Αρχείο

Archive for the ‘Φυσική’ Category

Μπορεί η αντι-ύλη να καταστρέψει το Βατικανό, όπως προβάλλεται στον κινηματογράφο;

Οι Illuminati (Πεφωτισμένοι), το δεύτερο βιβλίο του συγγραφέα Dan Brown μετά τον Κώδικα Ντα Βίντσι το οποίο έγινε ταινία, έχει ξεκινήσει να προβάλλεται και στην Ελλάδα με πρωταγωνιστή τον Τομ Χανκς στο ρόλο του καθηγητή του Χάρβαρντ Robert Langdon. Αυτή η ταινία φέρνει ξανά στο προσκήνιο ένα όπλο που βασίζεται στην αντι-ύλη.

Στο βιβλίο και στην ταινία («Angels and Demons»), μια αποκρυφιστική ομάδα, με τη συμμετοχή ενός μυστικού πυρήνα μέσα στο CERN, σχεδιάζει ένα όπλο αντι-ύλης για να καταστρέψει το Βατικανό. Ενώ η Αγία Έδρα της Καθολικής Εκκλησίας δεν συμπάθησε καθόλου το σενάριο, επιστήμονες στο CERN – δείχνοντας ένα πιο ανοιχτό πνεύμα – αντιμετώπισαν εξαρχής θετικά την όλη ιστορία. Έτσι, άνοιξαν στο σκηνοθέτη της ταινίας Ρον Χάουαρντ τις υπόγειες εγκαταστάσεις του, προσδοκώντας ότι η όλη δημοσιότητα θα κάνει καλό στην επιστημονική έρευνα, και θα φέρει το ευρύ κοινό πιο κοντά σε μείζονα ζητήματα που απασχολούν την κοινότητα των φυσικών.

Όπως έγραψε η Independent, «μπορεί άραγε η ταινία να κάνει σέξι τη σωματιδιακή φυσική;».

Αυτό ασφαλώς ελπίζει το CERN που πιθανότατα οι ερευνητές του γνωρίζουν για την αντι-ύλη περισσότερα από κάθε άλλο φορέα στον κόσμο. Το CERN έκανε ειδικά σεμινάρια περί αντι-ύλης στο σκηνοθέτη της ταινίας και αυτός, σε ανταπόδοση, ετοίμασε ένα πιο ακριβές επιστημονικά υλικό που θα διανέμεται μαζί με το DVD της ταινίας.

Φυσικά, όπως και πολλά άλλα πράγματα στο βιβλίο και την ταινία, που δεν είναι παρά φαντασία, το CERN δεν έχει ούτε αρκετή ποσότητα ούτε τη διάθεση να κατασκευάσει μια φορητή βόμβα αντι-ύλης. Σύμφωνα με το CERN, αν συγκεντρωθεί όλη η αντι-ύλη που έχει ποτέ δημιουργηθεί από τους επιστήμονες πάνω στη Γη όλα αυτά τα χρόνια, και ενωθεί με την κανονική ύλη, το συνολικό ποσό ενέργειας που θα απελευθερωθεί, θα είναι αρκετό απλώς για να φωτίσει μια κοινή λάμπα για λίγα λεπτά.

Σύμφωνα με υπολογισμούς με την υφιστάμενη τεχνολογία, θα χρειαστούν εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια και τουλάχιστον 1 τρις δολάρια για να παραχθεί έστω κι ένα γραμμάριο αντι-ύλης. Εκτός αυτού, υπάρχει το όχι ασήμαντο πρόβλημα τι θα κάνει κανείς την αντι-ύλη αν αυτή δημιουργηθεί, με δεδομένο ότι είναι υπερβολικά δύσκολο να αποθηκευτεί, καθώς αντιδρά εκρηκτικά με την κοινή ύλη. Τεράστιες ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις θα πρέπει να επιστρατευθούν, προκειμένου να παγιδευτούν και οι παραμικρές ποσότητες αντι-ύλης σε κάποιο μέρος.

Στο εργαστήριο Fermilab, που προς το παρόν είναι ο μεγαλύτερος παραγωγός αντιύλης, φτιάχνει περίπου 2 νανογραμμάρια αντιπρωτονίων το χρόνο. Με αυτό τον ρυθμό αναμένεται να περάσουν 100 εκατομμύρια χρόνια για να φτιαχτούν 1/4 του γραμμαρίου αντιύλης.

Ποιά είναι όμως η όλη γοητεία με την αντι-ύλη; Σύμφωνα με την κυρίαρχη θεωρία εν αρχή υπήρχαν στο σύμπαν τόσο η ύλη όσο και η αντι-ύλη. Από την ύλη είναι φυσικά κατασκευασμένα τα πάντα γύρω μας – και εμείς οι ίδιοι. Η αντι-ύλη, από την άλλη, είναι ένα παράξενο υλικό, ταυτόσημο με την κοινή ύλη από κάθε άλλη άποψη, πέρα από το ότι κάθε αντισωματίδιο της έχει αντίθετα χαρακτηριστικά από τα σωματίδια της ύλης. Αντί για θετικά έχει αρνητικά φορτία κοκ.

Λίγο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη η ύλη συνδυάστηκε με την αντι-ύλη και εξαϋλώθηκαν παράγοντας ακτίνες-γ πολύ μεγάλης ενέργειας. Όμως, για καλή μας τύχη υπήρχε περίσσεια μικρής ποσότητας ύλης από την οποία προέκυψαν όλα όσα υπάρχουν στο σύμπαν. Υπάρχει όμως και κάποια διαφορά ανάμεσα στην ύλη και την αντιύλη. Όπως λένε οι φυσικοί, υπάρχει και μια μικρή διαφορά ανάμεσα τους, γνωστή ως παραβίαση CP, που ανακαλύφθηκε στην διάσπαση των καονίων. Αυτά τα σωματίδια συμπεριφέρονται ελαφρώς διαφορετικά από τα αντι-καόνια.

