Φυσική & Φιλοσοφία (170 άρθρα)

Ο Ιούλιος Σμιτ και η χαρτογράφηση της Σελήνης

| 0 ΣΧΟΛΙΑ

Αστρονομικές παρατηρήσεις ακριβείας από τον Λόφο των Νυμφών

Johann_Friedrich_Julius_Schmidt

Ιούλιος Σμιτ (Johann Friedrich Julius Schmidt)

Ο Γερμανός αστρονόμος Ιούλιος Σμιτ ή Johann Friedrich Julius Schmidt (1825 –1884) ήταν ο διευθυντής του αστεροσκοπείου Αθηνών από το 1858 μέχρι το θάνατό του.

Μαθητής ακόμη στο κολέγιο του Αμβούργου ασχολήθηκε με την αστρονομία και διακόπτοντας τις σπουδές του το 1845, πραγματοποίησε τις πρώτες τις παρατηρήσεις του στο αστεροσκοπείο του Bilk.

Στη συνέχεια ανέλαβε την επίσημη θέση του βοηθού αστρονόμου στο αστεροσκοπείο της Βόννης υπό την εποπτεία του Friedrich Wilhelm Argelander. Από τότε άρχισε τις συστηματικές παρατηρήσεις κομητών και πλανητών κυρίως.

Το 1853 ανέλαβε την διεύθυνση του αστεροσκοπείου στο Olmütz (βρίσκεται στη σημερινή Τσεχία), στην οποία έμεινε μέχρι το 1858, όταν του ανετέθη η διεύθυνση του αστεροσκοπείου Αθηνών.

Το Αστεροσκοπείο Αθηνών στις αρχές του 1860

Το αστεροσκοπείο Αθηνών στον Λόφο των Νυμφών στις αρχές του 1860

Στην Αθήνα ο Σμιτ απέδειξε τις μεγάλες ικανότητές του στις παρατηρήσεις όλων των τομέων της τότε αστρικής έρευνας, αλλά και αξιόλογη οργανωτική ικανότητα στο νεοσύστατο αστεροσκοπείο Αθηνών. Με τις δαπάνες της οικογένειας Σίνα εξόπλισε το αστεροσκοπείο με τα απαραίτητα όργανα.

Ο ουρανός της Αθήνας εκείνη την εποχή είχε εξαιρετική διαύγεια, μηδενική φωτορύπανση και εξαιτίας των ιδανικών καιρικών συνθηκών, το αστεροσκοπείο των Αθηνών ήταν ιδανικό για τις αστρονομικές μελέτες, σχεδόν και στις τέσσερις εποχές του χρόνου.

Οι παρατηρήσεις του Σμιτ αναφέρονταν στους πλανήτες, τους κομήτες, του διάττοντες, τον ήλιο, τις εκλείψεις, τους διπλούς και μεταβλητούς αστέρες, τα νεφελώματα και κυρίως στη Σελήνη. Tο 1862 ανακάλυψε έναν κομήτη, και στα επόμενα χρόνια μερικούς μεταβλητούς αστέρες.

Ο Ιούλιος Σμιτ εκτός των άλλων προσόντων που διέθετε είχε μεγάλη ευχέρεια στο σχέδιο. Χάρη σ’ αυτή του τη δεξιοτεχνία πραγματοποίησε πολυάριθμες περιγραφικές παρατηρήσεις, των ηλιακών κηλίδων, κομητών, πλανητών και κυρίως της επιφάνειας της Σελήνης.

Μέχρι τα μέσα του 19ου αιώνα η χαρτογράφηση της Σελήνης (Σεληνογραφία) δεν είχε ολοκληρωθεί. Έλλειπαν πολλές λεπτομέρειες αλλά και ορισμένες περιοχές. Ο Ιούλιος Σμιτ, ήταν αυτός που συμπλήρωσε τις λεπτομέρειες και σχεδίασε τις περιοχές που έλλειπαν. Η σχεδίαση αυτού του χάρτη διήρκησε 34 έτη (1840 – 1874) και θεωρείται ακόμα και σήμερα ως ένας από τους αξιολογότερους του είδους.

schmidt12Ο χάρτης που εκδόθηκε το 1878 περιείχε απίστευτες λεπτομέρειες για την εποχή του. Χωρίζονταν σε 25 τμήματα και ο δίσκος της Σελήνης στον χάρτη είχε διάμετρο 1,9 μέτρα.

Ο χάρτης του Ιουλίου Σμιτ έδειχνε 32856 τοπογραφικές λεπτομέρειες (εκ των οποίων οι 2100 ήταν καινούργιες) και πήρε την σκυτάλη ως του καλύτερου χάρτη της Σελήνης από τους Beer και Mädler. Κράτησε τη θέση αυτή μέχρι το 1910, όταν ο Walter Goodacre κατασκεύασε έναν νέο χάρτη 1,5 μέτρων με μεγαλύτερη ακρίβεια.

«… Ύστερα απ΄ αυτούς τους επιστήμονες (Beer και Mädler) πρέπει να πάρουν θέση τα σεληνογραφικά ανάγλυφα του Γερμανού Ιουλίου Σμιτ …
(…) Σε μερικά σημεία το πράσινο χρώμα ήταν πολύ ζωηρό και σύμφωνα με τον Ιούλιο Σμιτ περισσότερο έντονο φαίνεται στις θάλασσες της Ηρεμίας και των Δακρύων…»
Αναφορές στον Ιούλιο Σμιτ από το βιβλίο του Ιουλίου Βερν «Γύρω απ’ τη Σελήνη», εκδόσεις Μ. Πεχλιβανίδης Α.Ε.

O Ιούλιος Σμιτ αναζωογόνησε την Σεληνογραφία και ώθησε πολλούς αστρονόμους να ασχοληθούν μ’ αυτή. Στη βιβλιογραφία αναφέρεται ένα επεισόδιο σχετικά με έναν μικρό κρατήρα στη Σελήνη που ονομάζεται Linné, που ήταν καταγεγραμμένος ως βαθύς κρατήρας στον παλαιότερο χάρτη των Beer and Mädler. Ο Σμιτ το 1866 ισχυρίστηκε πως ο κρατήρας είχε εξαφανιστεί! Στη θέση του εμφανιζόταν μια κηλίδα φωτός. Όπως θα περίμενε κανείς η δήλωση αυτή ώθησε πολλούς κορυφαίους αστρονόμους να στρέψουν τα τηλεσκόπιά τους προς τη Σελήνη. Επακολούθησαν έντονες αντιπαραθέσεις, δεδομένου ότι αν ίσχυε ο ισχυρισμός του Σμιτ, τότε θα ήταν η πρώτη παρατηρηθείσα μεταβολή στην επιφάνεια της Σελήνης.

Κρατήρας Linné

Ο κρατήρας Linné φωτογραφημένος από το Apollo 15

Σήμερα γνωρίζουμε ότι ο κρατήρας Linné είναι πράγματι ένας μικρός κρατήρας που περιβάλλεται από μια φωτεινή περιοχή. Μπορεί ο Ιούλιος Σμιτ να έκανε λάθος – δεν υπήρξε καμία μεταβολή στο σεληνιακό τοπίο -, όμως το λάθος αυτό χρειαζόταν εκείνη την εποχή για να δοθεί μεγαλύτερο ενδιαφέρον στην παρατήρηση της Σελήνης, που μετά τον χάρτη των Beer και Mädler θεωρείτο ως ένας νεκρός και πληκτικός κόσμος.

Για να τιμηθεί η προσφορά του Ιουλίου Σμιτ στην αστρονομία, δόθηκε το όνομα Σμιτ (Schmidt), σε δυο κρατήρες. Ο ένας βρίσκεται στη Σελήνη κι ο άλλος στον Άρη.

Ο μεγάλος χάρτης της Σελήνης που σχεδίασε ο Ιούλιος Σμιτ εξεδόθη, μαζί με τον τόμο που τον συνόδευε, από την κυβέρνηση της Πρωσίας. Σύμφωνα με την αστροφυσικό Φιόρη – Αναστασία Μεταλληνού, που ήταν υπεύθυνη στο Κέντρο Επισκεπτών του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών, σήμερα μόνο κάποια θραύσματα του πρωταρχικού χάρτη σώζονται σε αρχείο στο Βερολίνο, όπου βρίσκονται συγκεντρωμένα χειρόγραφα του Ιουλίου Σμιτ. Υπάρχει όμως αντίγραφο, ολόκληρου χάρτη το οποίο εκτίθεται στο Μουσείο Γεωαστροφυσικής, στις εγκαταστάσεις του Εθνικού Αστεροσκοπείου στο Θησείο. Έχει διάσταση 2 x 2 μέτρα και αποτελείται από 25 τμήματα, που αντιπροσωπεύουν την σεληνιακή επιφάνεια, την ορατή βεβαίως από τη Γη.

