może warto zastanowić się nad czymś co niektórzy nazywają terraformowaniem obcych globów. Chodzi o takie ich „przerobienie” czy dostosowanie, by człowiek mógł na nich funkcjonować bez urządzeń technicznych takich jak sztuczna atmosfera w zamkniętej przestrzeni, kombinezony i maski. Jak Marsa przekształcić w Ziemię? Przede wszystkim trzeba na nim stworzyć atmosferę. To – przynajmniej teoretycznie – mogłyby zrobić żyjące na powierzchni gruntu bakterie. Trzeba je więc tam wysłać. Gdyby po setkach tysięcy lat atmosfera rzeczywiście na Marsie powstała, trzeba byłoby ją ogrzać. Wprowadzić do niej gazy cieplarniane tak, by energia słoneczna była na Czerwonej Planecie zatrzymywana. To spowodowałoby wzrost temperatury i „wypłynięcie” spod gruntu lub spłynięcie z biegunów ciekłej wody. Teraz pozostaje obsadzenie planety roślinami i gotowe. Proste prawda? 😉

PS. Woda, która dzisiaj płynie na Marsie jest słona. Prawdę mówiąc, znaleziono ją właśnie po śladach soli. Czy byłaby ona zdatna do picia? Gdyby ją oczyścić, jak najbardziej. Gdyby tego nie zrobić, gdyby spróbować wypić ją taką jaka wypływa ze zboczy, skończyłoby się… jeszcze większym pragnieniem. Spróbuj wypić szklankę mocno posolonej wody.

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.

 

 

1 komentarz do A co gdyby Mars zzieleniał?

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 !!!

Kryształ Wikingów działa !

W każdej legendzie jest trochę prawdy. Od lat naukowcy (i żeglarze) zastanawiali się jak Wikingom udawało się tak skutecznie nawigować w czasie rejsów po morzach północnych, po Atlantyku czy Morzu Śródziemnym. Nie mieli kompasu, mgły często zasłaniały niebo, a w miejscu w którym mieszkali, przez pół roku nie było nocy (więc nie mogli nawigować obserwując gwiazdy).
Legendom o słonecznym kamieniu, którym miał się posługiwać m. in. król Olaf nie dawano wiary. Kamień do nawigacji? Dajcie spokój.

Wikingowie byli w swoim czasie (od roku 900 do roku 1200) panami mórz i oceanów. Byli najdoskonalszymi żeglarzami na Ziemi. W średniowieczu swobodnie pływali nie tylko po morzach północy, ale także po Oceanie Atlantyckim czy po Morzu Śródziemnym. Setki lat przed Kolumbem dotarli też do Ameryki. Od lat naukowcy (i żeglarze) zastanawiali się jak Wikingom udawało się tak skutecznie nawigować w czasach, w których nie znali igły magnetycznej (kompasu). Legendom o słonecznym kamieniu, którym miał się posługiwać m. in. król Olaf nie dawano wiary. Kamień do nawigacji? Dajcie spokój.

Przepuszczą, albo nie

Zrozumienie zasad nawigacji ludów północy było tym trudniejsze, że Wikingowie – z racji miejsca w którym mieszkali, a więc Islandii czy wybrzeży dzisiejszej Szwecji i Norwegii – pływali głównie po morzach północy. To obszary o bardzo dużym zachmurzeniu, a to uniemożliwia astronawigację. Na dalekiej północy, przez pół roku nocy w ogóle nie ma. Często występują też mgły, a linia brzegowa, z powodu lodowców i gór lodowych często się zmienia. I jak w takich warunkach nawigować? Jak wyruszyć tak daleko i – co ważniejsze – wrócić do domu?

