Lewitująca kulka i grawitacja
10 wrzesień 2010
Spośród czterech znanych nam obecnie fundamentalnych sił przyrody (oddziaływanie słabe, elektromagnetyczne – oba połączone w teorii oddziaływań elektrosłabych, silne oraz grawitacyjne) ta ostatnia właśnie – grawitacja – jest na pewien sposób oddziaływaniem, które dla nas, ludzi, ma paradoksalną naturę. Z jednej strony bowiem jest to oddziaływanie, z którym każdy z nas ma do czynienia bezustannie, oddziaływanie, które jest wszechobecne i, szczerze mówiąc, „oczywiste”, z drugiej jednak niespodziewanie musimy skonstatować, że tak naprawdę najmniej wiemy właśnie o jego charakterze – weźmy choćby na tapetę zagadnienie „nośników” tej siły: podobno (ale tylko podobno!) są nimi grawitony, jednak ciągle nie mamy co do tego pewności i nie wiadomo również, kiedy coś tutaj się zmieni.
To jednak tylko jeden problemów związanych z tak by się zdawało „swojską” grawitacją. Pomijam już olbrzymie problemy związane z powiązaniem teorii grawitacji z mechaniką kwantową – to temat-rzeka zaprzątający od wielu wielu lat już głowy najtęższych umysłów naukowych, bez, jak dotąd sensownych efektów. Charakter grawitacji poznaliśmy dość dobrze w „dużych” skalach – rozumiem tutaj zarówno skale rzeczywiście „kosmiczne”, mieści się jednak pod tym pojęciem również świat o wiele nam bliższy, jak kiedyś podobno przekonał się sam Izaak Newton, kiedy to na jego nieszczęsną głowę upadło legendarne jabłko. Kiedy jednak zmierzamy w drugą stronę skali wielkości – ku coraz mniejszym rozmiarom – zaskakującym a jednak prawdziwym będzie stwierdzenie, że nie mamy pojęcia jak zachowuje się grawitacja w świecie, którego nawet najlepiej przysposobione sokoły nie dostrzegą.
Mówimy o świecie „mikro” i „nano”, czyli odległościach odpowiednio milionowych i miliardowych metra. Grawitacja w tak maleńkiej skali jest ciągle bardzo tajemniczym zjawiskiem, dla którego po prostu brakuje danych doświadczalnych – to znowuż prowadzi do zamieszania wśród fizyków, którzy proponują najróżniejsze teorie, zwalczające się nawzajem.
Ciekawy pomysł mający na celu zbadanie tego „nieodkrytego lądu” przedstawili niedawno naukowcy z amerykańskiego National Institute of Standards and Technology (NIST). Opisane przez nich teoretycznie (dlaczego teoretycznie, o tym za chwilę) doświadczenie pozwoliłoby zbadać efekty grawitacji z nieosiągalną nigdy dotąd precyzją w najmniejszych skalach – skalach takich, w których mogłyby się ujawnić jej egzotyczne zachowania, jeśli takie w ogóle występują.
Jedną z przyczyn słabego rozpoznania zagadnienia są niewątpliwie trudności natury technicznej – ogromnym wyzwaniem jest zbliżenie dwóch obiektów do siebie na tak niewielką odległość przy jednoczesnym precyzyjnym pomiarze ich względnych ruchów. Z tego względu sprytni Amerykanie wymyślili sposób, dzięki któremu problem ten można by w pewnym sensie ominąć – wyobraźmy sobie małą, szklaną kulkę (małą w sensie średnicy mierzonej w nanometrach, w tym przypadku mowa o ok. 300 nm), która zostałaby „zawieszona” w laserowym promieniu, pozwalającym na przemieszczanie się tej kulki wzdłuż tego promienia. Ponieważ tarcie związane z ruchem kulki byłoby niezwykle małe i w sumie pomijalne, kulka stałaby się jednocześnie bardzo ale to bardzo czuła na siły, które panoszyłyby się w jej otoczeniu, włącznie – i tutaj dochodzimy do sedna sprawy – z siłami grawitacji powiązanymi z „ciężkim” (oczywiście względnie, nie mówimy tu o stutonowym bloku stali) obiektem, przysuniętym do kulki na odległość niewielu nanometrów.
Mikroskopijna sztabka złota (bo ten materiał ze względu na jego gęstość proponują naukowcy) pozwoliłaby zbadać efekty grawitacyjne w przypadku obiektów oddalonych od siebie na odległość mniejszą niż 1 tysięczna grubości ludzkiego włosa. Niestety mimo przecież pozornie prostego opisu doświadczenie pociąga za sobą ogromne trudności techniczne – zanim technologia nam dostępna pozwoli na jego wykonanie może minąć parę ładnych lat. Podstawowym i najgroźniejszym złoczyńcą, który nie od dziś krzyżuje plany naukowcom w tej dziedzinie jest zjawisko, zwane tarciem.