Η ενέργεια που προέρχεται από την εξαΰλωση είναι τρομακτική. Ένα γραμμάριο μόνο αντι-ύλης, αν εξαϋλωθεί μέσα από την επαφή του με ένα γραμμάριο ύλης, θα δημιουργήσει εκρηκτική ισχύ ισοδύναμη με 20.000 τόνους ΤΝΤ. Καθόλου λοιπόν παράξενο που ο Νταν Μπράουν σκαρφίστηκε μια βόμβα αντι-ύλης, πολύ ισχυρότερη από μια πυρηνική βόμβα, η οποία μπορεί να επιφέρει ένα νέο Αρμαγεδώνα.

Από την άλλη, όπως συνήθως συμβαίνει, υπάρχουν και αυτοί που οραματίζονται μια ειρηνική χρήση της αντι-ύλης ως απεριόριστης πηγής ενέργειας, μάλιστα την περιγράφουν ως την μελλοντική πανάκεια για την επίλυση των ενεργειακών προβλημάτων της ανθρωπότητας – πράγμα πολύ αμφίβολο όμως. Έτσι, στην διάσημη σειρά επιστημονικής φαντασίας Star Trek, το διαστημόπλοιο Enterprise είχε κινητήρα αντι-ύλης!

Ο βρετανός ιδιοφυής φυσικός Πολ Ντιράκ ήταν ο πρώτος που υπέθεσε την ύπαρξη της αντι-ύλης το 1928 (αν και δεν την ονόμασε έτσι), υπολογίζοντας ότι υπάρχει ένα σωματίδιο με αντίθετο φορτίο από το ηλεκτρόνιο, όπως αποδείχτηκε το 1932, όταν ανακαλύφθηκε το ποζιτρόνιο, το πρώτο σωματίδιο αντι-ύλης. Από τότε ανακαλύφθηκαν και άλλα αντι-σωματίδια, ώσπου το 1995 οι φυσικοί του CERN δημιούργησαν το πρώτο αντι-υδρογόνο, συνδυάζοντας αντι-πρωτόνια με ποζιτρόνια. Ήταν η πρώτη φορά στον κόσμο που ένα επιστημονικό εργαστήριο είχε παράγει τεχνητά αντι-άτομα, πυροδοτώντας πλέον αυξημένο ενδιαφέρον για την αντι-ύλη τόσο στην επιστημονική κοινότητα όσο και στο κοινό.

Οι φυσικοί του CERN πασχίζουν, στο πλαίσιο του προγράμματος ATRAP, να παγιδεύσουν άτομα αντι-υδρογόνου. Όμως η μεγάλη ελπίδα είναι τα πειράματα αντι-ύλης που έχουν σχεδιαστεί να γίνουν με τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων, όταν αυτός επαναλειτουργήσει το φθινόπωρο μετά τη σοβαρή βλάβη που τον καθήλωσε πέρυσι σε αδράνεια.

Advertisements
Κατηγορίες:Επικαιρότητα, Φυσική

Κβαντική τηλεμεταφορά και internet ταχύτητας 3*10^8 m/s

Τι θα λέγατε αν σε λίγο καιρό(χρόνια) σας δινόταν η δυνατότητα να χρησιμοποιήσετε μια σύνδεση για το διαδίκτυο διαφορετική από τις σημερινές; Μια σύνδεση που όχι μόνο θα ήταν ασφαλής από ιούς, διαδικτυακές απάτες και «hacks» κωδικοποιημένων πληροφοριών, αλλά και πολύ γρήγορη. Κι όταν λέω γρήγορη, εννοώ πως θεωρητικά η πληροφορία θα έτρεχε με την ταχύτητα του φωτός. Όλα αυτά δεν είναι τόσο θεωρητικά βέβαια όσο φαίνονται.. Πρόκειται για ένα σχετικά νεαρό επιστημονικό ερευνητικό κλάδο. «Κβαντική τηλεμεταφορά»

Δεν πρόκειται ακριβώς για το ιστορικό «Διακτίνισε με, Scotty», αλλά για πρώτη φορά οι επιστήμονες έχουν τηλεμεταφέρει πληροφορίες μεταξύ του φωτός και των ατόμων, επιταχύνοντας έτσι την αναμενόμενη από καιρό εμφάνιση του πολύ γρήγορου κβαντικού υπολογιστή και των κρυπτογραφημένων κωδικών που δεν θα σπάνε ποτέ. Η κβαντική τηλεμεταφορά είναι η διαδικασία που μια φυσική κατάσταση ενός υποατομικού σωματιδίου εξαφανίζεται από μια θέση και εμφανίζεται σε μια άλλη. Το φαινόμενο αυτό οφείλεται σε ένα παράξενο φαινόμενο γνωστό ως διεμπλοκή, στην οποία ένα ζεύγος σωματιδίων έχει συμπληρωματικά χαρακτηριστικά, όπως δύο ηλεκτρόνια που έχουν αντίθετα σπιν. Η αβεβαιότητα της κβαντικής μηχανικής που δεν μπορεί ποτέ να γίνει μηδέν κάνει αδύνατο να προβλέψει κάποιος την κατάσταση ενός δεδομένου ηλεκτρονίου, αλλά επειδή τα δύο σωματίδια είναι πεπλεγμένα, η μέτρηση της κατάστασης του ενός αυτόματα καθορίζει την κατάσταση και του άλλου, ανεξάρτητα από το πόσο μακριά είναι.

