Nauka To Lubię

Oficjalna strona Tomasza Rożka

Tag: cząstka

Teleportuj się !!!

Powiem szczerze: bałbym się teleportacji, skoro mamy kłopot z tradycyjnymi środkami transportu. A tymczasem naukowcom udała się teleportacja na odległość 25 km!

Może więc i dobrze, że teleportacja ludzi jest (na razie) niemożliwa. O co w ogóle chodzi? Teleportacja to przenoszenie obiektów z miejsca na miejsce, ale – jak mówią fizycy – bez zachowania ciągłości istnienia. Brzmi nie najlepiej, ale w największym skrócie polega na tym, że obiekt w jednym miejscu znika, a w drugim się pojawia.

Mielonka

Teleportacja jest dość popularna np. w filmach science fiction. Szczególnie w tych, których akcja dzieje się w przestrzeni kosmicznej. To jeden z dwóch sposobów radzenia sobie z ogromnymi odległościami, jakie w kosmosie są faktem. Nie chcąc narażać się na śmieszność, trzeba znaleźć w miarę prawdopodobny sposób szybkiego przemieszczania się. Jednym ze sposobów radzenia sobie z tym kłopotem jest zamontowanie w statkach kosmicznych napędów nadświetlnych, czyli takich, które rozpędzają obiekt do prędkości wyższej niż prędkość światła. Drugim ze sposobów jest teleportowanie. Napędów nadświetlnych nie ma i nie wiem, czy kiedykolwiek będą. Jeżeli zaś chodzi o teleportację, to problemu nie ma. Naukowcy potrafią teleportować… choć na razie nie ludzi. Na razie nie mamy ani urządzenia, ani nawet pomysłu, jak powinno wyglądać urządzenie do teleportowania większych i bardziej złożonych obiektów. Pisząc „większych i bardziej złożonych”, nie mam na myśli słonia afrykańskiego czy fortepianu. Mam na myśli większe atomy, nie mówiąc już nawet o najprostszej cząsteczce chemicznej.

Problemy z teleportowaniem przewidzieli także futurolodzy. Od czasu do czasu także w produkcjach science fiction nielubiany bohater korzystał z uszkodzonego „portalu” i w efekcie pojawiał się „po drugiej stronie” w kawałkach albo w formie przypominającej – brutalnie mówiąc – mielonkę. I także tutaj scenarzyści mieli nosa i nie bardzo minęli się z prawdą. Z definicji przy przesyłaniu cech zwanych stanami kwantowymi cząstki A do oddalonej cząstki B, niszczony jest stan kwantowy A. Trochę to skomplikowane, ale w zasadzie da się prosto wytłumaczyć. Nie może być tak, że teleportacja polega na skopiowaniu obiektu. Wtedy istniałyby dwa takie same obiekty. Teleportacja polega na „sczytaniu” obiektu A i przesłaniu w oddalone miejsce. Ale w czasie tego przesyłania obiekt A przestaje istnieć („znika”). Gdy przychodzi do jego odtworzenia, a coś pójdzie nie tak jak trzeba, wychodzi… w największym skrócie mielonka.

W czym jest problem?

Dzisiaj nikt ludzi oczywiście nie próbuje teleportować. Poza zasięgiem naukowców jest nawet teleportacja najprostszych cząsteczek. Nawet tak prostych jak chociażby trzyatomowa cząsteczka wody. Więcej, dzisiejsza technika nie pozwala teleportować nawet pojedynczego atomu, o ile mówimy o większym atomie, np. uranu, który składa się z kilkuset protonów, neutronów i elektronów. Jak to wygląda w praktyce? Każda cząstka ma tzw. stany kwantowe, czyli swoją specyfikę. Cząstki różnią się od siebie właśnie stanami kwantowymi, tak jak obiekty makroskopowe różnią się od siebie np. kolorem, zapachem, smakiem czy fakturą. Teleportacja polega na odczytaniu tych „cech”, przesłaniu ich w nowe miejsce i tam nadaniu ich innej cząstce. Przy okazji niszczy się stany kwantowe cząstki pierwotnej, stąd nie ma mowy o kopiowaniu czegokolwiek, tylko rzeczywiście o przesyłaniu.

Skoro to takie proste, w czym problem, żeby teleportować duże obiekty? Nie da się przesłać takich cech jak kolor, kształt, smak czy zapach po to, by w drugim teleporcie je odtworzyć… Te wspomniane cechy makroskopowe są wypadkową stanów kwantowych miliardów, bilionów cząstek, z których duże obiekty się składają. Problem teleportowania dużych czy większych od pojedynczych cząstek obiektów jest więc problemem skali. Na razie ledwo radzimy sobie ze stanami kwantowymi maleńkich obiektów, ale przyjdzie czas na te większe. I może wtedy pojawi się problem, czy da się teleportować wiedzę, czy da się teleportować duszę…