Wszelkie ośrodki przyczyniają się do tego, że tarcie wpływa na zachowanie obiektów – o ile w przypadku czołgu tarcie powietrza w niewielkim stopniu spowalnia jego ruchy, o tyle w przypadku tak maleńkiej kulki jak opisałem to wcześniej nawet najmniejsze ilości gazu w komorze, w której realizowane będzie doświadczenie, mogą zafałszować wyniki. To samo dotyczy samego promienia laserowego, który musi mieć dokładnie określone właściwości, by nie wpływać nieoczekiwanie na ruch kuleczki.
A to nie wszystko – z pewnością istnieją jeszcze problemy „nieodkryte”, których naukowcy na tym teoretycznym etapie nie mogli przewidzieć a które pojawią się niespodziewanie w trakcie pierwszych podejść do zadania. Ważne jednak jest to, że pojawiła się całkiem ciekawa propozycja – mimo że droga do jej realizacji jest jeszcze dość wyboista i niewyraźna, to prędzej czy później musi się to udać, a wówczas, kto wie, dowiemy się może czegoś nowego o tak przecież „swojskiej” grawitacji.
Artykuł naukowców w Physical Review Letters opisujący doświadczenie
Źródła:
Link 1
Link 2
Grafika: Mocno schematyczne przedstawienie eksperymentu:) Opis elementów chyba zbędny?
Źródło grafiki
Credit: K. Talbott/NIST
Zimna fuzja w piwnicy
25 marzec 2009
Kiedy przecierając niedowierzająco oczy czytam wstęp mojego wpisu sprzed tygodnia, szczególnie biorąc pod uwagę szalone majaczenia o słonecznym dniu i pięknie wyglądającym otoczeniu, nie pozostaje mi nic innego, jak zasępić się potwornie i westchnąć ciężko rozmyślając nad złośliwością losu. Uciążliwe zdrapywanie lodowo-śniegowego płaszcza z szyb samochodu, dotkliwie zacinający wiatr przy mało wiosennych -5ºC oraz równie mało zabawna ślizgawka na drogach – wszystko to są całkiem świeże wspomnienia z dzisiejszego ranka, kiedy rozwierając szeroko zaspane oczy nie mogłem uwierzyć, że za oknem widzę to, co rzeczywiście widzę. Fascynują mnie krajobrazy polarne, tak, jak najbardziej, tutaj muszę się uderzyć w piersi, jednak niekoniecznie tam, gdzie sam mieszkam – zaprawdę wystarczy już powoli tego dobrego tej zimy.
Ale co tam – w końcu globalne ocieplenie postępuje ponoć w zastraszającym tempie, więc nie ma się czym przejmować, prędzej czy później i tak będzie wszystkim bardzo, bardzo gorąco, podobno nawet ponad normę. Wspominając o kroczącym niepowstrzymanie ociepleniu – zapalczywi “zieloni” upierają się od lat, że zmiany klimatyczne w przeważającej mierze zawdzięczamy nikomu innemu, jak sobie samym, w szczególności niepohamowanej emisji gazów cieplarnianych z buchających dymem kominów wszelkiej maści przemysłu. Jednym z najważniejszych źródeł takowych gazów są wredni producenci energii, ściślej mówiąc elektrownie napędzane paliwami kopalnymi, które kopcąc, smoląc i Bóg wie co jeszcze wydalają do atmosfery gigantyczne ilości dwutlenku węgla i innych brzydactw. I w ten oto sprytny i elegancki sposób dochodzimy do tematu tego wpisu – alternatywnego źródła energii, które, podobno, nawet działa, choć tylko – podobno.
Nieraz pisałem już o fuzji jądrowej, która od kilkudziesięciu już lat ciągle na nowo zapewnić ma naszym potomkom niemal nieograniczone, do tego czyste jak łza (choć to nie do końca prawda, ale to nie temat na dziś) źródło energii. Nie wiadomo jednak dokładnie czyim potomkom, bo z pokolenia na pokolenie realizacja tej wspaniałej wizji przesuwa się w czasie, obecnie nawet słyszałem opinię, że jak wszystko dobrze (naprawdę dobrze) pójdzie, pierwszy komercyjny reaktor termojądrowy będzie działał po 2050 roku. W reaktorach termojądrowych, w których kontrolowany i ciągły proces fuzji ma się rzecz jasna dokonywać, konieczne jest wytworzenie gigantycznych temperatur (do 100 milionów stopni C), gdyż dopiero w takich temperaturach fizyczne bariery zostają przełamane i jądra mogą się łączyć. Taka temperatura ta to ciężki orzech do zgryzienia zarówno dla naukowców, jak i konstruktorów – nie dość, że plazma (taki stan skupienia materii wymagany jest w procesie fuzji) o takiej temperaturze w jakimkolwiek kontakcie z materiałami ją otaczającymi oznacza spore kłopoty, to jeszcze samo stabilne utrzymanie takiej temperatury jest niezwykle trudne technicznie. Fuzja termojądrowa jednak, jak się okazuje, nie ma wyłącznego monopolu na bycie energetycznym nektarem ludzkości.
