Delta mi!

Ile materii da się upchnąć w bardzo małej przestrzeni, porównywalnej rozmiarami z atomem (rzędu ) czy jądrem atomowym (rzędu )? Wiadomo, że gdy się z tym upychaniem przesadzi, otrzymuje się czarną dziurę. Taka o rozmiarach atomowych ważyłaby kilkaset bilionów kilogramów, o rozmiarach jądrowych - coś koło miliarda kilogramów.

Kiedy internetowy tabloid krzyczy o dziesięciu największych w dziejach świata awariach garderoby osób znanych, nie ma na ogół wątpliwości, że to niepoważna zabawa. Co jednak sądzić, gdy na ponumerowanej skali ustawia się instytucje naukowe prowadzące badania w określonej dyscyplinie?

Czterdzieści osiem anten radiowych spogląda na powierzchnię Antarktydy z gondoli balonu stratosferycznego lecącego na wysokości 37 kilometrów nad powierzchnią Ziemi. Mogą one wychwycić fale radiowe wytworzone podczas oddziaływań wysokoenergetycznych neutrin z antarktycznym lodem. Uważa się, że takie neutrina o energiach eksaelektronowoltów mogą być rezultatem oddziaływania cząstek promieniowania kosmicznego o bardzo wysokich energiach z fotonami mikrofalowego promieniowania tła...

Nie wiemy, z czego składa się Wszechświat. W powszechnie przyjmowanym modelu kosmologicznym prawie 70% gęstości energii Wszechświata przypisywane jest ciemnej energii, o której można powiedzieć w zasadzie tylko tyle, że ma ujemne ciśnienie powodujące przyspieszone rozszerzanie się Wszechświata. Praktycznie cała reszta energii Wszechświata związana jest z istnieniem materii: "zwykłej" materii barionowej, z której zbudowane są atomy, a więc świat, jaki znamy, oraz ciemnej materii, której grawitacyjne przyciąganie wpływa na ruchy gwiazd w galaktykach, ruchy galaktyk w gromadach galaktyk, formowanie się galaktyk oraz oscylacje materii przed rekombinacją, dziś widoczne jako niejednorodności w mikrofalowym promieniowaniu tła.

W lutym rząd Japonii podjął decyzję o finansowaniu projektu Hyper-Kamiokande. Ten olbrzymi detektor neutrin jest następcą Super-Kamiokande, który pozwolił na zbadanie oscylacji neutrin i wyznaczenie parametrów opisujących neutrina - różnice kwadratów ich mas oraz prawdopodobieństwa, z jakimi neutrina oddziałują z innymi znanymi cząstkami. Nowy projekt pozwoli znacznie zwiększyć dokładność, z jaką znamy te parametry, oraz, być może, wskaże różnice między oddziaływaniami neutrin i antyneutrin.

Jądra atomowe składają się z protonów i neutronów, określanych zbiorczo mianem nukleonów. Nukleony wyobrażamy sobie zazwyczaj jako cząstki złożone z trzech kwarków, utrzymywanych razem przez oddziaływania silne. W odróżnieniu od oddziaływań elektromagnetycznych, w oddziaływaniach silnych mamy do czynienia nie z jednym, ale z trzema ładunkami. Fizycy nazywają te ładunki ładunkami kolorowymi, posuwając się niekiedy do nazywania ich określonymi kolorami: czerwonym, zielonym i niebieskim. Nie mają one, rzecz jasna, nic wspólnego z jakimkolwiek zmysłowym postrzeganiem barw i stanowią zaledwie metaforę dla pewnych struktur matematycznych.

Nie. Ale odpowiedź na tytułowe pytanie to kawałek ciekawej nauki...

Z pozoru niewinne, zawarte w tytule pytanie od kilku lat wywołuje gorące spory w środowisku kosmologów. Okazuje się bowiem, że aktualna dziś odpowiedź na nie brzmi: zależy, jak mierzyć.

