barbie barbie
1232
BLOG

Fizyka mikroświata - dokąd zmierzamy?

barbie barbie Nauka Obserwuj temat Obserwuj notkę 36

 

    Fizyka mikroświata nie jest - bo nie może być intuicyjna.Badaniu podlegają wszak obiekty, które nie są (i raczej nigdy nie będą) dostępne bezpośredniemu postrzeganiu zmysłowemu. Bardzo dobry tekst na ten temat „popełnił” SNAFU: http://mos-fet.salon24.pl . Dyskusja pod notkami ZAJTENBERGA http://zajtenberg.salon24.pl świadczy dobitnie o tym, że wielu ludzi pragnie prostej odpowiedzi na pytania typu: „jak naprawdę wygląda elektron i do czego można go porównać?”, „Jak rozumieć fakt, że elektron „krążący po orbicie” może mieć orbitalny moment pędu równy zero?” itp. itd.

    Dyskutując o fizyce mikroświata warto sobie dobrze uświadomić kilka faktów, które wynikają z danych doświadczalnych:

Rozmiary:

    Atom (w zależności od pierwiastka) ma rozmiary rzędu 10^-8 cm czyli jednej setnej mikrometra. Dziś można je nawet zmierzyć (skaningowy mikroskop tunelowy – opisany np. w Journal of Applied Physics: S Chiang 2011 J. Phys. D. Appl. Phys. 44 464001 ). Jądro atomowe jest znacznie mniejsze i jego średnica to mniej-więcej 100 000 razy mniej. Jeśli więc powiększylibyśmy jądro do średnicy 1 mm (główka od szpilki) to atom miałby średnicę około 100 m – czyli porównywalną z długością boiska piłkarskiego.Uwaga – to nie ma nic wspólnego z jakąkolwiek „orbitą elektronu”! Po prostu znaczy to tylko tyle, że elektron (i to 10 miliardów razy mniejszy od główki szpilki!) można znaleźć „gdzieś” na boisku!

 

Masy i gęstości:

    Masa nukleonu (proton i neutron mają zbliżone masy) to ok. 1,6 x 10^-27 kg. Elektron jest 1800 razy lżejszy. A więc jeśli elektron miałby masę 1 g, to jądro musiałoby mieć ok. 1,8 kg. Twierdzenie, że „prawie cała masa atomu skupiona jest w jego jądrze” nie jest więc absolutnie pozbawione sensu.
Jeszcze bardziej spektakularny wynik otrzymamy jeśli spróbujemy oszacować gęstość materii, z której zbudowane jest jądro atomu. Promień nukleonu to ok. 10^-13 cm. Jeśli potraktujemy go jako jednorodną kulkę, to stosując wzory znane ze szkoły podstawowej otrzymamy gęstość rzędu... 300 milionów ton/cm^3. Takie to są te „maleństwa” mikroświata!

Energie:

    Wszyscy znają wzór E=mc^2, ale mało osób zdaje sobie sprawę z jego konsekwencji. Energia równoważna masie 1 g jakiejkolwiek materii to w przybliżeniu 25 000 000 kWh*, co w przeliczeniu na złotówki (cena 0,6 PLN/kWh) daje 15 mln* złotych! Jest to energia wystarczająca na pokrycie zapotrzebowania dużego domu jednorodzinnego na energię elektryczną przez ponad 4000* lat!To także ekwiwalent 2 230 000* litrów paliwa samochodowego, które wystarczyłoby na przejechanie przeciętnym samochodem ponad 20* mln kilometrów (odpadłyby wizyty na stacjach paliw!).
    Oczywiście całkowite przekształcenia materii w energię (anihilacja) nie zachodzi tak często i na razie trudno by je wykorzystywać. Jeśli ograniczymy się do „prostej” syntezy proton-proton, to w jej wyniku otrzymujemy „tylko” około 20 MeV. Jeśli jednak w reakcji wzięło by udział 18 g (mol) wody to otrzymalibyśmy mniej energii, bo „jedynie” 800 000 kWh czyli na 125 lat zasilania domu lub na przejechanie „tylko” około 715 000 km, ale i tak te oszacowania powodują zawrót głowy. Jak na ich tle wypadają wykorzystywane obecnie przez ludzkość źródła energii?