“Zimna fuzja” to pojęcie mocno kontrowersyjne, obarczone dość pejoratywnymi skojarzeniami. Równo 20 lat temu dwóch panów, niejaki Martin Fleischmann i niejaki Stanley Pons, narobiło sporo szumu w mediach wokół własnych, dotąd słabo znanych osób, ogłaszając, że udało im się dokonać po raz pierwszy tego cuda. Niestety, nikomu nie udało się powtórzyć dokonania obu tajemniczych panów, nie zabrakło jednak chętnych, którzy regularnie co jakiś czas z fanfarami głosili, że “zimna fuzja” jest faktem. Przez dwadzieścia lat takich bohaterów pojawiło się sporo, jednak problem pozostał – za każdym razem eksperyment w dziwny sposób nie dawał się powtórzyć, pozostając tylko jednorazowym wyczynem danych naukowców.
Zanim przejdziemy dalej do zaiste sensacyjnych wieści zapytajmy może najpierw, czym “zimna fuzja” w ogóle jest? Fuzja termojądrowa to, zasadniczo, proces, który bez przerwy ma miejsce w jądrach gwiazd, gdzie pod olbrzymim ciśnieniem i w wysokich temperaturach jądra atomów przełamują odpychanie, które w normalnych warunkach nie pozwala na ich zbliżenie, zlewają się w nowe jądro, emitując przy tym sporo energii. W gwiazdach co prawda temperatura konieczna do inicjacji wynosi “zaledwie” kilkanaście milionów stopni C, jednak tam miażdżące ciśnienie wspomaga proces – na Ziemi, gdzie osiągnąć takie ciśnienie byłoby problematyczne, musimy podgrzać materiał w dużo większym stopniu.
Fuzja termojądrowa ciągle nie spełnia pokładanej w niej nadziei, dlatego swego czasu pojawiły się inne wizje - fuzji jądrowej (z zasady działającej tak samo), jednak przebiegającej w temperaturze… pokojowej, albo przynajmniej do takiej zbliżonej. Nie pytajcie, jak to ma działać, w każdym razie pewnego pięknego dnia ktoś to sobie umyślił i tym samym od dwudziestu lat sporo osób kombinuje, jak do tego doprowadzić. Jak pisałem – mimo sensacyjnych wieści o udanej “zimnej fuzji” dotąd nikomu nie udało się przedstawić przekonujących dowodów. A jest o co grać – wyobraźcie sobie, że nie potrzeba więcej gigantycznych, skomplikowanych reaktorów (tokamaków czy stellaratorów), a energia powstaje ot tak, choćby i w naszej piwnicy.
“Zimna fuzja” – to brzmi fatalnie ze względu na oszukańcze czasem próby domorosłych fizyków, dlatego obecnie stosuje się neutralnie brzmiący skrótowiec “LENR” (low-energy nuclear reaction; niskoenergetyczne reakcje jądrowe), aby uniknąć brzydkich skojarzeń z wyklętym słowem. W minionym tygodniu w słonecznym (jak przypuszczam) San Diego w Kalifornii spotkały się najtęższe głowy amerykańskiego świata chemików na sympozjum Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego (ACS, American Chemical Society). I na tym właśnie sympozjum pani Pamela Mosier-Boss wraz z zespołem z Naval Warfare Systems Command (SPAWAR), placówki badawczej amerykańskiej marynarki wojennej, ogłosiła wszem i wobec, że po raz pierwszy jej zespół uzyskał niezbite dowody na to, iż LENR to rzeczywistość.
Niezbite dowody – brzmi mocno, choć nie do końca zgadza się to z prawdą. Mosier-Boss i koledzy wykonali eksperyment o przebiegu mocno zbliżonym do słynnego eksperymentu sprzed 20 lat: w miksturze stworzonej z chlorku palladu, chlorku litu i “ciężkiej wody” (D2O, woda składająca się głównie z tlenku deuteru) zanurzyli katody złotą i niklową, następnie przepuszczając przez swój wytwór prąd elektryczny. Aby móc wykazać, iż rzeczywiście proces LENR nastąpił, do roztworu wprowadzili również tworzywo sztuczne o tajemniczej nazwie CR-39, które miało służyć jako detektor energetycznych neutronów.
Detektor neutronów? Niełatwo generalnie jest wykazać, że fuzja miała w ogóle miejsce, dla naukowca czymś na kształt dowodu, iż do fuzji doszło, jest zarejestrowanie energetycznych neutronów właśnie, wydobywających się z miejsca reakcji. W tworzywie CR-39, jak ogłosiła Mosier-Boss, po kilku tygodniach pojawiły się maleńkie wgłębienia, trzy maciupkie “dołki” o głębokości 8 mikrometrów, których źródło wydaje się pochodzić z jednego punktu. Zdaniem rozemocjonowanej Mosier-Boss to właśnie ten dowód, na jaki świat czekał: neutron, powstający podczas fuzji dwóch atomów deuteru w siatce krystalicznej palladu na katodzie, jest, w opinii badaczki, “sprawcą” takich uszkodzeń. Voila?