Wróćmy jednak na Ziemię (albo ziemię). Pierwszą teleportację kwantową przeprowadzono w 1997 r., ale już 7 lat później zespół badaczy z USA i Austrii opublikował dane, z których wynikało, że teleportowano najmniejszy atom, czyli wodór. Tym razem w piśmie „Nature Photonics” ukazała się publikacja, z której wynika, że dzięki badaczom z Uniwersytetu w Genewie, należącego do NASA Jet Propulsion Laboratory, oraz z National Institute of Standards and Technology w USA, udało się teleportować cząstkę na rekordową odległość 25 kilometrów. Informacja o stanach kwantowych została przesłana światłowodem, ale w przyszłości być może uda się ją przesłać falami radiowymi albo promieniem lasera. Tylko 25 kilometrów? Tak, wiem, wiem. W ten sposób na Księżyc czy Marsa się nie dostaniemy, ale od czegoś trzeba zacząć

Tekst ukazał się w tygodniku Gość Niedzielny

1 komentarz do Teleportuj się !!!

Nano-lekarz

Kiedyś po naszym ciele będą krążyły niewielkie urządzenia badawcze. Będą sprawdzały stan naszego zdrowia, podawały leki, a może nawet wykonywały – od wewnątrz – operacje chirurgiczne. Kiedy to się stanie?

Kiedyś po naszym ciele będą krążyły niewielkie urządzenia badawcze. Będą sprawdzały stan naszego zdrowia, podawały leki, a może nawet wykonywały – od wewnątrz – operacje chirurgiczne. Kiedy to się stanie?

Nie wiem, kiedy ta wizja się spełni, ale widzę, że świat inżynierii zmierza w tym kierunku. A wszystko zaczęło się w 1960 roku od słów jednego z najbardziej zasłużonych i barwnych fizyków w historii nauki. Richard Feynman był znany z bardzo dużego poczucia humoru i talentów popularyzatorskich. Uwielbiał grać na bębnach bongo. W ich rytmie zdarzało mu się nawet prowadzić wykłady. Malował, pisał książki i zbierał znaczki. Ale w historii zapisał się z innego powodu. Był fizykiem teoretykiem i laureatem Nagrody Nobla. Pracownikiem najlepszych na świecie uniwersytetów. Zajmował się dość hermetyczną dziedziną, jaką jest kwantowa teoria pola i grawitacji, ale interesował się także fizyką cząstek i nadprzewodnictwem. To on jako pierwszy podał koncepcję komputera kwantowego i – w 1960 roku – zapowiedział powstanie nowej dziedziny inżynierii – nanotechnologii.

Sporo miejsca

Nanotechnologia bada i próbuje wykorzystać potencjał natury i właściwości świata bardzo małych rozmiarów i bardzo małych odległości. Co jest tam tak interesującego? – „There is plenty of room at the bottom” – powiedział w czasie pamiętnego wykładu zapowiadającego powstanie nowej dziedziny wspomniany już Richard Feynman. W tłumaczeniu na polski to zdanie znaczyłoby mniej więcej: „gdzieś tam na dole jest dużo miejsca”. Feynman zastanawiał się, jak naśladować naturę, która z atomów i cząsteczek potrafi tworzyć większe, olbrzymie, piękne struktury, takie jak chociażby białka czy cukry. A wszystko to robi ze znakomitą wydajnością, i mechaniczną, i energetyczną. Innymi słowy, człowiek powinien spróbować nauczyć się naśladować przyrodę, tworzyć układy złożone, wychodząc z atomów i cząsteczek, i kontrolując ten proces, mieć jakiś wpływ na powstającą nową materię. Brzmi dumnie, ale jak to zrobić? To jest właśnie coś, co ma rozstrzygnąć nowa dziedzina. Naukowcy i inżynierowie do tego wyzwania próbują podejść na dwa sposoby. Jeden to tak zwane „bottom up”, czyli przejście od podstaw, z tego poziomu najniższego, atomowo-cząsteczkowego, do większych, zaprojektowanych struktur. Czyli od pojedynczych atomów i cząsteczek do konkretnych materiałów. Najpierw tych w skali nanometrowej, a później o tysiąc razy większej, czyli mikrometrowej.

To podejście przypomina budowanie domu z cegieł. Małe elementy łączone są w duże struktury. Atomy łączone są w cząsteczki. Na przykład takie, które w przyrodzie nie występują. Cząsteczki białek, które mogą być lekarstwem na wciąż niezwyciężone choroby, czy cząsteczki o takich właściwościach, które można będzie wykorzystać w elektronice. Drugie podejście jest dokładnie odwrotne, czyli „top down” – z góry do dołu. To jak wytwarzanie ziarenek piasku podczas mielenia większych kawałków skały albo jeszcze lepsza analogia, mielenie całych ziaren kawy na kawowy proszek. Po co? Im drobniej zmielone, tym lepiej gorąca woda wyciągnie z nich kofeinę. Z całych ziaren kofeiny nie da się wyciągnąć. Wracając do fizyki czy technologii: to drugie podejście polega na rozdrabnianiu materii i schodzeniu do niższych jej form wymiarowych, do skali nano włącznie.

