Τοπίο στη Φυσική

Παράθυρο στην Επιστήμη

Κατηγορία: Επιστήμη

Πώς τα πράγματα αποκτούν το βάρος τους: Η φύση της μάζας

  • Του Don Lincoln
  • Από το «The Physics Teacher»

Περίληψη

Η φυσική είναι ένα βαρύ αντικείμενο, γεμάτο ουσία και σοβαρότητα. Επομένως, είναι ίσως εντελώς λογικό, ένα κεντρικό ζήτημα προσήλωσης να είναι η μάζα. Αλλά τι είναι η μάζα στην πραγματικότητα; Ποια είναι η προέλευση και η φύση αυτού του πιο ουσιώδους στοιχείου του κόσμου γύρω μας; Και υπάρχουν άραγε κάποιες εκπλήξεις, που θα μπορούσαμε να δούμε, καθώς θα σκάβουμε βαθύτερα σε αυτό το ερώτημα; Σε αυτό το άρθρο, ελπίζω να εκπλήξω κάθε αναγνώστη τουλάχιστον μία φορά.

Όλοι έχουμε μια διαισθητική κατανόηση της μάζας. Είναι το ποσό των «υλικών» που αποτελούν κάτι. Ενώ οι φυσικοί μπορεί να έχουν μια πιο ξεχωριστή εκτίμηση του θέματος, η καθημερινή μας διαίσθηση για τη μάζα είναι στενά συνδεδεμένη με την έννοια του ξαδέλφου του βάρους. Τα πιο μαζικά πράγματα ζυγίζουν περισσότερο. Η σύνδεση βάρους / μάζας άρχισε να γίνεται κατανοητή κατά τη διάρκεια του μεσαίου μέρους της τελευταίας χιλιετίας και αποδεικνύεται ότι είναι ένα κρίσιμο και, μερικές φορές, απροσδόκητο χαρακτηριστικό της δομής του σύμπαντος. Θα επιστρέψω σε αυτό αργότερα.

Η μάζα παίζει ρόλο τόσο στην αδράνεια, δηλαδή στην τάση ενός αντικειμένου να μετατοπιστεί ή να παραμείνει ακίνητο, όσο και στο βάρος, που είναι η δύναμη που ασκείται σε ένα αντικείμενο λόγω βαρύτητας. Ο Αριστοτέλης υποστήριξε τον 4ο αιώνα π.Χ. ότι τα αντικείμενα έπεφταν με ταχύτητα ανάλογη προς τη μάζα τους. (Και με τον όρο μάζα εννοούσε πραγματικά αυτό που τώρα αποκαλούμε βάρος.)

Τα πειράματα του Galileo (Εικόνα 1) άλλαξαν όλα αυτά στα τέλη του 16ου αιώνα. Το 1589-1592, ο Galileo μελέτησε τον τρόπο με τον οποίο τα διάφορα αντικείμενα πέφτουν υπό την επίδραση της βαρύτητας και διαπίστωσε ότι έπεφταν ανεξάρτητα από τη μάζα τους. Αυτό επιβεβαίωσε τη διαίσθησή του, την οποία σχημάτισε μέσω ενός πειράματος σκέψης. Κάθε στερεό αντικείμενο μπορεί να φανταστείτε ότι αποτελείται από δύο ξεχωριστά αντικείμενα, το ένα να έχει το διπλάσιο βάρος του άλλου. Όταν ρίχνετε το εννιαίο βάρος και τα δύο κομμάτια πέφτουν με τον ίδιο ρυθμό. Επιπλέον, εάν τα δύο βάρη διαχωρίστηκαν πράγματι, ενώθηκαν με ένα νήμα και στη συνέχεια έπεσαν, φανταστείτε ότι θα πέσουν μαζί και όχι με διαφορετικούς ρυθμούς. Με αυτό το σκεπτικό, περίμενε να διαψεύσει τον Αριστοτέλη, κάτι που τελικά το παρατήρησε.

Εικ. 1. Οι πρώτες πραγματικές ιδέες για τη σύνδεση μεταξύ μάζας, βάρους και κίνησης καταγράφηκαν από τον Galileo.

Ο σπουδαστής του, Vincenzo Viviani, περιέγραψε τη βιογραφία του Galileo το 1654 και είναι εκεί όπου αναφέρθηκε η ιστορία του Galileo που ρίχνει μπάλες από τον Πύργο της Πίζας. Δεν υπάρχει τέτοια ιστορία στα γραπτά του Galileo. Μάλλον στο έργο του Δύο Νέες Επιστήμες, που δημοσιεύθηκε το 1638, ο Γαλιλαίος περιέγραψε τα πειράματα χρησιμοποιώντας μια χάλκινη μπάλλα και μια ξύλινη ράμπα. Ενώ οι σύγχρονοι καθηγητές φυσικής θα αναγνωρίσουν ότι μια σωστή αντιμετώπιση αυτής της κατάστασης απαιτεί να λαμβάνονται υπόψη οι περιστροφικές ιδιότητες του αντικειμένου, τα δύο βασικά συμπεράσματα του Galileo ήταν ότι αντικείμενα με τις ίδιες διαστάσεις παρουσιάζουν πανομοιότυπη κίνηση (ανεξάρτητα από τη μάζα τους) και ότι η απόσταση που διανύει το αντικείμενο είναι ανάλογη του τετραγώνου του χρόνου της κίνησης. (περισσότερα…)