Στη συνέχεια βλέπουμε τον χάρτη της Σελήνης του Ιουλίου Σμιτ και διάφορες λεπτομέρειές του:

Schmidt1

Ο χάρτης του Ιουλίου Σμιτ συνίσταται από 25 τμήματα και η διάμετρος της Σελήνης στον χάρτη έχει μήκος 194,9 εκατοστά. Καταγράφονται 32856 μεμονωμένα χαρακτηριστικά της επιφάνειας και εισάγεται η σεληνιακή ορολογία που χρησιμοποιούμε μέχρι σήμερα.

Schmidt11Schmidt10Schmidt9Schmidt2Schmidt3Schmidt4Schmidt6Schmidt7Schmidt8

πηγές
1. «Observing the Moon: The Modern Astronomer’s Guide» , Gerald North
2. The Observatory, Vol. 7, p. 117-120 (1884)
3. «An Introduction to the Study of the Moon«, Zdenek Kopal
4. Εγκυκλοπαιδικό Λεξικό «Ηλίου»
5. Οι εικόνες του χάρτη της Σελήνης του Ιουλίου Σμιτ προέρχονται από το site sciencemuseum.org.uk

 

Πηγή

 

Κατηγορίες:
Φυσική & Φιλοσοφία

Υπάρχει χρόνος; Ο Carlo Rovelli και η κβαντική απάντηση

| 0 ΣΧΟΛΙΑ

Ο χρόνος αντιμετωπίζεται συχνά ως ένα είδος θεμελιώδους ουσίας. Αλλά όσο περισσότεροι επιστήμονες διερευνούν το χρόνο, τόσο περισσότερο η ιδέα του να είναι ουσιαστική ιδιότητα του σύμπαντος αποδεικνύεται ψευδής. Στο τελευταίο του βιβλίο ο Carlo Rovelli εξηγεί πώς δημιουργούμε μια αίσθηση του ρέοντας χρόνου σε έναν κόσμο όπου δεν υπάρχει φυσικά.

does-time-exist-carlo-rovelli

«Αυτή η διάκριση μεταξύ παρελθόντος και μέλλοντος δεν υπάρχει στη βασική γραμματική του κόσμου. Προκύπτει μόνο επειδή έχουμε ένα θολό όραμα της πραγματικότητας. ”

Κάρλο Ροβέλλι

Το τέλος του απόλυτου χρόνου

Οι περισσότεροι από εμάς εξακολουθούν να πιστεύουν ότι ο χρόνος υπάρχει κάπου στο σύμπαν μας, ρέει ομοιόμορφα από το παρελθόν στο μέλλον. Ενώ δεν μπορούμε να τον δούμε, να τον μυρίσουμε, να τον αγγίξουμε ή να το δοκιμάσουμε, γνωρίζουμε ότι ο χρόνος είναι εκεί και περνάει. Η κίνηση των ρολογιών μας το λέει.

Αυτή η φυσική άποψη του χρόνου υπάρχει στον Ισαάκ Νεύτωνα, ο οποίος υποστήριξε ότι ο χρόνος ουσιαστικά υπάρχει. Ο απόλυτος «αληθινός χρόνος» του υπήρχε εξίσου παντού, προχωρώντας προς τη μία κατεύθυνση ως ανεξάρτητη ουσία. Θα συνέχιζε να περνά αδιάκοπα στο υπόβαθρο ακόμα κι αν σταματούσατε να το σκέφτεστε.

Όμως, ενώ είναι χρήσιμο, δεν υπάρχουν ισχυρά επιστημονικά στοιχεία που να δείχνουν ότι αυτή η φυσική άποψη του χρόνου είναι στην πραγματικότητα αληθινή. Μετά από αιώνες συζητήσεων, θεωριών και πειραμάτων, οι φυσικοί εξακολουθούν να μην μπορούν να συμφωνήσουν για το τι είναι ο χρόνος πραγματικά ή αν υπάρχει ακόμη και έξω από το ανθρώπινο μυαλό.

Εντροπία και το βέλος του χρόνου

Στην πραγματικότητα, οι επιστήμονες ανακάλυψαν μόνο έναν φυσικό νόμο που υποδηλώνει ότι ο χρόνος μπορεί να έχει κατεύθυνση – ότι το «παρελθόν» μπορεί να είναι ξεχωριστό και ξεχωριστό από το «μέλλον».

Σχετίζεται με τη δεύτερη αρχή της θερμοδυναμικής, η οποία αναφέρει ότι η θερμότητα μπορεί να ρέει μόνο από το ζεστό προς το κρύο. Αυτός ο νόμος χρησιμοποιείται για να δείξει κάτι που οι επιστήμονες θέλουν να ονομάσουν εντροπία – το μέτρο της αταξίας ή της διαταραχής μέσα σε ένα δεδομένο σύστημα.

Η θερμότητα που “συμπυκνώνεται” σε ένα φλιτζάνι καφέ είναι σε «τάξη», αλλά γίνεται «αταξία» όταν κινείται έξω από αυτό. Η συνέπεια γι’ αυτό είναι ότι η φύση τείνει προς μια μη αναστρέψιμη διαδικασία αποδιοργάνωσης, η εντροπία – ή διαταραχή ή αταξία  – μεγαλώνει πάντα με το χρόνο.

Αλλά η εντροπία είναι από μόνη της προβληματική. Θα υπάρχουν πάντα πιο “άταχτες” καταστάσεις στη φύση από αυτές με τάξη, και αυτό που ορίζουμε ως «τάξη» και «διαταραχή» εξαρτάται από την προοπτική μας. Είμαστε αυτοί που δίνουν νόημα σε αυτό που βλέπουμε, έτσι το μέτρο της εντροπίας μας εξαρτάται από τις μεταβλητές στις οποίες επιλέγουμε να επικεντρωθούμε. Αυτός ο φυσικός νόμος που αποδεικνύει την ύπαρξη κατεύθυνσης στον χρόνο που μεταβάλλεται δεν είναι ελεύθερος από τη δική μας ανθρώπινη προοπτική.

Η κβαντική πρόκληση στο χρόνο

Αυτό το προοπτικό φαινόμενο του χρόνου είναι σύμφωνο με αυτό που έχουν παρατηρήσει οι επιστήμονες σε κβαντικό επίπεδο. Όταν μελετάτε τη συμπεριφορά ή τις μικρότερες φυσικές ποσότητες που υπάρχουν στο σύμπαν, όπως κάνει ο φυσικός Carlo Rovelli, σύντομα θα βρείτε ότι δεν υπάρχουν στοιχεία για το χρόνο.

«Δεν έχουμε ακόμη μια πειστική και συμφωνημένη θεωρία της βαρύτητας, αλλά στις δοκιμαστικές θεωρίες που έχουμε, ο ίδιος ο χρόνος υφίσταται μάλλον κβαντικές διακυμάνσεις. Έτσι, η συνήθης έννοια του χρόνου δεν ισχύει. Ο απλούστερος τρόπος αντιμετώπισης αυτού είναι να ξεχάσετε ουσιαστικά την έννοια του χρόνου και να γράψετε τις βασικές εξισώσεις του σύμπαντος χωρίς χρόνο. “

Αντ ‘αυτού, η κβαντική φυσική υποδηλώνει ότι η αίσθηση ενός διατεταγμένου, ρέοντος χρόνου μπορεί σαφώς να είναι το αποτέλεσμα της ατομικής μας ανθρώπινης προοπτικής.

«Εντελώς αξιοθαύμαστα, εντελώς εκπληκτικά, αλλά στην πραγματικότητα αρκετά σοκαριστικό, η εξαιρετικά εμφανής διάκριση μεταξύ του παρελθόντος και του μέλλοντος είναι πραγματικά στατιστική – οφείλεται στην πραγματικότητα μόνο στη θολή αλληλεπίδραση μας με την πραγματικότητα.

Δεν είναι δυνατόν για εμάς να καταγράψουμε όλες τις κβαντικές διακυμάνσεις που συμβαίνουν σε μια στιγμή, έτσι ώστε η αλληλεπίδρασή μας με τον κόσμο γίνεται μερική. Βλέπουμε μια θολή εκδοχή του. Παίρνουμε πράγματα που αναδύονται σε μικροκλίμακα και τα σκεφτόμαστε με όρους των εννοιών που έχουν νόημα για μας. Έτσι σε έναν κόσμο χωρίς χρόνο, φαίνεται να τον δημιουργούμε – και αυτή η διαδικασία είναι πολύ προσωπική.

the-order-of-time

The Order of Time, του Κάρλο Ροβέλι. Όπως γράφει «Δεν υπάρχει παρελθόν ή μέλλον»

«Μια μεγάλη πτυχή – η βασική πτυχή – του τρόπου με τον οποίο έχουμε αυτήν την αίσθηση του ρέοντας χρόνου, σχετίζεται στην πραγματικότητα με τα συναισθήματά μας. Δεν έχουμε συναισθηματικά ουδέτερη σχέση με το χρόνο. Ο χρόνος περνάει και μας παίρνει τα πράγματα. Μας δίνει ζωή και μας αφαιρεί χρόνο. Υπάρχει λοιπόν ένα μεγάλο συναίσθημα του χρόνου. “