Podróże do wnętrza

O nanotechnologii można bardzo dużo pisać. Choć to nowy kierunek, rozwija się bardzo dynamicznie. Trudno znaleźć dziedzinę nauki, w której nie byłaby obecna. Jednym z bardziej pasjonujących kierunków jej rozwoju jest nanomedycyna. Ta rozwija się w dwóch kierunkach. Jeden to próby (coraz częściej udane) stworzenia nanocząsteczek, które będą nośnikami leków, a nawet genów. Wnikając do organizmu, będą uwalniać przenoszony materiał dokładnie w tym miejscu i dokładnie o tym czasie, jaki jest optymalny. Drugi kierunek to nanosensory i nanoroboty. Już kilka lat temu stworzono nanodetektor komórek rakowych. Do jego działania wystarczy – dosłownie – jedna kropla krwi. Krew przesączana jest przez tysiące mikroskopijnych kanalików krzemowych, w których znajdują się przeciwciała wyłapujące komórki nowotworowe. Analiza przeciwciał pozwala stwierdzić, czy w krwi znajdują się komórki rakowe, a jeżeli tak, to ile i jakie. Taka informacja nie może być pozyskana w trakcie standardowej analizy, bo komórek nowotworowych w krwi jest bardzo mało. Nanomedycyna jednak najbardziej kojarzy się z nanorobotami. Wpuszczone do ludzkiego krwiobiegu będą nie tylko monitorowały funkcje życiowe, ale także reagowały na stany kryzysowe organizmu.

Te skojarzenia – przynajmniej na razie – są nierealne. Na razie. W listopadowym numerze czasopisma naukowego „Nature Communications” opisano urządzenie wielkości kawałka główki od szpilki. Zbudowane jest jak muszla małża, z dwóch połówek połączonych w jednym punkcie (to połączenie przypomina zawias w drzwiach). Niewielkie elektromagnesy w obydwu częściach urządzenia mogą powodować otwieranie i zamykanie „muszli”. Ta w efekcie takiego ruchu może się poruszać. Prędkość tego ruchu jest oczywiście zależna od przekroju naczynia i prędkości krwi (oraz kierunku), ale już dzisiaj mówi się, że urządzenie, którego wielkość nie przekracza 0,3 mm, jest jednym z tych, które w przyszłości będą podróżowały we wnętrzu naszego ciała.

 

Tekst ukazał się w tygodniku Gość Niedzielny

Brak komentarzy do Nano-lekarz

Jesteśmy dziećmi gwiazd

My i całe nasze otoczenie, jesteśmy zbudowani z atomów różnych pierwiastków. Te pierwiastki – w przeważającej części – powstały we wnętrzu gwiazdy, która w naszej okolicy wszechświata kiedyś świeciła. Innymi słowy, jesteśmy zbudowani z popiołów gwiazd.

Najlżejsze atomy powstały zaraz po Wielkim Wybuchu. Te cięższe, powstają cały czas we wnętrzach świecących gwiazd. Atomy najcięższe powstają w czasie śmierci dużych słońc.

Na początku był…

Wielki Wybuch. To początek wszystkiego co fizyczne. Materii, czasu i przestrzeni. Nie ma sensu rozważać gdzie miał miejsce. Zdarzył się wszędzie równocześnie. Wtedy cała przestrzeń skupiona była w jednym punkcie, nie było nic na zewnątrz, nie było nic poza. Od tego momentu zaczął się także liczyć czas. Nie ma sensu rozważanie co było przed Wielkim Wybuchem, bo nie istniało … przed. Już kilkadziesiąt sekund po Wielkim Wybuchu z kwarków powstały protony i neutrony. Po kolejnych kilku minutach te cząstki wraz z elektronami (które nie składają się z kwarków) powstał wodór, jego cięższa odmiana – deuter oraz hel, lit i beryl. Z tej grupy najcięższy jest beryl. Składa się z 4 protonów i 5 neutronów w jądrze i 4 elektronów krążących wokoło. Powstawanie najlżejszych atomów trwało nie więcej niż kilkanaście minut. W bardzo szybko rozszerzającym się wszechświecie cięższe niż beryl pierwiastki nie miały szans powstać, bo energia za bardzo zdążyła się już rozproszyć.

Przez kolejnych kilkaset milionów lat, cała materia we wszechświecie była zbudowana z zaledwie kilku pierwiastków. Gdyby tak pozostało do dzisiaj, układ okresowy pierwiastków miałby zaledwie kilka pozycji.