Προκειμένου να τηλεμεταφερθεί μια κατάσταση μεταξύ του φωτός και των ατόμων, ο Eugene Polzik και οι συνάδελφοί του στο Ινστιτούτο Niels Bohr στην Κοπεγχάγη, σε συνεργασία με τον Ignacio Cirac του Ινστιτούτου Max Planck για την κβαντική οπτική στη Γερμανία, έκανε διεμπλοκή μιας ακτίνας φωτός με ένα μαγνητισμένο αέριο ατόμων καισίου. Οι ερευνητές κωδικοποίησαν έπειτα την κατάσταση που θέλησαν να τηλεμεταφέρουν στην ακτίνα του φωτός με τη βοήθεια των παλμών ενός λέιζερ. Διαχωρίζοντας τις πεπλεγμένες κβαντικές πληροφορίες από την  ακτίνα του φωτός και την αποκάλυψη του μηνύματος του λέιζερ, η ομάδα ήταν σε θέση να τηλεμεταφέρει τη συμπληρωματική κατάσταση στα άτομα σε μια απόσταση μισού μέτρου. «Για πρώτη φορά», λέει ο Polzik «έχει επιτευχθεί κβαντική τηλεμεταφορά μεταξύ του φωτός – του φορέα της πληροφορίας -και των ατόμων.» Ήταν επίσης η πρώτη φορά που έγινε με ένα μακροσκοπικό ατομικό αντικείμενο ενεργώντας ως ο στόχος. Οι επιστήμονες είχαν προηγουμένως τηλεμεταφέρει καταστάσεις μόνο μεταξύ ζευγών φωτονίων ή ζευγών ατόμων. Αλλά ένας πρακτικός κβαντικός υπολογιστής, σημειώνει ο Polzik, απαιτεί τη μεταφορά των πληροφοριών μεταξύ ενός συνεχούς ρεύματος στοιχείων, όπως είναι το φως, και μιας αποθηκευμένης κβαντικής κατάστασης, όπως είναι τα άτομα σε έναν σκληρό δίσκο.

Κατηγορίες:Υπολογιστές, Φυσική

Το μεγαλείο του φωτός(Μέρος 2–υλικά)

Οι φυσικοί στο Πανεπιστήμιο San Diego της Καλιφόρνιας οι οποίοι την περασμένη χρονιά παρήγαγαν μια νέα κατηγορία συνθετικών υλικών πίστεψαν ότι θα αντιστρέψουν την συμπεριφορά πολλών θεμελιωδών ηλεκτρομαγνητικών ιδιοτήτων που σχετίζονται με αυτά τα υλικά και τώρα έχουν επιτέλους πειραματικές αποδείξεις για τις πρώτες από αυτές τις προσδοκόμενες αντιστροφές. Ανακάλυψαν δηλαδή ένα απίστευτο χαρακτηριστικό του νέου υλικού, που έχει αναπτυχθεί από τους αμερικανούς φυσικούς, Sheldon Schultz και των συναδέλφων του. Να έχει δηλαδή αρνητικό δείκτη διαθλάσεως, που είναι μια ιδιορρυθμία των θεμελιωδών κανόνων της οπτικής.

Τα πειράματά τους δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Science (Απρίλιος 2001) δείχνουν έναν τρόπο διάδοσης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας μέσα στα συνθετικά αυτά υλικά που δεν είχε ποτέ παρατηρηθεί στο παρελθόν.
Το επίτευγμα αυτό δεν είναι μόνο ένα επιστημονικό αξιοπερίεργο. Τα νέα υλικά θα μπορούσαν να αποδειχτούν χρήσιμα στην ανάπτυξη νέων κεραιών και άλλων ηλεκτρομαγνητικών συσκευών. Μπορεί επίσης να καταστήσει δυνατή την κατασκευή «τέλειων φακών» ικανών να εστιάζουν το φως και άλλες ηλεκτρομαγνητικές ακτινοβολίες με ακρίβεια που δεν επιτρέπουν οι συμβατικοί φακοί.

Στα πειράματά τους οι επιστήμονες διαβίβασαν μικροκύματα με συχνότητες όμοιες με αυτές που χρησιμοποιεί η αστυνομία στα radar της μέσα από ένα μικροσκοπικό δείγμα φτιαγμένο από το συνθετικό υλικό τους. Ότι ανακάλυψαν είναι αυτό ακριβώς που είχαν προβλέψει πριν ένα χρόνο. Ότι δηλαδή τα μικροκύματα εξήλθαν από το υλικό στην αντίθετη κατεύθυνση από αυτή που προβλέπεται από το νόμο του Snell. Ο νόμος του Snell περιγράφει τη  γωνία διάθλασης που παρατηρείται  καθώς το φως επιβραδύνεται όταν εισέρχεται σε υλικά όπως το νερό, το γυαλί και άλλα συνηθισμένα διαφανή υλικά.

Αυτά τα πειράματα επιβεβαιώνουν προηγούμενες θεωρητικές προβλέψεις, ότι μια νέα κατηγορία υλικών μπορεί να προκαλέσει την εκτροπή των μικροκυμάτων σε κατεύθυνση αντίθετη απ’ αυτή που προκαλούν τα συνηθισμένα υλικά, λέει ο Sheldon Schultz, καθηγητής φυσικής στο UCSD. Ο Schultz μαζί με τους David R. Smith και Richard A. Shelby είναι οι επιστήμονες που ανέφεραν την παρατήρηση. Αν το φαινόμενο αυτό αποδειχτεί δυνατόν να συμβεί και με τις οπτικές συχνότητες, τα υλικά αυτά θα έχουν την παράξενη ιδιότητα, μια μικρή φωτεινή αναλαμπή από τη μια πλευρά ενός τέτοιου πλακιδίου να εστιάζεται σ’ ένα σημείο από την άλλη πλευρά.

Δεν υπάρχει κανένας τρόπος να πετύχουμε κάτι τέτοιο με τα συνηθισμένα διαφανή υλικά. Οι φυσικοί μετρούν την εκτροπή του φωτός από ένα υλικό με τον λεγόμενο δείκτη διάθλασης του υλικού. Όσο πιο μεγάλη τιμή έχει ο δείκτης διάθλασης τόσο πιο πολύ επιβραδύνεται το φως και εκτρέπεται όταν εισέρχεται από ένα υλικό σε ένα άλλο. Ο αέρας για παράδειγμα έχει δείκτη διάθλασης 1,0 για το φως, το νερό έχει 1,3 και το γυαλί περίπου 1,5. Αυτό σημαίνει ότι μια ακτίνα φωτός κάμπτεται κατά κάποια γωνία όταν εισέρχεται στο νερό από τον αέρα και κάμπτεται λίγο περισσότερο όταν εισέρχεται στο γυαλί.
Το φαινόμενο αυτό σε συνδυασμό με την καμπύλη επιφάνεια του γυαλιού επιτρέπει στους φακούς να εστιάζουν το φως.

