Simulare a condensatului Bose-Einstein (materia la aproape zero absolut)

Cea mai scăzută temperatură înregistrată pe Pământ este de -89,2°C, identificată de o stație meteo rusească în Vostok (Antarctica) în 1983. Dar la 10.000 de metri, altitudinea la care zboară în mod normal avioanele de pasageri, atmosfera terestră este rarefiată, iar termometrul consemnează o temperatură în jur de -75°C.

Dacă am părăsi Terra și ajungem în spaţiul interstelar, unde nu vom mai găsi cine știe ce materie, am observa că temperatura de acolo este foarte mică, de -270,3°C; iar dacă am ajunge într-o zonă numită Boomerang Nebula (aflată la 5 mii de ani-lumină de Pământ), am ajunge în cel mai friguros loc al universului cunoscut, foarte aproape de zero absolut.

Acesta nu este un articol despre modul de funcționare al unui aparat de aer condiționat. Am explicat cum funcționează aparatul de aer condiționat într-un articol de detaliu mai vechi, ce poate fi accesat aici: Cum funcționează aparatul de aer condiționat. Vă invităm să citiți articolul indicat despre aparatul de aer condiționat înainte de a continua acest articol, pentru o mai bună înțelegere a celor de mai jos.

În acest articol vrem să explicăm ce se întâmplă la nivel atomic, cum anume se transferă căldura dintr-un mediu (biroul tău sau sufrageria ta) către mediul exterior.

Pentru a înțelege cum se răcește, în fapt, aerul, trebuie să înțelegeți trei lucruri: ce este aerul; ce este căldura; cum se transferă căldura. Să le luăm pe rând, într-un limbaj accesibil tuturor.


Orbitalii atomici ai electronului în atomul de hidrogen, la energii diferite. Probabilitatea de a găsi electronul este dată de culoare (cu cât mai strălucitoare, cu atât mai mare probabilitatea). Credit: wikipedia.org

Mecanica cuantică este ramura fizicii moderne încearcă să desluşească legile „universului” subatomic, dorind să explice comportamentul electronilor şi al celorlalte constituente fundamentale ale materiei. Teoria cuantică a avut un impact major asupra modului în care înţelegem realitatea. Universul subatomic are însă mecanisme care scapă în parte înţelegerii umane, iar când se supune totuşi teoriilor fizicienilor, o face într-un mod contraintuitiv, paradoxal, ce îi lasă perplecşi pe filozofii moderni ai ştiinţei.


Materia curbează spaţiu-timpul, iar spaţiu-timpul curbat dictează mişcarea materiei în univers. credit: LIGO/T. Pyle

 

Când Albert Einstein a publicat pentru prima dată teoria specială a relativității în 1905 - a fost ridiculizat. Oamenii au crezut că este prea ciudat și radical ce propunea aceasta ca să fie real. Nici Einstein nu a fost mulțumit de teoria sa, deoarece se nu aplica în prezența gravitației sau dacă observatorul accelera. Într-o zi, în timp ce observa un spălător de geamuri pe o scară din apropierea biroului său, a avut o revelație.

Și-a imaginat ce se va întâmpla dacă lucrătorul ar cădea. S-a pus în locul spălătorului de geamuri și și-a imaginat ce se va întâmpla pe măsură ce ar cădea. Și-a dat seama că dacă ar cădea, gravitația ar fi singura forță care acționează asupra lui. El ar accelera spre Pământ, dar nu ar simți nicio greutate. Și acest lucru nu ar fi altfel dacă ar fi undeva în spațiul interstelar, în afara câmpului gravitațional al Pământului.


Trei modele ale luminii

Modelul luminii ca rază pare natural, odată ce te convingi că lumina călătorește prin spațiu și observi fenomene precum razele solare, care se strecoară printre nori. Dar acest model nu este unic. Lumina este văzută și ca unde electromagnetice, și ca particule. Dar varianta luminii ca rază este mai simplă. În orice caz, trebuie înțeles că știința funcționează cu modele ale realității, nu cu natura ultimă a realității. Vedeți aici de ce.


Isaac Newton în 1712; portret de James Thornhill

Issac Newton (1642 – 1727) a avut preocupări dintre cele mai diverse. A fost preocupat de alchimie (de care s-a ocupat 30 de ani, mult mai mult decât s-a ocupat de fizică), petrecând ani și ani cu studii și experimente nu foarte fructuoase. Dar și studiul Bibliei i-a consumat mulți ani, convins fiind că există mesaje ascunse pe care le va interpreta până la urmă. A făcut și câteva predicții referitoare la sfârșitul lumii; ultima variantă fiind undeva între 2.060 și 2.344.