Οι σκέψεις του Θεού: Πρακτικά βήματα προς μία Θεωρία των Πάντων

  • Του Don Lincoln, Fermilab, Chicago
  • Από το The Physics Teacher Magazine

Περίληψη

Το 1922, ο Αϊνστάιν μιλούσε με τη νεαρή Esther Salaman κατά τη διάρκεια μιας μεγάλης βόλτας. Αυτή του έλεγε για τα όνειρα και τους στόχους της και αυτός μοιραζόταν μερικές από τις σκέψεις του. Ανάμεσα στις σκέψεις του ταξιδιού, περιέγραψε τον πυρήνα της κατευθυντήριας πνευματικής αρχής του, όταν είπε, «Θέλω να ξέρω πώς ο Θεός δημιούργησε τον κόσμο [wie sich Gott Die Welt beschaffen]. Δεν με ενδιαφέρει το ένα ή το άλλο φαινόμενο, στο φάσμα του ενός ή του άλλου στοιχείου. Θέλω να ξέρω τις σκέψεις του. Τα υπόλοιπα είναι απλές λεπτομέρειες.»

Δεν έχει σημασία η γνώμη σου για τη θρησκεία, αν είσαι ένας ένθερμος οπαδός της ή ένας απολογητής της αθεΐας. Η φράση «οι σκέψεις του Θεού» είναι μία απολαυστική ποιητική έκφραση. Αντιπροσωπεύει, με ένα μεταφορικό τρόπο, τίποτα λιγότερο από την κατανόηση των βαθύτερων και πιο θεμελιωδών νόμων του σύμπαντος. Συγκεκριμένα, η ελπίδα είναι ότι κάποια μέρα θα είμαστε σε θέση να εξηγήσουμε όλο το καλειδοσκόπιο της ύλης και των φαινομένων που βλέπουμε καθώς κοιτάζουμε γύρω μας, όπως προκύπτουν από ένα μικρό αριθμό δομικών στοιχείων και ίσως με μία ενιαία δύναμη. Αυτό αναμφίβολα θα είναι ένα εκπληκτικό επίτευγμα, αλλά είναι εξαιρετικά απίθανο ότι θα συμβεί σύντομα. Αντ ‘αυτού, είναι πιο πιθανό ότι θα έχουμε προοδευτικά επιτεύγματα, τα οποία μια μέρα θα μπορούσαν να μας οδηγήσουν στην επιτυχία. Σε αυτό το άρθρο, θα ήθελα να επανεξετάσουμε ό,τι  ξέρουμε μέχρι στιγμής και να επιστήσω την προσοχή σας σε κενά στις τρέχουσες θεωρίες μας, που μπορεί να παρέχουν ενδείξεις για το επόμενο μεγάλο βήμα. Αυτός είναι ο πυρήνας της σκέψης που με ώθησε σ’ αυτό το άρθρο. Αντί να κάνουμε εικασίες για μια απίθανη και φαντεζί προώθηση της θεωρίας, το άρθρο επικεντρώνεται σε ρεαλιστικές προόδους που θα μπορούσαμε να κάνουμε στα επόμενα λίγα χρόνια.

Σε γενικές γραμμές, υπάρχουν δύο παράλληλα και ως επί το πλείστον ανεξάρτητα βήματα για την κατανόηση του σύμπαντος. Το πρώτο είναι μια θεωρία που διέπει τον κβαντικό κόσμο και το δεύτερο είναι μια θεωρία της βαρύτητας που εξηγεί τον Κόσμο σε μεγαλύτερη κλίμακα. Κάνοντας ένα άλμα προς τα μπρος ώστε να γνωρίζετε για τι πράγμα μιλάω, αυτά τα δύο εξαιρετικά πνευματικά επιτεύγματα είναι το Καθιερωμένο Μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής και η Θεωρίας της Γενικής Σχετικότητας του Αϊνστάιν. Εύχομαι να μπορέσω να σκιαγραφίσω εν συντομία τις δύο από αυτές ιδέες, πριν μιλήσω για τις προκλήσεις και τις ενδείξεις που βασίζονται οι επιστήμονες  για να κάνουν το επόμενο βήμα προς τη θεωρία των πάντων.

Το Καθιερωμένο Μοντέλο

Το Καθιερωμένο Μοντέλο είναι το αμάλγαμα πολλών από τις καλύτερες γνωστές θεωρίες. Περιλαμβάνει μία από τις πιο εντυπωσιακές επιστημονικές ανακαλύψεις, ειδικότερα τις εξισώσεις του Maxwell, οι οποίες ένωσαν σε μία ενιαία θεωρία τον ηλεκτρισμό και το μαγνητισμό, αλλά και εξήγησαν την κλασική θεωρία του φωτός. Το Καθιερωμένο Μοντέλο περιλαμβάνει επίσης την κβαντική μηχανική, η οποία εξήγησε τελικά τα πρότυπα που φαίνονται στον χημικό περιοδικό πίνακα και ξεκαθάρισε πράγματα, όπως το φάσμα του φωτός που εκπέμπεται από τα λαμπερά αέρια και τις λεπτομέρειες για το πώς λειτουργούν πραγματικά οι ατομικοί και χημικοί δεσμοί.

