Τοπίο στη Φυσική

Ερευνητές σύντηξης στην Εθνική Εγκατάσταση Ανάφλεξης των Η.Π.Α. δημιούργησαν μια αντίδραση που παρήγαγε περισσότερη ενέργεια από όση έβαλαν

• Από τους Jeff Tollefson, Elizabeth Gibney, για το Nature magazine με αναδημοσίευση στο Scientific American

Οι επιστήμονες στη μεγαλύτερη εγκατάσταση πυρηνικής σύντηξης στον κόσμο πέτυχαν το φαινόμενο που είναι γνωστό ως ανάφλεξη – δημιουργώντας μια πυρηνική αντίδραση που παράγει περισσότερη ενέργεια από όση καταναλώνει. Τα αποτελέσματα της σημαντικής ανακάλυψης στην Εθνική Εγκατάσταση Ανάφλεξης των ΗΠΑ (NIF), που διεξήχθη στις 5 Δεκεμβρίου και ανακοινώθηκε στις 13 Δεκεμβρίου 2022 από την κυβέρνηση του προέδρου των ΗΠΑ Τζο Μπάιντεν, ενθουσίασαν την παγκόσμια ερευνητική κοινότητα σύντηξης. Αυτή η έρευνα στοχεύει να αξιοποιήσει την πυρηνική σύντηξη – το φαινόμενο που τροφοδοτεί τον Ήλιο – για να παρέχει μια πηγή σχεδόν απεριόριστης καθαρής ενέργειας στη Γη.

«Είναι ένα απίστευτο επίτευγμα», λέει ο Mark Herrmann, αναπληρωτής διευθυντής για θεμελιώδη φυσική όπλων στο Lawrence Livermore National Laboratory στην Καλιφόρνια, το οποίο στεγάζει το εργαστήριο σύντηξης. Το πείραμα ορόσημο έρχεται μετά από χρόνια εργασίας από πολλές ομάδες σε οτιδήποτε, από λέιζερ και οπτικά, έως στόχους και μοντέλα υπολογιστών, λέει ο Herrmann. «Φυσικά αυτό είναι που γιορτάζουμε».

Μια ναυαρχίδα πειραματικής εγκατάστασης του προγράμματος πυρηνικών όπλων του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ που σχεδιάστηκε για να μελετά τις αντιδράσεις που δημιουργούνται από τέτοια όπλα, η NIF, είχε αρχικά στόχο να επιτύχει ανάφλεξη μέχρι το 2012 και αντιμετώπισε κριτική για καθυστερήσεις και υπερβάσεις κόστους. Τον Αύγουστο του 2021, επιστήμονες της NIF ανακοίνωσαν ότι είχαν χρησιμοποιήσει τη συσκευή τους λέιζερ υψηλής ισχύος για να επιτύχουν μια αντίδραση ρεκόρ, που ξεπέρασε ένα κρίσιμο όριο στην πορεία προς την ανάφλεξη, αλλά οι προσπάθειες να επαναλάβουν αυτό το πείραμα ή την κρούση τους επόμενους μήνες απέτυχαν. Τελικά, οι επιστήμονες ακύρωσαν τις προσπάθειες να αναπαραγάγουν αυτό το πλάνο και τους έκανε να ξανασκεφτούν τον πειραματικό σχεδιασμό – μια προσπάθεια που απέδωσε καρπούς την περασμένη εβδομάδα.

«Υπήρχαν πολλοί άνθρωποι που δεν πίστευαν ότι ήταν δυνατό, αλλά εγώ και άλλοι που κράτησαν την πίστη τους, νιώθουμε κάπως δικαιωμένοι», λέει ο Michael Campbell, πρώην διευθυντής του εργαστηρίου σύντηξης στο Πανεπιστήμιο του Ρότσεστερ στη Νέα Υόρκη και πρώιμος υποστηρικτής της NIF ενώ βρισκόταν στο εργαστήριο Lawrence Livermore. «Έχω ένα σύμπαν για να γιορτάσω».

Το Nature εξετάζει το τελευταίο πείραμα της NIF και τι σημαίνει για την επιστήμη της σύντηξης.

Για να κατανοήσετε το κλίμα της Γης, σκεφτείτε το ως μια γιγάντια, πλανητικής κλίμακας θερμική μηχανή, που καθορίζει την κυκλοφορία των ωκεανών και της ατμόσφαιρας.

