Znajdź zawartość

Naukowcy z University of Bristol empirycznie dowiedli, że liczące sobie ponad 150 lat prawo Wiedmanna-Franza nie zawsze jest zachowane. Prawo to mówi, że w stosunek przewodnictwa cieplnego i elektrycznego w każdym metalu jest stały przy stałej temperaturze. Przed piętnastu laty dwójka amerykańskich fizyków wysunęła teorię, że prawo Wiedmanna-Franza nie ma zastosowania w metalu tworzącym strukturę dwuwymiarową. Wówczas bowiem elektron rozpadnie się na dwa stany kwazicząsteczkowe - spinon (posiadający spin, ale nie posiadający ładunku) oraz holon (niosący ładunek, ale nie spin). Amerykanie twierdzili, że gdy holon napotka zanieczyszczenie w metalu, odbije się, a spinon będzie w stanie wędrować dalej. W takim przypadku zatem ciepło będzie się dalej rozprzestrzeniało, a ładunek już nie. Różnica w przewodnictwie cieplnym i elektrycznym będzie rosła wraz ze spadkiem temperatury. Teraz obliczenia Amerykanów potwierdziła grupa pracująca pod kierunkiem profesora Nigela Husseya. Uczeni dowiedli, że dwuwymiarowy materiał może przewodzić ciepło 100 000 razy lepiej, niż inne metale, w których prawo Wiedemanna-Franza zachowuje ważność. To nie tylko szansa na wykorzystanie tego zjawiska w nowoczesnych technologiach, ale również dowód na bardzo silną separacje spinu i ładunku w dwuwymiarowym świecie.

Bartosz Grzybowski i jego zespół z Northwestern University twierdzą, że prowadzone od tysięcy lat badania nad elektrostatyką nie dały nam prawdziwych odpowiedzi. Przekonanie, iż elektryczność statyczna bierze się z wymiany jonów pomiędzy dwoma materiałami, wskutek której w jednym z nich powstaje nierównowaga jest, zdaniem Grzybowskiego, błędne. Uczeni wykorzystali mikroskop sił Kelvina, który pozwala na obserwację ładunków na powierzchni obiektów. Dzięki niemu odkryli, że zmiany, które prowadzą do pojawienia się ładunków elektrostatycznych nie są jednakowe, jak dotychczas sądzono. Zaobserwowali bowiem coś, co określili mianem kolażu dodatnio i ujemnie naładowanych „grudek". Naukowcy sądzą, że „grudki" te są przenoszone z jednego materiału na drugi podczas kontaktu. Innymi słowy, gdy pocieramy o siebie dwa obiekty, dochodzi między nimi do wymiany materiału w postaci tych właśnie „grudek" i to ich przeniesienie z jednego obiektu na drugi wywołuje nierównowagę w dotychczas stałym kolażu „grudek". Uczeni udowodnili istnienie „grudek" i faktu, iż są one przenoszone pomiędzy stykającymi się obiektami. Jednak nie wszyscy są przekonani, że to wystarczy do wyjaśnienia opisywanych zjawisk.