Η ιστορία της κβαντικής μηχανικής έχει ειπωθεί πολλές φορές στο παρελθόν. Οι Planck, deBroglie, Schrödinger, Heisenberg, Bohr και όλα τα άλλα γνωστά ονόματα, επεξεργάστηκαν την κβαντισμένη φύση του ατόμου, ενώ οι Hertz, Young, Einstein και άλλοι, ξεχώρισαν τη φύση του φωτονίου. Οι Thompson, Rutherford, Chadwick και οι σύγχρονοί τους, ανακαλύψαν τα συστατικά του πυρήνα του ατόμου.

Εικ. 1.Το Καθιερωμένο Μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής αποτελείται από έξι κουάρκ, έξι λεπτόνια, τέσσερα σωματίδια μεταφοράς δύναμης και το πεδίο Higgs που δίνει μάζα σε όλα.

Αυτό το πάνθεον των μεγάλων μυαλών μάς δίδαξε ότι όλη η χημεία θα μπορούσε να εξηγηθεί ως ένας ατελείωτος συνδυασμός των τριών σωματιδίων: πρωτονίων, νετρονίων και ηλεκτρονίων, που διέπονται από τους κανόνες της κβαντικής μηχανικής και της δύναμης του ηλεκτρομαγνητισμού. Έτσι, αυτό ήταν ήδη μία απίστευτη απλούστευση στην κατανόηση μας για τον κόσμο. Τρία σωματίδια, μία δύναμη και μερικές κβαντικές αρχές εξήγησαν τη συμπεριφορά της ύλης.

(περισσότερα…)

Η Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας

Του Richard P. Feynman

Ο Richard P. Feynman, ήταν ένας από τους σημαντικότερους θεωρητικούς φυσικούς του 20ου αιώνα και τιμήθηκε με το βραβείο Νόμπελ το 1965 για τη συμβολή του στην Κβαντική Ηλεκτροδυναμική, Οι διαλέξεις του έμειναν στην ιστορία της επιστήμης ως άριστο παράδειγμα εκλαΐκευσης σπουδαίων φυσικών εννοιών, με αποκορύφωμα την επινόηση των «διαγραμμάτων Φάινμαν», με τα οποία απλοποιήθηκαν οι υπολογισμοί για την αλληλεπίδραση των στοιχειωδών σωματιδίων.

Μία από τις διάσημες διαλέξεις του Φάινμαν ήταν η διάλεξή του για την Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας, η οποία δημοσιεύτηκε το 1964, ένα χρόνο δηλαδή πριν του απενεμηθεί το Βραβείο Νόμπελ, στο αμερικάνικο περιοδικό The Physics Teacher.

Είναι μία ευκαιρία για τους φυσικούς να φρεσκάρουν τις γνώσεις τους, αλλά και κάθε ένας που διαθέτει ικανοποιητικό μαθηματικό μπακράουντ και ενδιαφέρον για τις φυσικές επιστήμες να έρθει σε απαφή με μία από τις μεγαλύτερες επιστημονικές θεωρίες.

 

Η Αρχή της Σχετικότητας

Για περισσότερα από 200 χρόνια πίστευαν ότι οι εξισώσεις της κίνησης που διατυπώθηκαν από τον Νεύτωνα περιέγραφαν σωστά τη φύση, και  όταν ανακαλύφθηκε το πρώτο σφάλμα σε αυτούς τους νόμους, είχε ήδη ανακαλυφθεί και ο τρόπος για να διορθωθεί. Τόσο το λάθος όσο και η διόρθωσή του ανακαλύφθηκαν από τον Άινστάιν το 1905.
Ο Δεύτερος νόμος του Νεύτωνα, το οποίο έχουμε εκφράσει με την εξίσωση

    \[ F=\frac{d(mv)}{dt} \]

διατυπώθηκε με την σιωπηρή παραδοχή ότι η μάζα m είναι σταθερή, αλλά τώρα ξέρουμε ότι αυτό δεν είναι αλήθεια και ότι η μάζα ενός σώματος αυξάνεται με την ταχύτητα. Στο διορθωμένο τύπο του Αϊνστάιν το m παίρνει την τιμή

 

(1)   \begin{equation*}   m=\frac{m_0}{\sqrt{1-v^2/c^2}} \end{equation*}

 