Cea mai importantă carte din istoria omenirii este, cel mai probabil, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, publicată de Isaac Newton în 1687. Principalul competitor este Originea speciilor, de Charles Darwin. În această carte Newton introduce gravitația ca forță universală, explică mișcarea planetelor în jurul astrelor, mareele, mișcarea cometelor etc. Arată că un corp care se rotește în jurul propriei axe, cum e Pământul, este turtit la poli.

 

Poți face următorul experiment: iei din dulap o lingură obișnuită, din metal, și una din plastic. Pe cât posibil de aceleași dimensiuni, pentru a asigura o simetrie minimă experimentului.

Pune mâna pe cele două. Lingura de metal va părea mai rece decât cea de plastic. De ce?

Apoi ia două cuburi de gheață din congelator și pune-le în cele două linguri. Surpriza va fi că gheața din lingura de metal se va topi mai repede. De ce?

Vă prezentăm în acest articol un infografic în care toate conceptele fundamentale ale fizicii sunt puse în așa fel încât să reflecte modul în care acestea au evoluat și s-au înlănțuit. Infograficul are la bază cartea The World according to physics scrisă de Jim Al-Khalili.


Rezultatul coliziunii de protoni la LHC

Pe 4 iulie 2012 fizicienii de la CERN, Elveția, au anunțat descoperirea bosonului Higgs, aceasta fiind considerată printre cele mai importante descoperiri ştiinţifice ale secolului al XXI-lea de până la această dată. Cum bosonul Higgs este o particulă extrem de dificil de identificat în natură, a fost nevoie de construirea unui accelerator de particule enorm, LHC (Marele Accelerator de Hadroni - Large Hadron Collider), cum este cel de la CERN.

Detectarea unei particulei presupune un proces complicat de colectare de date și de analiză a acestor date. Cercetătorii au avut de făcut munca identificării unei particule a cărei masă era necunoscută (deși se cunoștea plaja de valori pe care o putea lua masa). În cele trei videoclipuri de mai jos puteți înțelege cum s-a realizat identificarea bosonului Higgs, proces explicat de un cercetător de la CERN, care folosește un limbaj simplu, pe înțelesul tuturor.


Principiul lui lui Bernoulli este utilizat pentru a explica portanța (cum se țin avioanele în aer)

Principiul lui Bernoulli spune că presiunea unui fluid descrește pe măsură ce viteza acestuia crește și viceversa. Acest principiu are la bază observațiile lui Daniel Bernoulli, matematician elvețian care a trăit în secolul al XVIII-lea. Principiul este folosit, printre altele, pentru a explica de ce avioanele pot decola și se pot menține în aer. Nu oferă o explicație completă însă, după cum puteți citi aici.

Energia este definită ca fiind capacitatea de a efectua lucru mecanic. Lucrul mecanic se referă la ceva foarte precis: o forță aplicată unui obiect care se mișcă până la o anumită distanță, în aceeași direcție în care se mișcă obiectul. După cum vom vedea, modul în care definim este cumva nesatisfăcător.

Einstein este cea mai cunoscută figură din știință, chiar și la 65 de ani de la moartea sa. Cele două teorii ale relativității (relativitatea specială și relativitatea generală) au schimbat fundamental percepția asupra lumii. Multe din consecințele ideilor sale, dovedite experimental de nenumărate ori, sunt atât de contraintuitive, încât par de necrezut.

O consecință a concepției einsteiniene asupra gravitației este că, în fapt, Pământul accelerează către tine cu 9,8 m/s2 (o consecință a principiului echivalenței, cel mai fericit gând al vieții sale, după cum spunea acesta). Iată o explicație simplă a acestei „absurdități”.

Pe măsură ce te apropii de centrul Pământului, efectele gravitației asupra unui corp sunt din ce în ce mai mici (forța gravitațională, calculată după formula lui Newton, scade). Ajuns în centrul Pământului, se atinge starea de imponderabilitate, căci efectele gravitației exercitate de materia din jur, egal distribuită, se anulează reciproc.

Relativitatea generală, teoria gravitației creată de Albert Einstein, printre multe predicții uluitoare, prezice și că un câmp gravitațional va încetini trecerea timpului. Cu cât mai puternic câmpul gravitațional, cu atât mai lentă trecerea timpului.

Așadar avem de-a face cu un aparent paradox. Spunem că fotonul nu are masă. De aceea se poate deplasa cu viteza maximă în univers. Dar dacă nu are niciun fel de masă, cum poate avea impuls?

Ce este impulsul? Impulsul unui corp este o mărime fizică definită ca fiind produsul dintre masă (m) și viteză (v). p = mv


Poate avea spațiul un element constituent fundamental, un fel de „atom spațial”?