• Martin Singh, Monash University in Victoria, Australia
• Morgan O’Neill, Stanford University in California
• Από το Physics Today

Κατά τη διάρκεια της ιστορίας της, η Γη έχει βιώσει πολύ διαφορετικά κλίματα, συμπεριλαμβανομένων του «Γη χιονοστιβάδας», κατά τη διάρκεια των οποίων ο πλανήτης πιστεύεται ότι ήταν εξ ολοκλήρου καλυμμένος με πάγο, και περιόδους θερμοκηπίου, κατά τις οποίες προϊστορικοί αλιγάτορες μπορεί να περιφέρονταν στην Αρκτική. Οι πρόσφατες ανθρωπογενείς εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου είναι η αιτία της σύγχρονης, ταχείας κλιματικής αλλαγής, η οποία αποτελεί αυξανόμενο κίνδυνο για τις κοινωνίες και τα οικοσυστήματα.

Το κλιματικό σύστημα περιλαμβάνει τα ρευστά περιβλήματα της Γης: την ατμόσφαιρα, τους ωκεανούς και την κρυόσφαιρα (σ.μ. τα παγωμένα μέρη της Γης). Αυτά τα συστατικά, μαζί με τις εξελισσόμενες επιφανειακές ιδιότητες της στερεάς λιθόσφαιρας, είναι υπεύθυνα για την ανάκλαση και την απορρόφηση της περισσότερης ακτινοβολίας που λαμβάνεται από τον Ήλιο. Το κλιματικό σύστημα είναι κοντά σε ένα ενεργειακό ισοζύγιο ανά πάσα στιγμή. Η συνολική ενέργεια δεν παρουσιάζει σημαντικές διακυμάνσεις στο χρόνο επειδή η επίγεια ακτινοβολία εκπέμπεται στο διάστημα με τον ίδιο περίπου ρυθμό με τον οποίο απορροφάται η ηλιακή ενέργεια.

Το ότι βρίσκεται σε σχεδόν ακριβή ενεργειακή ισορροπία με το σύμπαν επιτρέπει στη Γη να έχει ένα σχετικά οικείο κλίμα αύριο και σε έναν αιώνα από τώρα. Αλλά με την πάροδο του χρόνου, μικρές αποκλίσεις από ένα αυστηρό ενεργειακό ισοζύγιο μπορούν να προκαλέσουν στο κλίμα τεράστιες αλλαγές. Τέτοιες μικρές αποκλίσεις οφείλονται στους ημερήσιους και εποχιακούς κύκλους, στις τροχιακές διακυμάνσεις — στους κύκλους Milankovitch, για παράδειγμα (βλ. το άρθρο του Mark Maslin, Physics Today, Μάιος 2020, σελίδα 48)— και σε εσωτερικές δυνάμεις, όπως οι ανθρωπογενείς εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα .

Ένα άλλο χαρακτηριστικό του κλίματος της Γης – στην πραγματικότητα, οποιουδήποτε πλανητικού κλίματος – είναι ότι εξελίσσεται μη αναστρέψιμα. Φανταστείτε να παρακολουθείτε ένα βίντεο 10 δευτερολέπτων ενός χωραφιού με ένα φυλλώδες δέντρο μια ηλιόλουστη μέρα. Θα παρατηρούσατε αν αυτό το βίντεο είχε εμφανιστεί αντίστροφα; Μάλλον όχι. Τώρα φανταστείτε να παρακολουθείτε ένα κλιπ 10 δευτερολέπτων από το ίδιο χωράφι και δέντρο κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας. Θα μπορούσατε πιθανώς να αξιολογήσετε αμέσως εάν το κλιπ προβλήθηκε εγκαίρως προς τα εμπρός ή προς τα πίσω. Ξεχωρίζουν μερικές προφανείς ενδείξεις: Η βροχή πρέπει να πέφτει προς το έδαφος και τα φύλλα πρέπει να χωρίζονται από το δέντρο και να μην προσκολλώνται σε αυτό.

Το κλιματικό σύστημα περιέχει μυριάδες μη αναστρέψιμες διεργασίες και, τόσο σε μια ήρεμη όσο και σε μια θυελλώδη ημέρα, παράγουν εντροπία. Όπως η ενέργεια, η εντροπία είναι μια ιδιότητα οποιουδήποτε θερμοδυναμικού συστήματος και μπορεί να υπολογιστεί εάν κάποιος γνωρίζει την κατάσταση του συστήματος. Αλλά σε αντίθεση με την ενέργεια, η εντροπία δεν διατηρείται. Αντίθετα, παράγεται συνεχώς με μη αναστρέψιμες διαδικασίες. Αν και οι φυσικοί θεωρούν συχνά ιδανικές, αναστρέψιμες διεργασίες, όλες οι πραγματικές φυσικές διεργασίες είναι μη αναστρέψιμες και επομένως παράγουν εντροπία.