I wtedy pojawiły się gwiazdy

Choć na początku swojego istnienia wszechświat był jednorodny, po jakimś czasie zaczęły w nim powstawać lokalne zagęszczenia. Te grawitacyjnie przyciągały swoje otoczenie. W środku tak zagęszczającej się materii rosło ciśnienie i temperatura. Im więcej materii się ze sobą zlepiało, tym większe ciśnienie (a więc i temperatura). Temperatura rosła aż do chwili gdy przyszła gwiazda „zapalała się”. Co to oznacza ? Gwiazdy czerpią energię z reakcji w której małe atomy łączą się w większe. Żeby jednak ta reakcja zastartowała, potrzeba bardzo wysokiej temperatury. Gdy ta została osiągnięta, gwiazda zaczynała świecić. Lekkie atomy łączyły się w cięższe, co dawało ogromną ilość energii. Ta energia daje gwiazdom życie, to dzięki niej gwiazdy świecą.

I tak, czasami przez miliardy lat lekkie atomy łączą się w gwiazdach w cięższe, te cięższe w jeszcze cięższe i jeszcze cięższe. Z wodorów powstaje hel, potem węgiel. Później tworzy się tlen, krzem, neon czy magnez. Każdy cięższy pierwiastek powstaje z połączenia się (fuzji albo inaczej syntezy) tych lżejszych. Ale we wnętrzu gwiazd nie powstają wszystkie znane z układu okresowego pierwiastki. Czym większy atom, tym więcej energii potrzeba do jego stworzenia. Ostatnim jaki może powstać we wnętrzu gwiazdy jest żelazo. Ma 26 protonów i 30 neutronów w jądrze, oraz 26 elektronów krążących wokoło. Gwiezdny piec jest za mały, by wytworzyć cokolwiek cięższego. Jak zatem powstają te naprawdę wielkie pierwiastki ?

Potrzebna jest śmierć

Duża gwiazda kończy swój żywot jako kula żelaza (żelaza, bo to ono jest najcięższym pierwiastkiem jaki może powstać w gwieździe). Ale to nie koniec życia gwiazdy. Przed nami najlepsze! Następuje największy bodaj kataklizm z jaki można sobie wyobrazić. Gwiazda wybucha jako supernowa. To dzieje się w zaledwie kilka sekund. Eksplozja jest tak duża, że zewnętrzne warstwy gwiazdy wyrzucane są w przestrzeń z prędkością rzędu dziesiątków tysięcy kilometrów na sekundę. To chwila, w której gwiazda może świecić jaśniej niż cała galaktyka w której się znajduje. Z zapisków w starych kronikach wynika, że w 1054 roku na dziennym niebie, oprócz Słońca, widoczny był efekt wybuchu jednej z supernowych. Przez 23 doby ludzie widzieli dwa „słońca”! Ten efekt równocześnie obserwowali chińscy astronomowie, arabscy mędrcy i Indianie Nimbres mieszkający na terenie obecnego Meksyku. Dzisiaj po tej supernowej został rozszerzający się obłok rozżarzonego gazu tworzący Mgławicę Kraba.

Crab_NebulaW czasie samego wybuchu energia eksplozji jest tak wielka, że dochodzi do produkcji najcięższych z występujących we wszechświecie pierwiastków. Także w tym przypadku powstają one z połączenia elementów lżejszych. To właśnie w czasie tylko niezwykle krótkich chwil powstaje np. ciężki, bo składający się aż 238 neutronów i protonów uran. Ale także ołów czy złoto. To ostatnie, choć wydobywane jest na Ziemi, powstało w czasie wybuchu gwiazdy, której teraz już nie ma. Te najcięższe pierwiastki w wyniku eksplozji zostają rozrzucone wokół eksplodującej gwiazdy. Wokół w kosmicznej skali. Wspomniana Mgławica Kraba ma średnicę około 11 lat świetlnych ( 100 bilionów kilometrów) i co sekundę powiększa się o 1500 kilometrów.

Człowiek, ale także wszystko to co wokoło widzimy zbudowane jest z cegiełek – dosłownie – wypalonych we wnętrzu gwiezdnego pieca. Te cięższe budujące nas elementy nie zaistniałyby gdyby nie dochodziło do gwałtownego i widowiskowego wybuchu gwiazdy supernowej. Jesteśmy – nie tylko w przenośni – dziećmi gwiazd. Korzystamy z tego co one wytworzyły, a gdy nasza dzienna gwiazda Słońce dożyje wieku sędziwego, budujące nas cegiełki na powrót zostaną rozsypane w kosmosie. Może wykorzysta je kto inny?

3 komentarze do Jesteśmy dziećmi gwiazd

Skąd dwa słońca?

Nad Lublinem zaświeciły dwa słońca. Tak to przynajmniej wyglądało. Skąd się wzięły?

Wydawałoby się, że nic szczególnego. Kryształki lodu, krople wody czy pyłki zawieszone w atmosferze. Przy odrobinie szczęścia i czasami wytrwałości mogą być jednak źródłem niezapomnianych wrażeń. Podwójne słońca, pierścienie, słupy, miraże, zielone zachody i glorie. Dzisiaj kilka słów o dwóch słońcach, które pojawiły się na niebie w okolicach Lublina.