     Powyższe zgrubne obliczenia udowadniają, że przejście od wymiaru rzędu rozmiarów atomu (reakcje chemiczne) do rozmiarów rzędu średnicy jądra (reakcje jądrowe) to nie jest zmiana ilościowa, ale jakościowa!Możemy oczywiście protestować przeciwko różnym modelom (nawet modelowi standardowemu ;) ), ale nie zmienia to faktu, że „Car Bomba” wybuchła wyzwalając w ciągu 40 miliardowych części sekundy energię 10x większą niż wszystkie środki wybuchowe użyte podczas II Wojny Światowej, elektrownie jądrowe oparte o reakcję łańcuchową działają, oraz że potrafimy już od ok. 20 lat prowadzić kontrolowaną reakcję syntezy jądrowej w warunkach ziemskich (JET w Culham), tak, że zdecydowano się na budowę doświadczalnej instalacji przemysłowej o mocy rzędu 500 MW działającej na takiej samej zasadzie jak JET (ITER we Francji) – NB. preliminowany koszt budowy ITER jest sporo większy niż LHC.

     Współczesnej fizyce jednak to mało – sięga jeszcze głębiej, bo aż do plazmy gluonowo-kwarkowej, a więc do stanu skupienia występującego na samym początku Wszechświata. To właśnie (według obecnie przyjętych teorii) w tej plazmie zachodziła bariogeneza i kwarki i gluony połączyły się w protony i neutrony. Do powstania takiego stanu materii potrzebna jest ogromna energia, lecz tacy fizycy jak Frank Wilczek zwracają uwagę na konieczność jego poznania: http://arxiv.org/pdf/1001.2729v1.pdf . Wyniki szeregu eksperymentów wysokogórskich (Mt. Chacaltaya (5200 m) i w Pamirze (4300; 4900 m) wskazują na powstawanie „rodzin fotonowo-hadronowych” które charakteryzują się anomalną dominacją hadronów (cząstek oddziaływujących silnie) i występowaniem silnie penetrującej składowej i mogą być wyjaśnione tworzeniem się dziwnej materii kwarkowej. Pierwotne zderzenie, które następuje w górnych warstwach atmosfery przy energii rzędu 1000 TeV prowadzi do powstania „kuli ognistej” (fireball) złożonej z materii kwarkowej i gęstości energii rzędu dochodzącego do 25 GeV/fm^3 (fentometr to 10^-15 m). Są to warunki umożliwiające powstawanie przewidzianej przez Wittena (Phys. Rev. D30 (1984) 272) dziwnej materii kwarkowej, w której oprócz kwarków „u” (UP) i „d” (DOWN) występują także kwarki dziwne „s” . Występowanie kwarków „s” powoduje, że kwarki zajmują niższe poziomy energetyczne (wszystkie kwarki są fermionami). Dodatkowo ładunek kwarka s (-1/3) powoduje redukcję odpychania kulombowskiego, dzięki czemu taka materia może być dość stabilna.
    Badanie promieniowania kosmicznego ma swoją specyfikę (trzeba czekać na ciekawe kaskady), nic więc dziwnego, że sięgnięto po akceleratory ciężkich jonów.Zaczęto od RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider w Brookhaven) i zderzeń Au-Au. Sięgnięto oczywiście również po LHC - zbudowano z dużym udziałem polskich naukowców unikalny kalorymetr do badania silnie penetrującej składowej. Szczegółowy opis tych prac można znaleźć w materiałach z seminarium IFJ w Krakowie: http://www.ifj.edu.pl/sem/mat/2012/Gladysz8mar2012.pdf?lang=en

