piątek, 30 sierpnia 2013

Tajemniczy świat kwantów

Świat wielkich ciał niebieskich, takich jak planety, gwiazdy czy galaktyki jest fascynujący a mechanizmy ich ruchu i wzajemnych oddziaływań są już dobrze znane teoretykom mechaniki klasycznej. Nie mniej ciekawy jest jednak mikroświat zjawisk najmniejszych. Tajemnicami, które kryje, zajmuje się fizyka kwantowa.


Kwant to najmniejsza porcja energii, czasu czy innego zjawiska fizycznego. Mechanika kwantowa bada ruch obiektów w tym mikroświecie, skupiając się na atomach i cząstkach elementarnych. Jej powstanie wiąże się z odkryciem, że w opisie ruchu elementów atomu nie sprawdzają się zasady mechaniki klasycznej, czyli tej opisującej ruch większych ciał. Okazało się bowiem, że elektrony przemieszczają się w zupełnie niespodziewany sposób – zmieniają swoją orbitę gwałtownie, wraz z błyskiem fotonu, zamiast krążyć „spokojnie” niczym planety wokół Słońca. Odkrywcą tego zjawiska był Niels Bohr, fizyk, który zauważył, że zmiana orbity elektronu następuje wraz z pochłonięciem przez niego kwantu światła, po czym po jego oddaniu powraca na pierwotną orbitę. Tak zwany „przeskok” kwantowy był sprzeczny z postrzeganiem ruchu ciał, do jakiego jesteśmy przyzwyczajeni – był gwałtowny niczym znana z filmów science fiction teleportacja. Nowe „orbity” elektronów nazwane zostały liniami spektralnymi. Uzupełnieniem teorii Bohra, który za swoje dokonania otrzymał nagrodę Nobla, było odkrycie Wolfganga Pauli, według którego w jednym stanie kwantowym (czyli jakby na jednej „pozycji” elektronu) może znajdować się tylko jeden elektron.

„Teleportacja”, której towarzyszy błysk światła to tylko jedno z szeregu tajemniczych zjawisk świata mikrocząstek. Równie niezwykła jest zasada nieoznaczoności. Według niej nigdy nie możemy być pewni, gdzie w danym momencie w atomie znajduje się elektron. Werner Heisenberg, którego odkrycie leży u podstaw mechaniki kwantowej uważał, że świat na poziomie atomowym jest rozmyty i niemożliwy do dokładnego zmierzenia. Wszystkie zjawiska są zatem jedynie przypadkowe, z czym nigdy nie pogodził się twórca teorii względności Albert Einstein, powtarzając słynne zdanie, że „Bóg nie gra w kości”. Nowo powstałą mechanikę kwantową uzupełniały rozważania Erwina Schrödingera, który twierdził, że elektrony wykazują zachowania falowe.

Erwin Schrödinger był także autorem słynnego eksperymentu myślowego zwanego „kotem Schrödingera”, który pokazuje jeszcze większą niezwykłość świata kwantów. Rozważając sytuację urządzenia, które nieszczęsnego kota zamkniętego w pudełku może na 50% pozbawić życia, doszedł do wniosku, że według mechaniki kwantowej dopiero po otwarciu pudełka można stwierdzić, czy kot ocalał, czy też poległ w służbie nauki. Do tego czasu funkcjonuje on w tak zwanym stanie „superpozycji”, czyli pozostaje równocześnie żywy i martwy. Trudny do zrozumienia paradoks prowadzi do wniosku, że to obserwator decyduje o stanie obiektu, dzięki samemu aktowi obserwacji. Przypisana mu zatem zostaje niezwykła moc wpływania na kształt rzeczywistości.

