Delta mi!

W poprzednim numerze pisaliśmy o falach niosących moment pędu. Wprowadziliśmy rozróżnienie na spinowy i orbitalny moment pędu. Ten pierwszy jest związany z polaryzacją fali i w związku z tym charakteryzuje tylko fale poprzeczne, dla których występuje zjawisko polaryzacji. Orbitalny moment pędu jest natomiast związany z kształtem frontu falowego i może być niesiony przez każdy rodzaj fali. Teraz zajmiemy się bliżej własnościami fal niosących orbitalny moment pędu.

Fale mogą przenosić pęd i energię. Fala niosąca pęd, oddziałując na obiekt materialny, może mu swój pęd przekazać (czyli zmienić pęd obiektu), a więc będzie działać na niego z pewną siłą (zmiana pędu w czasie to przecież siła). Przykładem takiego zjawiska jest ciśnienie promieniowania elektromagnetycznego - światło pochłaniane przez obiekt materialny wywiera na niego ciśnienie, przekazując mu swój pęd. Efekt ten, choć mierzalny w laboratorium, w życiu codziennym jest praktycznie niezauważalny, ale ciśnienie wywierane na obiekty materialne, na przykład przez fale dźwiękowe, może być naprawdę duże...

Jak można dowiedzieć się z rozlicznych filmów akcji, nieodłączną częścią życia każdego szanującego się tajnego agenta jest wymiana tajnych informacji, najlepiej takich z wielką, czerwoną pieczęcią "Top Secret". Jeśli agent ma taką możliwość, najlepiej przekazać teczkę pełną tajemnic osobiście, jednak jest to luksus, na który może on pozwolić sobie w niewielu sytuacjach, gdyż nierzadko odbiorca tych tajemnic znajduje się na drugim końcu globu. W tej sytuacji konieczne staje się odpowiednie zaszyfrowanie naszych sekretów, aby nawet w przypadku przechwycenia ich przez oślizgłe macki szwarccharakterów, pozostały one sekretami.

W 1994 roku Peter Shor, pracujący wówczas w Bell Labs w New Jersey, pokazał, jak przy użyciu hipotetycznego komputera kwantowego rozłożyć w czasie wielomianowym dowolną liczbę naturalną na czynniki pierwsze. W tamtym czasie algorytmy kwantowe dopiero raczkowały. To właśnie odkrycie Shora spowodowało wielki rozwój tej dziedziny. Społeczność informatyków zrozumiała, że gdyby udało się zbudować komputer kwantowy rozsądnej wielkości, to świat stałby się istotnie inny. Nie jest bowiem znany żaden algorytm dla problemu faktoryzacji, czyli rozkładu na dzielniki pierwsze, który działa w czasie wielomianowym na komputerze klasycznym. Co więcej, nawet nie znaleziono algorytmu losowego, który z dużym prawdopodobieństwem w zazwyczaj niedługim czasie faktoryzuje liczbę: nie jest po prostu znana zupełnie żadna rozsądna heurystyka...

Popularna ostatnio zabawka tzw. fidget spinner świetnie nadaje się do obserwacji zasady zachowania momentu pędu w praktyce. Budowa tej zabawki jest bardzo prosta: jej centralnym elementem jest łożysko, wokół którego obraca się płaski element, najczęściej trójramienny, ale występujący również w innych kształtach.

Superkomputery pomagają w badaniach przyrody, projektowaniu urządzeń i leków. Czym są, jak działają, jakich używają procesorów, jak szybko liczą? Odpowiedzi na te pytania zilustrujemy przykładami kilku superkomputerów, w tym czterech najszybszych na świecie oraz największego w Polsce.

Każdy wie, że starożytni Rzymianie, a za nimi średniowieczni Europejczycy, zapisywali liczby nie cyframi znanymi nam dziś jako arabskie, a za pomocą tak zwanego systemu rzymskiego...

Światło dochodzące do granicy oddzielającej dwa ośrodki częściowo odbija się od niej, a częściowo przechodzi przez nią, zmieniając kierunek, co określamy mianem załamania. Najprostszy przypadek załamania ma miejsce, gdy promień światła pada z próżni na powierzchnię ośrodka izotropowego, np. szkła.