όπου η «μάζα ηρεμίας» m0 αντιπροσωπεύει τη μάζα ενός σώματος, όταν αυτό δεν κινείται και c η ταχύτητα του φωτός, η οποία είναι περίπου 3×105 km/s.
Για εκείνους που θέλουν να μάθουν απλώς όσα χρειάζονται για να μπορούν να λύνουν προβλήματα, αυτό είναι αρκετό για τη θεωρία της σχετικότητας. Αλλάζουν απλώς τους νόμους του Νεύτωνα εισάγοντας έναν παράγοντα διόρθωσης στη μάζα. Από τον ίδιο τον τύπο, είναι εύκολο να δούμε ότι αυτή η αύξηση της μάζας είναι πολύ μικρή σε κανονικές συνθήκες. Ακόμη κι αν η ταχύτητα είναι τόσο μεγάλη όσο ενός δορυφόρου, που περιστρέφεται γύρω από τη Γη με 8km/ sec, τότε υ/c = 8 / 300.000. Αντικαθιστώντας στον τύπο γίνεται φανερό ότι η διόρθωση στη μάζα είναι της τάξεως μόνο του ενός προς δύο με τρία δισεκατομμυριοστά, η οποία είναι αδύνατον να παρατηρηθεί. Στην πραγματικότητα, η ορθότητα του τύπου έχει επιβεβαιωθεί πλήρως από την παρατήρηση πολλών ειδών σωματιδίων, που κινούνται με ταχύτητες που φθάνουν σχεδόν την ταχύτητα του φωτός. Ωστόσο, επειδή το αποτέλεσμα είναι συνήθως πολύ μικρό, είναι αξιοσημείωτο το γεγονός ότι ανακαλύφθηκε θεωρητικά πριν ανακαλυφθεί πειραματικά. Εμπειρικά, σε αρκούντως υψηλή ταχύτητα, το αποτέλεσμα είναι πολύ μεγάλο, αλλά δεν ανακαλύφθηκε μ’ αυτόν τον τρόπο. Ως εκ τούτου, είναι ενδιαφέρον να δούμε πώς ένας νόμος όπου εμπλέκονται τόσο λεπτές τροποποιήσεις (κατά τη στιγμή που ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά) ήλθε στο φως από έναν συνδυασμό πειραμάτων και εύλογων συλλογισμών. Συνεισφορές στην ανακάλυψη έγιναν από έναν αριθμό ανθρώπων, το τελικό αποτέλεσμα των εργασιών των οποίων ήταν η ανακάλυψη του Αϊνστάιν.

Υπάρχουν πραγματικά δύο θεωρίες της σχετικότητας του Αϊνστάιν. Αυτό το κεφάλαιο ασχολείται με την Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας, η οποία χρονολογείται από το 1905. Το 1915 ο Αϊνστάιν δημοσίευσε μια πρόσθετη θεωρία, που ονομάζεται Γενική Θεωρία της Σχετικότητας. Η τελευταία αυτή πραγματεύεται μία θεωρία με την επέκταση της Ειδικής Θεωρίας στην περίπτωση του νόμου της βαρύτητας. Δεν θα συζητήσουμε τη Γενική Θεωρία εδώ.

Η αρχή της σχετικότητας αναφέρθηκε για πρώτη φορά από το Νεύτωνα, σε ένα από τα πορίσματά του στους νόμους της κίνησης: «Οι κινήσεις των σωμάτων που περιλαμβάνονται σε ένα συγκεκριμένο χώρο είναι ίδιες μεταξύ τους, είτε ο χώρος είναι σε κατάσταση ηρεμίας ή κινείται προς τα εμπρός ευθύγραμμα και ομαλάΑυτό σημαίνει, για παράδειγμα, ότι αν ένα διαστημόπλοιο κινείται ευθύγραμμα και ομαλά, όλα τα πειράματα που εκτελούνται στο διαστημόπλοιο και όλα τα φαινόμενα που συμβαίνουν στο διαστημόπλοιο, θα εμφανίζονται τα ίδια όπως εάν το διαστημόπλοιο δεν κινείται, υπό την προϋπόθεση, φυσικά, ότι δεν βλέπεις προς τα έξω. Αυτό είναι το νόημα της αρχής της σχετικότητας. Είναι μια αρκετά απλή ιδέα και το μόνο ερώτημα που τίθεται είναι, αν είναι αλήθεια, ότι όλα τα πειράματα που εκτελούνται μέσα σε ένα κινούμενο σύστημα και οι νόμοι της φυσικής, είναι ίδιοι, όπως θα ήταν, αν το σύστημα ήταν ακίνητο. Ας εξετάσουμε πρώτα κατά πόσον οι νόμοι του Νεύτωνα παραμένουν οι ίδιοι σε κινούμενο σύστημα.

Σχετικότητα 1

Εικ. 1. Δύο συστήματα αναφοράς που κινούνται με σταθερή σχετική μεταξύ τους ταχύτητα κατά μήκος του άξονα x.


Ας υποθέσουμε ότι ο Moe κινείται προς τη διεύθυνση x με σταθερή ταχύτητα u και μετρά τη θέση ενός σταθερού σημείου Ρ, που φαίνεται στην Εικ. 1. Η  «x-απόσταση» του Moe από το σημείο P στο σύστημα συντεταγμένων του παριστάνεται με x΄.  Ο Joe είναι σε κατάσταση ηρεμίας και μετρά την θέση του ίδιου σημείου, στο δικό του σύστημα ως x. Η σχέση των συντεταγμένων στα δύο συστήματα είναι σαφής από το διάγραμμα. Μετά από χρόνο t η αρχική θέση του Moe έχει μετακινηθεί απόσταση ut, και εάν τα δύο συστήματα αρχικά συνέπιπταν θα έχουμε
:
(περισσότερα…)

Η φύση του Ηλεκτρονίου

Η αναζήτηση της φύσης του ηλεκτρονίου και της φύσης του φωτός αποτέλεσαν δύο από τα μεγαλύτερα προβλήματα της Φυσικής και λαμπρό πεδίο ερευνών όλων των μεγάλων επιστημόνων.  Ο καθηγητής-ερευνητής Don Licoln του Fermilab στο Σικάγο, ΗΠΑ, μας έχει δώσει πολλά άρθρα με τα οποία εκλαϊκεύει σύνθετες έννοιες της φυσικής, έτσι ώστε να δίνει την ευκαιρία σε όλους όσους διαθέτουν ένα σχετικά ανεκτό επίπεδο γνώσεων, να μπορούν να αντιλαμβάνονται τους βαθύτερους μηχανισμούς που διέπουν τα φυσικά φαινόμενα.