W mechanice kwantowej podobnych niezwykłości jest mnóstwo i trudno się tutaj nad nimi rozpisywać. Wspomnimy jeszcze tylko o jednej przedziwnej właściwości cząstek w mikroświecie – zjawisku splątania kwantowego. W eksperymentach przeprowadzanych na fotonach pozostających ze sobą w układzie (tak zwanym „singlecie”) dowiedziono, że zmiana właściwości jednego z nich wpływa na zmianę drugiego. Nie byłoby może w tym nic aż tak zaskakującego, gdyby nie to, że po oddaleniu elementów układu od siebie nadal na siebie wpływały. Oznacza to, że dwie cząsteczki będące w jednym układzie umieszczone na dwóch krańcach Układu Słonecznego, a nawet w dwóch różnych galaktykach nadal oddziaływałyby na siebie. Byłoby to nic innego jak komunikacja z nieskończoną prędkością. Albert Einstein, który uznawał prędkość światła za maksymalną do osiągnięcia we Wszechświecie, nazywał tę właściwość cząstek „upiornym działaniem na odległość”. O jej „upiorności” można dyskutować, bez wątpienia jednak zjawisko to pokazuje niezwykłość świata mechaniki kwantowej.

czwartek, 29 sierpnia 2013

Zmysły zwierząt - jak widzą zwierzęta?

Wydaje nam się, że widzimy świat takim, jaki jest naprawdę. Jednak to „naprawdę” dla każdego zwierzęcia wygląda zupełnie inaczej. Na przykład ludzkie wyraźne postrzeganie kolorów ma związek z faktem, że nasi człekokształtni przodkowie potrzebowali umiejętności rozpoznawania dojrzałych owoców, które stanowiły ich dietę. A jak widzą i czują świat inne zwierzęta?

W porównaniu z człowiekiem fenomenem są możliwości oczu niektórych ptaków, które potrafią dostrzec szczegóły dla nas zupełnie niedostępne. Na przykład sokół wędrowny jest w stanie rozpoznać ważkę z odległości 800 metrów, a jego oczy powiększają obraz sześciokrotnie. Za te niezwykłe możliwości ptaka odpowiedzialna jest nie tylko budowa jego oka, z bardzo dużym skupieniem komórek wzrokowych na milimetr kwadratowy siatkówki, ale także jakość soczewki i sposób przetwarzania bodźców przez układ nerwowy. Sokół wykorzystuje wszystkie te elementy, aby być maksymalnie skutecznym drapieżnikiem. Na drugim biegunie znajduje się chociażby, co oczywiste, kret. Dostrzega on jedynie różnice jedynie między światłem i ciemnością ze względu na podziemne środowisko, w jakim żyje. Ewolucja prowadzi rozwojem zwierząt tak, by spełniać ich potrzeby, nie narażając ich na niepotrzebne „wydatki”.

Sokół wędrowny. Zdjęcie: Juan Lacruz

Jeszcze inaczej widzą świat owady. Mają one tak zwane oko fasetkowe, czyli złożone z wielkiej ilości małych oczu. U pszczoły jest ich pięć tysięcy, a u ważki olbrzymiej aż trzydzieści tysięcy. Jak widzieć świat za pomocą tylu oczu? Tu znów podstawowe znaczenie odgrywa układ nerwowy owadów, który przekształca pojedyncze, wycinkowe obrazy w jeden zbiorczy. Nie jest on co prawda zbyt doskonały pod względem ostrości, ale na przykład u drapieżnych owadów pole widzenie może obejmować aż 360°. Zróżnicowane jest też widzenie owadów dziennych i nocnych. Tak zwane oczy superpozycyjne, występujące na przykład u ciem, pozwalają im orientować się na podstawie światła gwiazd, czego nie potrafią już pszczoły.
 
Oko fasetkowe u ważki. Zdjęcie: Dean Morley

A jak wygląda wspomniana kwestia postrzegania kolorów? Tak jak w przypadku ludzi, to, jak świat jest kolorowy, zależy od ich potrzeb. Krowa nie rozpozna koloru czerwonego, szopy czy aligatory są daltonistami (czyli w ogóle nie rozpoznają kolorów), a niektóre ze zwierząt w czarno-białym świecie wyróżniają tylko niektóre barwy. I tak żaba wrażliwa jest na błękit wody i zieleń trawy, zwierzęta owocożerne zwracają uwagę na czerwień. Częste jest też, że drapieżne zwierzęta wyróżniają jedynie kolor, w jakim jest ich pożywienie.

