Delta mi!

Połowę tegorocznej Nagrody Nobla z Fizyki otrzymał Roger Penrose za odkrycie, że formowanie się czarnych dziur jest ścisłym przewidywaniem Ogólnej Teorii Względności. Drugą połowę nagrody przyznano Reinhardowi Genzelowi i Andrei Ghez za odkrycie supermasywnego, zwartego obiektu w centrum naszej Galaktyki.

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.

Mimo obiektywnych trudności związanych z globalną pandemią współpraca naukowa LIGO-Virgo-KAGRA nie zwalnia tempa. Zrzeszeni w niej naukowcy mają ciągle pełne ręce roboty przy opracowywaniu detekcji zarejestrowanych podczas kampanii obserwacyjnej O3, która zakończyła się pod koniec marca 2020 roku.

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.

W poprzednim stuleciu kosmologia przeszła kilka kryzysów, które diametralnie zmieniły nasze spojrzenie na ewolucję Wszechświata. Autorzy publikacji, która ukazała się w "Nature Astronomy" [1], sugerują, że być może jesteśmy w przededniu kolejnego momentu zwrotnego w kosmologii.

Zgodnie z obecnym stanem wiedzy (czyli ogólną teorią względności) otaczająca nas przestrzeń, ale także tempo upływu czasu zmieniają się zależnie od obecności i ruchu znajdujących się w pobliżu mas. Czasoprzestrzeń rzeczywiście istnieje jako autonomiczny "obiekt", który marszczy się i wygina (co wiemy z obserwacji fal grawitacyjnych), a także jest "ciągnięta" bądź "wleczona" zgodnie z ruchem obrotowym masywnego ciała.

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...

Gdybyśmy chcieli sfotografować Drogę Mleczną z zewnątrz, tak jak fotografujemy inne galaktyki, to musielibyśmy wysłać statek kosmiczny na odległość co najmniej dziesiątek tysięcy lat świetlnych, ponieważ Droga Mleczna ma ponad 100 000 lat świetlnych średnicy. Jednakże po pierwsze nie dysponujemy odpowiednią technologią, a po drugie zdjęcie wysłane z takiej odległości dotarłoby do nas dziesiątki tysięcy lat później, a podróż statku do miejsca wykonania zdjęcia trwałaby znacznie dłużej. Astronomowie badający kształt i strukturę Drogi Mlecznej są więc skazani na obserwacje prowadzone jedynie z jej wnętrza.

W tym roku Nagroda Nobla z fizyki została przyznana trzem astrofizykom. Połowę nagrody otrzymał James Peebles za rozwój teoretycznych podstaw współczesnej kosmologii, natomiast kolejną połowę otrzymali Michel Mayor oraz Didier Queloz za odkrycie pierwszej planety pozasłonecznej krążącej wokół gwiazdy typu słonecznego.

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.

Grawitacja jest jednym z czterech podstawowych oddziaływań znanych fizykom. Mimo że doświadczamy jej w codziennym życiu, jej natura jest najsłabiej zbadana zwłaszcza w warunkach odbiegających od ziemskich. Obserwacje Kosmosu pozwalają nam na śledzenie procesów zachodzących w ogromnych, nieosiągalnych na Ziemi polach grawitacyjnych, i w ten sposób testować nasze teorie. Jak do tej pory świetnie sprawdza się ogólna teoria względności Einsteina: opis sposobu, w jaki masy zakrzywiają wokół siebie przestrzeń i zmieniają tempo, w jakim płynie czas. Jeśli masy poruszają się w czasoprzestrzeni z przyśpieszeniem, to faluje ona i drga proporcjonalnie do wielkości mas i szybkości ich ruchu. Zmienne w czasie zachowanie się odległości i przepływu czasu w czasoprzestrzeni, wywołane ruchem mas, nazywamy falami grawitacyjnymi.

Wyplatanie było ważnym osiągnięciem technologicznym, dzięki któremu tworzono powrozy, koszyki, łapcie, płoty, tkaniny itp. Z drugiej strony czynność ta nie zawsze była poważana, o czym świadczy powiedzenie "pleść trzy po trzy".