Jaki mechanizm miałby być odpowiedzialny za samą fuzję, nikt nie wie. Podobno wytworzeniu neutronów towarzyszyły i inne zjawiska: promieniowanie rentgenowskie, wytworzenie trytu oraz nadmiarowego ciepła – wszystko to kojarzone jest z zimną fuzją. Problem jednak w tym, że mimo sporej dozy wiary w wyniki swej pracy pani Mosier-Boss nie może wykazać się ani ilościową analizą emisji neutronów (jeden? niewiele) ani też tak naprawdę z pewnością stwierdzić, że do LENR w ogóle w jej laboratorium doszło, równie dobrze za stwierdzone efekty mógłby być odpowiedzialny zupełnie inny proces.
Szum medialny, jak można było się spodziewać, powstał (chyba widziałem nawet artykuły na Onecie, ojoj), pewnie też o to chodziło głównie badaczce, która sama przyznaje, że fundusze ma niewielkie i przydałoby się więcej mamony na kontynuację badań. Większość pozostałych badaczy, mimo zainteresowania wynikami eksperymentu, nie kryje, że podchodzi do nich z dużą rezerwą, trzeba by w pierwszej kolejności najpierw zapewnić pełną powtarzalność eksperymentu i jego efektów, by mieć o czym rozmawiać. Osobiście uważam to za sporą ciekawostkę, którą jednak obecnie trudno traktować całkiem poważnie – zbyt wiele było już genialnych naukowców, którzy chcieli dopisać do swego życiorysu pierwsze w świecie dokonanie tego wyczynu. Trudno jednak zaprzeczyć, że zagadnienie ma ogromny potencjał i urok: wyobraźmy sobie miny decydentów finansujących niezwykle kosztowne reaktory termojądrowe, gdyby się okazało, że ich maszyny tak naprawdę są zbędne i fuzja może działać na biurku każdego z nas. No i pomyślcie: w piwnicy, jak kiedyś bimbrownicy, stawiacie parę szklanych naczyń i macie swój mały, prywatny reaktor fuzyjny – nieźle, prawda?
Źródła:
Link 1
Link 2
Link 3
Link 4
Link 5
Grafika: Może tym razem bez komentarza…
Źródło grafiki
Credit: http://balooscartoonblog.blogspot.com
Rozklejone nanomaszyny
11 styczeń 2009
Jeśli od dłuższego już czasu zastanawiacie się nad dobrą nazwą dla tworzonej przez was firmy, nie zapomnijcie o wstawieniu do niej członu “nano”, nawet jeśli będzie to zupełnie nieadekwatne do tego, czym przedsiębiorstwo miało by się zajmować. Podobnie jak miało to miejsce w przypadku tak do niedawna modnego pojęcia “Web 2.0″ w Internecie, nanotechnologia to pojęcie, które w inwestorach przy kasie wywołuje podwyższone ciśnienie i – wszystko jedno czy istnieją jakiekolwiek szanse na sukces przedsięwzięcia – zmusza ich do pakowania ogromnych funduszy w każdy interes, który nanotechnologią się ma parać.
Czym w ogóle jest nanotechnologia? Jak podpowiada sam przedrostek, jest to dziedzina techniki, która zajmuje się strukturami o mikroskopijnych rozmiarach, mierzonych w nanometrach (przy czym 1 nanometr to 10-9 metra, inaczej mówiąc jedna miliardowa metra). Sprowadza się to właściwie do manipulowania pojedynczymi atomami i cząsteczkami w celu wykorzystania ich do ściśle określonych zastosowań. Pomijając już istniejące i praktycznie stosowane rozwiązania w tej dziedzinie (jak choćby nanorurki i tym podobne świństwa), naukowcom jak i biznesmenom marzy się coś, co jak dotąd wydaje się jeszcze odległą pieśnią przyszłości – tworzenie maleńkich mechanizmów i maszyn, które w tej niewyobrażalnie małej skali mogłyby wykonywać najróżniejsze zadania (chociażby jako “roboty naprawcze” czy “posłańcy” dostarczające leki do ściśle określonych miejsc organizmu). Jednym z powodów, dla których rozwój nanotechnologii w tym kierunku napotyka wielkie problemy, jest tzw. efekt Casimira.