Choć wydaje się, że Afrykanki przenoszą ładunki na głowie z olbrzymią łatwością, w rzeczywistości wcale tak nie jest. Takiej metody transportu ciężarów nie można uznać za skuteczniejszą od innych, dodatkowo wywołuje ona ból szyi. Ray Lloyd z University of Abertay Dundee uważa zatem, że sposób transportu nie jest w tym przypadku kwestią wyboru, ale koniecznością, podyktowaną przez konkretne warunki środowiskowe i ukształtowanie terenu. Nosząc coś na głowie, kobiety uwalniają po prostu ręce na czas podróży. Mniej więcej ćwierć wieku temu przeprowadzono badania, z których wynikało, że technika kładzenia różnych obiektów na czubku głowy jest znacznie efektywniejsza od przenoszenia ich w rękach lub na plecach i dlatego mieszkanki Czarnego Lądu bez specjalnego wysiłku są w stanie transportować na głowie ciężary stanowiące do 1/5 (20%) wagi ich ciała. Na rezultaty opisane w Nature powołano się w publikacjach naukowych ponad 100-krotnie. Wg jednego z zaproponowanych wyjaśnień, część energii zużywanej na unoszenie ciężaru można wtedy przeznaczyć na samo przemieszczanie się. Lloyd przez 8 lat mieszkał w Botswanie, a do przeprowadzenia badań zainspirowały go widywane codziennie scenki rodzajowe. Szkot stwierdził, że w starszych studiach analizowano przypadki zaledwie 4-6 kobiet, stąd pomysł na powiększenie próby. Zespół z University of Abertay Dundee i RPA prowadził eksperymenty w Cape Peninsula University of Technology. Brały w nich udział 24 przedstawicielki ludu Khosa. Trzynaście z nich od ponad 10 lat nosiło na głowie ciężary, pozostałe nie miały żadnego doświadczenia w tej materii. Panie chodziły na bieżni bez ładunku i z ładunkiem na plecach bądź na głowie. Poza tym w badaniu wzięło udział 9 kobiet z British Territorial Army, które dotąd często przenosiły coś w plecakach, ale nigdy na głowie. Żadna z ochotniczek nie uznawała noszenia na głowie za łatwiejszą metodę. Wszystkie zużywały wtedy w przybliżeniu tyle samo tlenu, co podczas transportu ładunku na plecach. Co więcej, praktyka nie sprawiała, że noszenie na głowie stawało się łatwiejsze. Wcześniejsze doświadczenie nie dawało żadnych korzyści, a niektóre kobiety bez uprzedniej praktyki były najskuteczniejsze w noszeniu na głowie. Lloyd zaznacza, że doświadczenie nie łagodziło również bólu szyi oraz dyskomfortu. Kobiety wspominały, że po powrocie z wodopoju/studni trzeba było masować szyje matek i babek. Wszystkie badane zgodziły się co do tego, że wolałyby alternatywną metodę transportu niezbędnych dóbr, np. wody czy drewna na opał. Obecnie naukowcy ustalają (w planach jest wykonanie zdjęć rentgenowskich), czy noszenie ciężarów na głowie wywołuje długotrwałe urazy szyi. Chcą też zbadać starsze kobiety z jeszcze dłuższą praktyką w transportowaniu na głowie. Zaznaczają, że wymogi energetyczne noszenia wody i drewna zostaną także ocenione w terenie poza laboratorium. http://www.youtube.com/watch?v=2aR-OzItJVw

Podobno naukowcy są naukowcami dlatego, że zachowują dziecięcą ciekawość świata. I jak dzieci często psują zabawkę, żeby zobaczyć, co jest w środku, tak i dorośli badacze mają chęć zepsuć to i owo, żeby zobaczyć jak działa. A co może chodzić po głowie astrofizykom? Na przykład zepsucie czarnej dziury! Idea czarnej dziury, czyli obiektu tak masywnego, że jego siła grawitacji pochłania nawet światło, powstała już w osiemnastym wieku. Od samego początku ta wizja, początkowo tylko teoretyczna, fascynuje największe umysły naukowe. Odkąd wiemy, że takie obiekty istnieją naprawdę, pobudzają ciekawość badawczą jeszcze bardziej. Nie możemy obserwować ich bezpośrednio, a jedynie efekty ich działania, na przykład materię, która znika w czarnej dziurze. Dokładniej znika za horyzontem zdarzeń. Horyzont zdarzeń to punkt, zza którego nic, nawet światło, już nie wraca, takie przejście tylko w jedną stronę. To właśnie on powoduje, że czarna dziura jest dla nas „czarna", niewidoczna. Ach, móc tak zajrzeć za horyzont zdarzeń - pewnie wzdycha niejeden astrofizyk. Niestety, to nie możliwe. A może jednak? A gdyby tak się go... pozbyć? Brzmi absurdalnie, ale dla teoretyków nie ma rzeczy niemożliwych. Ted Jacobson z Uniwersytetu Maryland i Thomas Sotiriou z Uniwersytetu Cambridge uważają, że jest to możliwe. Teoretycznie. Sekret tkwi w matematyce. Istnienie horyzontu zdarzeń wokół czarnej dziury opisane jest nierównością: M² > (L/M)² + Q², gdzie M to masa czarnej dziury, L to moment pędu (inaczej kręt), zaś Q to ładunek. Wystarczy zatem zwiększyć wartość prawej strony nierówności, żeby ją odwrócić. Zatem potrzeba tylko zwiększyć kręt obiektu lub jego ładunek: nierówność ulegnie odwróceniu zaś horyzont zdarzeń zniknie, ujawniając nam to, co się za nim kryje. Zobaczyć nieskończoność i umrzeć? Co takiego moglibyśmy tam zobaczyć? Tutaj niestety fizyka staje się filozofią. Matematycznie rzecz ujmując, nieskończenie zakrzywioną przestrzeń - o ile w ogóle coś takiego można zobaczyć. To coś ma swoją nazwę: osobliwość. To miejsce, gdzie tracą sens znane nam prawa fizyki. Dla zwyczajnego fizyka osobliwość jest tworem wyłącznie teoretycznym. Pojawienie się osobliwości oznacza, że obowiązująca teoria zawodzi i potrzeba innej, żeby zjawisko opisać. Inaczej mówiąc, osobliwość jest nie tyle dziurą w strukturze wszechświata, co raczej dziurą w naszym rozumowaniu. Astrofizycy zaś uważają osobliwości za obiekty całkowicie realne. Roger Penrose i Stephen Hawking nawet udowodnili konieczność ich istnienia w kolapsie grawitacyjnym. Astrofizyk zatem chętnie by się pozbył horyzontu zdarzeń, żeby popatrzeć sobie na nieskończoność. Niestety, nieprędko astrofizycy będą mogli nasycić swój wzrok widokiem osobliwości obnażonej - pomysł pozbycia się horyzontu zdarzeń napotyka poważne trudności, już nawet nie tylko praktyczne, ale i teoretyczne. Realne obiekty - a już czarne dziury w szczególności - poza momentem pędu i ładunkiem posiadają masę. Ale kłopot zaczyna się wcześniej: wykorzystany wzór opisuje stan stabilny. Każda próba „karmienia" czarnej dziury zmienia stan rzeczy na dynamiczny i nieprzewidywalny. Nawet teoretycznie. Konieczne obliczenia są takim koszmarem, że nawet nie wiadomo, jak się za nie zabrać. Na to nie ma żadnej teorii i nikt nie ma pojęcia, co mogłoby z tego wyjść - przyznają Jacobson i Sotiriou. Takie teoretyczne popsucie czarnej dziury odsłoniłoby przed nami całkiem nową fizykę. Ale tej nie zobaczymy - nawet teoretycznie - dopóki nie powstanie teoria potrafiąca lepiej opisywać takie ekstremalne stany. Nie pojmiemy, póki nie zobaczymy, nie zobaczymy, póki nie pojmiemy. Nie wyjdziemy z tego zaklętego kręgu, póki nie pojawi się kolejny Einstein. Albo może póki ktoś nie wpadnie na pomysł, żeby eksperymentalnie psuć miniaturowe czarne dziury, które ponoć ma wytwarzać Wielki Zderzacz Hadronów.

