Nieskończoność

Pamiętacie jak opowiedziałem wam bajkę o Łysym? Wspaniała historia. Ucząca, bawiąca i w ogóle -jakby to powiedział z przekąsem sam Łysy- fantastyczna! No dobrze. Może była taka w mojej głowie. Może po przelaniu moich bawiących i uczących myśli na ciekłe kryształy monitora już wcale takie fajne nie są. Zapewniam jednak, że w głowie prowadzę przezabawne dialogi. W ogóle fizycy są śmieszni. Są tak zabawni, iż postanowili, że w ich żargonie Łysy będzie oznaczać Księżyc.

Bo chodzi o to, że... nauka potrafi wyjaśnić naprawdę dużo zjawisk jakie zachodzą na tym świecie. Wiemy, dlaczego jabłko spada w dół zamiast unosić się w górę (grawitacja), dlaczego surykatka nie ma żadnych szans w zderzeniu z pociągiem InterCity (zasada zachowania pędu) albo dlaczego Słońce świeci (fizyka jądrowa). W ogóle sensem fizyki jest odpowiedź na odwieczne pytanie "Dlaczego?". I myślę, że po przeczytaniu z uwagą kilku wpisów na moim blogu można zauważyć, że na ogół radzimy sobie z takimi pytaniami. Zapytajmy fizyka "DLACZEGO zegar poruszający się względem obserwatora chodzi wolniej" a z radością udzieli nam odpowiedzi. Będzie zadowolony, że mógł się przydać, że mógł nas czegoś nauczyć. Ale wystarczy w pytaniu do słowa "Dlaczego" dodać zaimek osobowy np "on" i fizyk dostaje szału. Naukowiec jest już dla nas bezużyteczny. Nie zna odpowiedzi na pytanie "dlaczego on?". Ten zaimek jest dla niego jak zero w mianowniku. Nie pasuje. Na takie pytania ŻADNA nauka ani religia nie zna odpowiedzi.

Łysy (dla jasności to określenie jest dla mnie naprawdę pieszczotliwe) zniknął z tego świata. Zależnie od tego kiedy to czytasz drogi czytelniku możesz albo spanikować albo wziąć mnie za wariata. Jeżeli czytasz podczas nowiu Księżyca, to pierwsze. Jeżeli podczas nienowiu uznasz mnie za wariata. Może inaczej w takim razie. Pan Łysy zniknął. Zostawił wszystko i wszystkich co są piękni na tym świecie. Ale zanim to zrobił wykonał kawał dobrej roboty. Pewnie niewielu będzie wiedziało o kogo mi chodzi. Wydaje mi się jednak, że świat powinien dowiedzieć się przynajmniej, że istniał ktoś taki. Ten ktoś na to zasłużył. Zapewniam.

 Myślę, że można porównać Łysego (czytaj: Księżyc) do Pana Łysego pod wieloma względami.

Otóż wpływ jaki ma Łysy na naszą planetę jest nie do przecenienia. Tak jak wpływ Pana Łysego na ludzi, z którymi żył.
Oddziaływanie jakie Łysy wywiera na oceany na Ziemi (przypływy, odpływy) sprawiło, że pojawiło się życie na lądzie. Chyba nie jest tajemnicą, że nikt się z beczki z kapustą nie wziął. No chyba, że głąb. Gdyby nie Pan Łysy (między innymi) nie powstałoby życie (też na lądzie w sumie) i to Życie nie sprawiłoby mi tyle radości.
Łysy swoją grawitacją stabilizuje też zmiany nachylenia osi obrotu Ziemi. Co zapobiega nagłym zmianom klimatu a zatem znów sprzyja rozwojowi życia na naszej planecie (nie ma za co ~ Łysy). Pan Łysy z pewnością też nierzadko stabilizował klimat wśród swoich najbliższych. Swoim poczuciem humoru, dystansem do siebie sprawiał, że "oś obrotu" jego najbliższych wracała do zdrowego i przyjemnego poziomu. Nocą, kiedy było ciemno i strasznie dodawał otuchy swoim światłem. I Pan Łysy zapewne tak jak Łysy krąży wokół pięknej błękitnej Ziemi tak i on krążył zapatrzony w swoją piękną "Ziemię" (podpowiedź: wiecie, że róże to zwykle w ziemi rosną?) I nigdy nie odwracał się do niej tyłem. Tak jak Łysy NIGDY nie obraca się inną stroną do Ziemi. Wypisz, wymaluj Łysy Panie Łysy!

Ja też w tej sytuacji stałem się bezużyteczny. Umiejętność logicznego wyjaśniania faktów to wszystko co mam. Jeżeli to nie działa to jestem nikim. Ale NIGDY się nie poddaję! Tak więc:
Nie wiem w co kto wierzy. Ja jak wiadomo jestem naukowym totalitarystą. I nie wierzę, że po śmierci wyrosną nam skrzydełka (albo rogi i ogon) i staniemy się niewidoczni dla kanarów w SKM-kach. Ok, to też jest pocieszające. Ale bardziej pocieszające wydaje mi się podejście czysto naukowe. Zasada zachowania energii. W PRZYRODZIE NIC NIE GINIE. Kilkadziesiąt lat Pan Łysy chodził (a może nawet częściej jeździł) jako... człowiek. Ale człowiek tak jak wszystko inne na tym świecie to taki ludzik lego zbudowany właśnie z klocków natury jakimi są atomy.