Naruszenie parzystości kombinowanej CP, czyli niezmienniczości procesów przy jednoczesnej zmianie parzystości P (zamiana orientacji układu odniesienia na przeciwną) i sprzężeniu ładunkowym C (od ang. charge; zamiana cząstek na ich antycząstki) w rozpadach neutralnych kaonów, odkryte w 1964 roku, było wielkim zaskoczeniem. Trzy lata później, czyli równo pół wieku temu, Andriej Sacharow zauważył, że jest to jeden z koniecznych warunków wygenerowania przewagi materii nad antymaterią w ewolucji Wszechświata (w wyniku tzw. bariogenezy), czyli warunkiem istnienia nas jako bytów materialnych.

Czy zdarzyło Wam się kiedyś być ochlapanym przez samochód? Może można takim przypadkom jakoś zaradzić? Oczywiście, nie chodzi mi tu o wyremontowanie dróg czy edukację kierowców. Takie, pozornie oczywiste, sposoby nie zdają egzaminu, przynajmniej w naszym kraju.

Jednym z dziecięcych wyzwań jest opanowanie wiązania butów. Z czasem przychodzi automatyzm i problem przestaje istnieć, przynajmniej pozornie. Bo nawet dobrze zawiązane buty potrafią się rozwiązać i to w najbardziej niedogodnym momencie. Dla fanów skutecznego wiązania butów, wywodzących się głównie z rosnącej rodziny miłośników biegania, najbardziej symptomatyczne było zdobycie złotego medalu olimpijskiego (i jednoczesne pobicie rekordu świata biegu na 100 m) przez Usaina Bolta na olimpiadzie w Pekinie w 2008 roku z rozwiązanym butem [1].

Słynny dwuszczelinowy eksperyment Younga, który przekonywał o falowej naturze światła, tak naprawdę dowodzi jego kwantowej natury. Interferencja nie znika, kiedy przepuszczamy przez szczeliny pojedyncze fotony, a nawet gdy zastąpimy je pojedynczymi obiektami tak skomplikowanymi jak fulereny.

Poszukiwanie nowych sposobów przechowywania informacji jest nie tylko ciekawe poznawczo, ale może mieć konkretne zastosowanie praktyczne. Z tego ostatniego punktu widzenia pożądane są rozwiązania o dużym stopniu niezawodności, szybkie, o dużym stopniu upakowania informacji oraz zużywające jak najmniej energii. W ostatnim kryterium chodzi nie tylko o oszczędność, lecz także o problemy z chłodzeniem.

Odporność sieci jest jednym z kluczowych zagadnień teorii systemów złożonych. Dwa zupełnie odmienne problemy: zapobiegania rozprzestrzenianiu się epidemii (chorób zakaźnych, złośliwego oprogramowania, kłamstw itp.) oraz strategii dezorganizacji sieci, odpowiadają sobie nawzajem. Przecież immunizacji można dokonać poprzez rozpoznanie węzłów, których zablokowanie spowoduje rozpad sieci na podsieci o małej liczbie węzłów. Jeżeli rozpatruje się sieć przed wystąpieniem zarazy, to taką blokadą może być szczepienie.

Nagrodę Nobla z Fizyki za rok 2016 odebrali Davis J. Thoules (połowę), F. Duncan M. Haldane (ćwierć) oraz J. Michael Kosterlitz (ćwierć). Zostali oni nagrodzeni za teoretyczne odkrycia topologicznych przemian fazowych oraz topologicznych stanów materii.

Holografia optyczna znalazła bardzo wiele zastosowań. Choć matematyczny opis tej techniki może wydawać się skomplikowany, to jej idea jest bardzo prosta. Z codziennego doświadczenia wiemy, że trójwymiarową scenę można obserwować przez szybkę. To oznacza, że na powierzchni szybki musi być dostępna informacja o tym, co przez nią można zobaczyć. Zmieniając kąt patrzenia, dostrzegamy trójwymiarowość sceny. Hologram to nic innego jak utrwalenie takiej informacji w taki sposób, że oświetlenie go falą płaską odtwarza falę, która "wychodziłaby" z jego powierzchni, gdyby scena za nią była.

Gołąb swoje symboliczne znaczenie zawdzięcza najprawdopodobniej nie tyle samemu udomowieniu gołębia skalnego kilka tysięcy lat temu, co przypuszczalnej tego korzyści: wybitnej zdolności powrotu do gniazda, od wieków wykorzystywanej do przekazywania informacji.