Zupełnie dla nas niezwykłą umiejętnością wielu zwierząt jest postrzeganie inne niż optyczne – w podczerwieni i ultrafiolecie. Podczerwień, czyli promieniowanie podczerwone, jest to promieniowanie cieplne i może być postrzegane na przykład przez grzechotnika dzięki istnieniu na jego skórze dużego zagęszczenie punktów termicznych odpowiedzialnych za odczuwanie ciepła. Pozwala to na skuteczne polowanie zarówno w dzień, jak i w nocy, dzięki postrzeganiu cieplnych plam, jakimi dla drapieżnika są jego ofiary. Aby je rozpoznał muszą być w innej temperaturze niż otoczenie i poruszać się.
 
Charakteryzujący się widzeniem w podczerwieni grzechotnik. Zdjęcie: Tad Arensmeier
 
Pszczoły natomiast mają zdolność postrzegania promieniowania ultrafioletowego, dzięki któremu odbierają dużo szersze spektrum barw kwiatów niż my. Zdolnością widzenia ultrafioletu posługują się także niektóre ptaki, dzięki czemu w czasie obniżonej widoczności mogą one nawigować względem Słońca. Przy żerowaniu ultrafiolet pomocny jest dla żyjących w głębinach krabów, który pozwala im rozpoznawać niejadalne dla nich korale od planktonu. Według najnowszych badań zdolność takiego widzenia posiadają także krewetki. Dzięki temu świat głębin przestaje być światem całkowitej ciemności.

czwartek, 22 sierpnia 2013

Dlaczego mydło myje



Mydło to produkt, który towarzyszy nam na co dzień. Sklepowe półki uginają się od przeróżnych mydlanych cudów – możemy wybierać między mydłami pachnącymi, bezzapachowymi dla alergików, nawilżającymi, natłuszczającymi, antybakteryjnymi. A jakie jest podstawowe zadanie mydła? Mycie!

Mydło to sól metalu alkalicznego (najczęściej sodu, magnezu, litu, potasu) i kwasu tłuszczowego, najczęściej nasyconego. Najpopularniejszymi kwasami tłuszczowymi stosowanymi do wyrobu mydeł są kwas stearynowy (C17H35COOH), kwas palmitynowy (C15H31COOH) oraz oleinowy (C17H33COOH).
  
Dlaczego mydło myje? Wszystko dzięki zjawisku zwanemu amfifilowością. Polega ono na jednoczesnej niepełnej rozpuszczalności danego związku w dwóch różnych rozpuszczalnikach. W przypadku mydła, jego długa cząsteczka ma dwa końce o przeciwnych właściwościach. Jeden ma właściwości hydrofobowe (dosłownie “nie lubiące wody”), odpychające wodę – to część niepolarna, drugi natomiast hydrofilowe (“lubiące wodę”), czyli chłonące wodę – to część polarna. Dzięki takiej budowie, mydło może utworzyć z wodą emulsję i usuwać brud. Ale jak to się dokładnie dzieje?

Powstała po zmieszaniu mydła z wodą emulsja zawiera tak zwane micele. To kuliste twory, zawierające od kilkudziesięciu do kilkuset cząsteczek mydła. Powierzchnia miceli to hydrofilowe “głowy”, ich wnętrze natomiast to hydrofobowe “ogony” rozpuszczone w cząsteczkach tłuszczu.  Ponieważ jednoimienne ładunki się odpychają, micele są w emulsji rozproszone. Części polarne (hydrofilowe) zwracają się ku wodzie, natomiast hydrofobowe w stronę brudu, na przykład tłuszczu. Kiedy micele cząsteczek mydła zetkną się z nierozpuszczalnym w wodzie tłustym brudem, wnikają w jego strukturę i niejako wciągają cząsteczki tłuszczu. Emulsja, którą tworzą jest nierozpuszczalna w wodzie i łatwo można ją usunąć, spłukując wodą.