 Kiedy człowiek od nas odchodzi jego atomy przegrupowują się, NIE ZNIKAJĄ. Rozpraszają się po wszystkich możliwych kierunkach np za pomocą zjawiska dyfuzji. Atom, który kiedyś był w ciele Pana Łysego być może dotrze do korzenia rosnącej niedaleko róży dzięki czemu zajdzie w niej proces fotosyntezy i zakwitnie. Może jakieś zwierzątko ugryzie liść tej róży dzięki czemu nie umrze z głodu. Mało pocieszające? Za mała skala? Dobrze. Każdy znawca nauki wie, jak powstają ogromne piękne mgławice w kosmosie. Każdy też wie, że za kilka miliardów lat nasze Słońce zacznie się rozszerzać i pochłonie też Ziemię (ok to mało pocieszające ale to dopiero za kilka miliardów lat.) Jeżeli pochłonie Ziemię, pochłonie też atom, który kilka miliardów lat temu krążył po organizmie Pana Łysego. Tak, to ciągle będzie TEN SAM atom! Ten atom posłuży za paliwo jądrowe dzięki czemu Słońce ciągle będzie świecić. Życie Pana Łysego poniekąd trwa już kilka miliardów lat! Idźmy dalej. Na skutek praw fizyki Słońce po kolejnych milionach lat zamieni się w białego karła albo zostanie rozsadzone wraz ze swoją materią i zamieni się w piękną majestatycznie ogromną mgławicę - obłok pyłu i gazu. I gdzieś pośród tego pyłu krążyć będzie nadal TEN SAM atom który kiedyś mknął w łydce Pana Łysego gdzieś na wschodzie polski na rowerze razem ze swoimi przyjaciółmi i najbliższymi.
Co się dalej stanie z mgławicą? Jej gaz i pył pod wpływem grawitacji zaczną się zapadać i utworzą nową gwiazdę. Być może nowy układ planetarny, na którym być może zaistnieje nowe życie! Ciągle z krążącym gdzieś TYM SAMYM atomem, który niegdyś tkwił w Panu Łysym. To nie jest wiara. To jest nauka. Gotów jestem nawet przyznać, że prawda JEDYNA. Wszyscy będziemy żyć wiecznie. Dobrzy, źli, średni. Tyle, że dzięki fizyce a nie kręgowcowi w gazowym stanie skupienia.

Mgławica Orzeł

Mgławica w Orionie

Gdyby atom od Pana Łysego jakimś sposobem przedostał się do moich neuronów w mózgu i przyłapał mnie na myśleniu o nim to chciałbym tylko powiedzieć:
Żegnaj Przyjacielu! Naprawdę żałuję, że nie zdążyłem Cię lepiej poznać.

Zwijam interes. To ostatni wpis na tym blogu. Albo was czegoś nauczyłem albo nie. Jeżeli to pierwsze to nie traćcie swojej ciekawości światem. Jeżeli to drugie to nie traćcie swojej ciekawości światem.
To było kilka fajnych lat. Nauczyłem się nawet ortografii. Czymajcie się!
                                                         

                                                                                                                                                              W.P.

Klocki natury cz. 3

"No dobrze koleś. Pitolisz, pitolisz, ale nadal nie wiem jakim cudem cała ludzkość miałaby się zmieścić w objętości kostki cukru" - nie powiedział nigdy żaden mój czytelnik. 

Już tłumaczę. Tzn zaraz. Bo zakładam, że ktoś kto niechcący znajdzie tego bloga nie ma zielonego pojęcia jak jest zbudowany atom. 

Atomy są takimi klockami natury

Chwila! Nie o takie klocki mi chodziło! Miałem na myśli klocki LEGO! Wyobraź sobie że każdy atom to taki klocek lego. Z pewnością w dzieciństwie się nimi bawiłeś i zdajesz sobie sprawę jak wspaniałe rzeczy można z takich pojedynczych klocków zbudować. Z drugiej strony z pewnością też nie raz na takiego klocka nadepnąłeś i... (ok zaznaczam ponownie, że chodzi o wdepnięcie w klocka LEGO a nie w klocka... klocka) i bardzo bolało. Najgorzej jest kiedy nie posłuchasz się mamy i nie sprzątniesz ich przed snem. Rano wstajesz i bosą nogą... Największemu wrogowi bym tego nie życzył. To jedna z niewielu rzeczy jakich zazdroszczę dzieciom na wózkach inwalidzkich. Oni nie mają takich problemów.

Wracając do nauki: Łącząc na różne sposoby nasze klocki natury jakimi są atomy możemy stworzyć różę, szkło, surykatkę, batmobil albo nawet człowieka (choć do tego potrzeba jeszcze... +18). Na przykład aby zbudować z atomów wodę należy połączyć dwa "klocki" w kształcie atomu wodoru z jednym "klockiem" w kształcie atomu tlenu. 

Amerykański fizyk Richard F. zadał kiedyś pytanie: "gdyby jakiś kataklizm zniszczył całą naszą cywilizację to jakie stwierdzenie zawierałoby najwięcej informacji w najmniejszej liczbie słów?" Domyślasz się? Od razu powiem, że "za sałatą" to zła odpowiedź. Pan F nie miał wątpliwości, że prawidłowa odpowiedź to "wszystko zbudowane jest z atomów".

No i niby wszystko jasne. Udowodniono już przecież tak jak pisałem wcześniej m.in. za pomocą ruchów Brown'a, że atomy faktycznie istnieją. Ale jak wykazać, że atomy poszczególnych pierwiastków się od siebie różnią? "Klocek" wodoru nie wygląda tak samo jak "klocek" tlenu. Tak jak główka ludzika lego to nie to samo co jego nogi (choć często tak je łączyłem) mimo, że obie części to klocki. Trudność polega na tym, że atomy są bardzo małe. Jedynym sposobem na rozróżnienie atomów było znalezienie substancji, która byłaby zbudowana wyłącznie z atomów jednego rodzaju. To tak jakbyś szukał sztabki zbudowanej wyłącznie z zielonych klocków albo żółtych. Wtedy możesz stwierdzić, że klocek żółty różni się (kolorem w tym przypadku) od klocka zielonego mimo, że zielony i żółty są klockami. 

W 1789 roku francuski arystokrata Antoine L. sporządził listę substancji, które jogo zdaniem nie dało się rozłożyć na inne, prostsze. Dziś nazwalibyśmy te substancje pierwiastkami. Lista pana L. zawierała 23 "pierwiastki". Niektóre z nich okazały się później złożone, ale wiele elementów jak np złoto, rtęć, srebro, żelazo faktycznie były pierwiastkami. W ciągu 40 lat od śmierci L. lista pierwiastków poszerzyła się do około 50. L. jako ambitny naukowiec pewnie marzył o tym żeby "złapać je wszystkie" (wybaczcie gimbusy, ale uwielbiałem pokemony) było to jednak marzenie ściętej głowy. Pod gilotyną. W 1794 roku. Rewolucja francuska itd.

Dziś znamy 118 pierwiastków chemicznych. Od najlżejszego wodoru po najcięższy ununoctium. 