Ze wszystkich zjawisk optycznych najciekawsze, najbardziej spektakularne, ale też najtrudniejsze do zaobserwowania są te, które występują w wyższych partiach atmosfery. Tam, gdzie promienie Słońca są załamywane, rozpraszane lub odbijane nie na kropelkach wody, tylko na kryształkach lodu. Wszystkie krople wody mają podobny kształt i takie samo ułożenie w przestrzeni w czasie drogi z chmury na ziemię. W przypadku kryształów podobna sytuacja nie występuje, bo kryształ kryształowi nierówny.

W zależności od temperatury i wilgothalo - słońceności otoczenia w chmurze mogą na przykład przeważać kryształki w kształcie graniastosłupów sześciokątnych o długości znacznie przewyższającej szerokość – przypominające małe ołówki. Przy odrobinie szczęścia można wówczas zaobserwować tzw. 22-stopniowe halo. Co to takiego?  To obwódka (pierścień) wokół Słońca, o zawsze tych samych rozmiarach kątowych. Dlaczego akurat 22 stopnie? Bo dla kryształu lodu o podstawie sześciokąta właśnie 22 stopnie są najmniejszym kątem odchylenia promieni. Wystarczy jednak, że lodowe kryształki nie będą przypominały długich ołówków, a raczej płaski, sześciokątny kafelek – i możliwość zaobserwowania 22-stopniowego halo przepadnie. Wtedy jednak być może uda się zobaczyć tzw. słońce poboczne (czyli inaczej parhelium). To właśnie to zjawisko zaszło na niebie w okolicy Lublina. Płaskie kryształki lodu nie opadają na ziemię w przypadkowych orientacjach, jak miało to miejsce w przypadku kryształków-ołówków. W rezultacie halo nie powstaje wokół słońca, tylko po jednej z jego stron. Słońce i jego rozproszona nieco kopia są oddalone od siebie nadal o 22 stopnie, bo dla bryły o podstawie sześciokąta 22 stopnie to dalej minimalny kąt załamania.

Kryształki lodu są także powodem powstawania tzw. słupów świetlnych. Ale to temat na zupełnie inną notatkę. No chyba, że przyślecie zdjęcia takiego zjawiska, chętnie je wtedy opiszę.

Zdjęcia pochodzą z serwisu kontakt24.pl

 

 

Brak komentarzy do Skąd dwa słońca?

Nauka w służbie sztuki [+ głos Mony Lisy]

Posłuchaj jaki głos miała Mona Lisa!

To co ukryte jest najciekawsze. Ta zasada napędza całą naukę. W tym dążeniu do odkrywania tajemnic człowiek jest tak zdeterminowany, że nie cofnie się nawet przed bombardowaniem wiekowych egipskich malowideł protonami.

Czy można usłyszeć głos namalowanej przez Leonarda Mony Lisy? Tak! To co ukryte jest najciekawsze. Ta zasada napędza całą naukę. W tym dążeniu do odkrywania tajemnic człowiek jest tak zdeterminowany, że nie cofnie się przed niczym. Nawet przed bombardowaniem wiekowych egipskich malowideł wiązką rozpędzonych protonów.

Brzmi to być może groźnie, ale groźne nie jest. W Instytucie Problemów Jądrowych im. A. Sułtana w Świerku (IPJ), pod kierunkiem profesora Andrzeja Turosa kilka lat temu badane były stary egipskie malowidła. Fizycy chcieli się dowiedzieć jak wyglądały one w czasach gdy je tworzono. O tym, że starożytni Egipcjanie mieli do perfekcji opanowaną sztukę tworzenia fresków, nie trzeba chyba nikogo przekonywać. Ściany świątyń i grobowców zdobiły i nadal zdobią niesamowite wręcz malowidła. To dzięki nim można poznać wiele faktów z życia zarówno egipskich królów, jak i egipskiej biedoty. W niektórych grobowcach zachowały się historyjki jak żywcem ściągnięte z komiksów. Np. obrazkowa rozmowa trzech rzeźników zabijających wołu.
Nie tylko skala egipskich malowideł zadziwia, ale także dbałość o ich detale, a w tym o kolory. Już wiele tysięcy lat temu egipscy malarze byli niedoścignionymi specjalistami w komponowaniu farb i barwników. Wiedzieli nie tylko z jakiej substancji jaką barwę da się uzyskać, ale także jakie związki należy ze sobą mieszać, by uzyskać oczekiwany efekt. Niektóre bardzo skomplikowane metody produkcji barwników do dzisiaj zadziwiają naukowców. Niestety wiele czynników takich jak zanieczyszczenie środowiska, zmiany wilgotności i temperatury, ale przede wszystkim czas, spowodowały, że dzisiejsze kolory malowideł mogą być bardzo dalekie od oryginału. Czy dziś, mimo upływu tysięcy lat możliwa jest rekonstrukcja oryginalnej kolorystyki egipskich fresków ?