Wysyłanie zaopatrzenia w przestrzeń kosmiczną jest niezwykle drogie. Wyniesienie każdego kilograma kosztuje około 10 000 dolarów. Zdaniem Johna Huntera, cenę tę można obniżyć do... 500 USD. Hunter w 1992 roku pracował w Lawrence Livermore National Laboratory, gdy wpadł na pomysł stworzenia działa, które wystrzeliwałoby ładunki w przestrzeń kosmiczną. Inspirację czerpał ze zbudowanego przez siebie 130-metrowego działa, które służyło do testowania silników naddżwiękowych. Działo było napędzane metanem, który powodował przesunięcie tłoku i sprężenie wodoru. Jego gwałtowne rozprężenie wystrzeliwało pocisk. Jako, że mechaniczne wystrzeliwanie czasem zawodzi, założona przez Huntera firma Quicklaunch zastąpiła tłok komorą spalania, w której powstaje olbrzymie ciśnienie. Hunter uważa, że możliwe jest skonstruowanie działa zdolnego wystrzelić półtonowy ładunek z prędkością 21 000 km/h. Proponuje on umieszczenie urządzenia w oceanie na równiku. Działo o długości 490 metrów unosiłoby się na wodzie i w dużej mierze byłoby w niej zanurzone. Quicklauncher ma być stabilizowany balastem, a dzięki swobodzie ruchów, jakie daje woda, będzie można ustawiać go tak, by wystrzeliwał ładunki na różne orbity. W przyszłym miesiącu Hunter chce przetestować 3-metrowy prototyp zanurzony w zbiorniku z wodą. Jego zdaniem pełnowymiarowe działo może powstać za 7 lat. Pod warunkiem, że firmie Quicklaunch uda się zebrać 500 milionów dolarów na niezbędne prace. Koszt jest ogromny, jednak naukowiec mówi, że już zdołał zainteresować swoim projektem inwestorów. Jeśli bowiem jego wyliczenia są prawidłowe i koszt wyniesienia kilograma ładunku uda się zmniejszyć aż 20-krotnie, to Quicklauncher może być świetną inwestycją. Niestety, działo z pewnością nie pozwoli na wynoszenie ludzi, gdyż podczas strzału przeciążenia mogą sięgać 5000 G. Zasada działania Quicklaunchera jest dość prosta. Najpierw w komorze spalany jest naturalny gaz. Obok komory w zbiorniku znajduje się wodór, który ogrzewa się do temperatury 1427 stopni Celsjusza, co prowadzi do 5-krotnego wzrostu ciśnienia. Operator otwiera zawory, wodór gwałtownie się rozpręża wystrzeliwując ładunek. Na końcu działa znajdują się zawory, które zamykają się, zatrzymując wodór, dzięki czemu można go ponownie użyć.