Czym różni się "klocek" wodoru od "klocka" tlenu? Aby się tego dowiedzieć należało zajrzeć w głąb tych "klocków", zbadać ich strukturę wewnętrzną. Nasze "klocki" natury są jednak tak małe, że zajrzenie do tego co mają w środku wydawało się niemożliwe. Ale jak mawiał pewien mądrala o nazwisku zaczynającym się na "E" zawsze znajdzie się jakiś debil, który nie wie, że czegoś się nie da i on właśnie dokonuje odkrycia. 

Zgadnij kotku co mam w środku

W tym przypadku tym... debilem był pan Ernest R. Tak, ten sam od tych słynnych słów: "nauka dzieli się na fizykę i zbieranie znaczków". Nowozelandzki fizyk aby zajrzeć do środka atomu postanowił wykorzystać... atom. 

Rok 1896. Henri Becquerel odkrył radioaktywność - zjawisko, które pozwoliło na zbadanie struktury atomów. W latach 1901-1903 Pan Ernest oraz angielski chemik Frederick S. stwierdzili, że radioaktywność wynika z faktu, iż ciężkie atomy jak np uran są niestabilne. Oznacza to, że posiadają jakąś nadwyżkową energię. Po pewnym czasie (nieraz jest to sekunda, w innym przypadku nawet miliony lat) taki atom pozbywa się tej nadwyżkowej energii, emitując jakąś cząstkę o dużej prędkości (w tym miejscu zazwyczaj spodziewam się pytań typu "co ma piernik do wiatraka?". Prócz tego, że i jeden i drugi mają tyle samo liter to w razie dalszych wątpliwości co do ostatniego zdania pytajcie w komentarzach. Wyjaśnię). Fizyk powie, że taki atom się rozpada lub ulega przemianie na inny, lżejszy atom. 

Jedną z takich cząstek, które są wyrzucane w celu pozbycia się energii z atomu jest tzw cząstka alfa. Ernest R. wraz z młodym niemieckim fizykiem Hansem G. (tak, tym samym, który wynalazł słynny licznik promieniowania) wykazali, że taka cząstka alfa jest po prostu jądrem atomu helu, drugiego po wodorze spośród najlżejszych pierwiastków. 

W 1903 roku Ernest zmierzył prędkość cząstek alfa. Wynik okazał się zaskakujący! 25 000 kilometrów na sekundę! 100 000 razy szybciej niż samolot pasażerski! Fizyk uświadomił sobie, że cząstka alfa może być świetnym pociskiem. Chciał wziąć na cel inne atomy aby sprawdzić co mają w środku. 

Pomysł był bardzo prosty. Jak rosyjska doktryna wojenna. Strzelamy i zobaczymy co się stanie.

Strzelamy cząstką alfa w atom. Jeżeli cząstka napotka na swej drodze coś twardego, odbije się i tor jej lotu ulegnie zmianie. Strzelamy następną. Powtarzając to doświadczenie wielokrotnie i obserwując zmiany kierunku lotu wielu tysięcy cząstek alfa, można odtworzyć szczegółowy obraz wewnętrznej budowy ostrzeliwanego atomu. Eksperyment Ernesta R. wykonali dwaj jego współpracownicy: wspomniany już Hans G, oraz młody nowozelandzki fizyk Ernest M. Użyli w tym celu niewielkiej próbki radu, która niczym mikroskopijny pokaz sztucznych ogni emitowała na wszystkie strony cząstki alfa. Próbka została umieszczona za ołowianym ekranem, w którym wycięty był niewielki otwór (teraz już wiecie dlaczego panowie pracujący przy reaktorach atomowych noszą ołowiane piżamki. To nie ma nic wspólnego z ich przywiązaniem do cnoty). Przez ten wycięty otwór wydostawał się wąski strumień cząstek alfa. Był to najmniejszy na świecie karabin maszynowy. Na linii ognia pan G. oraz M. umieścili wykonaną ze złota cienką folię. Grubość tej folii była tak dobrana, że wszystkie cząstki alfa z naszego mini karabinu przechodziły na wylot, lecz przynajmniej część z nich w trakcie przejścia przez folię napotykała na swej drodze atom złota. Wtedy cząstka alfa zmieniała swoją trajektorię. 

Eksperyment Ernesta R.

W owym czasie jedna z cząstek pochodząca z wnętrza atomu była już znana. Dzięki kolejnemu mądrali (którego nie lubię, zaraz powiem dlaczego) wiemy, że istnieje cząstka zwana elektronem. Elektron jest niezwykle lekki. 2000 razy lżejszy od atomu wodoru! Odkrywca elektronu sformułował pierwszą w historii naukową hipotezę dotyczącą budowy atomu. Wyobrażał sobie atom jako... ciasto z rodzynkami. Elektrony miały być odpowiednikami rodzynków tkwiących w jednorodnej, galaretowatej kuli dodatniego ładunku. Na prawdę! To była HIPOTEZA NAUKOWA! Ciasto. W dodatku z RODZYNKAMI!

 To przez niego dzisiaj zamiast zajadać się pysznym ciastem, poświęcam swoją uwagę głównie na wydłubywaniu tych ohydnych, pomarszczonych... gówienek. Do dziś zachodzę w głowę jakim cudem wszystkie gospodynie piekące ciasta ogarnęły fizykę atomową. Jakiś spisek czy co? Na końcu "wypieków siostry Anastazji" wydrukowany był dodatek "fizyka atomowa XIX wieku"?! Wybaczcie, ale temat rodzynków w cieście i w czymkolwiek innym zawsze prowokuje mnie do złości.

Pierwotny model atomu

I właśnie ten model atomu postanowili zweryfikować wspomnieni wcześniej panowie G. i M. (też chętnie postrzelałbym do tych głupich rodzynów). Spotkała ich jednak niespodzianka (podobno najczęściej wypowiadanymi po dokonaniu odkrycia przez naukowców słowami nie jest słynna "eureka!" tylko "hmm... to zabawne"). Otóż jedna na 8000 cząstek alfa emitowanych przez mini karabin odbijała się od złotej folii i wracała! Cząstka alfa jest ok 8000 razy cięższa od elektronu więc szansa na to, że się od niego odbije jest taka sama jak szansa, że rozpędzony pociąg wykolei się na skutek zderzenia z surykatką. 