Αυτό όμως αποτελεί τεράστιο πρόβλημα για τη φυσική. Αν το όλο εγχείρημα της επιστήμης είναι να εξηγήσουμε τον κόσμο με τον πιο αντικειμενικό τρόπο, πώς μπορούμε να ανταποκριθούμε σε αυτήν την ιδέα του χρόνου ως μια συναισθηματική κατασκευή;

Στην επιστήμη προσπαθούμε να ξεκαθαρίσουμε από τα συναισθήματα μας – αλλά αν το κάνουμε αυτό, δεν καταλαβαίνουμε τι ώρα είναι. Η κατανόηση του χρόνου, σε μεγάλο βαθμό, γίνεται κατανοώντας τον τρόπο με τον οποίο εργαζόμαστε – του τρόπου λειτουργίας του εγκεφάλου και της συνείδησής μας – και γι ‘αυτό το πρόβλημα του χρόνου είναι τόσο συναρπαστικό. “

 

Για τον Κάρλο Ροβέλι

carlorovelliΟ Ιταλός θεωρητικός φυσικός ζει τώρα στην Μασσαλία, όπου από το 2010 κι έπειτα είναι επικεφαλής της ομάδας κβαντικής βαρύτητας βρόγχων στο Centre de physique théorique. Πριν από αυτό εργαζόταν στο Πανεπιστήμιο του Πίτσμπουργκ, στις ΗΠΑ, επί μία δεκαετία. 

Κάποια στιγμή δοκίμασε το LSD. Και αποδείχθηκε πως αυτό ήταν το στοιχείο που ξύπνησε το ενδιαφέρον του για την φυσική εν γένει, και συγκεκριμένα για το ζήτημα του χρόνου. “Ήταν μια εξαιρετικά δυνατή εμπειρία που με άγγιξε και διανοητικά” θυμάται. “Μεταξύ των παράξενων φαινομένων ήταν η αίσθηση πως ο χρόνος έχει σταματήσει. Στο μυαλό μου συνέβαιναν πράγματα αλλά το ρολόι δεν προχωρούσε, η ροή του χρόνου δεν κυλούσε πια. Ήταν μια απόλυτη ανατροπή της δομής της πραγματικότητας.” Αναφέρει παραισθήσεις με παραμορφωμένα αντικείμενα, έντονα και εκτυφλωτικά χρώματα, αλλά επίσης θυμάται να αναρωτιέται τι συμβαίνει καθ’ όλη την διάρκεια της εμπειρίας του.

“Και σκέφθηκα: ‘Λοιπόν, πρόκειται για μια ουσία που αλλάζει τα πράγματα στο μυαλό μου. Πως όμως γνωρίζω ότι η συνήθης αντίληψη μου είναι η ορθή, και αυτή είναι λανθασμένη; Αν αυτοί οι δύο τρόποι αντίληψης του κόσμους είναι τόσο διαφορετικοί, τι σημαίνει ότι κάποιος από τους δύο είναι ο σωστός;” Άρχισε να φαντάζεται τον κόσμο, όχι όπως τον έβλεπε καθημερινά, αλλά ως τον ανεξέλεγκτο και κυματοειδή χωροχρόνο που περιέγραφε ο Einstein. Η πραγματικότητα, όπως λέει και ο τίτλος ενός από τα βιβλία του, δεν είναι αυτό που φαίνεται.

Η εργασία του Rovelli ως φυσικού, σε αδρές γραμμές, ασχολείται με το μεγάλο κενό που άφησε αφ’ ενός ο Αϊνστάιν, και αφ’ ετέρου η ανάπτυξη της κβαντικής θεωρίας. Αν η θεωρία της γενικής σχετικότητα περιγράφει έναν κόσμο καμπύλου χωροχρόνου όπου όλα είναι συνεχή, η κβαντική θεωρία περιγράφει έναν κόσμο όπου διακριτές ποσότητες ενέργειας αλληλεπιδρούν. Όπως λέει κι ο ίδιος ο Rovelli, “η κβαντομηχανική δεν μπορεί να ασχοληθεί με την καμπυλότητα του χωροχρόνου, και η γενική σχετικότητα δεν μπορεί να εξηγήσει τα κβάντα”.

Αμφότερες οι θεωρίες είναι επιτυχημένες. Η εμφανής ασυμβατότητα τους όμως αποτελεί ένα άλυτο πρόβλημα και ένας από τους σκοπούς των θεωρητικών φυσικών είναι να αποπειραθούν να κατασκευάσουν ένα θεωρητικό πλαίσιο εντός του οποίου να ισχύουν και οι δύο. Το πεδίο της θεωρίας του βρόγχου του Rovelli, ή αλλιώς κβαντική βαρύτητα βρόγχων, προσφέρει μια πιθανή απάντηση στο πρόβλημα, όπου ο ίδιος ο χωρροχρόνος γίνεται αντιληπτός ως κοκκιώδης, μια λεπτή δομή που αποτελείται από βρόγχους.  

Η θεωρία των χορδών προσφέρει ένα άλλο μονοπάτι προς την επίλυση του προβλήματος. Όταν ερωτάται τι πιστεύει για την πιθανότητα να είναι λάθος η δουλειά του στην κβαντική βαρύτητα βρόγχων, εξηγεί ευγενικά πως το να κάνει κάποιος λάθος δεν είναι το ζήτημα, αλλά το να συμμετέχει στην συζήτηση. Κι εξάλλου “Αν ρωτήσεις ποιος διαθέτει την μακρύτερη και πιο εντυπωσιακή λίστα αποτελεσμάτων, αναμφισβήτητα είναι ο Αϊνστάιν. Αν όμως ρωτήσεις ποιος είναι ο επιστήμονας με τα περισσότερα λάθη, και πάλι είναι ο Αϊνστάιν.”

Κι ο χρόνος τι δουλειά έχει εδω; Όπως κατέδειξε κι ο Αϊνστάιν πριν πολλά χρόνια, ο χρόνος είναι σχετικός. Για παράδειγμα ο χρόνος κυλάει βραδύτερα για ένα αντικείμενο που κινείται με μεγαλύτερη ταχύτητα από κάποιο άλλο.

string_theory

Η θεωρία των χορδών προσφέρει ένα άλλο μονοπάτι προς την επίλυση του προβλήματος.

Στον σχετικό αυτό κόσμο, ένα απόλυτο “τώρα” είναι κάπως άνευ νοήματος. Ο χρόνος λοιπόν δεν είναι μια ξεχωριστή ποιότητα που κυλαέι γύρω μας αδιατάρακτα. Ο χρόνος, όπως λέει ο Rovelli “μέρος μιας πολύπλοκης γεωμετρίας που είναι συνυφασμένη με την γεωμετρία του χώρου”.

Για τον Rovelli, υπάρχουν κι άλλα θέματα: σύμφωνα με την θεωρία του, ο χρόνος αυτός καθεαυτός εξαφανίζεται στο πιο θεμελιώδες επίπεδο. Οι θεωρίες του μας ζητούν να αποδεχθούμε την έννοια πως ο χρόνος δεν είναι παρά μια λειτουργία της δικής μας “θολής” ανθρώπινης αντίληψης. Βλέπουμε τον κόσμο μέσα από ένα θαμπό γυαλί, παρακολουθούμε το θέατρο σκιών στην σπηλιά του Πλάτωνα. Σύμφωνα με τον Rovelli, η αδιαμφισβήτητη εμπειρία του χρόνου συνδέεται άρρηκτα με τον τρόπο που συμπεριφέρεται η θερμότητα. Στο βιβλίο του The Order of Time, αναρωτιέται γιατί είμαστε σε θέση να γνωρίζουμε μόνο το παρελθόν και όχι το μέλλον. Το κλειδί, όπως αφήνει να εννοηθεί, είναι η μονοκατευθυντήρια ροή θερμότητας από τα ζεστά αντικείμενα προς εκείνα που είναι πιο κρύα. Ένα παγάκι που πέφτει σε μία ζεστή κούπα καφέ θα ψύξει τον καφέ. Η διαδικασία όμως δεν είναι αναστρέψιμη: πρόκειται για μονόδρομο, όπως αποδεικνύεται από τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής. 

Ο χρόνος, όπως τον βιώνουμε, είναι επίσης μονόδρομος. Το εξηγεί μάλιστα σε σχέση με την έννοια της εντροπίας -του μέτρου της αταξίας των πραγμάτων. Η εντροπία στο παρελθόν ήταν χαμηλότερη. Η εντροπία στο μέλλον είναι υψηλότερη, υπάρχει μεγαλύτερη αταξία, καθώς υπάρχουν περισσότερες δυνατότητες. Η τράπουλα του μέλλοντος είναι ανακατεμένη και γι’ αυτό αβέβαιη, σε αντίθεση με την τακτοποιημένη και πιο προβλέψιμη τράπουλα του παρελθόντος. Όμως η εντροπία, η θερμότητα, το παρελθόν και το μέλλον είναι ποιότητες που δεν ανήκουν στην θεμελιώδη γραμματική του κόσμου, αλλά στην δική μας επιφανειακή παρατήρηση του. “Αν παρατηρήσω την κατάσταση των πραγμάτων μικροσκοπικά,” γράφει ο Rovelli, “τότε οι διαφορές μεταξύ παρελθόντος και μέλλοντος εξαφανίζονται…στην στοιχειώδη γραμματική των πραγμάτων δεν υφίσταται διάκριση μεταξύ αίτιου και αιτιατού.”

