Delta mi!

O tym, że świerszcz piszczy w trawie wiedzą wszyscy. O tym, że zimno to brak ciepła, również. Ale czy wszyscy wiedzą, czym tak naprawdę jest ciepło? Co właściwie o nim wiemy?

W poprzednim numerze zajmowaliśmy się tzw. pęsetą optyczną, za skonstruowanie której połowę nagrody Nobla z fizyki za rok 2018 otrzymał Arthur Ashkin. Tym razem omówimy odkrycie, za które Donna Strickland i Gérard Mourou otrzymali drugą połowę nagrody.

Pomiędzy Nagrodami Nobla z fizyki przyznanymi za odkrycia i osiągnięcia w skali "kosmicznej" - detekcja fal grawitacyjnych nagrodzona w roku 2017 oraz prace teoretyczne z zakresu kosmologii i odkrycie planety pozasłonecznej wokół gwiazdy podobnej do Słońca, nagrodzone w roku 2019 - doceniono osiągnięcia w skali znacznie mniejszej: w roku 2018 przyznano Nagrodę Nobla za "narzędzia zrobione ze światła". Podzielili się nią Arthur Ashkin, któremu przyznano połowę nagrody za skonstruowanie tzw. pęsety optycznej (zwanej też szczypcami optycznymi lub pułapką optyczną), oraz Donna Strickland i Gérard Mourou, którzy za opracowanie metody wytwarzania ultrakrótkich impulsów światła o dużej energii otrzymali po 1/4 nagrody.

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.

Pierwszy mikroskop optyczny zbudowali Holendrzy Hans i Zachariasz Janssenowie w 1590 r. Ich prototyp powiększał zaledwie dziesięciokrotnie, czyli tyle, ile powiększa obecnie dobrej jakości lupa. Istotnego postępu dokonał ich rodak Antoni van Leeuwenhoek, uzyskując dwustuczterdziestokrotne powiększenie. Gdy obserwował on pod tym mikroskopem kroplę wody, miał powiedzieć, że odkrył w niej życie. My wykorzystamy kroplę wody do zbudowania niezwykle prostego i interesującego mikroskopu.

We Wszechświecie istnieje dużo różnych ograniczeń, występujących w różnych dziedzinach. Mimo że, być może, nie jest to dla nas oczywiste i niekoniecznie mamy okazję dostrzec to w życiu codziennym, światło widzialne ograniczone jest pod wieloma względami...

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.

Dwieście lat temu główną osią sporu o naturę światła była kwestia, czy światło jest strumieniem cząstek, czy falą. Według dzisiejszego poglądu oba te wyobrażenia nie stoją ze sobą w sprzeczności i mieszczą się w ramach jednego wspólnego opisu dostarczanego przez elektrodynamikę kwantową. Na początku XIX wieku, nie łączono jeszcze światła ze zjawiskami elektrycznymi i magnetycznymi.

W poprzednim numerze radziłem Wam zbudować dwa polaryzatory światła i wykonać przy ich pomocy kilka prostych doświadczeń. Obecnie chciałbym Was przekonać, że można uzyskać bardzo ciekawe efekty obserwując różne materiały między polaryzatorami skrzyżowanymi.

Tym z Was, którzy jeszcze nie domyślili się, o co chodzi, obiecuję solennie cały ten galimatias punkt po punkcie wyjaśnić. Zacznijmy od odpowiedzi na tytułowe pytanie. Oczywiście, światło, podobnie jak inne fale elektromagnetyczne, jest falą poprzeczną, to znaczy jego pola elektryczne i magnetyczne są poprzeczne w stosunku do kierunku rozchodzenia się światła...

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...

Kiedy Zbyszek miał siedem lat, pojechał po raz pierwszy na kolonie. Mieszkał tam wraz z innymi chłopcami, w dużej sali, do której przylegała mała komórka bez okien. Pewnego razu, bawiąc się w chowanego, ukrył się Zbyszek w komórce. Było tam oczywiście ciemno, jedyne światło dochodziło z sali przez dziurkę od klucza...

Kiepski dowcip, powie niejeden z Was. Kto nam kupi noktowizor? Mówię poważnie. Każdy, kto nie ma dwóch lewych rąk, może sam zarejestrować obraz w podczerwieni. Spróbujemy? No to do dzieła.