Komputery, największy wynalazek nowożytności, mają coraz więcej zastosowań. Jedne pracują w telefonach komórkowych i urządzeniach przenośnych. Innym - superkomputerom - zlecamy np. symulację historii wszechświata. Może kiedyś nauczymy je myśleć podobnie do tego jak sami myślimy. We wstępnym artykule z serii o współczesnych kierunkach w technikach obliczeniowych (zwłaszcza superkomputerowych) pokażemy, jak fizyka tranzystora umożliwiła technologii mikroprocesorowej podwoić prędkość komputerów więcej niż dwadzieścia kolejnych razy (tj. o czynnik milion razy), umożliwiając szybki internet, smartfony i współczesną naukę obliczeniową, i dlaczego kontynuacja dotychczasowego wykładniczego rozwoju techniki komputerowej od trzynastu lat wymaga od programistów zasadniczo nowego podejścia: programowania współbieżnego procesorów wielordzeniowych.

Dlaczego w szkole tak dużo uczymy się o wielomianach? Są dwa podstawowe powody. Pierwszy z nich - całkiem zrozumiały - po prostu jest to niemal największa klasa funkcji, których wartości umiemy obliczać. Potrafimy jeszcze dzielić wartości wielomianów, ale z pozostałymi funkcjami, które występują w programie szkolnym, a później na studiach, w zasadzie mielibyśmy sporo problemów.

Wahadło Newtona, zwane też kołyską Newtona, to zabawka, która pozwala zademonstrować osobliwe konsekwencje zasad zachowania pędu i energii przy zderzeniach. Choć przypisywana jest Newtonowi, należałoby nazywać ją "kołyską Mariotte'a", który, na podstawie doświadczeń ze zderzającymi się kulami, opisał i wyjaśnił zjawiska warunkujące jej działanie. Składa się z kilku jednakowych wahadeł, utworzonych ze stalowych kul zawieszonych na niciach...

Gdzie te dawne dobre czasy, kiedy zmęczeni i przemarznięci myśliwi wracali z ubitym niedźwiedziem z polowania i grzali się przed ogniskiem, wielbiąc boską, życiodajną moc ognia? Co z tego zostało w Waszych miejskich mieszkaniach? Grzeją Was głupie żelazne rury - kaloryfery, świecą Wam nudne żarówki...

Butelka wypełniona cieczą może działać jak soczewka. Niektórzy sądzą, że taka butelka może być niebezpieczna, jeśli zostanie pozostawiona na stole w słoneczny dzień. Czy można użyć takiej "soczewki" do wywołania samozapłonu różnych substancji?

Zapewne każdy z Czytelników, będąc dzieckiem, uczył się grać na źdźble trawy, a zabawa ta niejednokrotnie urozmaicała spacery na świeżym powietrzu. Dlaczego jednak źdźbło wydaje tak donośne dźwięki, gdy na nie dmuchnąć, oraz od czego zależą parametry tego dźwięku? Spróbujemy odpowiedzieć na to pytanie, wykonując kilka prostych doświadczeń.

Balon, żeby unieść się w przestworza i pożeglować, musi być wypełniony gazem lżejszym od powietrza atmosferycznego. Wie to każdy. Ale czy na pewno jest to jedyna możliwość?

Wewnątrz jest całkowicie ciemno. Wydrążony w skale olbrzymi zbiornik, zawierający 50 tysięcy ton ultraczystej wody, komunikuje się z otoczeniem tylko za pomocą impulsów elektrycznych wysyłanych przez tysiące czujników światła, zamontowanych na jego ścianach. Dostęp do tego wyjątkowego urządzenia badawczego jest skomplikowany - wszystko znajduje się kilometr pod ziemią, wewnątrz góry Ike w kopalni na zachodzie Japonii. Naukowcy nadzorujący pracę detektora czujnie obserwują monitory w pokoju kontrolnym - widać na nich błyski światła, od czasu do czasu pojawiające się w detektorze. Ich rejestracja jest sygnałem, że za pomocą naszego zbiornika złapaliśmy jedną z najbardziej nieuchwytnych cząstek elementarnych - neutrino.

Sposobów na chłodzenie wymyślono wiele. Z termodynamicznego punktu widzenia każdy proces, w którym zmienia się entropia, może być użyty do wytworzenia różnicy temperatur. Jednym z ciekawszych, choć raczej mało znanym sposobem, jest wykorzystywanie efektu magnetokalorycznego...