Ο Rovelli θεωρεί πως δεν υπάρχει αντίφαση μεταξύ μιας άποψης του σύμπαντος όπου η ανθρώπινη ζωή είναι μικρή και άνευ σημασίας, και τις καθημερινές χαρές και οδύνες μας. Ή μεταξύ της “ψυχρής επιστήμης” και τον εσώτερο, πνευματικό βίο μας. “Είμαστε μέρος της φύσης, κι έτσι η χαρά και η λύπη είναι πτυχές της ίδιας της φύσης, η φύση είναι πολύ πιο πλούσια από ένα μάτσο άτομα και μόρια.”

Σε ένα σημείο του Επτά σύντομα μαθήματα  Φυσικής συγκρίνει την φυσική με την ποίηση: και τα δύο προσπαθούν να περιγράψουν το αόρατο. Θα μπορούσε να προσθέσει κανείς πως η φυσική, όταν εγκαταλείπει την μητρική της γλώσσα των μαθηματικών εξισώσεων, βασίζεται κυρίως σε μεταφορές και αναλογίες.

Προκειμένου να γίνουν κατανοητά αυτά θα πρέπει να διαβάσετε τα βιβλία του Rovelli.

Πηγές: Lifo (Guardian) – The Illusion of Time και ένα άρθρο στο Memory

Κατηγορίες:
Φυσική & Φιλοσοφία

Η πυραυλική εξίσωση του Τσιολκόφσκι

| 0 ΣΧΟΛΙΑ

 

 

Ένας από τους πρώτους οραματιστές των διαστημικών ταξιδιών υπήρξε ο Ρώσος Κονσταντίν Τσιολκόφσκι (Konstantin Tsiolkovsky 1857-1935). Ο Τσιολκόφσκι, εμπνευσμένος από τα μυθιστορήματα επιστημονικής φαντασίας του Ιουλίου Βερν, ανακάλυψε μόνος του τα μαθηματικά, την φυσική και την μηχανική των πυραύλων.

Το 1903 δημοσίευσε την διάσημη πυραυλική του εξίσωση, που δείχνει ότι η σχέση της μεταβολής της ταχύτητας ενός πυραύλου και των καυσίμων που απαιτούνται γι αυτή τη μεταβολή είναι εκθετική. Θα νόμιζε κανείς ότι για να διπλασιαστεί η ταχύτητα ενός πυραύλου απλά θα πρέπει να διπλασιάσει την κατανάλωση των καυσίμων. Όμως, στην πραγματικότητα, η ποσότητα των καυσίμων που απαιτείται για να αυξηθεί η ταχύτητα του πυραύλου, αυξάνεται εκθετικά με την μεταβολή της ταχύτητας.

Σχέδια του Κονσταντίν Τσιολκόφσκι

Η εκθετική σχέση κατέστησε σαφές ότι για να κινηθεί ο πύραυλος όλο και πιο γρήγορα και να αποδράσει από τη Γη, απαιτούνται τεράστιες ποσότητες καυσίμων.
Χάρη σ’ αυτή την εξίσωση ο Τσιολκόφσκι μπόρεσε για πρώτη φορά να εκτιμήσει πόσα καύσιμα απαιτούνταν για ένα ταξίδι στη Σελήνη, πολύ πριν γίνει πραγματικότητα το όραμά του.
Η πυραυλική εξίσωση του Τσιολκόφκι στην απλούστερή της μορφή, συνήθως γράφεται ως \Delta V = - u_{\sigma \chi} \ln \frac{m}{m_{0}}  ή
όπου
ΔV η μεταβολή της ταχύτητας του πυραύλου στο χρονικό διάστημα Δt
m0 η μάζα του πυραύλου την χρονική στιγμή t=t0
m η μάζα του πυραύλου την χρονική στιγμή t=t0+Δt
uσχ η σχετική ταχύτητα με την οποία εκτοξεύεται η μάζα Δm του καυσίμου ως προς τον πύραυλο

Άσκηση: Αποδείξτε την πυραυλική εξίσωση του Τσιοκόλφσκι, αγνοώντας τις εξωτερικές δυνάμεις, εφαρμόζοντας την αρχή διατήρησης της ορμής.
Λύση:

Aρχή Διατήρησης Ορμής
\vec{P}_{t}=\vec{P}_{t+ \Delta t} \Rightarrow (m + \Delta m) \vec{V}=m(\vec{V} + \Delta \vec{V}) + \Delta m \, \vec{u}_{\kappa \alpha \upsilon \sigma}, όπου \vec{u}_{\kappa \alpha \upsilon \sigma} = \vec{V} + \Delta \vec{V} +\vec{u}_{\sigma \chi} η ταχύτητα με την οποία εκτοξεύεται η μάζα Δm του καυσίμου ως προς το έδαφος. Αντικαθιστώντας και κάνοντας τις απλοποιήσεις παίρνουμε:
0=m \Delta \vec{V} + \Delta m \, \vec{u}_{\sigma \chi}. Για Δt→0, ισχύει Δm=–dm, οπότε: 0=m \, d \vec{V} - d m \, \vec{u}_{\sigma \chi}
Τελικά, θεωρώντας θετική φορά προς τα αριστερά:
dV= - \frac{dm}{m} \vec{u}_{\sigma \chi}  ή V-V_{0} = \Delta V = - u_{\sigma \chi} \ln \frac{m}{m_{0}}.

 

Ο Τσιολκόφσκι που θεωρείται ο πατέρας της διαστημικής εξερεύνησης και της αστροναυτικής, πίστευε ότι ο αποικισμός του διαστήματος θα οδηγήσει στην τελειοποίηση της ανθρωπότητας, ακόμη και στην αθανασία.
Σε μια εποχή όπου η μεγαλύτερη ταχύτητα που μπορούσε να αναπτύξει κανείς ήταν 24 km/h χρησιμοποιώντας ένα άλογο, ο Τσιολκόφσκι σχεδίαζε πυραύλους που θα διεύφευγαν στον διάστημα και έκανε τα πιο τρελά όνειρα για την εποχή του: να πατήσει τα πόδια του στην επιφάνεια των αστεροειδών, να σηκώσει στα χέρια του μια πέτρα από τη Σελήνη, να παρατηρήσει από κοντά τον Άρη, να κατεβεί στους δορυφόρους του ή ακόμα και στην επιφάνειά του.
Πίστευε πως ναι μεν η Γη είναι το λίκνο μας, αλλά κανείς δεν μπορεί να ζει για πάντα στο λίκνο!

Πηγή

Κατηγορίες:
Φυσική & Φιλοσοφία

Ανακαλύφθηκε ένα σπάνιο «εξωτικό» σωματίδιο με τέσσερα κουάρκ

| 0 ΣΧΟΛΙΑ

Οι φυσικοί ανακάλυψαν, με τη βοήθεια του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Πυρηνικών Ερευνών (CERN), ακόμη ένα σπάνιο σωματίδιο που αποτελείται από τέσσερα κουάρκ. Πρόκειται για το 62ο σωματίδιο (αδρόνιο) που ανακαλύπτεται στον μεγάλο επιταχυντή.

Η ανακοίνωση έγινε προ ημερών από τον σωματιδιακό φυσικό Ιβάν Πολιάκοφ του Πανεπιστημίου Syracuse της Νέας Υόρκης στη διάρκεια διαδικτυακού συνεδρίου της Ευρωπαϊκής Φυσικής Εταιρείας, σύμφωνα με το «Nature». Η ανακάλυψη έγινε από τον ίδιο, σε συνεργασία με τον Βάνια Μπελιάγιεφ του Ινστιτούτου Θεωρητικής και Πειραματικής Φυσικής στη Μόσχα.

Ο μεγαλύτερος επιταχυντής του κόσμου έχει γίνει διάσημος για την ανακάλυψη του σωματιδίου (μποζονίου) του Χιγκς το 2012, όμως έχει βρει επίσης δεκάδες μη στοιχειώδη υποατομικά σωματίδια που λέγονται αδρόνια, τα οποία – όπως τα πρωτόνια και τα νετρόνια- αποτελούνται από κουάρκ.

Το Καθιερωμένο Πρότυπο (ή Μοντέλο) της σωματιδιακής Φυσικής, το οποίο περιγράφει τους θεμέλιους «λίθους» της ύλης και τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις που δρουν πάνω τους, περιλαμβάνει, μεταξύ άλλων, έξι «γεύσεις» κουάρκ, τα οποία σχηματίζουν σύνθετα σωματίδια (αδρόνια). Τα κουάρκ συγκρατούνται από την ισχυρή πυρηνική δύναμη, μία από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις. Τα δύο συχνότερα κουάρκ είναι το «άνω» και το «κάτω», οι συνδυασμοί των οποίων δημιουργούν τα νετρόνια (ένα «άνω» και δύο «κάτω» κουάρκ) και τα πρωτόνια (δύο «άνω» και ένα «κάτω» κουάρκ).