12invis-graphic21.1 σχήμα που έχω χρησιμοποιήσει και στο παρελθόν, στη δημοσίευση για τους μανδύες αορατότητας.Δείχνει ακριβώς πως θα βλέπαμε υλικά με δείκτη διάθλασης διαφορετικής τιμής από τις συνηθισμένες.
Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία εκτρέπεται πάντα προς την ίδια κατεύθυνση όταν περνάει μέσα από τα συνηθισμένα υλικά τα οποία λέμε ότι παρουσιάζουν θετικό δείκτη διάθλασης. Επειδή όμως τα νέα συνθετικά υλικά εκτρέπουν το φως προς την αντίθετη κατεύθυνση λέμε ότι παρουσιάζουν αρνητικό δείκτη διάθλασης.  Πρόκειται για την πρώτη επίδειξη υλικών με αρνητικό δείκτη διάθλασης. Ο λόγος για τον οποίο υλικά με αρνητικό δείκτη διάθλασης μπορούν να δώσουν τέλειους φακούς είναι ότι δεν παρουσιάζουν σφάλματα περίθλασης. Το σφάλμα περίθλασης εμποδίζει ένα συμβατικό φακό να συγκεντρώσει το φως μιας σημειακής πηγής σε εστία διαμέτρου μικρότερης από το ήμισυ του μήκους κύματος που χρησιμοποιείται.

Αν και το συνθετικό υλικό που αναπτύχθηκε από την ομάδα στο UCSD δεν μπορεί να εστιάσει το ορατό φως, αυτό δεν αποτελεί ουσιαστικό εμπόδιο και ελπίζεται ότι σύντομα θα παρακαμφθεί. Η συμπεριφορά των υλικών αυτών δεν παραβιάζει κάποιο νόμο της φυσικής. Απλά δείχνει μια αντιστροφή ενός από τους δεξιόστροφους κανόνες της φυσικής ο οποίος περιγράφει τη σχέση μεταξύ του ηλεκτρικού και του μαγνητικού πεδίου της ακτινοβολίας και της κατεύθυνσης της ταχύτητας διάδοσής της.

Μια άλλη ιδιότητα την οποία προβλέπεται ότι αναστρέφει το νέο συνθετικό υλικό είναι το φαινόμενο Doppler.Σύμφωνα με αυτό η συχνότητα του φωτός μιας κινόυμενης πηγής μεγαλώνει καθώς η πηγή πλησιάζει τον παρατηρητή και μειώνεται καθώς απομακρύνεται από αυτόν.  Σύμφωνα με τις εξισώσεις του Maxwell που περιγράφουν τη σχέση μεταξύ του ηλεκτρικού και του μαγνητικού πεδίου, μια μικροκυματική ακτινοβολία ή το φως μιας κινούμενης πηγής θα δείχνει το αντίθετο από το συνηθισμένο αποτέλεσμα μέσα σε ένα τέτοιο υλικό. Ένας παρατηρητής δηλαδή θα μετράει μικρότερη συχνότητα καθώς η πηγή πλησιάζει και μεγαλύτερη  καθώς η πηγή απομακρύνεται από αυτόν.

Κατηγορίες:Φυσική

Το μεγαλείο του φωτός(Μέρος 1)

Με αφορμή την ενασχόλησή μου στα πλαίσια του σχολείου με το φως ως κύμα και τα φαινόμενα της ανάκλασης-διάθλασης κλπ σκέφτηκα πως θα ήταν καλό να μιλίσω για μερικά όχι και τόσο συνιθισμένα φαινόμενα στην καθημερινή μας ζωή. Συγκεκριμένα, μια από τις σύχρονες ερευνητικές δραστηριότητες των φυσικών είναι τα φαινόμενα που έχουν σχέση με το φως για τη δημιουργία υλικών με αρνητικό δείκτη διάθλασης με σκοπό τη δημιουργία, εκτός των άλλων, και  μανδύων αορατότητας, για τους οποίους έχω αναφερθεί σε παλαιότερη ανάρτηση του ιστολογίου αυτού. Τι συμβαίνει όμως με τα αριστερόστροφα υλικά, τι γνώμη έχει η επιστημονική κοινότητα με το θέμα και πως όλα αυτά συνδέονται με τους μανδύες αορατότητας; Η απάντηση όλων αυτών θα δωθεί σε ξεχωριστό αριθμό αναρτήσεων γιατί ο όγκος τους, δεν μου επιτρέπει να τις ενσωματώσω σε μια..

Η γωνία κατά την οποία κάμπτεται μια ακτίνα φωτός όταν μεταβαίνει από ένα οπτικό μέσο σε ένα άλλο περιγράφεται από τους δείκτες διάθλασης των υλικών. Η τιμή του δείκτη διάθλασης κυμαίνεται από 1 για το κενό έως υψηλότερες τιμές για οπτικά πυκνότερα μέσα όπως το νερό ή το γυαλί. Τα παράξενα ευρήματα τελευταίων ερευνών έδειξαν ότι ο δείκτης διάθλασης μπορεί να έχει και αρνητική τιμή. Για να αντιληφθούμε τι σημαίνει αυτό καθώς και τις επιπτώσεις του στην τεχνολογία ας ρίξουμε μια γρήγορη ματιά στο τι καθορίζει το δείκτη διάθλασης ενός υλικού.

Η προέλευση του δείκτη διάθλασης

Όταν το φως θεωρείται ως ηλεκτρομαγνητικό κύμα, η διάδοσή του περιγράφεται από τις εξισώσεις του Maxwell. Οι εξισώσεις αυτές περιέχουν δύο παραμέτρους οι οποίες χαρακτηρίζουν το υλικό μέσα από το οποίο περνάει το φως, και όταν αυτές συνδυαστούν δίνουν την τιμή της ταχύτητας του φωτός για το μέσον αυτό. Οι παράμετροι αυτές λέγονται διηλεκτρική σταθερά και μαγνητική διαπερατότητα αντίστοιχα. Η ηλεκτρική επιτρεπτότητα παριστάνεται με το σύμβολο ε και περιγράφει πόσο έντονα ένα ηλεκτρικό πεδίο επηρεάζει ένα υλικό. Η μαγνητική διαπερατότητα συμβολίζεται με μ και περιγράφει πόσο πολύ ένα μαγνητικό πεδίο που εφαρμόζουμε εισχωρεί σε ένα υλικό.