Sport to zdrowie, a troska działaczy o zdrowie zawodników jest przysłowiowa. Przy okazji, być może nawet nie zdając sobie z tego sprawy, działacze sportowi popularyzują fizykę.

Jeśli się weźmie do ręki jajo i ściśnie palcami za „ostry” i „tępy” czubek, wyczuje się opór. Jest on dość spory, jak na niewielką grubość skorupki jaja. Przeciętne jajo wytrzymuje bez pękania nacisk odpowiadający ciężarowi dwuipółkilogramowego ciała. Udaje się dzięki temu prosta sztuczka, która spodobać się może wszystkim, którzy marzą o innym zastosowaniu nabiału niż produkcja wielojajecznych bab, serników i sękaczy na święta...

Wszyscy lubimy jeździć na rowerze. Nie jest to trudne, po krótkiej nauce przekonujemy się, że jadący rower nie przewraca się, czyli że jest stabilny. Ale dlaczego? Na pierwszy rzut oka wydaje się, że rower powinien się przewrócić. Rzeczywiście, stojący rower sam się przewraca, czyli jego pozycja jest niestabilna. Ale wystarczy, żeby rower jechał nawet z niewielką prędkością, by jego pozycję ustabilizować. Dlaczego?

We współczesnym świecie komputery mają coraz większy wpływ zarówno na sposób uprawiania matematyki, jak i na samą matematykę. Wielu ważnych problemów, zarówno czysto teoretycznych, jak i pochodzących z zastosowań, nie można rozwiązać bez pomocy odpowiednich programów. Umiejętność posługiwania się komputerem w obliczeniach numerycznych i symbolicznych należy dziś do podstawowego wykształcenia matematyka.

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.

Mierzenie czasu wymaga wzorca – jakiegoś równomiernie przebiegającego zjawiska. Dzisiaj wykorzystujemy w tym celu drgania pobudzonych atomów cezu, co wymaga sporych umiejętności i odpowiedniej aparatury. Już od tysięcy lat człowiek odczuwał potrzebę mierzenia czasu i wykorzystywał w tym celu różne zjawiska, które lepiej lub gorzej spełniały warunek równomiernego przebiegu. Niewątpliwie do najwcześniej obserwowanych takich zjawisk należy ruch ciał niebieskich, a szczególnie Słońca, które względem Ziemi porusza się dość równomiernie, to znaczy z prędkością kątową w niezłym przybliżeniu stałą. Korzystając z tego, ludzie od tysiącleci konstruują zegary słoneczne. Spróbujmy się przyjrzeć, jak te zegary działają, a może i taki zegar zbudować.

Bajka opowiada historię tytułowego Jasia, syna biednej wdowy. Pewnego dnia matka wysyła Jasia na targ, aby sprzedał ostatnią krowę, ale Jaś wymienia ją na magiczne fasolki. Rozzłoszczona matka wyrzuca nasiona za okno, a następnego dnia wyrasta z nich gigantyczna roślina, która sięga aż do chmur. Jaś wspina się po łodydze fasoli ku niebu, aż dociera do wielkiego zamku zamieszkiwanego przez olbrzyma. (…)

Nie od dziś wiadomo, jak zbudować najprostszy zegar słoneczny. Słońce, w swym pozornym ruchu po niebie, porusza się ze stałą prędkością kątową w płaszczyźnie prostopadłej do osi wskazującej północny biegun niebieski...

Co fizycy robią „po godzinach”? Różnorodność odpowiedzi na to pytanie jest pewnie taka jak w innych grupach zawodowych. Naukowcy mogą jednak mówić o swoich pasjach, używając języka „pracowego”. Tak właśnie powstał wykład poświęcony fizyce tańca, którym włączyłam się w cykl imprez Festiwalu Nauki i którego kilka urywków chciałabym Czytelnikom Delty przedstawić.

Rozważmy bardzo szybki, relatywistyczny chód Roberta Korzeniowskiego. Ponieważ wewnątrz obiektów poruszających się z bardzo dużymi prędkościami czas płynie wolniej dla obserwatorów zewnętrznych, należy się spodziewać, że zegarek na ręce Roberta Korzeniowskiego będzie chodził wolniej. Powolniejsze będzie również bicie jego serca. A co można powiedzieć o ruchu jego nóg? Czy im szybciej będzie szedł, tym wolniej poruszać będzie nogami? Czy w granicy prędkości światła wcale nie będzie nimi poruszał? W jaki sposób można chodzić, nie ruszając nogami?