W 1946 roku niejaki Hendrik Casimir, holenderski fizyk teoretyk, analizując konsekwencje słabo wówczas jeszcze poznanej mechaniki kwantowej przewidział, że pomiędzy dwiema płytkami wykonanymi z przewodnika, które nie są naładowane elektrycznie, powinno pojawić się tajemnicze przyciąganie, zbliżające je do siebie, co ważne, nie mające nic wspólnego z przyciąganiem grawitacyjnym. Przyciąganie to ma bardzo egzotyczne pochodzenie, którego wolałbym tutaj zbytnio nie zgłębiać, bo mógłbym brzydko ugrząznąć – wystarczy powiedzieć, że tzw. cząstki wirtualne, powstające pomiędzy płytkami w wyniku fluktuacji kwantowomechanicznych, powodują, iż pojawia się się różnica ciśnień pomiędzy obszarem między płytkami a obszarem na zewnątrz, i ciśnienie to powoduje wspomniane przyciąganie. Brzmi dziwnie? Z pewnością, tylko w zasadzie co w przypadku mechaniki kwantowej nie brzmi dziwnie…
Casimir przyjął w swych rozważaniach, że mamy do czynienia z idealnie gładkimi, doskonale przewodzącymi płytkami, które do tego schłodzone są do temperatury zera absolutnego. W 1956 roku fizyk z ZSRR, Eugeniusz Lifszyc, uogólnił przewidywania Casimira na rzeczywiste materiały. Przy okazji przepowiedział jednak również, że poza siłą przyciągającą, przewidzianą przez Casimira, musi również istnieć siła skierowana przeciwnie, odpychająca, ale tylko w przypadku substancji o ściśle dobranych właściwościach dielektrycznych (czyli o odpowiednim przewodnictwie). Z tego względu, mówiąc o sile przyciągającej, mówimy o efekcie Casimira, natomiast kiedy rozmawiamy o sile odpychającej, stosuje się określenie efektu Casimira-Lifszyca.
Jaki to ma związek z nanotechnologią? Zarówno efekt Casimira jak i ten przewidziany przez Lifszyca to efekty, w których siły występujące są niezmiernie małe, do tego są zauważalne w przypadku struktur o wielkości maksymalnie 1 mikrometra (jednej milionowej metra). Z tego też względu aparatura pomiarowa, dostępna swego czasu obu naukowcom, nie pozwalała nawet na jego eksperymentalne potwierdzenie – efekt Casimira został tak naprawdę potwierdzony w eksperymencie zaledwie 12 lat temu w USA. Jednak zauważmy jedno – nanotechnologia, jak wspomniałem wcześniej, między innymi ma być technologią, która pozwoli nam na tworzenie nanometrowych maszyn, w których siłą rzeczy, jak to w maszynach, muszą istnieć również części ruchome. I tutaj pojawia się bardzo kłopotliwy związek pomiędzy efektem Casimira i nanotechnologią – maleńkie maszyny nie mogą działać, bo ze względu na siłę Casimira ich elementy zamiast pozostawać w ruchu, dosłownie “sklejają się” ze sobą. To jeden z największych problemów tej dziedziny techniki. Podobnie jak w przypadku miniaturyzacji komputerowej, istnieje pewna granica, której dotąd nie można pokonać – poniżej pewnej wielkości elementów takich nanomaszyn siła Casimira staje się decydująca i “psuje” konstrukcje naukowców.
No dobrze – może ktoś powiedzieć – mamy jednak dwie siły: przyciągającą i odpychającą, nie dałoby się tego jakoś wykorzystać? Otóż tak, i jest to spora szansa na przełom w nanotechnologii. Zupełnie niedawno bowiem po raz pierwszy w eksperymencie potwierdzono istnienie efektu Casimira-Lifszyca.
Naukowcy z Harvard University w Cambridge we współpracy z amerykańską instytucją National Institutes of Health (NIH) dokonali właśnie takiego wyczynu. Lifszyc przewidział, że siła odpychająca pojawić powinna się wtedy, gdy pomiędzy dwoma materiałami (o stałych dielektrycznych, nazwijmy je tak, A i B) pojawi się materiał trzeci o stałej dielektrycznej C i gdy, przykładowo, będzie istnieć taka zależność: A > C > B. Naukowcy dobrali więc materiały następująco: pomiędzy płytką kwarcową a plastikową kulką, pokrytą złotem, umieszczono warstwę pewnego płynu, bromobenzenu. Kuleczkę, wielkości zaledwie 40 mikrometrów, przymocowano do ramienia zmodyfikowanego mikroskopu sił atomowych, zbliżając ją ostrożnie do powierzchni płytki, mierząc wychylenie ramienia promieniem laserowym. Naukowcy wykluczyli wpływ sił elektrycznych czy też fluktuacji gęstości w bromobenzenie, poprzez powtarzanie pomiarów określili też dokładnie siłę hydrodynamiczną, z jaką bromobenzen oddziaływał na kuleczkę, by móc bez przeszkód obliczyć siłę efektu Casimira-Lifszyca.
I co się okazało? Rzeczywiście, kuleczka była wyraźnie odpychana przez płytkę, gdy zbliżono ją na odległość conajmniej 20 nm. W celach kontrolnych wykonywano również to samo doświadczenie stosując płytkę krzemową pokrytą złotem (a więc takim samym materiałem, jaki znalazł się na powierzchni kuleczki) – wówczas, zgodnie z przewidywaniami, przy odległości ok. 30 nm zaczynały się pojawiać siły przyciągające kuleczkę do płytki. Wyniki uzyskane przez naukowców były w pełni zgodne z przewidywaniami Lifszyca, gdyż siła odpychająca była, porównawszy ją z siłą efektu Casimira, znacznie słabsza.