Metan jest, na poziomie atomowym, najefektywniejszym sposobem przechowywania wodoru. Niestety, jego spalanie uwalnia jedną cząsteczkę dwutlenku węgla na dwie cząsteczki wody. Dlatego czysty wodór jawi się jako najczystsze paliwo...

Metan ma kolosalne znaczenie. Jest nie tylko jednym z podstawowych paliw kopalnych, jednym z głównych gazów cieplarnianych, ale również jednym z najbardziej efektywnych mediów odnawialnych.

Użyty w tytule rzeczownik ma bardzo wiele znaczeń. W szczególności może odnosić się do umiejętności heurystycznego rozwiązywania problemów, czy też do kinestetycznej perfekcji ruchów. Możliwe, że to, między innymi, dzięki wykształceniu tych zdolności, pozwalających np. na skuteczny rzut kamieniem (bumerangiem?), człowiek osiągnął przewagę ewolucyjną.

Lokalny realizm, którego oczywistość przywoływali Einstein, Podolski i Rosen w swoim słynnym paradoksie (EPR) w celu zakwestionowania przewidywań mechaniki kwantowej, nie wytrzymał doświadczalnych prób wykazujących łamanie wynikających z niego nierówności zaproponowanych (kilkadziesiąt lat później) przez Bella.

Piętnastego marca stracona została rubież intelektualnej przewagi człowieka nad sztuczną inteligencją, za jaką była uznawana maestria gry w Go. Zakończyła się ostatnia, piąta partia między AlphaGo, programem firmy DeepMind (będącej własnością Google) i Lee Se-dolem (9 dan - najwyższy stopień wtajemniczenia), jednym z najlepszych, jeżeli nie najlepszym zawodowym graczem. AlphaGo wygrał pierwsze trzy rozgrywki. Lee Se-dol wygrał czwartą i, po niezwykle zaciętej walce, przegrał ostatnią.

Angielskie słowo evidence ma bardzo wiele znaczeń. Wśród jego tłumaczeń trudno znaleźć odcień (znaczeniowy) odpowiadający jego wykorzystywaniu przy omawianiu wyników poszukiwania nieznanych wcześniej efektów w ramach nauk ścisłych.

Czternastego września 2015 roku dwa detektory LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) w Stanach Zjednoczonych (L1 w Livingston w stanie Luizjana i H1 w Hanford w stanie Waszyngton) zarejestrowały po raz pierwszy w historii fale grawitacyjne, czyli zaburzenia czasoprzestrzeni przewidziane przez Einsteina w 1916 roku. Fale powstały w wyniku zapadnięcia się układu podwójnego gwiazdowych czarnych dziur i powstania jednej, masywniejszej i szybko rotującej czarnej dziury. Oznacza to potwierdzenie przewidywań ogólnej teorii względności oraz stanowi bezpośrednią obserwację czarnych dziur i układów podwójnych czarnych dziur. Co najważniejsze, a podniosły ton jest tu akurat na miejscu, obserwacja ta otwiera zupełnie nowe okno obserwacyjne na Wszechświat.

Nieodwracalność procesów makroskopowych jest ewidentna. Z jajek łatwo zrobić jajecznicę, a odwrotnego procesu jakoś nie udało się dotąd zaobserwować. Z drugiej strony nieodwracalność jest jednym z najbardziej zastanawiających fenomenów fizycznych, bo mikroskopowe prawa fizyki, tak klasycznej, jak kwantowej nie wyróżniają strzałki czasu.

Takaaki Kajita i Arthur B. McDonald podzielą się tegoroczną Nagrodą Nobla z fizyki przyznaną im "za odkrycie oscylacji neutrin, wskazujących na niezerową masę tych cząstek".

Obecnie prawie każdy ma aparat fotograficzny, np. w smartfonie. Poruszonymi zdjęciami mało kto się przejmuje, bo przecież można zrobić następne albo zrezygnować po sprawdzeniu, że nie da się uzyskać zadowalającego wyniku. Zapominamy (lub w ogóle nie mamy takich doświadczeń), jak to było (raptem dekadę, dwie temu), gdy zdjęć można było zrobić tylko 36 (bez zmiany kliszy), a wynik obejrzeć po wywołaniu (ciekawe, ilu naszych Czytelników nigdy z tego procesu nie korzystało lub nawet nie wie, co ten termin oznacza).