Kiedy obserwujemy nasze otoczenie, zwykle nie zwracamy uwagi na zjawiska, do których przywykliśmy. Niebieski kolor odległych obiektów, błękitny kolor nieba czy czerwony kolor zachodzącego słońca są dla nas naturalne. Tak naturalne, że nie zastanawiamy się nawet nad ich złożonością...

Do dzisiejszego doświadczenia potrzebna będzie huśtawka. Jeszcze lepszy byłby długi, spuszczony z gałęzi sznur z poprzeczką na końcu. Każdy chyba umie rozhuśtać się. Ale czy zastanawialiście się kiedyś, dlaczego to jest możliwe i dlaczego wszyscy robią to w prawie identyczny sposób? Może jest to spowodowane naśladownictwem?

Pamięci ulotne umożliwiające zarówno zapis, jak i odczyt danych, nazywane są tradycyjnie pamięciami o dostępie swobodnym (ang. Random Access Memory). W komputerach stosuje się je jako element pośredni pomiędzy szybkimi rejestrami procesora a wolnymi dyskami twardymi. Jak zobaczymy, również pamięci RAM dzielą się na dwie główne kategorie: szybkie i drogie pamięci statyczne (ang. Static RAM) oraz wolniejsze i tańsze pamięci dynamiczne (ang. Dynamic RAM).

Nagrodę Nobla z fizyki w roku 2011 otrzymali Saul Perlmutter, Brian Schmidt i Adam Riess w uznaniu wyjątkowego postępu w pomiarach astronomicznych o ważnych konsekwencjach dla kosmologii. Udowodnili oni, że – o ile nasz opis Wszechświata jest poprawny – Wszechświat rozszerza się coraz szybciej. To liczące sobie zaledwie dekadę odkrycie w zasadniczy sposób zmieniło nasze rozumienie kosmosu.

W tym odcinku zajmiemy się jeszcze jednym niezwykłym silnikiem elektrycznym wykorzystującym oddziaływanie prądu elektrycznego płynącego przez elektrolit z polem magnetycznym.

Statystyczny przechodzień, zapytany znienacka na ulicy o krzem, wspomni zapewne po chwili namysłu o Dolinie Krzemowej w Stanach Zjednoczonych oraz firmie Intel i jej najbardziej znanych produktach, czyli mikroprocesorach.

Serię artykułów o silnikach unipolarnych zakończymy opisem dość efektownego układu demonstrującego działanie takiego silnika. Przed przystąpieniem do doświadczeń należy koniecznie przeczytać wskazówki, dotyczące bezpiecznego posługiwania się magnesami neodymowymi, zawarte w artykule w Delcie 1/2012.

Energetyka jądrowa nie stanowi fundamentalnej dziedziny wiedzy, takiej jak matematyka czy fizyka. Jest natomiast dziedziną bardzo szeroką – zrozumienie całości występujących tu zagadnień wymaga znajomości fizyki jądrowej, fizyki ciała stałego, termo- i hydrodynamiki, ale również takich nauk jak ekologia, ekonomia czy nawet socjologia. W tym krótkim artykule przedstawimy tylko fizyczne podstawy tej gałęzi przemysłu.

Osoby osiągające dochody muszą płacić podatki. Podatki od pensji są najczęściej obliczane i odprowadzane przez instytucje, w których pracujemy. Podatki od dochodów uzyskiwanych na kontach bankowych są odprowadzane, w wysokości 19%, przez banki. Jest to tak zwany podatek Belki.

Są tacy, którzy twierdzą, że nie ma nic bardziej ekscytującego niż dreszczyk emocji towarzyszący nieoczekiwanemu odkryciu nowej klasy obiektów astronomicznych. Doskonałym przykładem takiej naukowej „żyły złota”, inspirującej rozwój nowych technik obserwacyjnych, obliczeniowych i stymulującej kolejne pokolenia teoretyków do zadawania pytań o naturę fundamentalnych procesów fizycznych, może być detekcja w 1967 r. periodycznego sygnału radiowego o okresie 1,3373 s – pierwszego pulsara.

W tym odcinku będziemy kontynuować badanie magnetohydrodynamicznych silników – tym razem działających... bez przyłączenia źródła zasilania. Niemożliwe?