Στο παρακάτω άρθρο αναλύει σε σημαντικό βάθος τη φύση του ηλεκτρονίου, για το οποίο εκείνο που όλοι γνωρίζουμε είναι ότι πρόκειται για ένα μικρότατο σωματίδιο, συστατικό του κάθε ατόμου, έχει αρνητικό φορτίο και περιστρέφεται γύρω από τον πυρήνα. Πόσο κοντά στην πραγματικότητα είμαστε; Μήπως μπροστά μας έχουμε ένα πολύ πιο σύνθετο αντικείμενο, για το οποίο πολλά γνωρίζουμε, αλλά ακόμη πιο πολλά έχουμε να μάθουμε;

  • Του Don Licoln, καθηγητή-ερευνητή στο Fermilab, Chicago
  • Από το The Physics Teacher Magazine

Ο Winston Churchill είπε κάποτε ότι η Ρωσία ήταν ένα αίνιγμα τυλιγμένο στο μυστήριο μέσα σε ένα αίνιγμα. Αν το «Εγγλέζικο Μπουλντόγκ» ήταν φυσικός, θα μπορούσε να μιλήσει για κάτι άλλο, εκτός από τους Σλάβους συντρόφους μας. Θα μπορούσε να μιλήσει για το ηλεκτρόνιο.

Μπορεί να φαίνεται περίεργο να σκεφτούμε το ηλεκτρόνιο ως ένα μυστηριώδες σωματίδιο. Εξ άλλου, εκπαιδευτικοί που διδάσκουν εισαγωγική φυσική, διδάσκουν παντού τους μαθητές για το φορτίο και το ρεύμα και  κάνουν εργαστήρια για τον υπολογισμό του λόγου φορτίου προς μάζα του σωματιδίου. Αν είναι αρκετά εύκολο να καταλάβουμε ότι μπορούμε να παρουσιάσουμε τις τεχνικές λεπτομέρειες του σωματιδίου στους πρωτοετείς φοιτητές της φυσικής, τότε πόσο μυστηριώδες μπορεί να είναι;

Βέβαια, πιθανώς τώρα να γύρισαν οι σκέψεις σας στην κβαντική των ηλεκτρονίων και την εξίσωση του Schrödinger και στο αν οι γάτες είναι ζωντανές ή νεκρές, και ίσως αρχίσετε να θυμόσαστε ότι το ηλεκτρόνιο δεν μας έχει πει όλες τις ιστορίες του. Και η ιστορία της κβαντικής μηχανικής είναι πλέον παλιά, σχεδόν έναν αιώνα. Η επιστήμη έχει προχωρήσει και οι ερευνητές έχουν εγκαταλείψει τις απλούστερες κβαντικές παραστάσεις του ηλεκτρονίου για τις πιο προηγμένες της σχετικιστικής κβαντομηχανικής και της θεωρίας των κβαντικών πεδίων. Όπως η Σαλώμη, στην όπερα του Ρίχαρντ Στράους, το ηλεκτρόνιο φαίνεται να κάνει το χορό των επτά πέπλων και ο χορός δεν έχει ακόμη τελειώσει. Το ηλεκτρόνιο έχει ακόμα μερικά μυστικά να αποκαλύψει.

Αυτό το άρθρο θα καλύψει κυρίως τις πιο σύγχρονες αναπαραστάσεις του ηλεκτρονίου. Η ιστορία θα ξεκινήσει με μια σύντομη υπενθύμιση των ηλεκτρονίων της κλασικής φυσικής και των αρχών της κβαντικής θεωριάς, αλλά αυτά θα χρησιμοποιηθούν μόνο ως εφααλτήρια για να βυθιστούμε στην ιστορία των σύγχρονων ηλεκτρονίων. Και, όπως θα δούμε, αυτή η ιστορία πηγαίνει πολύ βαθιά.

 

Το αρχικό ηλεκτρόνιο

 

Μία συσκευή σαν το σωλήνα του Crookes, που εικονίζερται εδώ, επέτρεψε στους φυσικούς του 19ου αιώνα να μελετήσουν τις καθοδικές ακτίνες, ως μία πρώτη προσπάθεια να αντιληφυούν αυτό σήμερα αποκαλούμε ηλεκτρόνιο.

Εικ. 1. Μία συσκευή σαν το σωλήνα του Crookes, που εικονίζεται εδώ, επέτρεψε στους φυσικούς του 19ου αιώνα να μελετήσουν τις καθοδικές ακτίνες, ως μία πρώτη προσπάθεια να αντιληφθούν αυτό που σήμερα αποκαλούμε ηλεκτρόνιο.

(περισσότερα…)

Η ανίχνευση των Βαρυτικών Κυμάτων

Στις 11 φεβρουαρίου 2016 το Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων LIGO, WA, ανακοίνωσε:

«Ανοίγει το νέο παράθυρο στο Σύμπαν με την παρατήρηση των βαρυτικών κυμάτων από συγκρουόμενες μαύρες οπές.
Για πρώτη φορά, οι επιστήμονες έχουν παρατηρήσει κυματισμούς στον ιστό του χωροχρόνου που ονομάζονται βαρυτικά κύματα, που φθάνουν στη Γη από ένα κατακλυσμικό γεγονός στο μακρινό σύμπαν. Αυτό επιβεβαιώνει μια σημαντική πρόβλεψη του 1915 της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν και ανοίγει ένα άνευ προηγουμένου νέο παράθυρο στο σύμπαν.