Σύμφωνα με τον δεύτερο θερμοδυναμικό νόμο, η μη αναστρεψιμότητα στο κλιματικό σύστημα αυξάνει μόνιμα τη συνολική εντροπία του σύμπαντος. Όπως και στην περίπτωση της συνολικής ενέργειας, ωστόσο, η συνολική εντροπία στο κλιματικό σύστημα είναι σχετικά σταθερή. Αυτό συμβαίνει επειδή το κλίμα είναι ένα ανοιχτό σύστημα που δέχεται πολύ λιγότερη εντροπία από τον Ήλιο από ό,τι εξάγει στο σύμπαν (βλ. πλαίσιο 1). Η διαφορά μεταξύ αυτού που εισάγεται και αυτού που εξάγεται παράγεται τοπικά, μέσω τριβής, ανάμειξης ή μη αναστρέψιμων αλλαγών φάσης.

Αν και το κλίμα είναι περίπου σταθερό, απέχει πολύ από τη θερμοδυναμική ισορροπία, η οποία θα ήταν μια πολύ ψυχρή και βαρετή κατάσταση χωρίς κίνηση. Αντίθετα, το κλιματικό σύστημα μπορεί να θεωρηθεί ως ένας κινητήρας, που τροφοδοτείται από την άνιση κατανομή της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει σε αυτό. Είναι αυτές οι διαφορές στην ενέργεια, και οι προκύπτουσες διαφορές στη θερμοκρασία και την πίεση που παράγουν, που επιτρέπουν στον άνεμο να φυσά.

Το πώς χρησιμοποιούμε το μαθηματικό φορμαλισμό μέσα στην τάξη, όσοι διδάσκουμε μαθήματα φυσικών επιστημών, είναι ένα τεράστιο κεφάλαιο, που ποτέ δε θα κλείσει. Πώς θα περάσουμε τη γνώση στους μαθητές μας; Θα παραμείνουμε πιστοί στην εννοιολογική μέθοδο; Θα βασιστούμε στη σιγουριά των μαθηματικών, για να δώσουμε απλές συνταγές επίλυσης; Ποιο είναι το ιδανικό μείγμα φυσικών και μαθηματικών γνώσεων; Το παρακάτω άρθρο του καθηγητή βιοεπιστημών Edward F. Redish μας κάνει μία εισαγωγή στο πρόβλημα, εντοπίζει τις διαφορές των καθαρών μαθηματικών από τα μαθηματικά για τις φυσικές επιστήμες και μας δίνει το έναυσμα για περαιτέρω προβληματισμό.

• Edward F. Redish
• Από το περιοδικό The Physics Teacher

Η βασική διαφορά μεταξύ των μαθηματικών ως μαθηματικών και των μαθηματικών στις φυσικές επιστήμες είναι ότι στις επιστήμες συνδυάζουμε τη φυσική μας γνώση με τις γνώσεις μας για τα μαθηματικά. Αυτή η ανάμειξη αλλάζει τον τρόπο που δίνουμε νόημα στα μαθηματικά και ακόμη και τον τρόπο που ερμηνεύουμε τις μαθηματικές εξισώσεις. Το να μάθουμε να σκεφτόμαστε τη φυσική με μαθηματικά, αντί απλώς να υπολογίζουμε, αυτό περιλαμβάνει μια σειρά από γενικές επιστημονικές δεξιότητες σκέψης, που συχνά θεωρούνται δεδομένες (και σπάνια διδάσκονται) στα μαθήματα φυσικής. Σε αυτό το άρθρο, δίνω μια επισκόπηση της ανάλυσής μου για αυτές τις πρόσθετες δεξιότητες.

Πολλές από τις ιδέες και τις μεθόδους που συζητώ εδώ αναπτύχθηκαν στο πλαίσιο της μελέτης της εισαγωγικής φυσικής με φοιτητές βιοεπιστημών—πρώτα, βασισμένη στην άλγεβρα της φυσικής και στη συνέχεια στη NEXUS/Physics, ένα εισαγωγικό μάθημα φυσικής σχεδιασμένο ειδικά για τις βιοεπιστήμες Οι μαθητές σε αυτές τις τάξεις συχνά αντιστέκονται στην ιδέα ότι τα συμβολικά μεγέθη στις φυσικές επιστήμες αντιπροσωπεύουν φυσικές μετρήσεις και όχι αριθμούς και ότι οι εξισώσεις αντιπροσωπεύουν σχέσεις και όχι τρόπους υπολογισμού.

Τα μαθηματικά στην επιστήμη είναι διαφορετικά από τα μαθηματικά στα μαθηματικά

Στις φυσικές επιστήμες, τα σύμβολα αντιπροσωπεύουν ένα μείγμα – ένα νοητικό συνδυασμό φυσικής γνώσης με γνώση του πώς συμπεριφέρεται ένα μαθηματικό στοιχείο, όπως μια μεταβλητή ή μια σταθερά. Η εξέταση μιας εξίσωσης μέσω ενός μεγενθυτικού φακού που συνδυάζει τη φυσική και τα μαθηματικά αλλάζει τον τρόπο που τη σκεφτόμαστε και τη χρησιμοποιούμε.