Τα πρωτόνια είναι τα μοναδικά αδρόνια που από μόνα τους παραμένουν σταθερά, ενώ τα νετρόνια είναι σταθερά μόνο όταν βρίσκονται μέσα σε ατομικούς πυρήνες. Όλα τα άλλα αδρόνια σχηματίζονται μόνο παροδικά, από τη σύγκρουση άλλων σωματιδίων, και διασπώνται σε κλάσματα του δευτερολέπτου. Ο επιταχυντής LHC δημιουργεί νέα είδη αδρονίων προκαλώντας συγκρούσεις υψηλής ενέργειας μεταξύ πρωτονίων.

Τα περισσότερα νέα αδρόνια – όπως και το νέο που βρέθηκε- έχουν ανακαλυφθεί από τον LHCb, έναν από τους τέσσερις γιγάντιους ανιχνευτές που βρίσκονται στο κυκλικό τούνελ μήκους 27 χιλιομέτρων του μεγάλου επιταχυντή. Το νέο σωματίδιο -ένα αδρόνιο με τέσσερα κουάρκ- ονομάστηκε Tcc+. Έχει μάζα περίπου τετραπλάσια από ένα πρωτόνιο.

Τα σωματίδια με τέσσερα κουάρκ είναι πολύ ασυνήθιστα, καθώς τα περισσότερα γνωστά αδρόνια διαθέτουν δύο ή τρία κουάρκ. Το πρώτο σωματίδιο τεσσάρων κουάρκ είχε ανακαλυφθεί στην Ιαπωνία το 2003, ενώ στη συνέχεια βρέθηκαν περισσότερα στο CERN.

Το νέο σωματίδιο φαίνεται να είναι ακόμη πιο ξεχωριστό: Ενώ τα προηγούμενα αδρόνια με τέσσερα κουάρκ ήταν πιθανότατα δύο ζεύγη διπλών κουάρκ προσκολλημένα μεταξύ τους, το νέο αδρόνιο φαίνεται να αποτελείται από τέσσερα ξεχωριστά κουάρκ, κάτι που -εφόσον όντως ισχύει- θα είναι μία πρωτιά για τους επιστήμονες. Τέτοια αυθεντικά «τετρακουάρκ», σύμφωνα με τον Μπελιάγιεφ, πιθανώς υπήρχαν μόνο στη διάρκεια των πρώτων στιγμών του σύμπαντος, όταν όλη η ύλη ήταν συμπιεσμένη σε έναν υπερβολικά μικρό χώρο.

Η αναζήτηση νέων αδρονίων θα συνεχιστεί, καθώς δεκάδες διαφορετικοί συνδυασμοί κουάρκ μπορούν να «γεννήσουν» νέα αδρόνια. Εκτιμάται ότι υπάρχουν 50 πιθανά αδρόνια με δύο κουάρκ (έχουν βρεθεί όλα εκτός από ένα) και 75 με τρία κουάρκ (έχουν βρεθεί σχεδόν 50).

Τα στοιχειώδη σωματίδια διακρίνονται στα αδρόνια και στα λεπτόνια. Τα πρώτα μπορούν να μετέχουν και σε ισχυρές αλληλεπιδράσεις, ενώ τα λεπτόνια όχι. Τα αδρόνια πήραν το όνομά τους από τη λέξη αδρός (δυνατός), ενώ τα λεπτόνια από τη λέξη λεπτός (αδύνατος). Τα αδρόνια χωρίζονται στα βαρυόνια που είναι φερμιόνια και στα μεσόνια που είναι μποζόνια.

Πηγή

Κατηγορίες:
Φυσική & Φιλοσοφία

Το εσωτερικό του Άρη

| 0 ΣΧΟΛΙΑ

Σχετικά λίγα ήταν γνωστά για την εσωτερική δομή του Άρη πριν προσεδαφιστεί στον πλανήτη η αποστολή InSight της NASA.

Το πρώτο σεισμόμετρο που εστάλη στον κόκκινο πλανήτη αποκαλύπτει τώρα την ανατομία του και τις διαφορές με τη Γη. Τα ευρήματα παρουσιάζονται σε τρεις επιμέρους μελέτες που δημοσιεύονται μαζί στο ίδιο τεύχος του Science.

Παρακολουθώντας πώς τα σεισμικά κύματα ταξιδεύουν στο εσωτερικό του πλανήτη και ανακλώνται σε επιμέρους στρώματα, το InSight δίνει λεπτομέρειες για το πάχος και τη σύνθεση του φλοιού, του μανδύα και του πυρήνα του Άρη.

Οι δεκάδες σεισμοί που κατέγραψε το σεισμόμετρο δεν οφείλονται στην ενεργοποίηση ρηγμάτων, όπως συμβαίνει στη Γη, αλλά στη συρρίκνωση του πλανήτη καθώς συνεχίζει να ψύχεται από τον σχηματισμό του μέχρι σήμερα.

Σύννεφα διακρίνονται να παιρνούν πάνω από το σεισμόμετρο του InSight (NASA/JPL-Caltech)

«Η σημασία αυτών των ευρημάτων είναι ότι μας προσφέρουν για πρώτη φορά μετρήσεις των διαστάσεων των θεμελιωδών συστατικών του Άρη» δήλωσε ο Μπρους Μπάνερντ, κύριος ερευνητής της αποστολής στο Εργαστήριο Αεριώθησης (JPL) της NASA στην Καλιφόρνια.

«Μέχρι σήμερα είχαμε μόνο συγκρίσεις με τη Γη, θεωρητικούς υπολογισμούς και έμμεσα συμπεράσματα από άλλες παρατηρήσεις όπως οι αναλογίες ισοτόπων σε μετεωρίτες αρειανής προέλευσης».

Όπως συνέβη με όλους τους πλανήτες, ο Άρης σχηματίστηκε από σύννεφα σκόνης και μικρών βράχων που συμπιέστηκαν από τη βαρύτητα και θερμάνθηκαν μέχρι που έλιωσαν. Στην πορεία δεκάδων εκατομμυρίων ετών, τα συστατικά του πλανήτη χωρίστηκαν σε στρώματα ανάλογα με την πυκνότητά τους.

Το βαθύτερο στρώμα του Άρη, ο πυρήνας, αποδεικνύεται μεγαλύτερος από το αναμενόμενο με διάμετρο 3.660 χιλιομέτρων. Οι μελέτες επιβεβαιώνουν ότι ο πυρήνας είναι ρευστός, ωστόσο παραμένει ακόμα ασαφές αν είναι ολόκληρος λιωμένος, ή αν μοιάζει με τον πυρήνα της Γης, ο οποίος αποτελείται από ένα ρευστό στρώμα που περιβάλλει ένα στερεό κέντρο.

To InSight προσεδαφίστηκε στον Άρη τον Νοέμβριο του 2018 (NASA/JPL-Caltech/Lockheed Martin)

Και στους δύο πλανήτες, ο πυρήνας αποτελείται κυρίως από σίδηρο και νικέλιο, αν και ο πυρήνας του Άρη είναι λιγότερο πυκνός, καθώς περιέχει απροσδόκητα μεγάλες ποσότητες ελαφρύτερων στοιχείων όπως ο άνθρακας, το θείο, το οξυγόνο και το υδρογόνο.

Ο δε αρειανός φλοιός, το εξωτερικό στρώμα του πλανήτη, είναι εντελώς διαφορετικός από τον γήινο, αφού είναι ενιαίος και δεν χωρίζεται σε τεκτονικές πλάκες όπως ο φλοιός της Γης.

«Αυτό σημαίνει επίσης ότι ο φλοιός του Άρη είναι πολύ παλιός» επισήμανε η σεισμολόγος Μπριγκίτε Νάπμεγιερ-Έντρουν του Πανεπιστημίου της Κολωνίας, επικεφαλής της μελέτης για τον αρειανό φλοιό.

Το εξωτερικό αυτό στρώμα είναι πιο λεπτό από ό,τι αναμενόταν και το πάχος του κυμαίνεται από 20 έως 72 χιλιόμετρα.

Ο αρειανός μανδύας, τέλος, ανάμεσα στον φλοιό και τον πυρήνα, εκτείνεται σε βάθος 1.560 χιλιομέτρων από την επιφάνεια και διαφέρει σε σύσταση από τον μανδύα της Γης, ένδειξη ότι οι δύο πλανήτες σχηματίστηκαν από ελαφρώς διαφορετικά συστατικά.

Όπως επισήμανε ο δρ Μπάνερντ, τα ευρήματα θα επιτρέψουν στους πλανητολόγους να βελτιώσουν τα μοντέλα του σχηματισμού πλανητών.