Kiedy wysokoenergetyczna cząstka przechodząca przez gęsty ośrodek dielektryczny zderzy się z którąś z cząstek budujących ten ośrodek, może powstawać wiele nowych cząstek, m.in. fotonów, elektronów i pozytonów, które tworzą swoistą kaskadę cząstek. Taka kaskada może mieć kilka centymetrów długości i jest stosunkowo szybka, gdyż tworzące ją cząstki niejednokrotnie poruszają się z prędkościami przewyższającymi prędkość światła w tym ośrodku...

Kiedy fizycy teoretycy obliczają prawdopodobieństwo oddziaływania cząstek, mogą zamiast cząstki znikającej podczas tego oddziaływania rozważać pojawiającą się antycząstkę o energii i składowych pędu przeciwnego znaku niż odpowiednie wielkości opisujące znikającą cząstkę - wynik wyjdzie ten sam.

Każdy może przeprowadzić w domu następujące doświadczenie. Dowolnej wielkości piłkę kładziemy pod stabilnym strumieniem wody. Możemy wtedy zaobserwować, że piłka oscyluje pod lejącą się wodą, ale nie ucieka spod niej. Nie wygląda to na skomplikowany układ fizyczny, spróbujmy zatem zrozumieć ruch piłki, analizując siły na nią działające.

Jak odkryć nową cząstkę elementarną? Lata doświadczeń przyzwyczaiły nas do myśli, że trzeba w tym celu wybudować potężny detektor i zrzeszyć do wspólnej pracy setki, jeśli nie tysiące fizyków. W przypadku zespołu detektora ATLAS przy LHC w CERN-ie zdarza się, że sama lista autorów publikacji naukowej opisującej najnowsze wyniki zajmuje jedną trzecią artykułu. Przekłada się to na ogromne koszty wybudowania i bieżącej obsługi, także naukowej, takiego detektora, więc decyzja o budowie nowego układu eksperymentalnego, np. w postaci akceleratora i stowarzyszonych z nim urządzeń, jest ważną decyzją polityczną. Przykładem może być marcowa decyzja rządu japońskiego o odłożeniu w czasie rozważania wsparcia budowy Międzynarodowego Zderzacza Liniowego (ILC, International Linear Collider).

Badania naukowe to najczęściej żmudna, niepoetyczna praca - daleka od jednorazowych olśnień, którym towarzyszy okrzyk "Eureka!". Z tego względu trudno jest im błysnąć choć na chwilę w mediach społecznościowych czy w nagłówkach gazet. A przecież wiele takich działań podejmowanych przez naukowców wartych jest uwagi i namysłu. Dlatego w tym odcinku proponuję subiektywny przegląd mało ekscytujących wiadomości.

Na początku roku światło dzienne ujrzała przygotowana w CERN-ie koncepcja nowego zderzacza cząstek elementarnych. Kołowy Zderzacz Przyszłości (ang. Future Circular Collider, FCC) planuje się umieścić w tunelu o stukilometrowym obwodzie. W pierwszym etapie działania, rozpoczynającym się za mniej więcej 20 lat, maszyna miałaby zderzać elektrony z pozytonami przy energii od 91 do 395 GeV. W drugim etapie, planowanym na drugą połowę obecnego wieku, zderzacz zostałby przystosowany do wiązek protonowych i osiągnąłby energię 100 TeV, a zatem około siedmiokrotnie większą od energii, z jakimi zderzały się protony w LHC.

W rozszerzającym się wszechświecie prędkość niezwiązanego grawitacyjnie obiektu jest wprost proporcjonalna do odległości tego obiektu od obserwatora: pod warunkiem, że odległość między obserwatorem a oddalającym się obiektem nie jest przesadnie duża. To oparte na obserwacjach astronomicznych stwierdzenie znane jest pod nazwą prawa Hubble'a i uznawane za jedno z największych osiągnięć astronomii i fizyki XX wieku. Współczynnik proporcjonalności to stała Hubble'a mówiąca o tym, jak szybko rozszerza się obecnie wszechświat.