Egypt_King's_valley2

 

 

 

 

Ozyrys i Horus z grobowca w Dolinie Królów w Egipcie

 

Naukowcy do badania egipskich próbek wykorzystują metodę PIXE (Particle Induced X-ray Emission). Polega ona na bombardowaniu interesujących fragmentów malowidła wiązką rozpędzonych protonów. Dzięki niesionej przez te cząstki energii, atomy wchodzące w skład barwnika zostają wzbudzone. Gdy powracają do stanu podstawowego emitują charakterystyczne dla każdego pierwiastka promieniowanie. Obserwując je naukowcy wiedzą jakie pierwiastki wchodzą w skład badanego barwnika. Analizując natężenie badanego promieniowania mogą też stwierdzić ile było atomów danego pierwiastka w próbce. Na podstawie informacji o składzie i proporcjach poszczególnych składników, można próbować „zrekonstruować” skład starych egipskich barwników. Stąd już tylko krok do zrobienia ich i sprawdzenia jakie dawały kolory.

Dzięki analizie promieniowania X jakie wysyłają starożytne egipskie tynki, fizycy są w stanie powiedzieć jak wyglądały malowidła ukończone przed tysiącami lat. Ale fizyka, dla sztuki może zrobić znacznie więcej. Niedawno został gruntownie przebadany najbardziej chyba znany obraz znajdujący się w polskich muzeach. Chodzi o „Damę z gronostajem”, której autorem jest Leonardo da Vinci. Badania kamerą multispektralną pozwoliły na odkrycie – dosłownie – tego czego ludzkie oko nie może już dzisiaj zobaczyć. Przy okazji odkryto także elementy, których ludzki oko – w zamiarze artysty – nie miało oglądać.
Badania „Damy z gronostajem”, albo inaczej „Damy z łasiczką” trwają od bardzo dawna. Obraz jest fascynujący pod wieloma względami. Badaczy zaciekawiło np. to, ze modelka jest przedstawiona na całkowicie czarnym tle. Wykonane w 1993 roku w USA badania radiograficzne wykazały, że pod warstwą czarnej farby kryje się inny rysunek. Czy Leonarda nie było stać na płótna i zamalowywał starsze obrazy po to móc malować nowe ? A może nie chciało mi się dokończyć dzieła albo „panorama z pod spodu” nie udała się i gdy nadeszło zamówienie na kolejny obraz mistrz nie chciał niszczyć zakupionego już płótna ? Dzisiaj te wątpliwości trudno rozwiązać. Przeprowadzone badania odkryły jednak znacznie więcej tajemnic Cecylii Gallerani. To ją sportretował pod sam koniec XV wieku Leonardo da Vinci. Osobą zamawiającą obraz był książę Ludwik Sforza. Cecylia była jego kochanką.

640px-The_Lady_with_an_Ermine

 

 

 

 

 

 

 

Portret damy z gronostajem namalował około 1490 roku Leonardo da Vinci. Obraz znajduje się w zbiorach Muzeum Książąt Czartoryskich w Krakowie i jest jedynym dziełem Leonarda da Vinci w Polsce.

 

Urządzenie, którym posługiwano się analizując dzieło to tzw. kamera multispektralna. Potrafi z bardzo dużą dokładnością fotografować analizowane dzieło, także w niewidzialnej dla oka części widma. Oczywiście metoda jest bezinwazyjna, a więc nie powoduje uszkodzenia samego obrazu. Kamera multispektralna jest tak dokładna, że potrafi rozpoznać autentyczność dzieła po zostawionych na płótnie odciskach palców artysty, który je malował. A to nie wszystko. Można prześledzić retuszowanie obrazu a także to co pod dodatkowymi warstwami farby się znajduje. Innymi słowy w ten sposób można odkryć chyba najbardziej skrywane sekrety warsztatowe artysty. Można wskazać miejsca w których się pomylił i te w których próbował te pomyłki zatuszować. Dzięki odpowiedniemu oprogramowaniu możliwe jest trójwymiarowe zeskanowanie całego obrazu. Później warstwa po warstwie obraz analizować. W ten sposób bada się nie tylko powierzchnię dzieła ale także warstwy farby leżące pod nią.

Co udało się odkryć dzięki multispektralnej analizie „Damy z gronostajem” ? Przedstawiona na obrazie modelka miała na głowie założony czepek. Dzisiaj gołym okiem go już nie widać. Odkryto także, że Leonardo w pierwszej wersji obrazu inaczej zilustrował trzymane na ramionach Cecylii Gallerani zwierze. Badacze wskazali miejsce gdzie mistrz początkowo namalował łebek zwierzęcia, po to by zamalować go i umieścić w nieco innym miejscu. Tą samą metodą i przez ten sam zespół została przebadana w paryskim Luwrze Mona Lisa. Z wcześniejszej analizy obrazu wynikało, że Joconda … spodziewa się potomstwa.

Mona_Lisa,_by_Leonardo_da_Vinci,_from_C2RMF_retouched

 

 

 

 

 

 

Mona Lisa – obraz olejny namalowany w pierwszych latach XVI wieku przez Leonarda da Vinci. Obraz jest własnością rządu Francji i znajduje się w paryskim Luwrze.