Τα βαρυτικά κύματα μεταφέρουν πληροφορίες σχετικά με τη δραματική προέλευσή τους και σχετικά με τη φύση της βαρύτητας που δεν μπορεί αλλιώς να αποκτηθεί. Οι φυσικοί έχουν καταλήξει στο συμπέρασμα ότι τα βαρυτικά κύματα που ανιχνεύτηκαν παράγονται κατά τη διάρκεια του τελικού κλάσματος του δευτερολέπτου της συγχώνευσης δύο μαύρων οπών σε μία ενιαία, πιο μαζική περιστρεφόμενη μαύρη τρύπα. Αυτή η σύγκρουση των δύο μαύρων τρυπών είχε προβλεφθεί, αλλά ποτέ δεν είχε παρατηρηθεί.

Τα βαρυτικά κύματα εντοπίστηκαν στις 14 Σεπτεμβρίου, 2015 5:51 πμ Ανατολική Ώρα (9:51 UTC) και από τα δύο δίδυμα συμβολόμετρα Laser του παρατηρητήριου βαρυτικών κυμάτων (LIGO), που βρίσκεται στο Λίβινγκστον της Λουιζιάνα, και Χάνφορντ στην Ουάσιγκτον , ΗΠΑ. Τα Παρατηρητήρια LIGO, που χρηματοδοτήθηκαν από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών (NSF), σχεδιάστηκαν, κατασκευάστηκαν και λειτουργούν από το Caltech και το MIT. Η ανακάλυψη έγινε δεκτή για δημοσίευση στο περιοδικό Physical Review Letters και είναι αποτέλεσμα συνεργασίας του Παρατηρητηρίου Βαρυτικών Κυμάτων LIGO και της Virgo στην Ιταλία, που χρησιμοποιεί δεδομένα από τους δύο ανιχνευτές LIGO.

(περισσότερα…)

Η επιστημονική μελέτη του αινίγματος της δοκού που βάλλεται από σφαίρα

  • The Physics Teacher
  • By Asif Shakur, Salisbury University, Maryland US

Το παρακάτω άρθρο αναφέρεται σε ένα ενδιαφέρον πρόβλημα, με το οποίο μπορούν να ασχοληθούν οι μαθητές της Γ΄ Λυκείου, που επιθυμούν να εμπεδώσουν τις γνώσεις τους πάνω στις αρχές της διατήρησης της Ορμής και της Ενέργειας καθώς και στην περιστροφή στερεού σώματος. Δίνει όμως το έναυσμα και σε εκπαιδευτικούς να προχωρήσουν στη σύνθεση ερωτημάτων προς τους μαθητές τους σχετικά με την εφαρμογή των αρχών της διατήρησης.

Βίντεο 1: Οι δύο ξύλινες δοκοί χτυπιούνται σε διαφορετικά σημεία. Η μία κατ’ ευθείαν στο κέντρο της (η δοκός δεν περιστρέφεται) και η άλλη εκτός κέντρου (η δοκός περιστρέφεται). Ποια δοκός ανεβαίνει ψηλότερα;


Βίντεο 2: Η απάντηση. Και οι δύο φτάνουν στο ίδιο ύψος. Γιατί;

Η επιστημονική μελέτη του βίντεο της δοκού που βάλλεται από μία σφαίρα, δείχνει μια ξύλινη δοκό, η οποία βάλλεται από ένα κάθετο προς το στόχο τουφέκι. Το βίντεο δείχνει ότι η δοκός που χτυπήθηκε κατ’ ευθείαν στο κέντρο πηγαίνει ακριβώς τόσο υψηλό όσο θα πήγαινε αν τη χτυπούσαμε εκτός κέντρου(έκκεντρα). (Εικ. 1). Το πρόβλημα είναι ότι η δοκός που κτυπήθηκε εκτός κέντρου μεταφέρει, εκτός από την βαρυτική δυναμική ενέργεια και περιστροφική κινητική ενέργεια. Αυτό οδηγεί την πλειοψηφία των bloggers να ισχυριστεί ότι η δοκός που πυροβολήθηκε εκτός κέντρου δεν πρέπει να πάει τόσο ψηλά όσο αυτή που πυροβολήθηκε στο κέντρο. Άλλοι έχουν υποστηρίξει ότι η ενέργεια που συνδέεται με την περιστροφή είναι ασήμαντη και οι δύο περιπτώσεις και η δοκός θα πρέπει να ανεβεί στο ίδιο ύψος μέσα στα όρια του πειραματικού σφάλματος.

(περισσότερα…)

Το μεγαλύτερο πείραμα Φυσικής του κόσμου έτοιμο για επανεκκίνηση

Του Jamie Condliffe

LHC 1Ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC) είναι το πιο τολμηρό πείραμα φυσικής στην ανθρώπινη ιστορία. Τώρα οι επιστήμονες ετοιμάζονται να επανεκκινήσουν το γιγαντιαίο επιταχυντή σωματιδίων για μια νέα σειρά πειραμάτων. Την τελευταία φορά, πέτυχαν σχεδόν το αδύνατο και βρήκαν το μποζόνιο Higgs. Αυτή τη φορά, θα μπορούσαν να βρουν κάτι ακόμα πιο συναρπαστικό.