Nie znamy wszystkich powodów, dla których rok 2019 zaznaczy się w historii nauki. Jeden jest jednak już pewny - od 20 maja wejdą w życie nowe definicje niektórych jednostek układu SI. Zmiany zostały przyjęte pół roku wcześniej przez obradującą w Wersalu Generalną Konferencję Miar (Conférence générale des poids et mesures). Decyzja ta jest w pewnym sensie zwieńczeniem procesu zapoczątkowanego wprowadzeniem metrycznego układu jednostek w 1790 roku, który miał wyrazić je w oparciu o uniwersalne i ściśle związane z przyrodą definicje jednostek fizycznych. Przypatrzmy się zatem, jak już niebawem będziemy opisywać masę, natężenie prądu, temperaturę i ilość substancji.

Nicolas Chauvin był żołnierzem wojsk napoleońskich. Wielokrotnie ranny na polu bitwy, do końca życia pozostał wiernym wyznawcą cesarza Francji, nawet po jego upadku. Od nazwiska tego wojaka wzięło początek pojęcie, które początkowo oznaczało nacjonalistyczne zaślepienie, a z biegiem czasu uległo uogólnieniu, i obecnie jest stosowane do opisywania poczucia wyższości członków jednej grupy ludzi nad inną. Nicolas Chauvin najprawdopodobniej nie istniał bardziej niż Kopciuszek czy Królewna Śnieżka, jednak związana z jego nazwiskiem postawa wciąż ma się nie najgorzej.

Każdy fizyk-turysta wie, że igła magnesu wskazuje kierunek północny, gdyż jest ona dipolem magnetycznym, który oddziałuje z polem magnetycznym Ziemi...

Kosmologowie uważają, że około ćwierci gęstości energii wypełniającej wszechświat stanowi tzw. ciemna materia - substancja nieoddziałująca lub bardzo słabo oddziałująca ze znaną materią, a w szczególności zupełnie przezroczysta dla światła. Są liczne i ważne powody, by pogląd ten podzielać...

Czy krowa może służyć jako kompas? Niestety, nie, ale już stado krów jak najbardziej. Okazuje się bowiem, że statystycznie krowy ustawiają się zgodnie z kierunkiem linii pola magnetycznego, tj. północ-południe, z łbami skierowanymi ku północy. Podobne właściwości wykazują też jelenie.

Przez większą część historii ludzkości pożywienie było dobrem trudno dostępnym. Słodkie i dojrzałe owoce pojawiały się okresowo, a trzeba było o nie konkurować z innymi organizmami. Wiele zwierząt dostarczało cennego białka, ale białko owo miało tendencje do uciekania i trzeba się było za nim nabiegać. Co gorsza, raz pozyskane jedzenie zaczynało się bardzo szybko psuć i niełatwym zadaniem było jego konserwowanie, tak by mogło ono starczyć na dłużej, pomagając przeczekać okresy niedostatku.

Wśród Czytelników Delty jest niewątpliwie wielu nieletnich, którzy, siłą rzeczy, nie mieli okazji kosztować napojów wyskokowych, toteż musieli ograniczać się do ich obserwacji. Przyglądanie się trunkom takim jak wino lub wódka pozwala na zgłębianie zjawiska Marangoniego. Podglądacze piwa stawiali sobie zaś do niedawna pytanie, dlaczego bąbelki widoczne w kuflu wypełnionym jasnym piwem poruszają się zgodnie z intuicją, czyli w górę, a w przypadku piw ciemnych, takich jak Guinness, przy ściankach zawierających je naczyń obserwuje się ruch bąbelków w dół. To ostatnie może się wydać dziwne, bo ostatecznie bąbelki są lżejsze od otaczającej je cieczy. Co zatem "ściąga" bąbelki w dół?

Cząstka naładowana, która wpada w pole magnetyczne prostopadłe do swej prędkości, zaczyna się poruszać jednostajnie po okręgu, a okres pełnego obiegu tego okręgu jest proporcjonalny do masy tej cząstki oraz odwrotnie proporcjonalny do jej ładunku i do indukcji magnetycznej. Wiele cząstek elementarnych ma też właściwość zwaną spinem. W ogromnym uproszczeniu możemy sobie wyobrażać, że spin wiąże się z ruchem wirowym ładunku elektrycznego cząstki, która w polu magnetycznym zachowuje się jak miniaturowa pętelka z prądem. Okazuje się, że wektor spinu obrazujący "natężenie" i "kierunek" tego prądu również obraca się jednostajnie w polu magnetycznym.