Naukowcy z izraelskiego Instytutu Weizmanna udowodnili istnienie użytecznych quasi-cząsteczek. Te zadziwiające cząstki mogą w przyszłości przydać się m.in. do budowy komputerów kwantowych. Istnienie quasi-cząsteczek zostało przewidziane teoretycznie 20 lat temu. Miały one towarzyszyć kwantowemu efektowi Halla. Izraelczycy po raz pierwszy natknęli się na quasi-cząsteczki już przed 10 laty. Quasi-cząsteczki to cząstki, które posiadają jedynie część ładunku elektronu. I to właśnie czyni je niezwykłymi, gdyż elektron jest niepodzielną cząstką. Okazuje się jednak, że jeśli ułożymy elektrony w dwuwymiarową strukturę wewnątrz półprzewodnika, schłodzimy do temperatury bliskiej zeru absolutnemu i poddamy działaniu pola magnetycznego prostopadłego do warstwy elektronów, to zaczną się one zachowywać jak quasi-cząsteczki o ładunkach mniejszych, niż ładunek elektronu. Dotychczas jednak udawało się uzyskać quasi-cząsteczki o ładunku, który miał nieparzysty mianownik. Ich ładunek był więc 1/3 czy 1/5 ładunku elektronu. Merav Dolev, student profesora Moty Heibluma, wraz z doktorami Vladimirem Umanskym i Dianą Mahalu oraz profesorem Adym Sternem, znaleźli sposób na stworzenie quasi-cząsteczki o precyzyjnie ustalonym przez nich ładunku. Stanowi on 1/4 ładunku elektronu. Naukowcy wykorzystali do produkcji półprzewodnika niezwykle czysty arsenek galu. Utworzyli następnie dwuwymiarową strukturę elektronów, umieszczając około 3 miliardów tych cząstek na powierzchni milimetra kwadratowego w taki sposób, by na każdą fluktuację pola magnetycznego przypadało po pięć elektronów. Stworzona przez nich struktura ma kształt spłaszczonego szkiełka od zegarka, z lekkim zgrubieniem pośrodku, które umożliwia ruch ograniczonej liczby naładowanych cząstek. Fluktuacje spowodowane ruchem cząstek w tym zgrubieniu umożliwiły naukowcom precyzyjne zmierzenie ładunku cząstek. Uczeni szukali quasi-cząstek o ładunku z parzystym mianownikiem, potrzebnym do stworzenia teoretycznego "topograficznego komputera kwantowego". Quasi-cząstki z mianownikiem nieparzystym, w przeciwieństwie do tych z parzystym, nie są bowiem dobrymi nośnikami informacji.

Naukowcy z Rutgers University przeprowadzili doświadczenie, które może pomóc wyjaśnić, jak doszło do rozstąpienia się wód Morza Czerwonego przed grupą ludzi prowadzonych przez Mojżesza. Okazuje się, że interwencja z zewnątrz wcale nie była konieczna... Zespół Troya Shinbrota wykorzystał w eksperymencie dwa rodzaje piasku. Były identyczne pod względem chemicznym i mechanicznym. Różniły się tylko tym, że jeden z nich zabarwiono na czerwono, a drugi na niebiesko. Wymieszano je w specjalnym urządzeniu, a następnie wysypano do znajdującej się poniżej zlewki. Już w czasie spadania dochodziło do spontanicznego rozdzielenia różnokolorowych ziarenek. Jedyne wyjaśnienie to oddziaływania elektrostatyczne. Podczas mieszania zmieniał się ładunek poszczególnych cząsteczek. W wyniku zderzania się niebieskie ziarnka traciły elektrony, a ich ładunek z obojętnego zmieniał się na dodatni. To nie jedyna obserwacja, która zaskoczyła naukowców. Niebieskie drobiny piasku lądowały w pobliżu również dodatnio naładowanego urządzenia: akceleratora elektrostatycznego Van de Graafa, a ładunki jednoimienne powinny się przecież odpychać. Gdy piasek "miksowano" w mieszalniku, co pewien czas widać było wyskakujące w górę na wysokość dwóch metrów ziarenka piasku. Działo się tak w wyniku odpychania ładunków jednoimiennych.