Wszyscy wiemy, że wiele problemów nie daje się rozwiązać za pomocą komputera tylko z powodu ich zbyt dużej „złożoności obliczeniowej”. Pod tym poważnym stwierdzeniem kryje się prosta i smutna prawda. Nawet najszybsze komputery są zbyt wolne, aby uporać się z niejednym zadaniem. Wiemy też, że nie da się w nieskończoność zwiększać szybkości komputerów. Rozmiary atomów wyznaczają możliwą do wyobrażenia skalę miniaturyzacji. Jako że żaden sygnał nie może rozchodzić się szybciej niż światło w próżni, czas potrzebny na przesłanie informacji między fragmentami procesora też jest ograniczony od dołu. Czy komputer kwantowy może stać się remedium na powyższy problem?

Dwa punkty materialne, każdy o masie  przymocowane są do przeciwległych punktów nieważkiej obręczy o promieniu  która toczy się bez tarcia po poziomej płaszczyźnie, pozostając przez cały czas prostopadła do tej płaszczyzny. Prędkość środka masy układu (punkt  na rysunku 1) wynosi  a prędkość kątowa obrotu względem osi przechodzącej przez  jest równa  Jaka jest energia tego układu?

Każdy z Was, Drodzy Czytelnicy, obserwował kiedyś pęcherzyki gazu unoszące się do góry w szklance wypełnionej świeżym, chłodnym piwem (alkohol szkodzi zdrowiu!!!). Podobne zjawisko można zobaczyć w szklance z wodą sodową – dla ustalenia uwagi pozostaniemy jednak przy piwie. Postaramy się opisać tutaj wzrost i ruch bąbelków.

Jak myśli mózg? To pytanie póki co pozostaje jeszcze bez odpowiedzi. Idąc w ślady noblisty, Francisa Cricka, zastąpimy je pytaniem o to, jak mózg przetwarza informację o świecie zewnętrznym. Na ten temat już trochę wiadomo, akurat tyle, aby wyobrazić sobie, jak działa sieć neuronowa zamknięta w naszych głowach. Poniżej przedstawię kilka przykładów takiej obróbki.

W poprzednich numerach pisaliśmy, jak informację mogą przetwarzać pojedyncze cząsteczki chemiczne (białka) czy ich zespoły (systemy regulacji genów). Przyszedł czas omówić całe komórki.

Zdarzyło mi się zeszłorocznej zimy obserwować ciekawe zjawisko. Podczas jednej z najbardziej mroźnych nocy, a jednocześnie dość pogodnej, zauważyłem, że ze wszystkich jaśniejszych miejskich lamp ulicznych strzelają w górę słupy światła podobne trochę do smug wycelowanych pionowo silnych reflektorów.

Jak to jak, można odpowiedzieć. Normalnie, ruchem jednostajnie przyspieszonym. Ale skąd to wiadomo? Jeżeli z podręcznika, to czy było tam opisane doświadczenie, które potwierdza tę opinię? Może da się to sprawdzić?

Do poturbowanego kolarza, który przed chwilą przeżył karambol, podchodzi dziennikarz i pyta: czy pan uprawia sport dla zdrowia czy dla przyjemności?

Umiejętność chodzenia jest dla człowieka tak istotna, że nikt, kto nie ma z chodzeniem problemów, nad tym się nie zastanawia. Od dawna podejmowane są, mniej lub bardziej udane i mniej lub bardziej uzasadnione, próby nauczenia tej sztuki przeróżnych automatów.

Kuchenka mikrofalowa, jak wiele innych udogodnień cywilizacyjnych, powstała przez przypadek.

Grawitacja jest obserwowana w dużej skali – rządzi ona ruchem pocisku oraz ruchami planet i gwiazd. Z kolei efekty mechaniki kwantowej, zaniedbywalne dla obiektów makroskopowych, są obserwowane w skali atomów i cząstek elementarnych...

W świecie ożywionym na każdym kroku spotykamy się z przetwarzaniem informacji. Informacje są przetwarzane przez mózgi zwierząt, ale czynią to i pojedyncze komórki podążające za światłem, pożywieniem czy ukrywające się przed drapieżnikami. Fizyk Roger Penrose w „Nowym umyśle cesarza” twierdzi, że gdzieś w neuronach siedzą ukryte komputery kwantowe (zapewne nie ma racji, ale to przywilej specjalisty w jednej dziedzinie – aby mylić się w innej).