Konsekwencje tego doświadczenia są trudne do przecenienia – dzięki umiejętnemu dobraniu materiałów można będzie tworzyć “nanomaszyny”, w przypadku których niektóre elementy mogłyby “lewitować” nad innymi, unikając z nimi całkowicie bezpośredniego kontaktu, tym samym unikając nieszczęsnego “sklejania”. Poza lewitacją można sobie wyobrazić również elementy, pomiędzy którymi tarcie sprowadzone zostaje do ekstremalnie niskiego poziomu. Czyżby stała przed nami otworem “epoka nanomaszyn”, buszujących niezauważalnie w naszych organizmach?
Praca naukowców:
J. N. Munday, Federico Capasso & V. Adrian Parsegian, Measured long-range repulsive Casimir–Lifshitz forces. Nature 457, 170 (2009)
Grafika: Efekt Casimira pomiędzy dwiema płytkami
Źródło grafiki
Credit: Emok / Wikipedia.org
Źródła tekstu:
Link 1
Link 2
Link 3
Miliard zderzeń na sekundę
9 lipiec 2008
ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) to największy zbudowany w historii detektor (o rodzajach można poczytać w tej prezentacji) cząstek elementarnych, który powstał przy Wielkim Zderzaczu Hadronów (Large Hadron Collider, LHC) w Europejskim Ośrodku Badań Jądrowych CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) w szwajcarskiej Genewie. Do uruchomienia całego akceleratora zostało już coraz mniej czasu, warto więc może – zanim świat, zdaniem niektórych, zniknie w mikroskopijnej czarnej dziurze – przyjrzeć się detektorowi i poznać kilka faktów o jego zaiste imponujących”bebechach”.
ATLAS (oraz CMS) to dwa z sześciu detektorów LHC, które są jednoczneśnie najważniejszymi i najbardziej uniwersalnymi, czyli nie koncentrują się na rejestracji wybranych cząstek a mają za zadanie rejestrować ich jak najwięcej i różnego sortu. Olbrzymie urządzenie, długości 46 metrów, o wysokości 26 metrów oraz wadze 7 tysięcy ton (a więc równie ciężkie jak na przykład Wieża Eiffla i wielkości połowy katedry Notre Dame w Paryżu) powstało po 15 latach jego projektowania i budowy, w szeroko zakrojonej współpracy 2200 fizyków ze 170 uniwersytetów i instytutów badawczych z 37 krajów. Na głębokości ok. 100 metrów pod ziemią za mniej więcej 350 mln Euro stworzono zupełnie nową jakość detektora – by zoptymalizować jego działanie potrzebnej było wiele pracy rozwojowej i badawczej, częściowo we współpracy z przemysłem, by z 1 miliarda zderzeń protonu z protonem, do jakiego dochodzić będzie w każdej sekundzie pracy LHC, wyselekcjonować garstkę naprawdę ciekawych zdarzeń.
Jak każdy detektor cząstek ATLAS będzie mierzył charakterystyczne wielkości cząstek, które powstaną w trakcie zderzeń protonów. W tym celu urządzenie podzielone zostało na trzy główne części – detektor wewnętrzny, kalorymetr oraz spektrometr mionowy, nie wspominając o kompleksowym systemie selekcji i rejestracji danych. Pokrótce chciałbym teraz opisać każdy z tych układów.
Schemat detektora ATLAS. Warto zauważyć, że u dołu maszyny (na zielono i szaro) dodano dla wyobrażenia sobie skali dwie postacie ludzkie
Źródło grafiki
Credit: CERN
- Detektor wewnętrzny
Jest to centralna część detektora ATLAS, która ma za zadanie mierzyć trasy naładowanych elektrycznie cząstek w polu magnetycznym. W uproszczeniu zasada działania urządzenia jest prosta – przy znanych parametrach pola magnetycznego można oceniając zakrzywienie ścieżki cząstki ocenić jej energię, ponadto można określić, gdzie ta ścieżka miała swój początek. W polu magentycznym o indukcji 2 Tesli, wytwarzanym przez nadprzewodzący magnes solenoidowy o kształcie cylindra (1,15 metra średnicy i długości 7 metrów), w centralnym, najbliższym zderzeniom obszarze, znajdują się półprzewodnikowe elementy detektora. Składają się one z ok. 80 milionów malutkich, kwadratowych “pikseli”, ułożonych w krzemowych czipach. “Piksele” te pozwalają mierzyć ścieżki cząstek z dokładnością ok. 14 mikrometrów, trochę mniejszą dokładność (20 mikrometrów) ma kolejna warstwa krzemowa o większej rozdzielczości, gdzie kanały rejestrujące liczone są w milionach. Dalej od centrum znajduje się detektor promieniowania przejścia, składający się z kilkuset tysięcy cienkich, wypełnionych ksenonem rurek. Naładowana cząstka, przechodząc przez rurkę jonizuje gaz i tym samym indukuje sygnały elektryczne, które pozwalają określić współrzędne cząstki z dokładnością równą 150 mikrometrów. Nie koniec na tym – rurki te tkwią w specjalnej piance z polietylenu, w której to elektrony wytwarzają promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie rentgenowskim (promieniowanie przejścia), absorbowane z kolei w gazie ksenonowym.