Kiedy cały świat, a przynajmniej świat fizyków cząstek elementarnych, pilnie śledził, czy w doniesieniach na temat LHC nie pojawią się wzmianki o zaobserwowaniu jakichś nowych, niewyjaśnianych znaną teorią zjawisk, w małym laboratorium fizyki jądrowej Atomki w węgierskim Debreczynie stwierdzono pewien kłopotliwy fakt...

Chyba w żadnym innym dziale fizyki nie uzyskano tak doniosłych wyników opartych na błędnym wyobrażeniu o naturze świata jak przy badaniu zjawisk cieplnych...

W pierwszej połowie XIX wieku uważano, że za zjawiska cieplne, elektryczne, magnetyczne i świetlne odpowiedzialne są przepływy pewnych nieważkich i nieuchwytnych fluidów. Pogląd ten, który przetrwał do dziś w języku - mówimy przecież, że płynie prąd, i myślimy o przepływach ciepła - pozwolił także na rozwój matematycznego opisu wspomnianych zjawisk.

Mechanika klasyczna opisuje dynamikę zarówno małych układów mechanicznych zbudowanych z ciężarków, dźwigni i sprężynek, jak i całego Układu Słonecznego, za pomocą kilku praw sformułowanych pierwszy raz przez Newtona pod koniec XVII wieku. Cały XVIII wiek to intensywny rozwój metod matematycznych inspirowanych mechaniką Newtona, pozwalających na coraz prostszy opis mechaniki i coraz efektywniejsze metody rozwiązywania równań opisujących układy mechaniczne. Sukces mechaniki klasycznej sprawił, że na początku XIX wieku niektórzy, jak cytowany przez G. Łukaszewicza Laplace, uwierzyli, że cały świat da się opisać prostymi, deterministycznymi prawami.

Kiedy pewna dwudziestoletnia absolwentka żeńskiego kolegium Vassar wysyłała w 1948 roku podanie o przyjęcie na studia doktoranckie na Uniwersytecie w Princeton, nie robiła sobie zapewne wielkich nadziei. Nic dziwnego, równouprawnienie płci dotarło na ten szczebel edukacji dopiero w roku 1975. Nie zniechęciło to naszej bohaterki, która ostatecznie zdecydowała się kształcić na Uniwersytetach Cornella i Georgetown pod kierunkiem takich tuzów współczesnej fizyki jak Hans Bethe, Richard Feynman czy George Gamow. Po uzyskaniu stopnia naukowego Vera Rubin, bo o niej tu mowa, została astronomem w Instytucie Carnegiego. Tam poznała Kenta Forda, konstruktora niezwykle czułego spektrofotometru, czyli przyrządu pozwalającego rozdzielać światło gwiazd na poszczególne kolory.

Z czego składa się wszechświat? Jeżeli wierzyć temu, co setki kosmologów piszą w najpoważniejszych czasopismach naukowych, znana nam materia tzw. barionowa odpowiada za zaledwie 5% gęstości energii we wszechświecie, a pozostała część to tzw. ciemna materia i ciemna energia. O tych tajemniczych substancjach niewiele da się obecnie powiedzieć, poza tym, że ciemna materia zachowuje się jak pył niewidzialnych, masywnych cząstek, ciemna energia zaś ma pewne unikalne, ale bardzo konkretne własności, które powodują przyspieszone rozszerzanie się wszechświata.

W dawnych powieściach przygodowych, pisanych przed czasami powszechnego zasięgu sieci komórkowych, zanim bohaterowie udali się na spotkanie przygód, musieli zsynchronizować zegarki. Łatwo to zrobić, jeśli wszyscy zainteresowani znajdują się choć przez chwilę w jednym miejscu. Jeżeli nie - sytuacja jest niemal beznadziejna.

Współczesna fizyka teoretyczna przypomina trochę archipelag wysp poddany działaniu żywiołów, wynoszony w górę ruchami tektonicznymi, ale równocześnie niszczony bezlitosnym smaganiem fal. Części wewnętrzne wysp, niosące praktycznie całokształt kultury materialnej tego lądu, nie doznają przy tym żadnego uszczerbku, można wręcz rzec, że systematycznie się powiększają...