Într-un univers „guvernat” de teoria relativității, spațiul nu poate fi discret. Adică nu poate exista o unitate fundamentală a spațiului, cu cea mai mică dimensiune posibilă. Și totul pleacă de la constanța vitezei luminii în toate sistemele de referință - ideea lui Einstein care a revoluționat fizica.

Faptul că viteza luminii este constantă în orice sistem de referință are, printre altele, următoarea consecință: spațiul și timpul trebuie să se „adapteze”, însemnând că, în fapt, corpurile aflate în mișcare se scurtează, iar timpul se dilată (pentru un observator).

Întrebarea din titlul articolului este insuficient explorată pentru a veni cu răspuns în acest articol. Vrem doar să enunțăm problema, să explicăm pe scurt contextul, și să vă auzim opiniile. Poate vom reveni cu un alt articol, după ce vom analiza mai bine subiectul.

Iată de la ce plecăm:
1. Nimic nu se deplasează cu o viteză mai mare decât viteza luminii în univers.
2. Există totuși o excepție, cred unii fizicieni... Dat fiind că universul este în expansiune (spaţiul se dilată), luând în calcul distanţele mari din univers, este de înţeles că sunt corpuri cereşti care se deplasează faţă de alte corpuri cereşti, aflate la mare distanţă de primele, cu viteze care depăşesc viteza luminii. 


Masa curbează spațiut-timpul. Credit: Mark Garlick / Science Source

Am scris un articol în urmă cu câteva săptămâni în care am arătat un aspect complet contraintuitiv: că accelerația unui corp într-un câmp gravitațional nu este reală.

În esență, dacă nu vreți să citiți tot articolul, spuneam următoarele:
:: asupra unui corp aflat în cădere liberă într-un câmp gravitațional (spațiu-timpul este distorsionat de masă şi energie), nu acționează nicio forță.
:: accelerația de care vorbim atunci când spunem că un corp lăsat să cadă spre sol va evolua cu o accelerație de 9,8 ms2 - există doar în raport cu suprafața terestră, dar nu este o accelerație propriu-zisă, adică una care ar fi simțită de corpul aflat în cădere. În lipsa rezistenței aerului - tot ce vei simți va fi senzația de imponderabilitate. Este ceea ce simt astronauții de pe Stația Spațială Internațională.
:: principiul echivalenței al lui Albert Einstein este soluția la acest mister: efectele gravitaţiei şi ale acceleraţiei sunt imposibil de diferenţiat.
:: corpurile aflate în într-un spaţiu-timp curbat de masă/energie par să se mişte accelerat, dar acestea se află, în fapt, într-o mişcare neaccelerată, urmând liniile geodezice din spaţiu-timp, specifice zonei din univers în care se află.


Distribuţia materiei într-o secţiune cubică a universului. Fibrele albastre reprezintă materia (în cea mai mare parte - materie întunecată), iar regiunile goale reprezintă vidurile cosmice.

Atunci când porneşte trenul, simţi inerţie, căci corpul tău tinde să rămână în aceeaşi poziţie, statică, iar trenul a început să se mişte. Este o senzaţie pe care o cunoaştem cu toții. Dar de ce stau lucrurile astfel? Inerţia nu se manifestă doar pe suprafaţa terestră, ci oriunde în univers. Cauza inerţiei, deşi nu a fost una dintre temele de cercetare prioritare în fizică, a fost subiect de reflecţie pentru mari fizicieni, precum Ernst Mach ori Albert Einstein.


Câmp cuantic (reprezentare grafică). Vibrația câmpului, când atinge o anume energie, devine ceea ce numim „particulă”

Conform teoriei câmpurilor cuantice, universul nu este creat din particule, ci din câmpuri. Ceea ce numim "particulă" reprezintă ce „vedem" atunci când ne "uităm" (măsurăm) la câmpurile cuantice, iar ce „vedem” este o vibrație a unui câmp cuantic. Atunci când vorbim despre un electron, vorbim în fapt despre o vibraţie a câmpului electronic.

Un câmp, spre deosebire de o particulă, se găsește pretutindeni în univers. Un câmp cuantic este caracterizat de o anumită valoare în orice punct din spaţiu-timp. Toate câmpurile au valoarea zero, cu o excepţie notabilă: câmpul Higgs. Câmpul Higgs are o valoare diferită de zero chiar în spaţiu gol. Atunci când vibrația unui câmp cuantic ajunge la o anumită valoare fixă de energie - vorbim de o particulă.


 


Ne poți ajuta cu o donaţie.


PayPal ()


Contact
| T&C | © 2020 Scientia.ro