Znajdź zawartość

Mimo, że fizyka kwantowa to wciąż wiele niewiadomych, uważa się, że najważniejsze rzeczy już wiemy i że nie ulegną one już zmianom. Tymczasem nie jest tak dobrze. Najnowsze eksperymenty pokazują, że jedna z podstawowych cząstek elementarnych - proton, jest mniejsza, niż dotąd uważano. Wprawdzie zaledwie o 4%, czyli 0,00000000000003 milimetra, ale burzy to naszą dotychczasową wiedzę o budowie atomu. Ze szkoły każdy pamięta, że atom składa się z protonów (i ewentualnie neutronów), tworzących jądro oraz krążących wokół niego elektronów, protony mają dodatni ładunek elektryczny, elektrony ujemny, neutrony go nie posiadają. Protony i neutrony składają się z bardziej elementarnych cząstek zwanych kwarkami. Średnicę protonu mierzy się wykorzystując oddziaływanie między nim a orbitującym elektronem - orbita zależy od energii elektronu i rozmiaru protonu. Wszystkie eksperymenty dawały w wyniku zawsze rozmiar protonu 0,8768 femtometra. Do czasu. Randolf Pohl, naukowiec z Instytutu Optyki Kwantowej Maksa Plancka (Max-Planck-Institut für Quantenoptik) w niemieckim Garching po zastosowaniu innej metody uzyskał odmienne wyniki. Zamiast oddziaływania protonu z elektronem wykorzystał do pomiaru inną cząstkę, 207 razy cięższą od elektronu - mion. Większy rozmiar mionu sprawia, że jest on bardziej wrażliwy na oddziaływanie protonu. Aby zmierzyć oddziaływanie tych dwóch cząstek bombarduje się atomy wodoru strumieniem mionów. W pewnej części przypadków mion wybija elektron z jego powłoki i zastępuje go na tym miejscu. Przy pomocy laserów dokonano precyzyjnych pomiarów energii orbitującego mionu i obliczono rozmiar protonu. Wynik okazał się tak zaskakujący, że wstrząsnął fundamentami fizyki. Wynik mniejszy o 4% to może się wydawać niewiele, ale wskazuje, że coś jest z naszą teorią nie tak. Jest tak sprzeczny z dotychczasową wiedzą, że mimo iż już dwukrotnie - w roku 2003 i 2007 otrzymano taką wartość, zignorowano ją, sądząc że to błąd pomiaru spowodowany złą kalibracją laserów. Dziś już jednak nikt z badaczy nie sądzi, że wynik jest błędny. Z drugiej strony nie sposób też uznać za błędne poprzednich wyników, uzyskiwanych poprzez pomiar energii elektronu. Randolf Pohl uważa, że odnaleźliśmy poważną lukę w teorii i po prostu brakuje w niej jakiegoś fragmentu cząsteczkowej „układanki". Jednym z przypuszczeń jest jakaś cząsteczka związana z mionem, która zaburza oddziaływanie między mionem a protonem. Istnienie takich „partnerów" przewiduje teoria supersymetrii. Jedno jest pewne: naukowcy otrzymali kolejną łamigłówkę do rozwiązania, które to rozwiązanie bez wątpienia będzie fascynujące.

Komunikacja z łodziami podwodnymi to poważne wyzwanie technologiczne i wojskowe. Patrick Huber, fizyk z Virginia Tech uważa, że problem uda się rozwiązać, wykorzystując do przesyłania informacji... neutrino. Nowoczesne okręty podwodne mogą całymi tygodniami przebywać w ukryciu na głębokości poniżej 200 metrów. Mają jednak bardzo poważną wadę. Komunikacja z nimi możliwa jest tylko wówczas, gdy znajdują się blisko powierzchni. To naraża okręt na wykrycie i atak wroga. Problemem jest przesyłanie fal radiowych, które w wodzie rozchodzą się bardzo słabo. Tylko fale o ekstremalnie niskiej częstotliwości (ELF), wynoszącej poniżej 100 herców mogą przebyć większe odległości. Jednak przesyłanie danych z ich wykorzystaniem odbywa się niezwykle powoli, z prędkością zaledwie 1 bita na minutę. Okręty podwodne wykorzystują fale o bardzo niskiej częstotliwości (VLF), dochodzącej do kilku kilkoherców. Informacje można wówczas wysłać z prędkością nawet 50 bitów na sekundę, jednak odległość, jaką są w stanie przebyć fale jest mocno niezadowalająca. Bardzo interesującą propozycją jest wykorzystanie neutrino, problem jednak w tym, że przenikają one dosłownie przez wszystko, a więc ich wykrycie jest niemal niemożliwe. Jednak Peter Huber twierdzi, że gdyby udało się z nich skorzystać, prędkość przesyłania danych można by zwiększyć do 100 bitów na sekundę, informacje przebywałyby duże odległości i można by je wysyłać i odbierać nawet w maksymalnym zanurzeniu. Huber teoretyzuje, że do wysyłania neutrino można wykorzystać już istniejące techniki. W laboratoriach neutrino są tworzone poprzez przyspieszanie mionów do wysokich energii. Gdy miony ulegają rozpadowi, powstają neutrino. Wykrywa się je w procesie odwrotnym, czyli gdy neutrino reagują z materią, powstają miony, które można łatwo wykryć. Problem w tym, że tego typu eksperymenty można przeprowadzać w specjalnych laboratoriach. Na przykład w Fermi National Accelerator Laboratory przeprowadza się eksperymenty, podczas których wysyła się strumień neutrino do położonego 700 kilometrów dalej kolosalnego wykrywacza mionów nieczynnej kopalni w Minnesocie. Detektor waży 5000 ton i w ciągu dwóch lat pracy wykrył jedynie 730 mionów. Huber uważa, że przyszłe generacje akceleratorów będą wielokrotnie mniejsze i bardziej poręczne w użyciu. Da się je zatem zastosować np. w bazach wojskowych czy zwykłych budynkach. Uczony jest bardziej kreatywny, jeśli chodzi o same metody wykrywania mionów. Jego zdaniem można pokryć łódź podwodną rodzajem tapety, działającej jak wykrywacz mionów. W ten sposób uzyskamy duży, cylindryczny detektor mionów o średnicy około 10 i długości 100 metrów. Miony będą wpadały do łodzi z jednej strony i wychodziły z drugiej. Pomiary po obu stronach pozwolą na precyzyjne wykrywanie neutrino. Naukowiec uważa też, że można wykorzystać promieniowanie Czerenkowa, czyli zjawisko świecenia w materii szybko poruszających się naładowanych cząstek. Takimi cząstkami byłyby miony wędrujące przez wodę w kierunku łodzi podwodnej. Wystarczyłoby "tylko" odfiltrować zakłócenia wywoływane luminescencją organizmów żywych czy światłem słonecznym. Zdaniem Hubnera, w przyszłości nie będzie z tym więĸszych problemów. Warto tutaj zauważyć, że, o ile pomysły uczonego są warte rozważenia, to zapewniają one jedynie wysyłanie wiadomości do łodzi podwodnej. Komunikacja w drugą stronę wciąż stanowi poważny problem.