Twierdzenie Poincarégo o powracaniu, omówione w pierwszej części artykułu, wywoływało (i najwidoczniej nadal wywołuje) dyskusje natury filozoficznej. Są one najczęściej związane z próbami jego zastosowania do układów złożonych z dużej liczby cząstek. Teraz spróbujemy omówić niektóre kontrowersje i zaproponować ich wyjaśnienia.

Wymienione w tytule tematy uchodzą za trudne. Tym ważniejsze jest zacząć od rzeczy prostych i powszechnie znanych...

Żeby zrozumieć coś z zachodzących w świecie procesów, należy to i owo pomierzyć. Żeby odkryć coś nowego - trzeba wykonać pomiar i uzasadnić, że nie zgadza się on z istniejącą wiedzą. Jednak wykonywanie pomiarów na granicy możliwości doświadczalnych to nie taka prosta sprawa.

W Delcie 1/2015 Łukasz Rajkowski oszacował, kiedy należy spodziewać się końca świata. Narzędziem użytym w tej analizie było wnioskowanie bayesowskie. Nie od dziś wiadomo, że należy je stosować z odpowiednią ostrożnością oraz dbałością o założenia i interpretacje. Dlaczego? Zastanówmy się nad poniższym prostym przykładem, gdzie na użytek tych, którzy nie wyobrażają sobie prawdopodobieństwa bez kul w urnach lub rzutów monetą, został wykorzystany ten ostatni model.

Znowu doniesiono o odkryciu ciemnej materii. Całkiem dawno, bo przed rokiem. Czemu zatem fizycy cząstek elementarnych nie rzucili się odkorkowywać szampana oraz umawiać na wywiady w telewizjach śniadaniowych i na randki z wyróżniającymi się młodszymi specjalistami modelingu (co wydaje się być powszechnie przyjętym atrybutem sławy i uznania)? Sprawa jest prosta - nowe, nieoczekiwane wyniki naukowe muszą się nieco ucukrować i uleżeć. Nie chodzi tu, rzecz jasna, o nabieranie dostojeństwa i mocy urzędowej, ale o wytrzymanie naporu krytyki, jaka zwykle się w takich sytuacjach podnosi.

Pewna wersja modelu inflacji, zwana wieczną inflacją, postuluje, że w przeszłości na wielkich skalach Wszechświat wcale nie był jednorodny i izotropowy, gdyż kwantowe fluktuacje doprowadziły do tego, że różne jego obszary charakteryzowały się różnymi gęstościami energii i ewoluowały w różny sposób. Wszechświat, jaki widzimy, byłby więc tylko jednym z takich lokalnie jednorodnych i izotropowych obszarów, inne – zasadniczo różne od naszego – kryłyby się zaś poza granicami naszych obserwacji. Tę wizję kosmosu można nazwać wieloświatem (ang. multiverse).

Zdarza się, niestety, że odznaczające się lenistwem intelektualnym osoby, niekiedy nawet w randze podsekretarza stanu, potrafią piękną koncepcję naukową, na przykład ewolucję biologiczną, zbyć lekceważącym „to tylko teoria”. Nie od rzeczy będzie zatem przypomnieć, co przyrodnik ma na myśli, kiedy używa słów takich jak „teoria” i „model”.

Naukowcy uwielbiają unifikacje, czyli sytuacje, w których dwa na pozór różne zjawiska lub własności okazują się przejawami tego samego prawa lub przyczyny. Jedno z najbardziej znanych praw fizyki – prawo powszechnego ciążenia Newtona – jest w istocie pierwszym sukcesem programu unifikacji nowożytnej fizyki. Także i dzisiaj postulat unifikacji oddziaływań jest jedną z najważniejszych motywacji badań teoretycznych w fizyce cząstek elementarnych. Warto zatem przyjrzeć się bliżej, jak ta historia się zaczęła oraz jak się – przynajmniej na razie – kończy.