Όταν συνδυαστούν δίνουν την ταχύτητα του φωτός σύμφωνα με τη σχέση typos όπου c είναι η ταχύτητα του φωτός.
Στο κενό η ηλεκτρική επιτρεπτότητα και η μαγνητική διαπερατότητα συμβολίζονται με ε0 και μ­0 και δίνουν τη γνωστή μας ταχύτητα του φωτός στο κενό 3*108 m/s. Ο δείκτης διάθλασης  n ενός υλικού υπολογίζεται σε σχέση με τις δύο σταθερές από τον τύπο typos2 .

Αν οι τιμές των ε και μ είναι και οι δύο αρνητικές το φως εξακολουθεί να διαδίδεται χωρίς να παραβιάζονται οι νόμοι της φυσικής. Στην περίπτωση αυτή όμως για λόγους διατήρησης της ενέργειας πρέπει η τετραγωνική ρίζα της παραπάνω σχέσης να έχει αρνητικό πρόσημο κι έτσι ο δείκτης διάθλασης αποκτά αρνητική τιμή.
Η αρνητική τιμή του n επηρεάζει τον τρόπο με τον οποίο το φως διαθλάται. Πριν όμως ασχοληθούμε με το θέμα αυτό ας ρίξουμε μια ματιά πως επιτυγχάνονται οι αρνητικές τιμές των ε και μ.

Πως επιτυγχάνεται αρνητικός δείκτης διάθλασης.

Αρνητικές τιμές των ε και μ σημαίνουν ότι τα υλικά αυτά τείνουν να αποβάλλουν το ηλεκτρικό και μαγνητικό πεδίο από το εσωτερικό τους. Για παράδειγμα το πλάσμα και μερικές κατασκευές από παράλληλα λεπτά σύρματα εμποδίζουν τα ηλεκτρικά πεδία να περάσουν. Τέτοια υλικά έχουν αρνητικές ηλεκτρικές επιτρεπτότητες. Αντίστοιχα συρμάτινες κατασκευές με μορφή δακτυλίων και με διάκενα μεταξύ των εμποδίζουν τη διάδοση των μαγνητικών πεδίων και έχουν αρνητικές μαγνητικές διαπερατότητες.

Το κλειδί στις κατασκευές αυτές είναι η κλίμακα των κατασκευών να είναι μικρότερη από το μήκος κύματος των ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων.
Καθώς αυτό είναι δύσκολο τεχνολογικά για τα μήκη κύματος του ορατού φωτός, τα πρόσφατα πειράματα σχεδιάστηκαν για μεγαλύτερα μήκη κύματος στην περιοχή των μικροκυμάτων. Θεωρητικές μελέτες όμως για φωτονικούς κρυστάλλους προβλέπουν και εκεί παρόμοια παράξενη συμπεριφορά.
Μια προφανής ερώτηση που αναδύεται στο σημείο αυτό είναι: « Αν η αρνητική τιμή του ε αποβάλλει το ηλεκτρικό πεδίο και η αρνητική τιμή του μ αποβάλλει το μαγνητικό πεδίο δεν θα έχει αυτό ως αποτέλεσμα να αποκλείονται από το υλικό αυτό και τα δύο πεδία;»

Η απάντηση στο ερώτημα αυτό είναι «Όχι» αλλά οι λεπτομέρειες για το θέμα αυτό ξεφεύγουν από τα πλαίσια του παρόντος άρθρου.

Τι συνέπειες έχει ο αρνητικός δείκτης διάθλασης;

Όλη η παραπάνω συζήτηση για αρνητικούς δείκτες διάθλασης μπορεί να είναι ενδιαφέρουσα από μόνη της αλλά τι σημαίνει αυτό για το φως;
Το κυριότερο συμπέρασμα είναι ότι το φως κάμπτεται κατά την αντίθετη κατεύθυνση απ’ ότι θα συνέβαινε σε ένα υλικό με τον συνηθισμένο θετικό δείκτη διάθλασης. Αυτό σημαίνει ότι το αντικείμενο που συνήθως θεωρούμε ως συγκλίνοντα φακό (το οποίο εστιάζει παράλληλες ακτίνες σ’ ένα σημείο) αν έχει αρνητικό δείκτη διάθλασης δρα ως αποκλίνων φακός και αντίστροφα.
Το σχήμα 1 παρακάτω είναι ένα παράδειγμα που δείχνει πως το φως που προέρχεται από μια σημειακή πηγή, διαθλάται καθώς εισέρχεται σ’ ένα πλακίδιο φτιαγμένο από υλικό με δείκτη διάθλασης –1 το οποίο περιβάλλεται από υλικό με δείκτη διάθλασης +1. Στην διαχωριστική επιφάνεια των δύο υλικών το φως κάμπτεται προς την αντίθετη κατεύθυνση. Έτσι τελικά το πλακίδιο μπορεί να επανεστιάσει το φως σ’ ένα σημείο.
sxhma1
Σχήμα 1:Φως περνάει μέσα από πλακίδιο με αρνητικό δείκτη διάθλασης.

Μια άλλη πολύ σημαντική ιδιότητα των υλικών με αρνητικό δείκτη διάθλασης είναι ότι αποτελούν υλικό για τους «τέλειους φακούς». Ένας συνηθισμένος φακός λόγω του φαινομένου της περίθλασης δεν μπορεί να εστιάσει το φως σε περιοχή μικρότερη από το τετράγωνο του μήκους κύματος του φωτός που χρησιμοποιούμε. Αυτό αποτελεί και τον οριακό παράγοντα σε πολλές οπτικές εφαρμογές. Ο Pendry έδειξε ότι ο αρνητικός δείκτης διάθλασης μεταφέρει όλη την πληροφορία από την φωτεινή πηγή και μας δίνει είδωλο με όση διακριτική ικανότητα επιθυμούμε. Ο μόνος περιορισμός που υπάρχει οφείλεται στα ανοίγματα των σχισμών μέσα από τις οποίες περνάει το φως και στην τελειότητα των επιφανειών των φακών.