- Kalorymetr
Kalorymetr (z definicji przyrząd do pomiaru ciepła pobieranego lub wydzielanego w trakcie procesów chemicznych i fizycznych) w przypadku LHC stworzony został do pomiaru energii cząstek naładowanych elektrycznie oraz obojętnych, powstałych w trakcie kolizji. Otacza on detektor wewnętrzny i składa się z dwóch rodzajów kalorymetru – elektromagnetycznego i hadronowego. Zasada działania w uproszczeniu jest następująca: kalorymetr składa się z naprzemiennie ułożonych warstw, absorbującej i o dużej gęstości (ołów lub żelazo) i detekcyjnej (ciekły argon lub plastikowe scyntylatory). Cząstka powstała podczas kolizji w akceleratorze oddziaływuje z materiałem absorbującym i przekazuje całą swą energię w kalorymetrze, inaczej mówiąc energia ta jest całkowicie pochłaniana. Następnie przenoszona jest na cząstki “drugorzędne”, które powstają w wyniku różnych procesów, takich jak wypromieniowanie fotonu przez elektron lub powstanie pary elektron-pozyton z fotonu. Niezależnie od procesu cała energia cząstki “pierwotnej” zamienia się w “deszcz” wielu cząstek o niższej energii, te natomiast poprzez jonizację i pobudzenie w częsci detekcyjnej dają nam wymierny sygnał, proporcjonalny do pierwotnej energii cząstki z kolizji.
Kalorymetr elektromagnetyczny absorbuje i mierzy energie elektronów i fotonów. Składa się z grubych na 1,9 mm powłok ołowianych z pokryciem ze stali szlachetnej, pomiędzy którymi znajduje się ciekły argon. Ponieważ powłoki ułożone są w nowatorski sposób (geometria podobna do akordeonu) wyniki powinne być wymierne niezależnie od kierunku, z którego przybędzie dana cząstka. Każda z “komórek” kalorymetru ma osobno rejestrowany sygnał, komórek natomiast jest… 190 tysięcy.
Kalorymetr hadronowy działa w taki sam sposób, jedynie składa się z odmiennych materiałów, tzn. warstwa pochłaniająca jest żelazowa a warstwa detekcyjna to plastikowe scyntylatory.
- Spektrometr mionowy
Miony to nietrwałe cząstki elementarne o bardzo słabym oddziaływaniu z materią (wykrywa się je w promieniowaniu kosmicznym setki metrów pod ziemią). To jedyne cząstki naładowane elektrycznie, które “uciekają” z kalorymetru, dlatego by je rejestrować za kalorymetrami – spoglądając od środka detektora – znajduje się właśnie spektrometr mionowy. Zastosowano w tym celu bardzo duży system toroidalnych magnesów – w centralnym obszarze ATLASa osiem nadprzewodzących cewek magnetycznych wytwarza pole magnetyczne o wielkiej objętości, w systemie znajduje się nadprzewodzący kabel o sumarycznej długości 70 km i nominalnym prądzie… 20.000 A (amper). Spektrometr to w zasadzie długie rurki wypełnione gazem, pod ciśnieniem, a rejestracja mionów polega również na zjawisku jonizacji zawartego w rurkach gazu.
Na koniec warto wspomnieć o systemie selekcji i rejestracji danych, bo robi on wielkie wrażenie. By z miliarda “zdarzeń” na sekundę wybrać te naprawdę interesujące, w detektorze postawiono na wielostopniowy system selekcji. Pierwszy jego stopień (“Trigger Level 1″) to wyspecjalizowane procesory, które w ciągu zaledwie 2 mikrosekund oceniają na podstawie analizy ok. 40 milionów wybranych zdarzeń, czy spełnione są odpowiednie kryteria i przekazują w takim przypadku je dalej do poziomu drugiego (przeciętnie z 40 mln zdarzeń zostaje ok. 75 tysięcy). Poziom 2 (“Trigger Level 2″) to układ programowalnych procesorów, które znacznie dokładniej i z większą rozdzielczością oceniają wybrane przez poziom 3 zdarzenia. Praca tego układu daje w efekcie mniej niż 1000 zdarzeń (na sekundę! nie zapominajmy o tym…), które przekazywane są kolejny raz do poziomu trzeciego – “filtra zdarzeń”. Filtr ten to wielka ferma procesorów, która wykonuje pełną rekonstrukcję i analizę zdarzeń. Kiedy spełnione zostają kolejne wymagania, dopiero wtedy dane są archiwizowane w celu późniejszej dokładnej analizy. Z miliarda zdarzeń na sekundę zostaje ich na koniec procesu selekcji ok. 200.