Όπως εξήγησε, «οι γνώσεις που κερδίσαμε δεν αφορούν μόνο τον Άρη αλλά και τον σχηματισμό και την ιστορία της Γης και οποιουδήποτε άλλου βραχώδη πλανήτη, είτε στο Ηλιακό Σύστημα είτε πιο πέρα».

 

Πηγή

Κατηγορίες:
Φυσική & Φιλοσοφία

Το Καθιερωμένο Πρότυπο

| 0 ΣΧΟΛΙΑ

Στο βίντεο που ακολουθεί, ο φυσικός David Tong από το Πανεπιστήμιο του Cambridge μας παρουσιάζει το Καθιερωμένο Πρότυπο της Φυσικής των Στοιχειωδών Σωματιδίων – την πιο επιτυχημένη επιστημονική θεωρία όλων των εποχών.

Το Καθιερωμένο Πρότυπο που περιγράφει τα θεμελιώδη συστατικά του σύμπαντος και τις μεταξύ τους αλληλεπιδράσεις επιβεβαιώνεται από εκατοντάδες χιλιάδες πειράματα, αντιπροσωπεύοντας έτσι έναν από τους θριάμβους της σύγχρονης φυσικής. Προς το τέλος του βίντεο ο Tong επισημαίνει αυτό που λείπει από την θεωρία και το τι πρέπει να γίνει ώστε να φτάσουμε στην θεωρία των πάντων.

Πηγή

Κατηγορίες:
Φυσική & Φιλοσοφία

Το θεώρημα της Emmy Noether για όλες τις βαθμίδες εκπαίδευσης

| 0 ΣΧΟΛΙΑ

Πριν από εκατό χρόνια, στις 23 Ιουλίου 1918, η Emmy Noether δημοσίευσε μια από τις σημαντικότερες εργασίες στα μαθηματικά και την φυσική. Ήταν 36 ετών και εργαζόταν στο πανεπιστήμιο του Γκέτινγκεν ως άμισθη «βοηθός» ενός συναδέλφου της, επειδή τα πανεπιστήμια εκείνη την εποχή δεν επέτρεπαν στις γυναίκες να εργαστούν ως καθηγήτριες (στην σημερινή εποχή, μάλλον στο πλαίσιο της ισότητας των δυο φύλων, ο θεσμός του άμισθου βοηθού έχει γενικευθεί – ισχύει πλέον και για γυναίκες και για άνδρες).

Η εργασία της Emmy Noether είχε τίτλο «Invariante Variationsprobleme», και συνέδεε δύο θεμελιώδεις έννοιες στη φυσική: τις συμμετρίες με τους νόμους διατήρησης. Η διορατικότητά της ήταν τόσο βαθιά που οι φυσικοί ακόμη διερευνούν τις συνέπειες της θεωρίας της.
Αλλά τι λέει πραγματικά το θεώρημα της Noether; Η απάντηση μπορεί να είναι και διαισθητική όσο και περίπλοκη. Το Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής Perimeter στον Καναδά επιχειρεί να απαντήσει το ερώτημα με έννοιες που κατανοούν ακόμα και τα νήπια, φτάνοντας σταδιακά σε έννοιες που κατανοούν οι κάτοχοι διδακτορικού τίτλου στη Φυσική ή στα Μαθηματικά.

Για πολύ μικρά παιδιά: Ποια είναι λοιπόν η μεγάλη ιδέα της Noether;

Ο Chris Ferrie δίνει μια (προ)εισαγωγή στο θεώρημα του Noether. Ο Ferrie είναι κβαντικός φυσικός που γράφει επιστημονικά βιβλία φυσικής για μωρά(!!), όπως Κβαντική Φυσική για μωρά, Γενική Σχετικότητα για μωρά, Οπτική Φυσική για μωρά και πολλά άλλα (προφανώς διαθέτει τεράστια αποθέματα χιούμορ).
Στο βίντεο που ακολουθεί  ο Ferrie (νομίζει πως) εξηγεί το θεώρημα της Noether στους μικρούς γιούς του Max και Wes:

Για μαθητές Λυκείου: Σύνδεση με την επιστήμη

Ο κοσμολόγος Neil Turok στο βίντεο που ακολουθεί παρουσιάζει τις έννοιες του θεωρήματος της Noether και εξηγεί γιατί η ίδια η Noether εμπνέει ακόμα και σήμερα:

ολόκληρη η ομιλία του Neil Turok ΕΔΩ

Για προπτυχιακούς φοιτητές Ι: Τι ακριβώς είναι η συμμετρία

Το θεώρημα της Noether έχει επιπτώσεις σε πολλούς τομείς της επιστήμης, συμπεριλαμβανομένης της αστροφυσικής και της σωματιδιακής φυσικής. Η μαθηματικός και κοσμολόγος Ruth Gregory στο επόμενο βίντεο εξετάζει τις συμμετρίες με περισσότερες λεπτομέρειες:

Για προπτυχιακούς φοιτητές ΙΙ: Ποια είναι η σχέση με την διατήρηση μεγεθών;

Εντάξει, υπάρχουν όλα τα είδη συμμετρίας στην επιστήμη. Τι σημαίνει το ότι οι συμμετρίες συνδέονται άρρηκτα με τους νόμους της διατήρησης; Το εξηγεί η Gregory στη συνέχεια:

Για μεταπτυχιακούς φοιτητές: Μια ένδειξη για νέα επιστήμη

Το θεώρημα της Noether βοηθά επίσης τους ερευνητές να βρουν αυτό που δεν μπορούν να δουν. Αυτές οι «κρυφές συμμετρίες» μπορεί να μην είχαν βρεθεί χωρίς το θεώρημα της Noether. Η Gregory πάλι, εξηγεί πως οι ιδέες της Noether υπήρξαν θεμελιώδεις όσον αφορά την ανάπτυξη της σύγχρονης θεωρίας των στοιχειωδών σωματιδίων:

ολόκληρη η ομιλία της Ruth Gregory ΕΔΩ

Για κατόχους PhD: Σύνδεση με τις εξισώσεις πεδίου

Κατανοείτε καλά τις έννοιες που διέπουν το θεώρημα της Noether; Προχωρήστε βαθύτερα με τον καθηγητή του πανεπιστημίου της Minnesota, Peter Olver:

ολόκληρη η ομιλία ΕΔΩ

Πηγή

Αν θέλετε να κατανοήσετε το θεώρημα της Noether παρακολουθείστε τις διαλέξεις του Πέτρου Ιωάννου από το Πανεπιστήμιο Αθηνών: ΕΔΩ και διαβάστε τις αντίστοιχες σημειώσεις: Συμμετρίες – Θεώρημα Noether

 

Κατηγορίες:
Φυσική & Φιλοσοφία

Βαρυτικά κύματα και σκοτεινή ύλη

| 0 ΣΧΟΛΙΑ

Η συνεργασία NANOGrav πρόσφατα κατέγραψε τα πρώτα σημάδια βαρυτικών κυμάτων πολύ χαμηλής συχνότητας (nanohertz). Οι ερευνητές ανέλυσαν τα δεδομένα και, ειδικότερα, εξέτασαν το ενδεχόμενο αν αυτό μπορεί να δείξει μία νέα φυσική πέρα ​​από το καθιερωμένο μοντέλο.

nanograv
Απεικόνιση της Γης που είναι ενσωματωμένη στον χωροχρόνο και η οποία παραμορφώνεται από τα κύματα βαρύτητας του υπόβαθρου, καθώς και οι επιπτώσεις τους στα ραδιοσήματα που προέρχονται από τα παρατηρούμενα πάλσαρ

Ένα άρθρο που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό SciPost Physics ( “Ψίθυροι από τη σκοτεινή πλευρά: Αντιμετώπιση της νέας φυσικής με τα δεδομένα NANOGrav” ), αναφέρει ότι το σήμα βαρυτικών κυμάτων πολύ χαμηλής συχνότητας  που ανιχνεύτηκε,  είναι συνεπές τόσο με τη μετάβαση φάσης στο πρώιμο σύμπαν όσο και με την παρουσία ενός πεδίου από εξαιρετικά ελαφριά σωματίδια τύπου αξιονίων (ALP). Τα τελευταία θεωρούνται ότι είναι πολλά υποσχόμενα υποψήφια σωματίδια για την σκοτεινή ύλη.

Τα βαρυτικά κύματα ανοίγουν ένα παράθυρο στο πρώιμο σύμπαν. Ενώ το πανταχού παρόν κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων δεν δίνει ενδείξεις για τα πρώτα 280.000 χρόνια του σύμπαντος, παρέχουν κάποιες ματιές για το τι συνέβη κατά τη διάρκεια του Big Bang. «Είναι ακριβώς αυτό το πολύ πρώιμο σύμπαν που είναι τόσο συναρπαστικό για τους φυσικούς σωματιδίων», εξηγεί ο Pedro Schwaller, καθηγητής Θεωρητικής Φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Mainz (JGU). «Τότε ήταν  η στιγμή που υπήρχαν τα στοιχειώδη σωματίδια όπως τα κουάρκ και τα γλουόνια, και στη συνέχεια συνδυάζονται μαζί για να σχηματίσουν τα δομικά στοιχεία των ατομικών πυρήνων.»