W wyścigach, oprócz umiejętności, kondycji i taktyki, ważne są również efekty interakcji między zawodnikami. Przy czym niekoniecznie chodzi o to, któremu kolarzowi pompka pomoże wyjechać pierwszemu z bramy stadionu (anegdota ta jest starsza od autora i nie będzie tu przypomniana).

Wraz z wynalezieniem meta-materiałów o ujemnym współczynniku załamania ukrywanie się pod czapką-niewidką (a raczej peleryną-niewidką) z bajek, fantastyki czy magii przechodzi do rzeczywistości. Żyjemy jednak w czasoprzestrzeni, więc można pomyśleć o ukryciu się również w czasie, a nie tylko w przestrzeni. Chodziłoby np. o ukrycie procesu przesyłania (przetwarzania) informacji. Jak można by było to zrealizować?

Własności materii to jeden z głównych obszarów zainteresowań fizyki i chemii od początku istnienia tych nauk. O ile jednak badania własności fizycznych materii w różnych stanach skupienia – stałym, ciekłym i gazowym – dawno weszły już w fazę tak dojrzałą, że w dużej mierze przeniosły się w zakres nauk stosowanych i technologii, to własności powierzchni rozdzielających dwie fazy (o tym samym lub różnym stanie skupienia, na przykład: powierzchni między wodą i powietrzem lub wodą i olejem) wciąż przyciągają uwagę nauk podstawowych.

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...

W tym odcinku będziemy nadal zajmowali się magiczną soczewką, której działanie poznaliśmy, wykonując doświadczenia opisane w poprzednim artykule. Wykonamy kilka odmian tej soczewki, dzięki którym można przeprowadzać zabawne i zadziwiające doświadczenia.

Prawa fizyki pomogą nam dziś wykonać sztuczkę, wykorzystującą właściwości bardzo prostej soczewki. Do przeprowadzenia doświadczeń będą potrzebne: przezroczysta, zakręcana, plastikowa butelka o średnicy kilku centymetrów z cienkimi i gładkimi ściankami bocznymi, duże naczynie z wodą, kilka kartek papieru, pisak lub drukarka oraz lupa.

Niezależność prędkości światła od układu odniesienia, czyli jej niezmienniczość, jest fundamentem, na którym zbudowana jest teoria względności. Pojawia się naturalne pytanie, czy mogą istnieć obiekty – zwane tachionami – poruszające się szybciej niż światło? A zatem, czy prędkość światła jest tylko prędkością niezmienniczą, czy też i maksymalną?

Dyskusja o falowej bądź cząsteczkowej naturze światła to jedna z najważniejszych i najpłodniejszych debat w historii fizyki. Rozpoczęła się pracami Christiana Huygensa i Izaaka Newtona na przełomie XVII i XVIII wieku, i trwała, czasami żywsza, czasami wyciszona, do prac Einsteina i Plancka z początku zeszłego wieku.

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.

Lato to dla mieszczuchów okazja do oglądania zachodów Słońca. Nic, w zasadzie, nie stoi na przeszkodzie podziwianiu również wschodów. Sprzyja temu urlop nad morzem albo, jeszcze lepiej, rejs jachtem. Przy odrobinie szczęścia, któremu odrobina wiedzy nie zaszkodzi, można wtedy zaobserwować tytułowe zjawisko.

Czy można skupić światło, mając jedynie do dyspozycji przezroczystą folię, komputer i drukarkę? Okazuje się, że nie ma z tym najmniejszego problemu – trzeba jedynie wykorzystać dyfrakcję! Właśnie ten pomysł wykorzystaliśmy podczas naszych badań.

Spośród trzech słynnych prac, które 26-letni Albert Einstein opublikował w czsopiśmie "Annalen der Physik" w 1905 roku największą karierę poza fizyką, w świadomości ogółu wykształconych ludzi, zrobiła zapewne ta z numeru 17, o krótkim tytule "O elektrodynamice ciał w ruchu". Praca zawiera wykład teorii przestrzeni, czasu i zjawisk elektromagnetycznych, którą potem, za Maxem Planckiem, nazwano szczególną teorią względności.