Wszystko to robi ogromne wrażenie, kiedy uświadomimy sobie, że ATLAS to przecież tylko ważna, ale jednak, część całego Zderzacza. Dla jednych LHC jest czymś fascynującym, prawdziwą demonstracją tego, do czego zdolna jest ludzkość współpracując, dla drugich to maszyna zagłady, która nie dość, że pożarła niewyobrażalne fundusze, to doprowadzi niechybnie do końca świata. Nietrudno się domyśleć, że znajduję się w grupie tych pierwszych – niezwykłe jest wyobrażenie, że do badania zderzeń niewyobrażalnie małych protonów tworzy się tak potężne urządzenia, i jakże fascynujące są perspektywy, które dzięki tym badaniom się przed nami otwierają – perspektywy wielkiej naukowej rewolucji, przewracającej być może nasze rozumienie świata fizyki do góry nogami.
Z wyciągniętymi przed siebie ramionami
10 maj 2008
Od ponad czterech lat po powierzchni naszego planetarnego sąsiada, piaszczystego Marsa, podróżują sobie beztrosko dwa amerykańskie łaziki, wysłane tam w ramach misji “Mars Exploration Rover” (MER) w połowie 2003 roku. Pojazdy te przekazały wiele fascynujących informacji geologicznych o Czerwonej Planecie na Ziemię, trzeba również pamiętać, że wielokrotnie już przekroczyły planowany pierwotnie czas pracy – oba łaziki, nazwane odpowiednio “Spirit” (lub, jeśli ktoś woli, MER-A) i “Opportunity” (odpowiednio MER-B) w założeniu miały pracować zaledwie trzy miesiące i pokonać trasę jednego kilometra po marsjańskim podłożu: okazało się, że funkcjonują na tyle sprawnie, iż mają za sobą już całe 11 kilometrów podróży i niedawno weszły w piąty rok użytkowania.
Jednak starość nie radość – odnosi się to nie tylko do nas, ludzi, ale także i do bezdusznych pojazdów na odległych planetach. Dwa tygodnie temu jeden z łazików, “Opportunity”, stał się przyczyną poważnego zmartwienia dla kierujących misją naukowców. Na swej aktualnej trasie na dno krateru Victoria łazik ma przed sobą jeszcze spory kawałek drogi, do tego względnie trudnej do przebycia. Kontrolerzy misji obawiają się, że łazik nie da rady dojechać na samo dno i prędzej chyba jednak wyzionie ducha.
15 kwietnia 2008 roku “Opportunity” po raz pierwszy, z nieznanych jeszcze powodów, odmówił współpracy, nie chcąc w ogóle schować swego ramienia. Ramię sondy to przyrząd długości ok. 90 cm, skonstruowany podobnie jak ludzkie ramię, posiada więc stawy odpowiadające w swej funkcji ludzkiemu barkowi, łokciowi i nadgarstkom. Ramię ma spore znaczenie dla działania sondy, kłopoty z nim stawiają więc pod znakiem zapytania sens dalszego prowadzenia misji. Od kilku lat już wiadomo było, że z ramieniem “Opportunity” dzieje się coś niedobrego, bowiem silnik napędzający przyrząd podejrzanie się jąkał, chrumkał i generalnie nie wyrabiał pod względem wydajności. Trudność pokonano wtedy w ten sposób, że zwiększono wartość zasilania silnika, uniemożliwiając mu całkowite odejście w zaświaty. Jednak o ile rozwiązanie to spełniało swój cel przez jakiś czas, tym razem naukowcy nie mają pojęcia jak sondzie dogodzić i nakłonić jej łapę do współpracy.
Marsjańskie noce są bardzo zimne – dlatego naukowcy zawsze, po zakończeniu prac w ciągu dnia marsjańskiego przed zachodem Słońca wysuwali ramię, by broń Boże nie zamarzło w swoim uchwycie i rankiem nie było już nie do odratowania. Problem jednak w tym, że wspomnianego 15 kwietnia silnik ramienia przestał odpowiadać na jakiekolwiek rozkazy i obecnie sonda przemieszcza się z wyciągniętą (przed siebie?) prawicą/lewicą. Nie dość tego – kilka dni temu znużony staruszek wpakował się do jakiejś dziury i zakopał się przednimi kołami w piachu, tylko dzięki ekwilibrystyce operatorów misji udało się z wolna, centymetr po centymetrze, wycofać pojazd z niebezpiecznej pozycji. Dlatego też naukowcy testują obecnie znaną skądinąd z innego kontekstu technikę przemieszczania się, określaną jako “trzy kroki do przodu, dwa do tyłu”.
Istnieje obawa, że łazik przemieszczający się z wysuniętym stale ramieniem może nie przetrzymać podróży do swego celu – ramię podlegać będzie podczas tego wojażu obciążeniom, które zdaniem naukowcom mogą być ponad jego siły. Miejmy nadzieję, że staruszek “Opportunity” jednak pozbędzie się maszynowego skurczu i uda mu się schować rękę, mówiąc obrazowo, do kieszeni.