Można czasami usłyszeć od matematyka – sami publikujemy w Delcie takie wyznania! – że jakieś rozumowanie lub wzór są eleganckie czy ładne. Można snuć domysły, czy owo piękno odcieleśnionych idei jest tym samym, które odczuwamy, patrząc na dzieło sztuki lub przyglądając się powabnej dziewczynie czy przystojnemu chłopcu.

Czekanie. Czeka w ciemności, ciągle gotowy, wzbudzi go najbłahszy sygnał. A ona, choć w krótkim spazmie mogłaby nadać sens jego czekaniu, wciąż je przedłuża.

Widziałem niegdyś w telewizji, przy prasowaniu, kilka programów przyrodniczych pokazujących, na przykład, jak najdłuższy wąż dorzecza Zambezi konkuruje o żer z najdłuższym tegoż dorzecza krokodylem. Gdyby czytany przez lektorkę tekst nie zawierał tych hiperbol, zerkając zza góry koszul na ekran przedstawiający lustro wody, zarośla i kilka kłapnięć gadzią paszczą, mógłbym się pewnie nie zorientować, że mam do czynienia z wartym jakiejkolwiek uwagi zjawiskiem.

Jeffrey spojrzał w kierunku piekarnika, gdzie apetycznie brązowiało kruche ciasto nadziewane jabłkami. Był pewien, że odkrył naukową metodę umożliwiającą otrzymanie ciasta idealnego: o strukturze cieniutkich płatków, delikatnego, ale chrupkiego.

Sensacyjna (i słaba naukowo) powieść Dana Browna Anioły i demony rozpoczyna się wątkiem zamordowania Leonarda Vetry, księdza i fizyka, którego celem było naukę „doprowadzić do tego, by potwierdzała istnienie Boga” oraz „udowodnienie, że zdarzenia opisane w Księdze Rodzaju były możliwe”. W swej najnowszej książce pt. Filozofia przypadku Michał Heller, także ksiądz i fizyk, jawi się jako przeciwieństwo tej postaci.

Małą łazienkę można, zdaniem architektów, optycznie powiększyć, montując w niej duże lustro. W miejscach mniej ograniczonych wymaganiami funkcjonalności, takich jak toalety muzeów sztuki nowoczesnej czy klatki schodowe centrów handlowych, umieszcza się niekiedy lustra na przeciwnych ścianach, co daje złudzenie nieskończonej głębi w kierunkach prostopadłych do luster...

Ciało lubi spoczywać. Ciało fizyczne poruszające się w polu sił potencjalnych spoczywa, gdy znajduje się w minimum energii potencjalnej. Jeśli minimum to jest lokalne, ciało może znaleźć się w innym, niżej położonym minimum, gdy dostarczyć mu dostatecznie dużo energii, by mogło pokonać barierę potencjału, lub gdy zajdzie tunelowanie kwantowe (jego prawdopodobieństwo dla ciał makroskopowych jest nikłe). Dla ciał znajdujących się w naszym otoczeniu, takich jak książki na półkach, wiemy z grubsza, gdzie znajdują się te minima.

Do strojenia instrumentów często wykorzystuje się kamerton widełkowy, wynaleziony w 1711 r. przez Johna Shore’a, lutnistę angielskiego dworu królewskiego. Zaletą tego przyrządu jest to, że wprawiony w ruch emituje dźwięk bardzo „czysty”, tj. zawierający niemal wyłącznie składową wzorcową przyrządu. Zrozumienie, dlaczego tak się dzieje, nie wymaga nadmiernie skomplikowanych rachunków i długich wyjaśnień.

Byłem, jak się wydaje, człowiekiem w miarę poukładanym i bez skłonności do przesadnych uniesień. Może z pewnymi wyjątkami...

Ocena tego, czy klimat na Ziemi się zmienia i jakie są kierunki tych zmian, wymaga dostępu do wiarygodnych informacji, jak ten klimat wyglądał w przeszłości. W szczególności, prognozowanie zmian klimatu wymaga uwzględnienia wielu zjawisk, z których część charakteryzuje się długimi okresami zmienności. Tymczasem regularne pomiary temperatury powietrza za pomocą termometrów prowadzone są od zaledwie stulecia. Czy oznacza to, że jesteśmy skazani na proste ekstrapolacje i domysły? Bynajmniej...