Το ιδιαίτερο γεγονός με τα βαρυτικά κύματα που η NANOGrav Collaboration εντόπισε για πρώτη φορά είναι ότι έχουν πολύ χαμηλή συχνότητα 10 ^ -8 Hertz, που ισοδυναμεί με περίπου μία ταλάντωση ετησίως. Αυτό οφείλεται στο αντίστοιχο μεγάλο μήκος κύματος, που για να τα ανιχνεύσουμε ο κάθε ανιχνευτής θα πρέπει επίσης να είναι εξίσου μεγάλος. Επειδή ένας τέτοιος ανιχνευτής δεν είναι δυνατόν να γίνει εδώ στη Γη, οι αστρονόμοι στο NANOGrav χρησιμοποιούν απομακρυσμένους πάλσαρ και τα φωτεινά τους σήματα ως τεράστιους ανιχνευτές.

Ο Wolfram Ratzinger περιγράφει το κίνητρο πίσω από τη δουλειά τους: «Παρόλο που μέχρι στιγμής τα δεδομένα μας παρέχουν μόνο μια πρώτη υπόδειξη για την ύπαρξη βαρυτικών κυμάτων χαμηλής συχνότητας, είναι πολύ συναρπαστικό για εμάς να συνεργαστούμε μαζί τους. Αυτό συμβαίνει επειδή τέτοια κύματα θα μπορούσαν να παραχθούν από διάφορες διαδικασίες που συνέβησαν στο πρώιμο σύμπαν. Μπορούμε τώρα να χρησιμοποιήσουμε τα δεδομένα και θα πρέπει ήδη να αποφασίσουμε, ποια από αυτά θα ληφθούν υπόψη και ποια δεν ταιριάζουν καθόλου. “

Ως αποτέλεσμα, οι επιστήμονες με έδρα το Μάιντς αποφάσισαν να ρίξουν μια προσεκτική ματιά σε δύο σενάρια που θα μπορούσαν να έχουν προκαλέσει τα παρατηρούμενα κύματα βαρύτητας χαμηλής συχνότητας: Μεταβάσεις φάσης στο πρώιμο σύμπαν και ένα πεδίο σκοτεινής ύλης από εξαιρετικά ελαφριά σωματίδια τύπου αξιονίων (ALPs). Μεταβάσεις φάσης, όπως αυτές συμβαίνουν λόγω της πτώσης της θερμοκρασίας στην αρχέγονη σούπα μετά το Big Bang και έχουν ως αποτέλεσμα τεράστιες αναταράξεις – ωστόσο, όπως η σκοτεινή ύλη δεν καλύπτονται από το Καθιερωμένο Μοντέλο.

Με βάση τα διαθέσιμα δεδομένα, οι Pedro Schwaller και Wolfram Ratzinger ερμηνεύουν τα αποτελέσματα της ανάλυσής τους με σχετική προσοχή: «Ίσως λίγο πιο πιθανό είναι το σενάριο μετάβασης της πρώιμης φάσης του σύμπαντος». Από την άλλη πλευρά, οι δύο φυσικοί πιστεύουν ότι το γεγονός ότι είναι σε θέση να επεξεργαστούν ορισμένες δυνατότητες με βάση μόνο περιορισμένα δεδομένα, αποδεικνύει το δυναμικό της προσέγγισής τους. “Η δουλειά μας είναι μια πρώτη, αλλά σημαντική εξέλιξη – μας δίνει μεγάλη εμπιστοσύνη ότι με πιο ακριβή δεδομένα μπορούμε να βγάλουμε αξιόπιστα συμπεράσματα σχετικά με το μήνυμα που τα βαρυτικά κύματα μας στέλνουν από το πρώιμο σύμπαν.”
«Επιπλέον,» καταλήγει ο Pedro Schwaller, «μπορούμε ήδη να αρχίσουμε να εντοπίζουμε ορισμένα χαρακτηριστικά των σεναρίων αυτών και να θέσουμε περιορισμούς, στην περίπτωσή μας την ισχύ της μετάβασης φάσης και τη μάζα των αξιονίων.»

Πηγή: Johannes Gutenberg University Mainz

Κατηγορίες:
Φυσική & Φιλοσοφία

Η διάσταση φράκταλ ενός κυκλώματος αντιστάσεων

| 0 ΣΧΟΛΙΑ

H διάσταση φράκταλ των τριγώνων Sierpinski

Σύμφωνα με την ευκλείδεια γεωμετρία λέμε ότι μια ευθεία είναι μονοδιάστατη, ένα επίπεδο είναι δύο διαστάσεων, ενώ ένας κύβος είναι τρισδιάστατος. Επίσης είναι γνωστό πως σύμφωνα με την θεωρία της σχετικότητας ζούμε σε έναν χώρο τεσσάρων διαστάσεων, όπου η τέταρτη διάσταση είναι ο χρόνος. Μέχρι εδώ όλα φαίνονται πολύ λογικά.

Όμως, υπάρχουν και οι φυσικοί που ασχολούνται με την θεωρία των χορδών. Αυτοί θεωρούν ότι ζούμε σε ένα σύμπαν 10 ή 11 διαστάσεων, ενώ πιο παλιά θεωρούσαν έως 26 διαστάσεις! Η πλειοψηφία του κόσμου όταν ακούει αυτούς τους ισχυρισμούς αντιμετωπίζει τους φυσικούς ως τρελούς. Κι αν οι φυσικοί είναι τρελοί, τότε οι μαθηματικοί θα είναι θεόμουρλοι γιατί θεωρούν αντικείμενα που έχουν κλασματικές διαστάσεις.

Μπορεί οι φυσικοί να χρησιμοποιούν μεγάλο αριθμό διαστάσεων για να περιγράψουν τον κόσμο που ζούμε, τουλάχιστον όμως ο αριθμός αυτός είναι ακέραιος. Οι μαθηματικοί, μετά την εργασία Mandelbrot [How long is the coast of britain? Statistical self-similarity and fractional dimension, όπου εισάγεται η έννοια της κλασματικής διάστασης των fractals], μιλάνε για υπαρκτά συστήματα των οποίων ο αριθμός των διαστάσεών τους δεν είναι ακέραιος αριθμός! Και τα συστήματα αυτά διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην επιστήμη.

Μια γνωστή δομή φράκταλ είναι το τρίγωνο ή κόσκινο Sierpinski:

Τρίγωνο Σιερπίνσκι - Βικιπαίδεια

Πως υπολογίζουμε την διάσταση ενός τέτοιου αντικειμένου; Αν διπλασιάσουμε ένα μονοδιάστατο αντικείμενο (d=1), π.χ. ένα ευθύγραμμο τμήμα, τότε προκύπτουν 2 (2d=22) αντίγραφα. Αν διπλασιάσουμε ένα δισδιάστατο αντικείμενο (d=2), π.χ. ένα τετράγωνο τότε θα προκύψουν 4 (2d=22) αντίγραφα του αρχικού και αν διπλασιάσουμε ένα τρισδιάστατο αντικείμενο (d=3) π.χ. έναν κύβο, τότε προκύπτουν 8 (2d=23) αντίγραφα. Εφαρμόζοντας την ίδια συλλογιστική στο κόσκινο Sierpinski, αφού ο διπλασιασμός της πλευράς του προκαλεί την δημιουργία 3 αντιγράφων του εαυτού του, τότε η διάσταση d αυτών των αντικειμένων θα είναι 2d = 3, οπότε d= log23≈1,585. Aυτή είναι η διάσταση φράκταλ ή διάσταση Hausdorff του κόσκινου Sierpinski.

Διαστάσεις και αντιστάσεις

Tι σχέση μπορεί να έχουν οι αντιστάσεις, τα βολτόμετρα και τα αμπερόμετρα με την διάσταση των φράκταλ; Κι όμως όπως θα δούμε στη συνέχεια μπορούμε να εκτιμήσουμε την διάσταση φράκταλ του κόσκινου Sierpinski χρησιμοποιώντας αντιστάσεις!

H αντίσταση R ενός μεταλλικού αγωγού υπολογίζεται από την εξίσωση R=ρL/Α, όπου ρ η ειδική αντίσταση του αγωγού, L το μήκος του και Α το εμβαδόν διατομής του. Έστω ότι το εμβαδόν διατομής του είναι πολύ μικρό σε σχέση με το μήκος του, A =d2, όπου d<< L. Τότε ο αγωγός στην ουσία είναι (σχεδόν) μονοδιάστατος, και η αντίστασή του θα είναι ανάλογη με το μήκος του, R~L. Αν μεγαλώσουμε την μια διάσταση της διατομής του, θεωρώντας ότι A=Ld , τότε σχηματίζουμε ένα (σχεδόν) δισδιάστατο μεταλλικό φύλλο. Στην περίπτωση αυτή βλέπουμε ότι η αντίσταση του αγωγού είναι ανεξάρτητη του μήκους του R~L0. Τέλος, αν θεωρήσουμε ένα κυβικό σχήμα αγωγού έτσι ώστε A=L2, τότε η αντίσταση είναι R∝L-1. Συνδυάζοντας τα τρία αυτά αποτελέσματα παίρνουμε ότι η αντίσταση είναι:

R \sim L^{2-d}   \,\,\,\,\, (1)

όπου d(=1, 2, 3) είναι αναλόγως η ευκλείδεια διάσταση του συστήματος.