Surykatka czekająca na zderzenie z pociągiem niczym jądro atomu złota czekające na kolizję z cząstką alfa

Rezultat tego eksperymentu był taki, że atomy nie są jednak tak miękkie jak sądził mądrala od ciasta z rodzynkami. Wewnątrz atomu ukrywało się coś co potrafi zatrzymać i zawrócić subatomowy pociąg ekspresowy. Tym czymś mogła być jedynie cząstka o dodatnim ładunku elektrycznym znajdująca się w samym środku atomu. Dlaczego powinna być dodatnia? Bo cząstka alfa też ma ładunek dodatni. A jak wiadomo ładunki jednoimienne się odpychają. Po drugie cząstka alfa jest też bardzo masywna więc skoro odbiła się od środka atomu to oznacza, że i ta cząstka w środku atomu jest też na tyle masywna aby stawić czoła cząstce alfa. 

Odkryto jądro atomowe! A model ciasta z głupimi rodzynami trafił do kosza!

W końcu odkryto też, że jądro atomowe składa się z dodatnio naładowanych protonów i neutralnych neutronów. W neutralnym atomie liczba protonów jest zawsze równa licznie elektronów. I w ten właśnie sposób rozróżniamy nasze "klocki natury"! "Klocek" o nazwie wodór ma 1 proton zaś "klocek" o nazwie uran ma ich 92.

Obraz atomu jaki wyłonił się z eksperymentu był zdecydowanie inny niż ten zaproponowany wyżej przez pana od ciasta z rodzynkami. Przypominał raczej miniaturowy Układ Słoneczny, w którym ujemnie naładowane elektrony są przyciągane przez dodatnio naładowane jądro. 

Jądro jest bardzo, bardzo małe (jądro atomu gwoli ścisłości. I nie. Nie mam kompleksów).  Jedną z najbardziej uderzających cech modelu atomu sformułowanego przez Ernesta R. jest to, że atom jest niemal całkowicie pusty!

Zaciśnij dłoń w pięść. Jeżeli twoja pięść jest taka duża jak jądro atomu, to atom jest tak duży jak stadion narodowy. A jeżeli tym atomem jest atom wodoru, to jego jedyny elektron błąka się jak mucha na tym stadionie. 

Mimo pozorów solidnej budowy świat materialny okazał się równie materialny jak duch. Materia czy to będzie krzesło, czy gwiazda, czy tchórzofretka składa się niemal wyłącznie z pustej przestrzeni. Prawie cała substancja atomu znajduje się w niezwykle małym jądrze. 100 000 razy mniejszym od całego atomu. Gdybyśmy całą tą pustą przestrzeń w jakiś cudowny sposób wypompowali to cała ludzkość mogłaby się zmieścić w objętości kostki cukru. No może jakiś hindus by się już nie załapał. Kit z nim. I tak jest ich jeszcze jeden i ćwierć miliarda. 

Klocki natury cz. 2

Ostatnio pisałem jak pośrednio udowadniano przez tysiąclecia istnienie atomów. To znaczy chwaliłem się, że wiem jak to wyglądało. Bo generalnie blogi do tego służą. Żeby się chwalić albo żalić. "O nie, moje życie jest do bani. Mama mnie nie kocha a tata tylko w nocy.", "moje życie jest jeszcze bardziej do bani, na dowód publikuję fotki moich pociętych rąk". "A moje życie jest cudowne. Coś wam opowiem. Wczoraj siedzę sobie na kanapie, oglądam debatę a tu dzwonek do drzwi. Otwieram a w drzwiach stoi sąsiadka w stroju sprzątaczki. Później ją zaliczyłem. 3 raz!". A ja? Ten biedny lamus, mol książkowy chwalę się... aaaa... tylko tym, że wiem jak działa wszechświat. Takie tam... mało interesujące blogowanie. I niby komu miałoby to zaimponować? Zaraz, o czym to ja... Aha!

Napisałem ostatnio, że atomy są tak małe, że nie możemy ich zobaczyć. Przypomniało mi się, że was bezczelnie okłamałem (nie wiem czemu piszę "was"). Każdy kto widział szalony taniec pyłków w ruchach browna nie powinien mieć wątpliwości, że świat zbudowany jest z malutkich cząstek. Oglądanie tańczących pod wpływem atomów pyłków to jednak nie to samo co oglądanie samych atomów. Prawda? Wolicie oglądać filmy na redtube czy koleżanki (bądź kolegów) pod sobą (bądź na)? Pomocne jest tutaj urządzenie o nazwie skaningowy mikroskop tunelowy. Mówię o pomocy w zobaczeniu atomów a nie wyrywaniu łań. W tym drugim przypadku pomocnym urządzeniem może być Ford Mustang.
STM (tak w skrócie nazywa się nasz mikroskop z ang. skanning tunneling microscope) nie działa tak jak wszystkie inne mikroskopy optyczne. Nie daje tak wielkich powiększeń, że można zobaczyć atomy. Opiera się jednak na równie prostym pomyśle. Oglądaliście Grey'a? Znam kogoś kto zna się na tym gatunku (ja znam się na pokrewnym, bardziej... ordynarnym gatunku) i ten ktoś uważa, że to straszna kupa. Ten Grey. Podobno Kross jest lepszy. O czym to ja... aha! Znacie te gierki typu zawiązywanie oczu podczas... no wiecie? Eine Kleine Bang Bang. Nie pytam czy znacie je z autopsji tylko... cholera! Miałem tłumaczyć jak działa STM. Tak to jest kiedy krew z mózgu spływa w dolne partie ciała. Konkretnie w jedną.
Więc wyobraźcie sobie, że macie zawiązane oczy. Więc nie możecie nic zobaczyć. Co robicie? Używacie rąk. Jak zbadać różne... kształty ludzkiego ciała bez używania oczy? Ano przesuwamy powoli, delikatnie dłoń (palec też styknie) po ciele drugiego człowieka i potrafimy dzięki temu powiedzieć jaki kształt ma np nos, biodro... pierś. Na tej samej zasadzie działa STM! Z tą różnicą, że rolę "palca" odgrywa cienka metalowa igła, przypominająca igłę staromodnego gramofonu. Przesuwając igłę po powierzchni badanego materiału i rejestrując pionowe ruchy igły można za pomocą komputera odtworzyć obraz atomowego terenu. Tak na prawdę igła nie dotyka powierzchni atomu w taki sposób jak palec dotyka mokrego, napiętego... ciała. W rzeczywistości igła jest elektrycznie naładowana. Gdy znajdzie się blisko przewodzącej powierzchni, między igłą a powierzchnią popłynie bardzo mały, ale mierzalny prąd elektryczny zwany prądem tunelowym. Jeżeli igła zbliża się do powierzchni natężenie prądu gwałt... ownie (przepraszam za grę słówek) rośnie. Jeżeli igła się oddali to natężenie prądu spada. W rezultacie natężenie prądu tunelowego stanowi bardzo czuły wskaźnik odległości między igłą a powierzchnią Można powiedzieć, że wyposaża on igłę w sztuczny zmysł dotyku.