 

Zespół kanadyjskich i francuskich uczonych dzięki wykorzystaniu specjalnego urządzenia laserowo – optycznego zeskanował obraz, a następnie cyfrowo usunął starą i zabrudzoną warstwę lakieru utrwalającego czyli tzw. werniksu. W tym momencie uczeni zobaczyli jak wyglądał obraz w chwili jego powstania. To wtedy właśnie zauważyli, ze Mona Lisa ma na ramiona narzuconą charakterystyczną pelerynę. Taki strój nosiły w XVI wieku tylko kobiety ciężarne. Dzisiaj tej charakterystycznej peleryny już gołym okiem nie widać. Jeszcze dalej w swojej dociekliwości posunęła się grupa kryminologów z Japonii. Dokładnie zmierzyli twarz i dłonie Jocondy. Na tej podstawie odtworzono kształt czaszki modelki oraz jej wzrost i orientacyjną wagę. Te informacje zostały wprowadzone do programu, który na co dzień służy kryminologom do generowania głosu w oparciu o informacje o wadze ciała, wieku czy trybie życia. Efekt ?

Tłumaczenie: Jestem Mona Lisa. Moja historia owiana jest tajemnicą. Niektórzy sądzą, że jestem Marią Magdaleną, inni że Giocondą, Izabelą d’Esta czy matką Leonarda DaVinci. Są i tacy którzy uważają, że jestem samym Leonardem. Jedyną rzeczą, którą można stwierdzić z całą pewnością jest to, że jestem kobietą o najbardziej tajemniczym uśmiechem na świecie.

Japońscy badacze głos Mony Lisy określili go jako „głęboki, ale nie gardłowy”. Inna grupa ekspertów – tym razem z Holandii – przeprowadziła komputerową analizę twarzy modelki. Użyła do tego oprogramowania, które służy do rozpoznawania nastroju i stanu psychicznego. Joconda była – zdaniem ekspertów – osobą szczęśliwą (w 83 procentach) choć trochę zdegustowaną (w 9 procentach), przestraszoną (w 6 proc.) i rozgniewaną (w 2 proc.) Czy coś można dodać ?

Mona Lisa żyła ponad 500 lat temu. Kto wie, czy już niedługo na takie badania okresowe nie zostanie skierowana Cecylia Gallerani z obrazu „Dama z gronostajem”. Może poznamy jej głos ? A faraonowie ? Trzeba przyznać, że tutaj też nie jesteśmy w tyle. Chcemy poznać kolory świata, który istniał tysiące lat temu. To, że kiedyś poznamy głosy przynajmniej niektórych królów starożytnego Egiptu, nie ulega żadnej wątpliwości. Już dzisiaj wiemy na co chorowali, jakie przeszli zabiegi i z jakiej diety korzystali. Tak naprawdę możemy powiedzieć o nich wszystko, bo istnieją świetnie zachowane mumie niektórych z nich. Pytanie tylko czy my to wszystko chcemy wiedzieć ?

Tomasz Rożek

Tekst ukazał się na gosc.pl

Brak komentarzy do Nauka w służbie sztuki [+ głos Mony Lisy]

Ile waży elektron?


Elektron waży mało, bardzo mało. Ale teraz przynajmniej wiemy, jak mało. Pracującemu w Niemczech Polakowi udało się najdokładniej na świecie zważyć masę elektronu.


Elektron waży mało, bardzo mało. Ale teraz przynajmniej wiemy, jak mało. Pracującemu w Niemczech Polakowi udało się najdokładniej na świecie zważyć masę elektronu.


Elektron jest tzw. cząstką elementarną, czyli taką, której nie da się już podzielić na mniejsze kawałki. Jest dość powszechny i powstał zaraz po Wielkim Wybuchu. Każdy atom składa się z jądra atomowego, w którym znajdują się protony i neutrony (wyjątkiem jest jądro wodoru, w którym jest tylko jeden proton), krążących wokół elektronów. Pomijając szczególne sytuacje, elektronów krążących wokół jądra atomowego jest tyle samo, ile protonów znajdujących się w jego wnętrzu. To powoduje, że atomy są obojętne elektrycznie, w skrócie mówiąc – mają tyle samo ładunków elektrycznych dodatnich (niesionych przez protony), ile ujemnych (te są niesione przez elektrony). Proton i elektron wydają się w tej opowieści swoimi przeciwieństwami. Jeden niesie ładunek ujemny, drugi dodatni. Ale to tylko pozory. Protony i elektrony są cząstkami skrajnie różnymi. Powstały po Wielkim Wybuchu, ale w zupełnie inny sposób.

Protony (i neutrony zresztą też) należą do rodziny tzw. hadronów, czyli cząstek sklejonych z kwarków. Elektron nie jest hadronem, nie jest z niczego sklejony, jest niepodzielny. Elektron należy do grupy cząstek zwanych leptonami. Pomijając jednak te obco (i może nawet nieco groźnie) brzmiące nazwy, można powiedzieć, iż różnica pomiędzy elektronem i protonem nie polega tylko na tym, że jeden się dzieli, a drugi nie, oraz na tym, że należą do dwóch różnych rodzin. Elektron jest dużo, dużo mniejszy od protonu. O ile mniejszy?