Για παράδειγμα, όταν ορίζουμε το ηλεκτρικό πεδίο ως , έχουμε κατά νου ότι το F δεν είναι απλώς μια αυθαίρετη μεταβλητή, αλλά η συγκεκριμένη ηλεκτρική δύναμη που αισθάνεται το δοκιμαστικό φορτίο q, ένα εννοιολογικό μείγμα φυσικής και μαθηματικών. Στα μαθηματικά, θα συμπεριλαμβάναμε ρητά την q-εξαρτημένη στην ετικέτα μας. Στη φυσική, συνήθως δεν το κάνουμε. Μάλλον, περιμένουμε από τον θεατή να ερμηνεύσει το σύμβολο ως κάτι φυσικό και επομένως να συνειδητοποιήσει ότι, όταν το q αλλάζει, το ίδιο συμβαίνει και με το F. Ως αποτέλεσμα, όταν αλλάζει το q, το E δεν αλλάζει, εκπλήσσοντας τους μαθητές.

• Από το SCEPTIC Magazine, που εκδίδεται από τον οργανισμό SCEPTICS SOCIETY
• Του Daniel Loxton

To SCEPTIC SOCIETY είναι ένας μη κερδοσκοπικός μορφωτικός οργανισμός που προωθεί την επιστημονική γνώση, την κριτική σκέψη και ερευνά την ψευδοεπιστήμη και τα παραφυσικά φαινόμενα. Επικεφαλής και ιδρυτής του οργανισμού, στον οποίο μετέχουν πλήθος επιστημόνων, ερευνητών και δημοσιογράφων, είναι ο ακαδημαϊκός,καθηγητής του Chapman University, Michael Shermer, συγγραφέας επιστημονικών βιβλίων και ιστορίας της επιστήμης. Ένα από τα γνωστότερα βιβλία του είναι “Γιατί οι άνθρωποι πιστεύουν σε παράξενα πράγματα“, που έχει εκδοθεί από τις Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, μεταφρασμένο στα Ελληνικά.

Το άρθρο που ακολουθεί δημοσιεύτηκε στο τεύχος του SCEPTIC Magazine και το αναδημοσιεύουμε, κατόπιν αδείας, στο site μας μεταφρασμένο. Είναι ένα εξαιρετικά ενδιαφέρον άρθρο μέσα από το οποίο μπορεί να μάθει κανείς την ιστορία των εμβολιασμών, αλλά και των αντιεμβολιαστικών κινημάτων σ’ αυτήν την ιδιαίτερα φορτισμένη κρίσιμη περίοδο.

Γιάννης Γαϊσίδης

Αιώνες Δυστυχίας

Θα μάθουμε πώς ανακαλύφθηκαν τα εμβόλια, πώς λειτουργούν και πώς σώζουν ζωές. Θα δούμε τρομακτικούς μύθους και θεωρίες συνωμοσίας για τα εμβόλια. Και θα διερευνήσουμε τη σκοτεινή πλευρά της ιστορίας των εμβολίων – γιατί ανεξάρτητα από το πόσο ασφαλές είναι κάτι, τα πράγματα μπορούν να πάνε ακόμα πιο στραβά.

Ας ξεκινήσουμε από την αρχή. Φανταστείτε για μια στιγμή πώς ήταν η ζωή πριν από χιλιάδες χρόνια, πριν υπάρξουν τα εμβόλια. Οι μεταδοτικές ασθένειες ήταν παντού. Εάν ζούσατε στην αρχαιότητα, η ζωή σας μπορεί να απειλούνταν από επιδημίες θανατηφόρων ασθενειών κάθε λίγα χρόνια. Η οικογένειά σας μπορεί να επιβίωνε ή να μολυνόταν, απλά για να αρρωστήσει και να πεθάνει στη συνέχεια. Σχεδόν όλοι έφεραν τη θλίψη από την απώλεια των αγαπημένων τους από μεταδοτικές ασθένειες.

Ακόμη χειρότερα, οι αρχαίοι άνθρωποι δεν καταλάβαιναν γιατί υπήρχαν οι ασθένειες. Κανείς δεν ήξερε ότι υπήρχαν μικρόβια. Μάντευαν αντ ‘αυτού ότι οι θεοί πρέπει να ήταν θυμωμένοι. Φαντάζονταν ότι οι ασθένειες στάλθηκαν για να τιμωρήσουν την ανθρωπότητα.