A tak to ustrojstwo wygląda z zewnątrz

Zasada działania STM jest prosta, ale jego konstrukcja nie. Trzeba było zbudować igłę, której grubość na samym czubku była równa średnicy jednego atomu! A wiemy już, że jest to bardzo mały rozmiar. Komitet Noblowski oczywiście docenił to niesamowite urządzenie i nagrodził jego konstruktorów: Gerda Binninga i Heinricha Rohrera. Byli oni pierwszymi ludźmi, którzy "zobaczyli" atom. Atomy widziane przez ten mikroskop były jak maleńkie piłki albo jak pomarańcze ułożone równo, rzędami w skrzynkach na straganie. Były dokładnie takie jak maleńkie twarde cząstki materii jakie Demokryt zobaczył w swojej wyobraźni 2400 lat wcześniej. I niech mi teraz ktoś powie, że to mniej fascynujące niż "sex-przygody" blogerów.

Klocki natury

Pomysł ściśnięcia całej ludzkości do objętości kostki cukru wydaje ci się durny? A gdybym ci powiedział, że 99,9999999999999 procent objętości zwykłej materii to pusta przestrzeń? Gdyby istniał jakiś sposób wyssania tej pustej przestrzeni z atomów w naszych ciałach, cała ludzkość faktycznie mogłaby się zmieścić w objętości kostki cukru.

Jak mawiał jeden z najwspanialszych fizyków Richard Faynman, który grywał także na bębnach w klubach nocnych (taki z niego śmieszek) "tam na dole" jest naprawdę popieprzony świat. Mówiąc "tam na dole" Faynman miał na myśli dolną skalę wymiarów. Bo oprócz tego, że atomy są prawie puste to są w dodatku bardzo małe. Otóż dziesięć milionów atomów, ułożonych jeden obok drugiego, zmieściłoby się w średnicy kropki na końcu tego zdania. Skoro Atomy są tak małe to jak je odkryto?

To długa historia. Zaczęła się ok 440 roku p.n.e. Grecki rockowiec Demokryt wciągając przed swoim koncertem kokę dzielił ją swoją kartą kredytową na coraz mniejsze porcję, a że był już lekko wstawiony po kilku łychach miał w swojej nabuzowanej głowie bardzo głębokie myśli. Zastanawiał się mianowicie czy dzieląc porcję koki na na połowę może jedną połowę dzielić jeszcze raz na połowę i tak w nieskończoność. Ok. Żartowałem. Demokryt nie był żadnym rockowcem tylko filozofem, ale jedna z anegdot głosi, że zamiast księżycowego pyłu rozbijał garnki i zastanawiał się czy może je dzielić w nieskończoność na drobinki. Uznałem, że wersja z rockmenem lepiej zajdzie w pamięć.
Dla Demokryta było nie do pomyślenia, aby materię dało się dzielić w nieskończoność. Jego zdaniem prędzej czy później okaże się, że maleńkiej porcji materii nie da się podzielić już bardziej. Greckie słowo a-tomos znaczy niepodzielny. Dlatego nasz starożytny rockman nazwał swoje hipotetyczne cegiełki materii atomami. To była jednak tylko hipoteza. Tylko i aż bo trzeba przyznać, że nikt jeszcze nie przewidział z takim wyprzedzeniem teorii naukowej.

Newtona oświeciło po spadnięciu jabłka z drzewa a Demokryta po kilku kreskach.

Jak już wspominałem atomy są bardzo małe. Nie da się ich zobaczyć więc dowody ich istnienia były trudne do znalezienia. Osiemnastowieczny matematyk Daniel Bernoulli był autorem pierwszych pośrednich dowodów na istnienie atomów. Zakładał on (i słusznie), że duża liczba atomów może zachowywać się w taki sposób, że wywoła efekt możliwy do zaobserwowania ludzkimi zmysłami.
Bernoulli wyobrażał sobie gaz np powietrze lub parę wodną, jako zbiór miliardów miliardów atomów znajdujących się w nieustannym ruchu. Coś jak rój rozdrażnionych pszczół. I w ten sposób człowiek pojął na czym polega zjawisko ciśnienia.
Gdy atomy gazu zostają uwięzione np w balonie, bombardują jego ściany. Jeżeli zmniejszymy objętość balonu (zamkniętego) dwukrotnie, atomy gazu, które balon wypełniają będą pokonywać dwukrotnie mniejszą odległość między zderzeniami ze ścianami balonu. W takim razie będą się zderzać ze ściankami dwukrotnie częściej a zatem ciśnienie dwukrotnie wzrośnie. I tak dalej.

Kolejny dowód na istnienie atomów przedstawił Albert Einstein, który wyjaśnił zjawisko tzw ruchów Browna. Zjawisko to odkrył angielski botanik Robert Brown. Obserwował on ruchy zawiesiny pyłków widłaka w wodzie. W 1827 obserwując pyłki przez mikroskop Brown odkrył, że poruszają się one dziwnym, zygzakowatym ruchem. Jak to wyglądało? To tak jakby wrzuć mi do bokserek nadajnik GPS, dać mi grubą gotówkę i puścić do pubu. W trakcie mojego powrotu na ekranie nadajnik GPS zaznaczałby trajektorie podobne właśnie do ruchów Browna.