Το 2008, μόλις εννέα ημέρες από την έναρξη των πειραμάτων, υπήρξε μία σημαντική βλάβη στο Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων. Μια ελαττωματική ηλεκτρική σύνδεση ανάμεσα σε δύο μαγνήτες σταμάτησε την υπεραγωγιμότητα και στη συνέχεια έλιωσε και προκάλεσε σοβαρή βλάβη στην εγκατάσταση. Το ατύχημα καθυστέρησε τη χρήση του LHC για έξι ολόκληρους μήνες, λόγω των επισκευών και δοκιμών που πραγματοποιήθηκαν, αλλά αυτό σήμαινε επίσης ότι οι εγκαταστάσεις χρησιμοποιήθηκαν για τρία χρόνια, σε πολύ μικρότερο εύρος από ό, τι τις είχαν οραματιστεί.

Παρόλα αυτά ο επιταχυντής ανταποκρίθηκε. Στις 4 Ιουλίου του 2012, επιστήμονες από δύο πειράματα στον LHC – CMS και ATLAS – ανακοίνωσαν ότι είχαν ανακαλύψει ένα νέο μποζόνιο. Ήταν το μποζόνιο Higgs, το αόρατο σωματίδιο που δίνει μάζα στα πάντα και, με τη σειρά του, κρατάει το σύμπαν ενωμένο. Το εύρημα ήταν αναμφισβήτητα το μεγαλύτερο επιστημονικό πόρισμα της δεκαετίας, ίσως ακόμη περισσότερο.

(περισσότερα…)

Νίκολα Τέσλα: Ο πατέρας της θανατηφόρας ακτίνας

Από το World Science Festival

Οι μαθητές μας γνωρίζουν τον Τέσλα από την ομώνυμη μονάδα έντασης του μαγνητικού πεδίου. Όμως ο σερβικής καταγωγής Αμερικανός Νίκολα Τέσλα παραμένει ένας από τους κορυφαίους επιστήμονες του 19ου και 20ου αιώνα που ασχολήθηκε ιδιαίτερα με τον ηλεκτρομαγνητισμό. 158 χρόνια μετά τη γέννησή του και 71 χρόνια μετά το θάνατό του οι οραματισμοί του Τέσλα για την επιστήμη και την τεχνολογία εξακολουθούν να μας εντυπωσιάζουν και να τον καθιστούν εξαιρετικά επίκαιρο. Ιδού ένα ενδιαφέρον άρθρο του επιστημονικού site World Science festival.

Μια δημόσια επίδειξη του Νίκολα Τέσλα στο εργαστήριό του στο Colorado Springs

Μια δημόσια επίδειξη του Νίκολα Τέσλα στο εργαστήριό του στο Colorado Springs το Δεκέμβρη 1899 – γεγονός που υποδηλώνει ότι ήταν ευτυχής να παίζει με την προσωπική του μυθοπλασία.

Μια κινούμενη μάζα αντιστέκεται σε κάθε αλλαγή κατεύθυνσης. Ο εφευρέτης ΝίκολαΤέσλα είπε κάποτε: «Με τον ίδιο τρόπο, ο κόσμος αντιτίθεται σε μια νέα ιδέα.»

Ωστόσο, τελικά οι καλές νέες ιδέες έχουν την τάση να κερδίζουν παρά την αντίσταση που συναντούν. Ο Τέσλα ήταν ένας οραματιστής της εποχής του – αν και πολλά από τα μεγάλα όνειρά του για την αξιοποίηση των δυνάμεων της φύσης έπρεπε να αναβληθούν π για μετά το θάνατό του το 1943. Αυτές τις μέρες (10 Ιουλίου) θα ήταν τα 158ά γενέθλιά του και με την ευκαιρία θα θέλαμε να αφιερώσουμε κάποιο χρόνο για να εξετάσουμε μερικά από τα μεγαλεπήβολα οράματα του Τέσλα, μερικά από τις οποία έχουν γίνει πραγματικότητα, και άλλα-ευτυχώς-δεν έχουν ακόμη υλοποιηθεί.

Όραμα του Τέσλα: Εναλλασσόμενο ρεύμα για όλους

Ο «πόλεμος των ρευμάτων» μεταξύ του μοντέλου του Τέσλα για τη μετάδοση του ηλεκτρικού ρεύματος με εναλλασσόμενο και του Τόμας Έντισον με συνεχές ρεύμα, προχώρησε πολύ πιο άσχημα από τις περισσότερες επιστημονικές διαφωνίες. Ο Έντισον σύγκρινε το συνεχές ρεύμα – όπου η ηλεκτρική ενέργεια ρέει πάντα προς την ίδια κατεύθυνση – με ένα ειρηνικό ποτάμι, αλλά επέκρινε το εναλλασσόμενο – όπου το ρεύμα αντιστρέφει την κατεύθυνσή του κάπου 50 έως 60 φορές ανά δευτερόλεπτο – συγκρίνοντάς το με έναν ορμητικό χείμαρρο. Ο Έντισον μάλιστα προκάλεσε ηλεκτροπληξία σε ζώα, με πιο γνωστή αυτή του ελέφαντα Topsy από το τσίρκο Coney Island, για να αποδείξει πόσο επικίνδυνο ήταν το εναλλασσόμενο ρεύμα.
(περισσότερα…)