Mydło to bardzo stary wynalazek. Używane było już przez starożytnych Fenicjan. Jego popularność przez lata raz słabła, raz rosła, w zależności od kształtu kultury. Bywały czasy, gdy po prostu w dobrym tonie było się… nie myć. Istniały też środki alternatywne dla mydła – na przykład starożytni Grecy używali jako środka higienicznego oliwy, którą po nałożeniu na ciało zeskrobywali wraz z warstwą brudu. Tak czy inaczej, mydło do dzisiaj pozostaje najbardziej popularnym detergentem.

piątek, 16 sierpnia 2013

Początki internetu

Internet stał się ważnym elementem naszego życia. Możliwość przeczytania najnowszych wiadomości, wysłania i odebrania maila, śledzenia ulubionego bloga czy korzystania z serwisów społecznościowych – to wszystko i dużo więcej daje nam światowa sieć. Jaka jest historia tego cudu współczesnej techniki?

Początki internetu wiążą się z badaniami przeprowadzanymi dla wojska Stanów Zjednoczonych. W latach sześćdziesiątych XX wieku dotyczyły one bezpieczeństwa wojskowych sieci komunikacyjnych, a jednym z ich efektów było odkrycie metody przesyłania informacji rozbitej na mniejsze fragmenty. W roku 1965 wynaleziono hipertekst, czyli słowo lub wyrażenie odsyłające do innego dokumentu. Jest to znany nam wszystkim link, którym posługujemy się, by wskazać stronę internetową. Skrót początku współczesnych odsyłaczy to „http” co oznacza „Hyper Text Transfer Protocol” (protokół przesyłania dokumentów hipertekstowych). Często też możemy spotkać się ze skrótem „https”, gdzie końcowe „s” to „secure”, czyli „bezpieczny”, co oznacza, że protokół hipertekstowy jest szyfrowany. Znany nam adres URL został wynaleziony dopiero w roku 1994.

Pierwszy router wojskowej sieci Arpanet. Zdjęcie: Steve Jurvetson

Wracając do historii internetu, kluczowym jej wydarzeniem jest powstanie w 1969 roku Arpanetu, czyli pierwszej sieci przeznaczonej na użytek wojska. W ramach projektów badawczych przyłączane były do niej także cywilne instytucje naukowe, co przyczyniło się do jej gwałtownego rozwoju. Zaczęła rozwijać się poczta elektroniczna i grupy dyskusyjne, a poszczególne sieci zostały połączone w jedną. Podstawowe znaczenie ma tu zastosowanie protokołu zarządzającego transmisją (TCP), który umożliwia łączenie komputera konkretnego użytkownika z serwerem, a następnie z komputerem kolejnego użytkownika. Protokół ten został opracowany przez informatyka Vinta Cerfa i do dzisiaj stanowi podstawę funkcjonowania internetu.

Wszystko to umożliwiło powstanie w 1974 pierwszej, komercyjnej wersji internetu.  Niedługo później pojawiły się pionierskie serwisy informacyjne, wzrosła też liczba użytkowników, którzy entuzjastycznie przyjęli nowe rozwiązanie. Sama nazwa „internet” pojawiła się po raz pierwszy w 1982 użyta przez Vinta Cerfa i Boba Kahna. Dwa lata później wprowadzony został system nazw domen.


Tim Berners-Lee - twórca standardów sieci WWW. Zdjęcie: Enrique Dans

Przełomem stało się opracowanie przez Tima Bernersa-Lee standardów światowej sieci (World Wide Web). Pierwszy z nich to URL, czyli wspomniany już link-adres internetowy, składający się z nazwy protokołu „http” i nazwy domeny. Kolejny to HTML, czyli hipertekstowy język znaczników stosowany do tworzenia stron internetowych. Dzisiaj najnowsza odsłona języka – HTML5 wraz z językiem Java i przy użyciu nowoczesnych przeglądarek internetowych, stanowią o kształcie internetu, który znacznie różni się od tego z początków swoich dziejów.

