Delta mi!

Liga zadaniowa Wydziału Matematyki, Informatyki i Mechaniki, Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego i Redakcji Delty

Gdy Galileusz trafił na studia (zresztą medyczne), obowiązkowym przedmiotem na pierwszych latach była znajomość (dosłowna!) dzieł Arystotelesa, który wszystko, również problemy kinematyki, objaśniał filozoficznie. Gniewało to Galileusza i postanowił się zemścić. Co ciekawe - udało mu się to zrealizować: wskazał tezę Arystotelesa w oczywisty sposób błędną.

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?

Znany matematyk i filozof angielski, Lord Bertrand Russell, jest autorem książeczki ABC teorii względności. Napisał w niej jak to bardzo wielu ludzi wie, że Einstein zrobił coś wielkiego - a jednocześnie mało kto wie, co to konkretnie jest. To samo można powiedzieć o teoriach eteru i o doświadczeniu Michelsona-Morleya - historycznie poprzedzających szczególną teorię względności. Bardzo wielu ludzi zainteresowanych fizyką o nich słyszało, ale zwykle nie poświęca się im tyle uwagi, ile potrzeba, aby zrozumieć historyczne korzenie szczególnej teorii względności (STW) i co zadecydowało o jej sukcesie.

Liga zadaniowa Wydziału Matematyki, Informatyki i Mechaniki, Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego i Redakcji Delty

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.

Wiele zjawisk fizycznych udaje się pokazać, wykonując doświadczenia przy użyciu środków, którymi posługujemy się w życiu codziennym. Można tego dokonać na dwa sposoby. Pierwszy z nich to ten znany z podręczników - na ogół mało interesujący. Drugi to sposób niestandardowy, pozwalający zadziwić widzów, a czasem nawet samego wykonawcę. W ten właśnie sposób potraktujemy dziś zjawisko indukcji elektromagnetycznej. Znane z podręczników doświadczenie polega na wsuwaniu magnesu sztabkowego do cewki połączonej z miernikiem wskazówkowym. My jednak postąpimy inaczej.

Wszystkich tych, którzy rozpoczęli swoją przygodę z fizyką, lecz ich głód wiedzy wykracza poza ramy szkolnych podręczników, zapraszamy na otwarty finał konkursu Fizyczne Ścieżki do Centrum Nauki Kopernik w dniach 14-15 kwietnia. Jak co roku, ze wszystkich nadesłanych zgłoszeń zostało wyłonionych kilkanaście prac, które zostaną zaprezentowane podczas finału w Centrum Nauki Kopernik najpierw jurorom, a dzień później szerszemu gronu publiczności.

Pamiętajcie, aby patrzeć w górę na gwiazdy, a nie w dół na swoje stopy. Starajcie się zrozumieć to, co widzicie i zastanawiajcie się, dlaczego Wszechświat istnieje. Bądźcie ciekawi. Jakkolwiek życie wyda się wam trudne, zawsze jest coś, co możecie zrobić i co może się wam udać. Liczy się to, że się nie poddajecie.
Stephen Hawking

Liga zadaniowa Wydziału Matematyki, Informatyki i Mechaniki, Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego i Redakcji Delty

Liga zadaniowa Wydziału Matematyki, Informatyki i Mechaniki, Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego i Redakcji Delty

Wiadomo, że proton nie jest cząstką punktową - złożony jest z trzech kwarków "posklejanych" gluonami i jest opisywany przez pewien przestrzenny rozkład ładunku elektrycznego, rozkład momentu magnetycznego, polaryzowalność elektryczną i magnetyczną. W szczególności sensowne jest pytanie o to, jaki jest promień protonu, a w burzliwej historii pomiarów tej wielkości właśnie nastąpił kolejny zwrot akcji.

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.

Liga zadaniowa Wydziału Matematyki, Informatyki i Mechaniki, Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego i Redakcji Delty

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...

Liga zadaniowa Wydziału Matematyki, Informatyki i Mechaniki, Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego i Redakcji Delty

2016 roku Nagroda Nobla z Fizyki została przyznana za teoretyczne odkrycia topologicznych przejść fazowych i topologicznych faz materii. Z kilku przyczyn nagroda ta była dość nietypowa. Komitet Noblowski zdecydował o wyróżnieniu nie pojedynczego, przełomowego odkrycia, ale raczej nagrodził wprowadzenie do fizyki nowych idei, które ukierunkowały i ukształtowały nasz sposób myślenia o fazach materii. Ponadto, co też nietypowe, nagrodzeni badacze to wyłącznie teoretycy, mimo że ich pomysły znalazły późniejsze potwierdzenie eksperymentalne. Komisja zdecydowała też o nierównym podziale nagrody: jej połowę otrzymał David J. Thouless, a drugą połową podzielili się F. Duncan M. Haldane oraz J. Michael Kosterlitz.

Liga zadaniowa Wydziału Matematyki, Informatyki i Mechaniki, Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego i Redakcji Delty

Wydaje się, że moc, szybkość obliczeniowa współczesnych komputerów, bazujących na krzemie, osiąga swoje plateau wynikłe z ograniczeń natury materiałowej. Jednocześnie w wielu dziedzinach życia codziennego, poczynając od prób unikania korków w planowanej podróży, poprzez minimalizację kosztochłonności produkcji aż po liczne zaawansowane zagadnienia badawcze z zakresu teorii sterowania, staramy się optymalizować nasze postępowanie. Wobec wspomnianych ograniczeń sprzętowych pozostaje nam poszukiwanie nowych algorytmów dla optymalizacji lub zupełnie nowych paradygmatów obliczeniowych - być może kwantowych?

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.

"Informacja jest fizyczna" powiedział Rolf Landauer, fizyk, któremu zawdzięczamy zrozumienie faktu, że usunięcie 1 bitu informacji z pamięci komputera wiąże się z nieuniknionym wytworzeniem ciepła o wartości gdzie jest temperaturą otoczenia, a stałą Boltzmanna. Był to wynik, który pokazał, że warto myśleć o fizycznych podstawach przetwarzanej przez nas informacji, aby zrozumieć ograniczenia i perspektywy dalszego rozwoju komputerów. Dziś wiemy, że materia na poziomie mikroskopowym opisywana jest przez prawa fizyki kwantowej...

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".

Liga zadaniowa Wydziału Matematyki, Informatyki i Mechaniki, Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego i Redakcji Delty

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.

Już około 2500 lat temu Leukip i Demokryt z Abdery wiedzą, że świat składa się wyłącznie z niepodzielnych elementów materii ("atomów") oraz z próżni. Mechanika Newtona (XVII w.) operująca pojęciami absolutnego czasu i absolutnej przestrzeni umożliwia po raz pierwszy w historii jakościowy opis zachowania się cząstek materii (np. planet, a także fotonów uznawanych wówczas za korpuskuły). Faraday i Maxwell (XIX w.) dodają do listy składników świata pojęcie pola (np. pole elektromagnetyczne). Teoria względności Einsteina (XX w.) łączy czas i przestrzeń: dzięki temu na początku minionego stulecia świat składa się z czasoprzestrzeni, cząstek i pól, przy czym pole grawitacyjne zostało powiązane z nieeuklidesową geometrią czasoprzestrzeni...