Σκοτεινή Ύλη

Dark matter

Μόνο ένα 4% είναι ό, τι βλέπουμε στο Σύμπαν

  • The Physics Teacher
  • By Don Lincoln, Fermi National Accelerator Laboratory, Batavia II

 

Είναι ένα σκοτεινό, σκοτεινό σύμπαν εκεί έξω , και δεν εννοώ ότι ο νυχτερινός ουρανός είναι μαύρος. Στο κάτω κάτω, όταν φεύγετε από τη σκιά της Γης και βγαίνετε στο διάστημα, περιβάλλεστε από αμέτρητα λαμπερά φώτα που σας κοιτάζουν από παντού. Αλλά για όλα τα δισεκατομμύρια δισεκατομμυρίων άστρα και γαλαξίες, είναι εκπληκτικό το γεγονός ότι η συνήθης ύλη που τα συνθέτει, όπως αυτή που συνθέτει εσάς και εμένα, δεν είναι παρά το 5% του συνολικού ποσού της ενέργειας του σύμπαντος. Η λαμπερό θέαμα του ουρανού είναι μάλλον ένα μικρό κερασάκι σε ένα πολύ μεγάλο και σκοτεινό κέικ.
Σύμφωνα με τις πιο πρόσφατες εκτιμήσεις, η συνήθης ύλη αποτελεί μόνο το 4,6% του σύμπαντος, με μια μορφή ύλης που ονομάζεται «σκοτεινή ύλη» να είναι το 22,7 % . Ένα ακόμη πιο απόκρυφο συστατικό του σύμπαντος ονομάζεται «σκοτεινή ενέργεια» και περιλαμβάνει ένα επιβλητικό 72,7 % του προϋπολογισμού της ενέργειας και της ύλης του σύμπαντος. Αυτό το άρθρο περιγράφει την τρέχουσα κατανόησή μας για τη σκοτεινή ύλη και γιατί τόσοι πολλοί αστρονόμοι είναι πεπεισμένοι ότι υπάρχει. Μία από τις διάφορες πτυχές των αποδεικτικών στοιχείων για την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης έχει επίσης παιδαγωγικό ενδιαφέρον, καθώς αποτελεί μοναδικό αίνιγμα στα κοσμικά σύνορα που είναι εύκολα κατανοητό μόνο με τη χρήση της άλγεβρας της εισαγωγικής Φυσικής.

(περισσότερα…)

Τα μαθηματικά εξηγούν τις απίθανες επιτυχίες και τα θαύματα στις λαχειοφόρες αγορές

 

  • Scientific American
  • By David J. Hand
Γιατί δε θα πρέπει να εκπλήσσεστε όταν συμβαίνουν απίθανες επιτυχίες, θαύματα και άλλα εξαιρετικά γεγονότα – ακόμη κι όταν τα έξι νούμερα του λόττο εμφανίζονται τα ίδια σε δύο διαδοχικές κληρώσεις.
 
Ένα σύνολο μαθηματικών νόμων που τους αποκαλούμε Αρχή της Απιθανότητας μάς λέει ότι δεν πρέπει να εκπλησσόμαστε από συμπτώσεις. Στην πραγματικότητα, θα πρέπει να περιμένουμε να συμβούν οι συμπτώσεις. Ένα από τα βασικά σκέλη της αρχής είναι ο νόμος των πραγματικά μεγάλων αριθμών. Ο νόμος λέει ότι, δοθέντων αρκετών ευκαιριών, θα πρέπει να περιμένουμε ένα συγκεκριμένο γεγονός να συμβεί, δεν έχει σημασία πόσο απίθανο μπορεί να είναι σε κάθε ευκαιρία. Μερικές φορές, όμως, όταν υπάρχουν πραγματικά πολλές ευκαιρίες, μπορεί να φανεί σαν να υπάρχουν σχετικά λίγες. Αυτή η λανθασμένη αντίληψη μάς οδηγεί να υποτιμούμε κατάφωρα την πιθανότητα ενός γεγονότος: πιστεύουμε ότι κάτι είναι εξαιρετικά απίθανο, όταν στην πραγματικότητα είναι πολύ πιθανό, ίσως σχεδόν βέβαιο.
Πώς μπορεί ένας τεράστιος αριθμός ευκαιριών να συμβεί χωρίς οι άνθρωποι να συνειδητοποιούν ότι υπάρχει; Ο νόμος των συνδυασμών, ένα άλλο σκέλος της αρχής της Απιθανότητας, δείχνει το δρόμο. Λέει : ο αριθμός των συνδυασμών των αλληλεπιδρώντων στοιχείων αυξάνει εκθετικά με τον αριθμό των στοιχείων. Το «πρόβλημα των γενεθλίων» είναι ένα πολύ γνωστό παράδειγμα.
 

Μήπως το αδύνατον είναι το πιο πιθανό;

Μήπως το αδύνατον είναι το πιο πιθανό;

Το πρόβλημα των γενεθλίων θέτει το εξής ερώτημα: Πόσοι άνθρωποι πρέπει να είναι σε ένα δωμάτιο για να γίνει πιο πιθανό από το να μη συμβεί δύο από αυτούς να μοιράζονται τα ίδια γενέθλια;  (περισσότερα…)
Τοπίο στη Φυσική © 2014 Frontier Theme