Popularność internetu lawinowo rosła. Wraz z udostępnianiem przez operatorów telekomunikacyjnych dostępu do internetu za pomocą łącz telefonicznych pojawiła się potrzeba nawigowania po rosnących zasobach internetu. Umożliwiały to pierwsze przeglądarki jak Mosaic, Netscape Navigator i Opera. Pojawiła się też pierwsza wielojęzyczna wyszukiwarka AltaVista oraz pierwszy sklep internetowy – Amazon.com. Jest to początek internetu jaki znamy.

wtorek, 13 sierpnia 2013

Supernowa - źródło życia

Czy potężna kosmiczna eksplozja gwiazdy może być odpowiedzialna za powstanie życia na Ziemi? Okazuje się, że tak, ze względu na niezwykłe warunki, które wytwarzają się podczas gigantycznego wybuchu.


Rozbłysk promieniowania supernowej Cassiopeia A rozgrzewa do wysokiej temperatury sześć koncentracji pyłu

Supernowa to określenie na kosmiczną eksplozję kończącą żywot bardzo ciężkiej gwiazdy o masie od dziesięciu mas Słońca wzwyż. Efektem tego wydarzenie jest powstanie mgławicy, która ma fundamentalne znaczenie dla życia we Wszechświecie i w ogóle jego kształtu.

Aby zrozumieć wagę zdarzenie supernowej, musimy cofnąć się do czasu Wielkiego Wybuchu, w którym powstał Wszechświat (przeczytasz o nim tutaj). W jego trakcie protony i neutrony połączyły się ze sobą, tworząc jądra pierwszych pierwiastków. Trzeba pamiętać, że pojawiły się wtedy jedynie jądra lekkich pierwiastków, takich jak hel i wodór. Po kolejnych 300 000 lat elektrony łączą się z jądrami, tworząc pierwsze atomy.

Dopiero gwiazdy, swoiste fabryki termojądrowe umożliwiły powstanie pierwiastków ciężkich. Widoczne jest to w przypadku gwiazd dziesięciokrotnie bardziej masywnych od Słońca. W tych mniejszych spalanie paliwa jądrowego prowadzi do powstania helu i węgla, po czym do wybuchu, którego pozostałością po fazie czerwonego olbrzyma jest niezwykle gęste, małe ciało – gwiazda neutronowa.

Jeszcze aktywniejszymi producentami nowych pierwiastków są gwiazdy bardziej masywne, 30 lub więcej razy cięższe od Słońca. W ich przypadku olbrzymia temperatura spowodowana gigantyczną grawitacją powodującą kurczenie się jądra gwiazdy prowadzi do dalszych reakcji chemicznych. Przyszła supernowa początkowo spalająca jedynie hel, teraz (w wyniku łączenia się jego atomów) ma za paliwo węgiel, by wreszcie dojść do fazy czysto węglowego jądra. Pod wpływem olbrzymiego ciśnienia powstają kolejne pierwiastki – magnez, neon, tlen, siarka, krzem i inne, cięższe pierwiastki. Gwiazda jest na końcu swojego życia, gdy jej jądro w znacznym stopniu składa się z żelaza. Pierwiastek ten jest na tyle stabilny, że nie dostarcza gwieździe energii, lecz sam jej potrzebuje. Wtedy jądro jest gotowe, by się zapaść w spektakularnej kosmicznej eksplozji, pozostawiając po sobie czarną dziurę.

Najważniejszym dla nas efektem tych procesów jest rozsiewanie się gwiezdnej materii po Wszechświecie. Podczas wybuchów trafia w przestrzeń budulec planet i... nas samych. Przeglądając skład jakiegokolwiek popularnego preparatu multiwitaminowego, znajdujemy tam pierwiastki powstałe właśnie w masywnych gwiazdach. Podobnie budulec każdego złotego pierścionka przeleciał niegdyś Wszechświat po wybuchu supernowej. Aby mogła powstać Ziemia i my sami potrzebna była jedna lub dwie kosmiczne eksplozje i dużo, dużo czasu – ponad cztery miliardy lat. Warto zatem pamiętać o tym, w jak nierozerwalny sposób jesteśmy związani z otaczającym nas z Wszechświatem, gdzie wszystkie zjawiska wzajemnie na siebie oddziałują. Sami przecież pochodzimy z kosmosu...