Κατηγορίες:Φυσική

Ποιά δύναμη δημιουργεί τους ανέμους;

cirkΤο περασμένο καλοκαίρι ταξίδεψα με αεροπλάνο και κατά τη διάρκεια της πτήσης παρακολουθούσα τον πλοηγό στην οθόνη που βρισκόταν μπροστά στο κάθισμά μου. Παρατήρησα λοιπόν πως το αεροπλάνο δεν ακολουθούσε ευθεία γραμμή αλλά καμπύλη. Οπότε μου γεννήθηκε η απορία γιατί συνέβαινε αυτό. Με αρκετή αναζήτηση ανακάλυψα πως αυτό οφείλεται στις δυνάμεις «Coriolis».. Τι συμβαίνει λοιπόν;

corioliskraftanimationΕπειδή η γήϊνη σφαίρα περιστρέφεται, κάθε κίνηση στο Βόρειο ημισφαίριο εκτρέπεται προς τα δεξιά, εάν το κοιτάζουμε από την θέση μας στο έδαφος. (Στο νότιο ημισφαίριο είναι αντίθετα προς τα αριστερά). Αυτή η φαινομενική πλάγια δύναμη είναι γνωστή σαν δύναμη Coriolis. (Ονομάστηκε έτσι από τον Γάλλο μαθηματικό Gustave Gaspard Coriolis 1792-1843). Το φαινόμενο Coriolis είναι λοιπόν η φαινομενική απόκλιση ενός σώματος σε σχέση μέ ένα σύστημα αναφοράς που και αυτό περιστρέφεται (εδώ τον ρόλο αυτόν τον παίζει η Γη). Στην πραγματικότητα το σώμα δεν αποκλίνει από την πορεία του, αλλά απλώς δίνει αυτήν την εντύπωση.  Πρέπει όμως εδώ να σημειώσουμε πως επειδή η ταχύτητα περιστροφής κάποιου σημείου στη Γη, εξαρτάται από το γεωγραφικό πλάτος, η απόκλιση τελικά εξαρτάται από την περιστροφική κίνηση της Γης και από το γεωγραφικό πλάτος.

1Ας θεωρήσουμε αυτόν τον κόκκινο κώνο που κινείται προς τα νότια στην κατεύθυνση της κορυφής του κώνου.
Η Γη περιστρέφεται, ενώ εμείς παρατηρούμε το θέαμα από μια κάμερα τοποθετημένη στο διάστημα. Ο κώνος κινείται κατευθείαν προς το Νότο.
Κάτω, βλέπουμε την ίδια εικόνα με την κάμερα τοποθετημένη πάνω στην Γήινη σφαίρα.

2Κοιτάξτε τώρα την ίδια κατάσταση καθώς φαίνεται από ένα σημείο υπεράνω του Βόρειου Πόλου. Εμείς έχουμε σταθεροποιήσει την κάμερα, ώστε αυτή περιστρέφεται με τη Γη. Παρατηρήστε προσεκτικά, και θα δείτε πως ο κόκκινος κώνος σχηματίζει μια καμπύλη προς τα δεξιά καθώς κινείται. Η αιτία που δεν ακολουθεί την κατεύθυνση στην οποία ο κώνος δείχνει είναι, φυσικά, πως εμείς σαν παρατηρητές στρεφόμαστε μαζί με την Γη.

3

41

Εδώ, βλέπουμε την ίδια εικόνα, με την κάμερα σταθεροποιημένη στο διάστημα, ενώ η Γη περιστρέφεται.

Η δύναμη Coriolis είναι ένα γνωστό φαινόμενο. Παραδείγματα αυτής της δύναμης υπάρχουν πολλά, τα λάστιχα των αυτοκινήτων που τρίβονται στην μιά πλευρά γρηγορώτερα  παρά στην άλλη, οι κοίτες των ποταμών σκάβονται βαθύτερα στη μιά πλευρά παρά στην άλλη. (Ποιά πλευρά εξαρτάται σε ποιό ημισφαίριο είμαστε: Στο Βόρειο ημισφαίριο τα κινούμενα σωματίδια στρέφονται προς τα δεξιά.)
Στο Βόρειο ημισφαίριο ο άνεμος τείνει να περιστραφεί προς την αντίθετη φορά των δεικτών του ρολογιού (καθώς φαίνεται από τα παραπάνω σχήματα) καθώς αυτός   προσεγγίζει μια περιοχή βαρομετρικού χαμηλού. Στο Νότιο ημισφαίριο ο άνεμος περιστρέφεται σύμφωνα με την φορά των δεικτών γύρω από περιοχές χαμηλής πίεσης.
Η δύναμη Coriolis την περίπτωση των ανέμων οφείλεται στην περιστροφή της Γης και έχει μέτρο F=2*ω*συνφ. Όπου ω=γωνιακή ταχύτητα περιστροφής της Γης και φ=το πλάτος του τόπου.

Υ.Γ.: όλες οι παραπάνω εικόνες είναι animated. Αν για κάποιο λόγο δεν τις βλέπετε να κινούνται, πατήστε πάνω τους και θα ανοίξουν σε νέα σελίδα.. 😉

Κατηγορίες:Φυσική

Μπορούμε άραγε να αξιοποιήσουμε την ενέργεια του κενού;

Τον τελευταίο καιρό λόγω του podcast, έχω ψιλοπαρατήσει το blog.. Όοοοοχι! Ορίστε ένα πολύ «δυνατό» θέμα φυσικής. Ενέργεια του κενού!

Η ενέργεια μηδενικού σημείου (ZPE) είναι ένα δομικό και αναπόφευκτο στοιχείο της κβαντικής φυσικής. Έχει μελετηθεί θεωρητικά και πειραματικά, ήδη από την δεκαετία του 1920 και τα πρώτα βήματα της κβαντομηχανικής. Η ενέργεια του κενού είναι μια ειδική περίπτωση της ενέργειας μηδενικού σημείου και αποτελεί πηγή αρκετών παρερμηνειών και σύγχυσης. Σ’ ένα τελείως άδειο και επίπεδο σύμπαν, οι κβαντικοί υπολογισμοί μας δίνουν άπειρη τιμή τόσο για τη θετική όσο και για την αρνητική ενέργεια, και αυτό είναι κάτι που προφανώς είναι αναντίστοιχο με τον πραγματικό κόσμο.