Χρησιμοποιώντας αντιστάσεις μπορούμε να κατασκευάσουμε διαδοχικά το τρίγωνα Sierpinski:

Το τρίγωνο ή κόσκινο Sierpinski με αντιστάσεις 1kΩ η καθεμία

Πριν χρησιμοποιήσουμε το πολύμετρό μας για να μετρήσουμε την συνολική αντίσταση, ας κάνουμε μερικούς υπολογισμούς. Θεωρώντας ότι οι πλευρές των τριγώνων έχουν την ίδια αντίσταση (π.χ. R0=1kΩ), εύκολα (ή δύσκολα) μπορούμε να υπολογίσουμε το ηλεκτρικό ρεύμα που τις διαρρέει εφαρμόζοντας τους κανόνες του Κίρχοφ (ή επιχειρήματα συμμετρίας):

Έτσι, για το πρώτο τρίγωνο (n=1) προκύπτει Rολ,1=2R0/3, ενώ για το δεύτερο (n=2), Rολ,2=10R0/3=(5/3)∙2R0/3. Συνεχίζοντας για n=3, 4, … κ.ο.κ. προκύπτει ότι:

R_{o\lambda,n}=\frac{2R_{0}}{3} \left(\frac{5}{3} \right)^{n-1} \,\,\,\,\, (2)

Είναι σαφές ότι για το μήκος των πλευρών του περιβάλλοντος τριγώνου σε κάθε n-δομή Sierpinski είναι L=2n-1. Χρησιμοποιoύμε αυτή την σχέση για να αντικαταστήσουμε το n με το μήκος L στην εξίσωση (2):

R(L)= \frac{2R_{0}}{3} L^{\log_{2}(5/3)}  \,\,\,\,\, (3)

H εξίσωση αυτή έχοντας στο μυαλό μας την εξίσωση (1),γράφεται στην μορφή R~Llog25-d= Llog25-log23 οπότε, η διάσταση φράκταλ του συστήματος των αντιστάσεων είναι d=log23≈1,585, όση ακριβώς είναι η διάσταση φράκταλ του κόσκινου Sierpinski.

Μέτρηση της διάστασης φράκταλ με βολτόμετρα και αμπερόμετρα

Ο .E. Creffield στην δημοσίευση με τίτλο ‘Fractals on a benchtop: Observing fractal dimension in a resistor network’ κατασκεύασε με αντιστάσεις του 1kΩ τα τρίγωνα Sierpinski για n=1, 2, 3, 4, 5 και μέτρησε την συνολική τους αντίσταση. Από τα δεδομένα αυτά βρήκε για τον εκθέτη της σχέσης R~Lx: x=0.743±0.002, πολύ κοντά στην θεωρητική τιμή x= log2(5/3)=0.737.

διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες ΕΔΩ:

Fractals on a benchtop Observing fractal dimension in a resistor network

Κατηγορίες:
Φυσική & Φιλοσοφία

Αφροδίτη, ο πιο λαμπρός πλανήτης που φαίνεται στον νυχτερινό ουρανό!

| 0 ΣΧΟΛΙΑ
 
Αν κοιτάξετε απόψε ή και τις επόμενες μέρες του καλοκαιριού δυτικά, μετά το ηλιοβασίλεμα, θα δείτε τον πλανήτη Αφροδίτη (γνωστό ως Aποσπερίτη), τόσο λαμπερό και φωτεινό που ξεπερνά όλα τα άστρα και τους πλανήτες που παρατηρούμε στον νυχτερινό ουρανό (εξαιρείται η Σελήνη). Κι αυτό συμβαίνει ανεξάρτητα από το αν η Αφροδίτη βρίσκεται στην πλησιέστερη ή την πιο απομακρυσμένη απόστασή της από την Γη. Χτες μάλιστα μπορούσε κανείς να συγκρίνει την φωτεινότητα της Αφροδίτης με την αντίστοιχη του πλανήτη Άρη, δεδομένου ότι οι δυο πλανήτες εμφανίστηκαν στον ουρανό πολύ κοντά ο ένας στον άλλον.
 
Η Αφροδίτη και ο Άρης κάτω από το βλέμμα της Σελήνης.

Η Αφροδίτη ήταν περίπου 200 φορές λαμπρότερη από τον Άρη (περίπου έξι φορές μεγαλύτερο φαινόμενο μέγεθος – όση η διαφορά λαμπρότητας μεταξύ του πολικού αστέρα και του πλανήτη Ποσειδώνα). Αν και η εντυπωσιακή λαμπρότητα είναι ίσως το πιο αξιοσημείωτο χαρακτηριστικό της, η Αφροδίτη είναι ένας ακραίος, ξεχωριστός πλανήτης αν λάβουμε υπόψιν την ατμόσφαιρά της και τις συνθήκες που επικρατούν σ’ αυτήν:

Η ατμόσφαιρα της Αφροδίτης φτάνει μέχρι 90 χιλιόμετρα πάνω από την επιφάνειά της και τα πυκνά νέφη της αποτελούνται κυρίως από θειικό οξύ!

Ας δούμε λοιπόν γιατί η Αφροδίτη είναι ο πιο λαμπρός πλανήτης που βλέπουμε στον νυχτερινό ουρανό: Πρώτον, διότι η Αφροδίτη έχει σχετικά μεγάλο μέγεθος για βραχώδης πλανήτης (περίπου το ίδιο μέγεθος με τη Γη), καθώς επίσης βρίσκεται σχετικά κοντά στον Ήλιο. Έτσι η συνολική ποσότητα της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει στην επιφάνειά της, είναι περισσότερη σε σχέση με τους υπόλοιπους πλανήτες, με μόνη εξαίρεση τον Δία.

Δεύτερον, η Αφροδίτη είναι μακράν ο πιο ανακλαστικός πλανήτης στο ηλιακό σύστημα. Για παράδειγμα, ενώ ο Ερμής και η Σελήνη ανακλούν μόνο περίπου το 12% του συνολικού προσπίπτοντος φωτός, η Αφροδίτη ανακλά αντίστοιχα το 80%. Κι αυτή η μεγάλη ανακλαστικότητα την κάνει να φαίνεται εγγενώς φωτεινότερη από οποιονδήποτε άλλο πλανήτη στο ηλιακό μας σύστημα. Μόνο μερικοί δορυφόροι, όπως ο Εγκέλαδος του Κρόνου, εμφανίζουν μεγαλύτερη albedo (λευκαύγεια) από την Αφροδίτη [Το μέτρο της ανακλαστικότητας της επιφάνειας κάθε αντικειμένου στο ηλιακό μας σύστημα είναι γνωστό ως albedo ή λευκαύγεια. H albedo της Γης είναι περίπου 30%].

Τρίτον, η Αφροδίτη βρίσκεται πολύ κοντά στην Γη. Στο πλησιέστερο σημείο, η Αφροδίτη φτάνει σε απόσταση 40 εκατομμύρια χιλιόμετρα από τη Γη, πιο κοντά από οποιονδήποτε άλλο πλανήτη. Ακόμα και στο πιο απομακρυσμένο σημείο της, η Αφροδίτη απέχει μόλις 260 εκατομμύρια χιλιόμετρα από τη Γη – πολύ πιο κοντά από ό,τι ο Δίας φτάνει ποτέ στη Γη. Η επόμενη πλησιέστερη προσέγγιση του Δία στη Γη θα συμβεί το 2022 πλησιάζοντας στα 590 εκατομμύρια χιλιόμετρα. Οι φάσεις της Αφροδίτης δεν επηρεάζουν τον αγώνα λαμπρότητας με τους άλλους πλανήτες. Κι αυτό γιατί όταν η Αφροδίτη βρίσκεται στην ‘ημισεληνοειδή’ φάση της, βρίσκεται πλησιέστερα στην Γη προβάλλοντας την μέγιστη λαμπρότητά της. Ενώ όταν βρίσκεται στην μεγαλύτερη απόσταση από την Γη μπαίνει στην πλήρη φάση της. Ακόμα κι όταν οι πλανήτες Δίας και Άρης φαίνονται με την μέγιστη λαμπρότητά τους, δεν μπορούν να ανταγωνιστούν με την Αφροδίτη με την ελάχιστη λαμπρότητά της!

Η Αφροδίτη και ο Άρης όπως θα φαίνονται χαμηλά στον δυτικό ουρανό, στις 15-7-2021, ώρα 21:35μ.μ.

Πηγή

Κατηγορίες:
Φυσική & Φιλοσοφία
web design by