    Badania te budzą szereg kontrowersji.Estymacje oparte o QCD (chromodynamika kwantowa) wskazują, że materia dziwna może być stabilniejsza, niż zwykła materia jądrowa. Mogłyby istnieć wtedy stabilne, nawet małe „gwiazdy kwarkowe” czy stabilne krople dziwnej materii kwarkowej będące właściwie dużymi „cząstkami elementarnymi”. Takie krople nazwano „dziwadełkami” (ang. strangelets) i są one materią dziwną. W tym miejscu warto przypomnieć, że liczba kwantowa zwana dziwnością powoduje, że cząstki o dziwności różnej od zera są znacznie stabilniejsze od cząstek „niedziwnych” (o dziwności równiej 0) ponieważ mogą się rozpadać jedynie w wyniku oddziaływania słabego (oddziaływanie silne zachowuje „dziwność”). W zetknięciu z nimi normalna materia jądrowa zamieniałaby się na materię dziwną.
    Pamiętacie Państwo głośne protesty przeciwko budowie LHC oraz procesy zmierzające do zakazu jego uruchamiania (np. Wagner i Sancho kontra Stany Zjednoczone)? Nie były one całkiem bezsensowne! Walter Wagner to emerytowany specjalista bezpieczeństwa instalacji opartych o technologie jądrowe i podczas procesu wykazywał, że w pewnych warunkach „strange forms of matter can be produced in collider using such energy could destroy the Earth”. Sąd Hawajów odrzucił pozew podając jako powód, że "The US government enjoys only observer status on the CERN council, and has no control over CERN or its operations.". Wniesiona apelacja zakończyła się tym samym wynikiem.

     Zarówno estymacje QCD, jak i wyniki badań promieniowania kosmicznego wskazują, że jednym z możliwych wyjaśnień pojawiania się składowej silnie penetrującej może być tworzenie się w wysokoenergetycznych zderzeniach ciężkich jonów materii dziwnej. Zainteresowanym polecam zapoznanie się z aktualnym wykładem: http://www.if.pw.edu.pl/~kperl/HIP/wyklad7.pdf .

     Ze swej strony chciałbym tylko podkreślić, że fizyka wykonuje właśnie kolejny krok sięgając w głąb cząstek elementarnych i do ekstremalnych gęstości energii.Znaczący udział w prowadzeniu tych badań mają także polscy naukowcy. Jest to niewątpliwe ważne poznawczo – zgodnie z hipotezą Wielkiego Wybuchu plazma gluonowo-kwarkowa była jednym z najwcześniejszych (zaraz po inflacji) etapów Genezis, ale tak naprawdę nie wiemy, jakie moce możemy w wyniku tych badań uruchomić. W końcu Rutherford eksperymentując z rozpraszaniem cząstek alfa nie mógł nawet przypuszczać, że otwiera drogę do budowy broni i energetyki jądrowej.
    Czy więc już jesteśmy „Uczniami Czarnoksiężnika” czy też staniemy się nimi dopiero wkrótce?

    Za młodu pełniłem rolę „węglowodanu” (nosiłem węgiel z piwnicy). Nie było to zbyt trudne zadanie - można było „przyświecić” sobie świeczką. Takie postępowanie przy nalewaniu benzyny (większa koncentracja energii) grozi już śmiercią lub kalectwem. Jakie środki bezpieczeństwa musimy zachowywać korzystając z „klasycznej” elektrowni jądrowej (jeszcze większa koncentracja energii) dowiodły Czernobyl oraz Fukushima.
A fizyka bada układy o znacznie, znacznie większej gęstości energii! O jakich koncentracjach mówimy? Wspomniane 25 GeV na fentometr sześcienny w zderzeniach ciężkich jonów dla większości ludzi niewiele znaczy – a to przecież 10^25 kWh (jedynka z 25 zerami) na milimetr sześcienny!

* Wartości skorygowane dzięki obliczeniom blogera BJAB, któremu bardzo dziękuję za zwrócenie uwagi!

barbie
O mnie barbie

Nazywam się Tomasz Barbaszewski. Na Świat przyszedłem 76 lat temu wraz z nadejściem wiosny - była to wtedy niedziela. Potem było 25 lat z fizyką, a później drugie tyle z Xeniksem,  Uniksem i Linuksem. Dziś jestem emerytem oraz bardzo dużym wdowcem! Nigdy nie korzystałem z MS Windows (tylko popróbowałem) - poważnie! Poza tym - czwórka dzieci, piątka wnucząt, dwa koty (schroniskowe dachowce), mnóstwo wspaniałych wspomnień i dużo czasu na czytanie i myślenie.

Nowości od blogera

Komentarze

Inne tematy w dziale Technologie