Στην κλασσική φυσική, αν θεωρήσουμε ένα σωματίδιο επί του οποίου ενεργεί μια συντηρητική δύναμη, τότε η ολική του ενέργεια είναι:  E = (1/2) mv2 + V(x). Όπου V(x) είναι η δυναμική του ενέργεια στη θέση x του χώρου.

Για να βρούμε την πιο χαμηλή ενεργειακή κατάσταση του σωματιδίου στην κλασσική φυσική, αρκεί να θέσουμε την ταχύτητά του ίση με 0 (κι έτσι μηδενίζουμε την κινητική του ενέργεια) και επίσης να τοποθετήσουμε το σωματίδιο στο σημείο που έχει την ελάχιστη δυναμική ενέργεια V(x). Επειδή όμως με τον τρόπο αυτόν, τόσο η ορμή του σωματιδίου όσο και η θέση του έχουν απολύτως καθορισμένες τιμές (v=0 και x τέτοια ώστε V(x) minimum), παραβιάζεται η περίφημη αρχή της κβαντικής απροσδιοριστίας. Σύμφωνα με αυτήν θα πρέπει το γινόμενο της απροσδιοριστίας στη θέση επί την απροσδιοριστία στην ορμή να ισούται με τη σταθερά του planck h διαιρεμένη δια 2π.   (Δp•Δx= h/2π)

Με άλλα λόγια, η κβαντομηχανική μέσω της αρχής απροσδιοριστίας, επιβάλλει στο σωματίδιο να μην έχει καθορισμένη ορμή και θέση συγχρόνως, κι έτσι να κατέχει μια ελάχιστη ενέργεια που είναι μεγαλύτερη από την κλασσικά ελάχιστη ενέργεια. Έτσι η ενέργεια μηδενικού σημείου (ΖΡΕ) ορίζεται ως

E(ZPE) = E(κβαντικά ελάχιστη ενέργεια) – E(κλασσικά ελάχιστη ενέργεια) > 0

Αν φανταστούμε ότι καθώς το σωματίδιο βρίσκεται στο ελάχιστο της δυναμικής του ενέργειας, του δίνουμε μια ελαφρά ώθηση, τότε αυτό ταλαντώνεται γύρω από αυτή τη θέση της ευσταθούς ισορροπίας του με μια συχνότητα που μπορούμε να υπολογίσουμε και ονομάζεται φυσική ιδιοσυχνότητα με τη συγκεκριμένη μορφή δυναμικού.

Η Κβαντομηχανικά τώρα είναι εύκολο να δειχτεί με τη βοήθεια της αρχής απροσδιοριστίας ότι η ενέργεια μηδενικού σημείου του σωματιδίου όταν βρίσκεται υπό την συγκεκριμένη μορφή δυναμικού, θα είναι
vacuum-energy
όπου hbar είναι η σταθερά του Planck διαιρεμένη δια 2π και ω0 είναι η φυσική ιδιοσυχνότητα της ταλάντωσης που αναφέρθηκε πιο πάνω. Αυτή η ενέργεια μηδενικού σημείου εμφανίζεται σε όλα τα συστήματα που μπορούν να ταλαντώνονται, όπως π.χ. στους δεσμούς των ατόμων και των μορίων.

Ας εξετάσουμε τώρα κάποιο πεδίο όπως είναι λ.χ. το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο όπως και κάθε πεδίο στη φυσική, μπορούμε να το φανταζόμαστε σα να είναι ο χώρος γεμάτος μπαλίτσες που ταλαντώνονται και που είναι συζευγμένες μεταξύ τους με ένα πλέγμα από ελατήρια. Στην εικόνα αυτή, η ένταση του πεδίου αντιστοιχεί με την απομάκρυνση τοπικά κάθε μπαλίτσας από τη θέση ισορροπίας της. Οι ταλαντώσεις αυτού του πεδίου διαδίδονται σύμφωνα με την κατάλληλη κυματική εξίσωση που ισχύει για το συγκεκριμένο πεδίο.  Σε κάθε σημείο του χώρου βρίσκεται σύμφωνα με την εικόνα αυτή και από ένας τέτοιος ταλαντωτής.

Σύμφωνα πάλι με την κλασσική άποψη, η πιο χαμηλή ενεργειακή κατάσταση είναι εκείνη που το ηλεκτρικό και το μαγνητικό πεδίο (δηλαδή τα αντικείμενα που ταλαντώνονται) είναι συγχρόνως μηδέν και τα δύο. Και πάλι η κβαντομηχανική μας λέει ότι αυτό δεν μπορεί να συμβαίνει λόγω της αρχής της απροσδιοριστίας η οποία εφαρμόζεται και εδώ με λίγο πιο περίπλοκο τρόπο.

Αν κάθε δυνατός συλλογικός τρόπος ταλάντωσης (mode), όλων αυτών των συζευγμένων ταλαντωτών  έχει μια ξεχωριστή φυσική ιδιοσυχνότητα ω, τότε η ενέργεια μηδενικού σημείου θα είναι

Ε(ΖΡΕ) = (Ηλεκτρομαγνητική ενέργεια του κενού) = Άθροισμα σε όλα τα modes, της ποσότητας  (1/2) hbar •ω του κάθε mode

Λόγω του άπειρου πλήθους των δυνατών τρόπων ταλάντωσης, η ενέργεια αυτή του κενού φαίνεται να απειρίζεται. Οι άπειρες ποσότητες πάντα αναστάτωναν τους μαθηματικούς και φυσικούς. Το ξεπέρασμα της δυσκολίας του απείρου, δόθηκε με την παρατήρηση ότι εκείνο που μετρείται φυσικά είναι μόνο οι διαφορές στην ενέργεια. Όπως ακριβώς κάναμε και με τη δυναμική ενέργεια στην κλασσική μηχανική, όπου μετράμε μόνο τις διαφορές της. Με τη μέθοδο λοιπόν της λεγόμενης επανακανονικοποίησης, μετράμε μόνο τις διαφορές που εμφανίζονται στην ενέργεια του κενού όταν ένα σωματίδιο αλληλεπιδρά με τα πεδία του.