Ile dokładnie?


Nikogo nie trzeba chyba przekonywać, że zmierzenie masy cząstki nie jest łatwe. Nie da się jej tak po prostu położyć na wadze, odczekać, aż szalki się ustabilizują, a następnie odczytać masę z podziałki. Pomijając fakt, że jakiekolwiek standardowe urządzenia nie wchodzą w ogóle w grę, ponieważ cząstki są w ciągłym ruchu. Szczególnie dotyczy to właśnie elektronów. Można by się zastanawiać, po co w ogóle komukolwiek precyzyjna wiedza o masie elektronu. Nie da się zrozumieć tego, co dzieje się we wnętrzu atomu, tego, jakie panują mechanizmy i oddziaływania, bez dokładnego pomiaru masy cząstek, które atom budują. Oczywiście te masy cząstek są znane, ale zespół fizyków z niemieckiego Instytutu Maxa Plancka w Heidelbergu stwierdził, że precyzja tego pomiaru jest niewystarczająca i trzeba ją poprawić. Pomiar masy, jakiego udało się dokonać, jest 13 razy bardziej precyzyjny niż te, którymi dysponowano dotychczas. Ile więc waży jeden elektron? Jest dokładnie 1836 razy lżejszy niż proton. Z kolei w jednym gramie mieści się 600 tryliardów protonów (tryliard to 1 i 21 zer). Jeszcze inaczej można powiedzieć, że masa atomowa elektronu wynosi ok. 0,000548579909067. 
Elektron jest najlżejszą cząstką, jaką udało się dotychczas fizykom precyzyjnie zważyć. Co prawda istnieją lżejsze cząstki od elektronów, ale ich masa nie jest znana, szacuje się jedynie jej wartość.

Jak zmierzono?


Bezpośredni pomiar masy elektronu jest absolutnie niemożliwy. Po to, by go zważyć, trzeba było posłużyć się pewnym trikiem. Wzięto atom węgla, w którym znajduje się 6 elektronów i „odczepiono” od niego 5 elektronów. W efekcie powstał tzw. jon, który miał jadro atomu węgla, ale wokół niego krążył tylko jeden elektron. Taki jon węgla zamknięto w urządzeniu zwanym pułapką Penninga. I dopiero tam zaczął się pomiar właściwy masy elektronu. Elektron (zresztą inne cząstki także) może się zachowywać jak niewielki magnesik. Manipulując złapanym w pułapkę jonem węgla, naukowcy mierzyli zachowanie elektronu, który krążył wokół jądra. Z tych pomiarów, przez zastosowanie wzorów, udało się precyzyjnie wyliczyć masę elektronu. Pomiary i badania trwały wiele miesięcy, a po ich zakończeniu wyniki eksperymentu znalazły się w pracy naukowej opublikowanej w prestiżowy czasopiśmie „Nature”. Jednym ze współautorów tej publikacji był pracujący w Niemczech Polak dr Jacek Zatorski. To on był odpowiedzialny za obliczeniową część eksperymentu.

Jak tam jest? 
Pusto


Mały elektron, większe protony i neutrony. Jak można sobie wyobrazić świat na poziomie pojedynczych atomów? Z całą pewnością inaczej, niż rysują go w podręcznikach. Przede wszystkim jądro atomowe wcale nie musi być kulką. Po drugie elektrony są znacząco mniejsze niż protony i neutrony, podczas gdy na modelach atomów w książkach są prawie takie same. Gdyby proton był wielkości jabłka, elektron byłby ziarenkiem słonecznika, a może większym ziarenkiem piasku. I jeszcze jedno. Atom to w większości pustka. Podobnie zresztą jak Układ Słoneczny. To dość udana anologia. Bo zarówno w atomie, jak i w naszym układzie planetarnym przeważająca większość masy zgromadzona jest w centrum.
99 proc. masy całego Układu Słonecznego to Słońce. Podobnie jest w atomie, gdzie jądro atomowe „zabiera” 99 proc., a czasami jeszcze więcej masy całego atomu. I jeszcze jedno: elektrony są nie tylko dużo, dużo lżejsze od jądra atomowego, ale tak samo jak w Układzie Słonecznym planety, krążą bardzo od niego daleko. Powracając do analogii z jabłkiem jako protonem i ziarenkiem piasku jako elektronem – w tej skali elektron krąży w odległości kilkudziesięciu, a może nawet 100 metrów od jądra atomowego. Atom to w większości pustka. •

Tomasz Rożek
tekst ukazał się w numerze 11/2014 tygodnika Gość Niedzielny

Czy można zobaczyć cząstkę elementarną?

3 komentarze do Ile waży elektron?


Type on the field below and hit Enter/Return to search