Pierwszą osobą, która legendy próbowała zweryfikować legendy był duński archeolog Thorkild Ramskou. Był rok 1967, a Ramskou twierdził, że „sólarsteinn”, czyli tzw. słoneczny kamień istniał naprawdę i był nim szpat islandzki (odmiana kalcytu), występujący powszechnie na Islandii (zajmowanej przez Wikingów). Co to takiego? Fale elekto-magnetyne, w tym światło, mogą być uporządkowane, albo chaotyczne. Źródłem światła uporządkowanego jest np. laser. Za to już zwykła żarówka daje światło, które składa się z fal nieuporządkowanych. Choć nasze oko nie wykrywa polaryzacji, nie widzi czy fala która w nie wpada jest spolaryzowana czy nie, oczy niektórych zwierząt są na to wrażliwe. Np. niektórych owadów. Ponadto w przyrodzie są materiały, które działają jak filtry, i falę „ustawioną” w jednym kierunku przepuszczają, a w innych kierunkach nie.

Jak to sobie wyobrazić?

Gdyby przywiązanym do drzewa (płotu,… czegokolwiek) sznurkiem machać w kierunku góra – dół, powstałaby na nim fala.  Można też sznurkiem machać lewo – prawo. Też mielibyśmy falę. W końcu, sznurkiem można machać raz góra – dół, a raz lewo – prawo. A teraz na drodze sznurka ustawmy w pionie dwie deseczki. Tak, żeby sznurek swobodnie przechodził pomiędzy nim. Deseczki zadziałają jak każdy materiał polaryzujący. Jeżeli są ustawione w pionie, „przepuszczą” tylko falę, która powstanie na sznurze w czasie machania góra – dół. Nie przepuszczą fali lewa – prawa. Identycznie działają niektóre kryształy gdy przepuścić przez nie światło. Przepuszczą tylko te fale, które są zgodne z polaryzacją danego kryształu. Może się też zdarzyć tak, że kryształ nie przepuści światła w ogóle. To bardzo widowiskowe, bo w zależności od położenia kryształu, raz jest on przezroczysty, a za chwilę czarny jak węgiel. Zdaniem – wracając do Wikingów – duńskiego archeologa, Thorkilda Ramskou, takich kryształów używali właśnie Wikingowie do nawigacji. Ciekawa koncepcja, ale gdy powstała, była rozważaniem czysto teoretycznym, nikt jej nie sprawdził.

To działa!

Zresztą kryształów które polaryzują światło jest więcej. Niektóre z nich, (m. in. turmaliny i kordieryty) występują w Skandynawii. Obracanie nimi pozwala stwierdzić z jakiego kierunku padają promienie słoneczne, czyli gdzie jest Słońce, nawet wtedy, gdy zasłania je chmura, albo gdy panuje gęsta mgła.

W 2005 roku naukowcy z Węgier i Szwecji (Gábor Horváth z Uniwersytetu Eötvös w Budapeszcie i Susanne Ĺkesson Lund University) wybrali się z polaryzującym kryształem w rejs lodołamaczem po Oceanie Arktycznym. Rejs trwał kilka dni, w czasie których wielokrotnie panowała pogoda uniemożliwiająca astronawigację. Badacze udowodnili, że niezależnie od pogody, dzięki kryształowi można wyznaczyć strony świata. A to wystarczy by skutecznie pływać po morzach i oceanach (trafiając zawsze tak gdzie chce się trafić). Cztery lata później w czasopiśmie Science opublikowano artykuł napisany przez uczonych z francuskiego Universite de Rennes 1, którzy skonstruowali pełny przyrząd którym mogli posługiwać się Wikingowie. Jego sercem jest właśnie kamień słoneczny czyli „sólarsteinn”. Z pomiarów (a nie szacunków!) jakich dokonali Francuzi wynika, że wyznaczona dzięki kryształom dokładność położenia Słońca może wynieść około 1 proc. Nawet wtedy, gdy Słońce znajduje się już za horyzontem (o ile nie jest jeszcze kompletnie ciemno).

Brak komentarzy do Kryształ Wikingów działa !

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