Jednak przyczyną szalonych ruchów zawieszonych w wodzie pyłków nie były procenty. To wina atomów.
Wyobraź sobie gigantyczną nadmuchiwaną gumową piłkę o rozmiarach większych od człowieka, popychaną na boisku przez dużą grupę graczy. Piłka to cząsteczki zawiesiny. Gracze to cząsteczki wody. Jeżeli każdy z graczy porusza się i uderza piłkę niezależnie od pozostałych (jak wczoraj gracze realu madryt w meczu z juventusem :D ) to w pewnym momencie po jednej stronie piłki znajdzie się więcej graczy niż po drugiej stronie. Taka chwilowa nierównowaga sił wystarczy aby spowodować zmianę kierunku ruchu piłki. W dłuższym czasie działanie wszystkich graczy powoduje, że piłka porusza się chaotycznym ruchem po całym boisku. Swoją drogą taki sport musiałby naprawdę śmiesznie wyglądać. Na podobnej zasadzie chaotyczny ruch pyłku jest spowodowany bombardowaniem przez molekuły wody, które również mogą w pewnym momencie znaleźć się po jednej stronie pyłku w większej ilości niż po przeciwnej.

I tak oto dowiedliśmy istnienia atomów. Później okazało się, ze Demokryt jednak nie do końca miał rację bo atomy można podzielić na jeszcze mniejsze części. Ale o tym w następnym wpisie.

PoPoLuPo

Ostatnio doznałem olśnienia. Epifanii wręcz! Nie, nie w kwestiach naukowych. Niestety bo za Nobla mógłbym nie pracować do końca życia. No chyba, że nasz kochany parlament jednak zdecyduje wprowadzić minimalną cenę alkoholu. Wtedy może mi trochę pod koniec 30-letniego życia zabraknąć drobnych na piwo. Umrę albo z odwodnienia albo zachoruję na marskość wątroby czy nie wiem co tam jeszcze mają alkoholicy. A tak. Doznałem olśnienia. I w sumie nie dość, że ostatnie wpisy były marne (rzekomo tylko, to nie jest moja opinia) to nie blogowałem od, jakby to powiedział laik, lat świetlnych. Rok świetlny to jednostka odległości, nie czasu idioci. No tak. Przypomniałem sobie i postanowiłem coś napisać. Przez cały dzień układałem sobie w głowie listę naukowych tematów i filmów porno, które chciałbym ściągnąć. 

Ciągle zdumiewa mnie fakt, że nauka jest o wiele dziwniejsza, bardziej zaskakująca niż dzieła literatury science fiction, pytania na egzaminie na prawo jazdy czy japońskie porno. Ktoś kiedyś powiedział, że ludzka wyobraźnia nie ma granic. Ale jakby się nad tym zastanowić to sam Wszechświat, który nie jest przecież wytworem ludzkiej wyobraźni jest o wiele bardziej niewiarygodny i niesamowity niż wszystko co jesteśmy sobie w stanie wyobrazić. Jeszcze bardziej niesamowity jest fakt, że tak niewiele z niezwykłych naukowych faktów zdołało się przebić do powszechnej świadomości. Uważacie, że jest inaczej? Że jednak sporo ludzi sporo wie o tym jak działa nasz świat? Ok.


Jedno z poniższych stwierdzeń jest prawdziwe:

Tak właściwie to gdzie jest Wally?

Gimby "mrówek" w telewizorze pewnie nie znają

Taki żart prowadzącego:
-Biegasz z rana?
-Tak, głównie po mieszkaniu krzycząc:
Kur*a! Zaspałem!

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

Żartowałem. Wszystkie są prawdziwe.

Niedługo powiem wam dlaczego.

Dziury wydrążone przez robaki cz.3

 Teraz z naszą kupą faktów wkraczamy w ostatni rozdział serii poświęconej czarnym dziurom. A w tej części powiemy sobie o... o czarnych dziurach! ( w zasadzie każda kupa faktów czy... odpadów dąży ostatecznie do czarnej dziury. Czy to tunelem czasoprzestrzennym czy jelitem grubym...)

Na pewno wielu z was, którzy czytali tego bloga zastanawia się skąd właściwie wiadomo że czarne dziury istnieją, jak można zobaczyć coś co zatrzymuje światło, coś co jest niewidoczne? (Jestem przekonany, że się zastanawialiście, tylko onieśmieleni moją zajefajnością wstydziliście się mi zadać to pytanie. Ok. Jest jeszcze możliwość, że po prostu macie mnie gdzieś).

Istnieją różne metody obserwacji czarnych dziur. Jak wiadomo czarna dziura ma tak potężną masę, że zatrzymuje swoją grawitacją nawet promienie świetlne. A w pobliżu tzw. horyzontu zdarzeń zakrzywia je. Gdybyśmy oglądali Słońce przez pryzmat tak ciężkiego ciała, obraz Gwiazdy Dziennej byłby bardzo zdeformowany. Czarna dziura na tle światła mogłaby wyglądać mniej więcej tak:

Mimo przyjęcia tezy o powszechności czarnych dziur we wszechświecie, astronomii wciąż doskwiera wstydliwy problem – nikt nigdy ich nie widział. No bo, jak dostrzec przedmiot z definicji nieemitujący żadnego promieniowania (no, prawie – ale o tym później)
Jako pierwszy sposób poszukiwań opracował Jakow Zeldowicz wraz ze swoim zdolnym studentem Igorem Nowikowem. Założyli oni, że nie trzeba widzieć samego horyzontu zdarzeń, a jedynie materię nań opadającą. Gaz i pył pod wpływem potężnego ciśnienia, panującego tuż nad krawędzią horyzontu, ulegają ściskowi, co powoduje wzrost temperatury do kilku milionów stopni i emisję promieniowania. Świecące w ten sposób skupisko materii w pobliżu czarnej dziury nosi nazwę dysku akrecyjnego. Zeldowicz i Nowikow słusznie zauważyli, że efekty te najłatwiej będzie zaobserwować przy układach dwóch krążących blisko siebie gwiazd. Gdy w miejscu jednej z nich powstanie czarna dziura, zacznie ona uprawiać kosmiczny kanibalizm, pochłaniając materię swojej towarzyszki. Najsłynniejszy jak dotąd przykład układu podwójnego gwiazdy z czarną dziurą zaobserwowano w gwiazdozbiorze Łabędzia. W Cygnusie X-1, jak został nazwany, niebieski nadolbrzym wykonuje taniec śmierci z obiektem o masie piętnastokrotnie większej od Słońca, emitującym ogromne ilości promieniowania w zakresie rentgenowskim.
Jeżeli często oglądaliście programy dokumentalne dotyczące kosmosu, to bardzo możliwe, że nie raz podziwialiście pracę prof. Andrei Ghez z popularnego hawajskiego obserwatorium Mauna Kea, bądź prof. Reinharda Genzela z Instytutu im. Maxa Plancka w Monachium. Obydwa zespoły od lat badają co gnieździ się w przysłoniętym obłokami pyłu i gazu środku naszej galaktyki. Dlaczego tam? Wystrzelony pod koniec ubiegłego wieku teleskop kosmiczny Chandra, działający w zakresie promieni rentgenowskich, zwrócił uwagę na znajdujące się w tym rejonie nadzwyczaj silne źródło radiacji, ochrzczone nazwą Sagittarius A*. Analogicznie jak w przypadku Cygnusa X-1 spodziewano się, że to sygnał emitowany przez dysk akrecyjny, ale krążący wokół znacznie masywniejszej dziury. Gdy po kilku latach udało się przedrzeć przez grube warstwy pyłu gwiezdnego, dojrzano grupę kilkunastu gwiazd poruszających się najbliżej centrum Drogi Mlecznej. Dzięki pomiarom kształtu orbit i prędkości poruszania się po nich, obliczono jaką masę musi posiadać ciało wokół którego krążą. Szczególnie interesująca zdawała się gwiazda S2, która krążąc po mocno eliptycznej orbicie potrafiła nagle przyśpieszyć do 5 tys. km/s; ciało większe od Słońca posuwało się z szybkością 15% prędkości światła! Rachunki dawały zatrważający wynik – gwiazdy środka galaktyki tańczą wokół jakiegoś małego obiektu o masie co najmniej 2,2 miliona Słońc. Nauka nie znajduje lepszej hipotezy, niż uznanie Sagittariusa A* za supermasywną czarną dziurę.

Ten taniec można zobaczyć tutaj. Mniej więcej od 12 minuty.

Ostatnio usłyszałem pytanie w związku z Wielkim Zderzaczem Hadronów. Czy rzeczywiście powstają tam czarne dziury i czy to nie jest lekkomyślne ze strony naukowców i czy nie doprowadzą oni do zniszczenia Ziemi.
Po pierwsze polecam stronę, na której można na bieżąco sprawdzić czy naukowcy z Wielkiego Zderzacza Hadronów zniszczyli już Ziemię.
http://hasthelargehadroncolliderdestroyedtheworldyet.com/
Administrator strony zapewnia, że aktualizuje stronę co minutę.

Czy wytworzenie czarnej dziury w warunkach laboratoryjnych jest możliwe?
Pierwsi teoretycy czarnych dziur skupiali się głównie na gwiazdach i nie ma w tym nic dziwnego. Tylko życiu gwiazd, i to tych największych, towarzyszą procesy umożliwiające naturalne zejście poniżej promienia Schwarzschilda. Ale czy, choćby na papierze, nie możemy założyć powstania czarnej dziury w wyniku zapadnięcia innego ciała? To istotne, bo naukowcy pragnący rozpocząć „produkcję” dziur, raczej nie będą dysponować podręcznymi gwiazdami.

Teoretycznie nie ma tu żadnych przeciwwskazań. Zasadniczo każdy obiekt może ulec zapadnięciu w samym sobie, jeżeli tylko przekroczy punkt krytyczny, a ten jest ściśle związany z masą – im mniejsza masa tym bardziej musimy zmiażdżyć ciało. W takim razie, czy niewielka w kosmicznej skali Ziemia może przekształcić się w czarną dziurę? Oczywiście – wystarczyłoby ścisnąć naszą planetę do rozmiarów piłeczki golfowej. A niesympatyczny sąsiad? Powinno się udać, jeżeli tylko znajdziemy sposób na zgniecenie całej materii jego ciała do rozmiaru jądra atomowego lub mniejszej. Kłopot polega jedynie na tym, że oddziaływanie grawitacyjne małych obiektów nie zainicjuje spontanicznego zapadania i konieczna byłaby pomoc z zewnątrz.

Takiej pomocy, naukowcy chcą udzielać pojedynczym cząstkom, dając początek bardzo, bardzo malutkim czarnym dziurom. Fizycy ciągle mają nadzieje, iż takie eksperymenty dojdą do skutku w Wielkim Zderzaczu Hadronów, po osiągnięciu przezeń mocy 14 TeV. Tak rozpędzone protony zderzyłyby się na tyle mocno aby zbliżyć się na odległość mniejszą niż promień Schwarzschilda. Niektórzy naukowcy pracujący w CERN, utrzymują że mikrodziury mogły już powstać, ale… detektory nie zdążyły ich zarejestrować!

Rekordzistki

Kiedy myślimy o zwyczajnej czarnej dziurze (o ile jakąkolwiek czarną dziurę można posądzić o bycie zwyczajną), mamy przed oczami obiekt bardzo masywny, ekstremalnie gęsty, ale raczej o niewielkich gabarytach. Jeżeli wyobrazimy sobie pozostałość po śmierci olbrzyma nawet dziesięciokrotnie masywniejszego niż nasze Słońce okaże się, że nie osiągnie ona średnicy większej niż… 200 kilometrów. W rzeczy samej, gdybyśmy mogli zgnieść naszą gwiazdkę do granicy Schwarzschilda – do czego w sposób naturalny na pewno nie dojdzie, bo jest za lekka – otrzymalibyśmy czarną dziurkę w rozmiarze XS, której obwód nie przekroczyłby 3-4 kilometrów. 