Συχνά θα δούμε επίσης να γράφεται ότι στο κενό δημιουργούνται συνεχώς και καταστρέφονται εξαιρετικά βραχύβια δυνάμει σωματίδια όλων των ειδών. Τα σωματίδια αυτά πριν καταστραφούν προλαβαίνουν και αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Οι αλληλεπιδράσεις τους αυτές είναι που μας εξηγούν όλες τις φυσικές δυνάμεις που παρατηρούμε. Αποδεικνύεται πάντως ότι αν κάνουμε τον υπολογισμό της ενέργειας του κενού μέσω αυτών των δυνάμει σωματιδίων και των αλληλεπιδράσεών τους, η ενέργεια που παίρνουμε είναι η ίδια με αυτή που προκύπτει με τη μέθοδο των κβαντικών ταλαντωτών που αναφέραμε παραπάνω. Το ίδιο πρόβλημα της επανακανονικοποήσης εμφανίζεται και στη μέθοδο αυτή.

Ο απειρισμός αυτός της ενέργειας είναι που γεννάει τις προσδοκίες για τιθάσευση από τον άνθρωπο μιας άπειρης και ανεξάντλητης πηγής ενέργειας. Δυστυχώς όπως θα δούμε, τα πράγματα δεν είναι ακριβώς έτσι.

Αν εισάγουμε στο κενό έναν αγωγό ή κάποιο διηλεκτρικό, μπορούμε να επηρεάσουμε το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο και να προκαλέσουμε έτσι κάποια μεταβολή στην ενέργεια μηδενικού σημείου. Αυτό ακριβώς συμβαίνει και στο περίφημο φαινόμενο Casimir. Σύμφωνα με αυτό, δύο αγώγιμες τελείως ουδέτερες πλάκες δεν αναμένεται σύμφωνα με την κλασσική φυσική να έλκονται μεταξύ τους. Σύμφωνα όμως με την κβαντική φυσική οι ουδέτεροι αγωγοί διαταράσσουν το κενό του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου και δημιουργούνται μετρήσιμες μεταβολές στην ενέργειά του καθώς μετακινούνται οι πλάκες. Η πρόβλεψη αυτή έχει επιβεβαιωθεί πλήρως πειραματικά αλλά μιλάμε για πολύ μικρές ενεργειακές μεταβολές.

Αν αντί για αγώγιμες πλάκες χρησιμοποιηθούν μονωτές, υπάρχουν κάποιοι θεωρητικοί και πειραματικοί που ισχυρίζονται ότι οι μεταβολές στην ενέργεια κενού του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου μπορεί να δημιουργήσει ακόμα και το φαινόμενο της ηχοφωταύγειας.

Κάποιοι άλλοι πάλι προτείνουν ότι το φαινόμενο Casimir που είναι μικροσκοπικό στα γήινα πειράματα, μπορεί να γίνει υπεύθυνο για αστρικούς σεισμούς στα άκρα νετρονίων και για τις μυστηριώδεις εκλάμψεις των ακτίνων γ.

Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι η ενέργεια η μηδενικού σημείου πράγματι υπάρχει. Όμως μόνο οι μεταβολές της μπορούν να είναι μετρήσιμες και αξιοποιήσιμες. Η δυνατότητά μας να εκμεταλλευτούμε τις μεταβολές αυτές ενέργειας είναι περιορισμένη σε μικροσκοπικά φαινόμενα όπως το φαινόμενο Casimir. η φαντασία όμως των ανθρώπων έχει εν πολλοίς μεγαλοποιήσει τη σημασία της ενέργειας του κενού. Οι προτάσεις λοιπόν που θέλουν τον άνθρωπο να εξορύσσει απεριόριστα ποσά ενέργειας από το κενό, θα πρέπει μάλλον να αντιμετωπίζονται με εξαιρετικό σκεπτικισμό.

Κανείς δεν γνωρίζει σήμερα πως με αλληλεπιδράσεις πραγματικών σωματιδίων με τα δυνάμει σωματίδια του κενού, να μπορεί να αντλήσει μια πρακτικά χρήσιμη ποσότητα ενέργειας από το κενό.

Αστείο Quiz-Άσκηση φυσικής!!

Πρόσφατα αγόρασα ένα εξωσχολικό βιβλίο φυσικής που περιέχει διάφορα φαινόμενα που παρατηρούμε στο σπίτι ή εκμεταλλευόμαστε καθημερινά χωρίς να ξέρουμε τι φυσική εξήγηση έχουν.. Ένα από αυτά με έκανε να γελάσω πολύ. Σας το λέω λοιπόν. Θα περιμένω να μου στείλετε τη λύση. Αλλιώς θα την δημοσιεύσω εγώ σε λίγες μέρες…

Μια αεροσυνοδός είχε φουσκώσει το στήθος της με μπαλονάκια σιλικόνης και καθώς βρισκόταν σε πτήση με μεγάλο υψόμετρο, λόγω ενός μηχανικού προβλήματος, η καμπίνα του αεροπλάνου άρχισε σταδιακά να αποσυμπιέζεται και αυτή ένιωσε το στήθος της να μεγαλώνει. Έτρεξε λοιπόν να πάρει μια καρφίτσα να το τρυπήσει για να μην…σκάσει(χαχαχα). βρήκε την καρφίτσα και μόλις το τρύπησε, η διάμετρος του στήθους είχε φτάσει τα 46 εκατοστά. Να βρείτε μια συνάρτηση που θα περιγράφει πως μεταβάλλεται ο όγκος του στήθους συναρτήσει του υψομέτρου… χαχα….!!

Να εξηγήσω πως το στήθος μεγάλωνε γιατί: Τα μπαλονάκια είχαν για παράδειγμα πίεση 1 ατμόσφαιρας και στη γη που έχουμε επίσης 1 ατμόσφαιρα πίεση δεν υπάρχει πρόβλημα. Αντίθετα όταν αποσυμπιέστηκε η καμπίνα, η εξωτερική πίεση ήταν πολύ μικρότερη της 1 ατμόσφαιρας οπότε το στήθος φούσκωσε. Δεν ξέρω αν αυτό γίνεται στην πραγματικότητα αλλά αν όντως συμβαίνει θαρρώ πως θα πρέπει να πετάμε πιο συχνά!