A co gdybym powiedział wam, że podróżując przez wszechświat można wpaść w dziurę o średnicy liczonej w miliardach kilometrów? Ujmę to tak: Ziemia to pyłek na tle tarczy słonecznej, z kolei potężne z naszej perspektywy Słońce to zaledwie żarząca iskierka w zestawieniu z monstrum zalegającym w centrum galaktyki NGC 1277. Gdyby go ustawić w centrum Układu Słonecznego, przykryłby go całkowicie, sięgając hen za orbitę Plutona. Nawet największej poznanej gwieździe, VY Canis Majoris pozostaje jedynie zarumienić się ze wstydu. To wraz z super-gęstością daje oszałamiający rezultat w postaci masy 17 miliardów mas Słońca. 

W przybliżeniu to tysięczna część masy całej Drogi Mlecznej – galaktyki zawierającej grubo ponad 200 miliardów gwiazd – zawarta w pojedynczym obiekcie. Żeby było ciekawiej, od razu zaznaczę, że to żaden rekord. Niemal co roku odkrywamy coraz cięższe czarne dziury, czego najlepszym przykładem jest grubas leżący w centrum NGC 4889 w gwiazdozbiorze Warkocza Bereniki. Jego masę szacujemy na mniej więcej 21 miliardów Słońc. 

Czymże zatem czarna dziura z NGC 1277 zasłużyła sobie na specjalne zainteresowanie astronomów i dlaczego zawracam nią wasze głowy? Otóż, zasadniczo rozmiary tych grawitacyjnych silników korelują z wielkościami napędzanych przez nie galaktyk. Przykładowo tłuściochy zasiadające na tronach przeciętnie dorodnych galaktyk, jak Droga Mleczna lub Andromeda, nie przekraczają masy 5 milionów Słońc. Nasz Sagittarius A*  stanowi więc ledwie zauważalny ułamek całej galaktyki o masie ponad biliona Słońc. W przypadku NGC 1277 mamy do czynienia z sytuacją kuriozalną, bowiem sama galaktyka prezentuje się co najmniej pięciokrotnie mizerniej od Drogi Mlecznej, a nosi w sobie potwora o masie 17 miliardów Słońc. Dysproporcja wydaje się porażająca: omawiana czarna dziura stanowi od 14% do 16% masy całej galaktyki!

I rozwiązanie naszego konkursu, w którym udział wzięli... nikt. ;)

Odpowiedź na naszą zagadkę dotyczącą tytułu trzech ostatnich postów brzmi:

W języku angielskim czarne dziury określa się terminem wormgholes co w tłumaczeniu na polski oznacza dziury wydrążone przez robaki.

 

Do następnego przeczytania!

Dziury wydrążone przez robaki cz. 2

W poprzednim odcinku wyjaśniliśmy sobie pokrótce czym są czarne dziury i jak powstają. W tym wpisie wyobrazimy sobie siebie w czarnej d... dziurze. Zapraszam na wycieczkę do osobliwości!

Jeśli obiekt mija czarną dziurę z daleka, tor jego ruchu może się zakrzywić w jej kierunku, ale on sam nie musi w nią wpaść. Jeśli ciało znajduje się odpowiednio blisko czarnej dziury, wówczas wpada w nią, poruszając się po spiralnym torze. Jak wiemy grawitacja czarnej dziury jest tak ogromna, że ten sam los spotyka nawet foton światła. Krytyczna odległość, która oddziela te dwa światy  (wewnątrz i na zewnątrz czarnej dziury) nazywa się horyzontem zdarzeń. Wszystko co wpadnie za horyzont zdarzeń - nawet światło - zostaje uwięzione w czarnej dziurze.

Wpadanie do czarnej dziury zostało określone jako "spaghettifikacja". Mówię serio. Jest to termin naukowy! Już tłumaczę skąd ta nazwa.
Gdyby patrzeć na zjawisko grawitacji jako na zakrzywienie czasoprzestrzeni pod wpływem masy (trampolina i kula - pamiętacie?) to wiemy, że masa czarnej dziury jest tak olbrzymia iż czasoprzestrzeń nie tylko się zakrzywia. Powstaje w niej studnia bez dna o stromych ścianach. I właśnie z powodu stromości tych ścian w czasoprzestrzeni wokół czarnej dziury istnieje bardzo duży gradient grawitacji. To znaczy, że siła grawitacji wraz ze zbliżaniem się do tej studni czasoprzestrzeni gwałtownie rośnie. Gdybyś wpadł do środka nogami do przodu, wtedy twoje nogi byłyby przyciągane o wiele bardziej niż np głowa. Bo ta znajdowałaby się dalej od horyzontu zdarzeń. A zatem twoje ciało zostałoby naciągnięte, jak przy użyciu maszyny do tortur. W pobliżu czarnej dziury bylibyśmy rozciągnięci jak guma do żucia w długą nitkę. Każdy jeden atom naszego ciała uległby najpierw wyciągnięciu w kierunku czarnej dziury a następnie rozerwaniu. Mało wesoła perspektywa.

Spaghettifikacja

Dla obserwatora z zewnątrz byłby widoczny jeszcze jeden efekt. Masa powoduje dylatację czasu. (Jeżeli temat dylatacji czasu itp nie jest ci znany zapraszam do mojego innego bloga poświęconemu właśnie takim efektom)(KLIK). Masa czarnej dziury jest olbrzymia więc w jej pobliżu czas się prawie zatrzymuje. Z zewnątrz wyglądałbyś więc jak byś był zamrożony. Twój czas stanąłby w miejscu (ale tylko dla obserwatora z zewnątrz). Dla ciebie zaś twój czas biegłby zwyczajnie, ale czas na zewnątrz drastycznie by przyspieszył. Można wręcz powiedzieć, że czarne dziury to machiny dzięki którym można podróżować w czasie. U ciebie minęłaby sekunda podczas gdy poza czarną dziurą minęłyby tysiące lat!

Czarne dziury choć są ciekawymi obiektami w kosmosie to jednak niezbyt nadają się do zwiedzania. Wchłaniają wszystko w swoim pobliży i na pewno nie jest to bezbolesne. Ktoś mógłby się oburzyć: Zaraz! A gdzie prawo zachowania energii?! Skoro czarna dziura wchłania materię to powinna zamienić ją albo na energię albo na inną materię!
Rzeczywiście. Fizyka nie dopuszcza sytuacji, w której informacja przepada na zawsze. I z pomocą przychodzi nam kolejny mądrala o nazwisku zaczynającym się na "H".
Do przeczytania w następnym odcinku!