Nauka To Lubię

Oficjalna strona Tomasza Rożka

Tag: światło

Złapali kwant !!!

Dwójce młodych fizyków, doktorantów Uniwersytetu Warszawskiego, jako pierwszym na świecie udało się sfotografować kwanty, cząstki światła, w bardzo szczególnym momencie – chwili, w której się parują.

Dwójce młodych fizyków, doktorantów Uniwersytetu Warszawskiego, jako pierwszym na świecie udało się sfotografować kwanty, cząstki światła, w bardzo szczególnym momencie – chwili, w której się parują.

Tak, światło składa się z cząstek. A właściwie sprawa jest bardziej złożona. Światło ma cechy fali (podobnej do tej na wodzie), ale wykazuje też cechy korpuskularne. W skrócie mówiąc, jest i falą, i cząstką. Trudno to odnieść do naszej rzeczywistości, bo w makroświecie cechy fali i cząstki wykluczają się. W świecie kwantów nic się nie wyklucza.

Quantum paparazzi spying identical photon pairs

„Łapacze fotonów”, młodzi fizycy z UW, na tym zdjęciu zachowują się jak fotony. Są w dwóch miejscach równocześnie. Obok układu pomiarowego Radosław Chrapkiewicz (po prawej) oraz Michał Jachura (stojący za nim) .

W zasadzie proste 

Cząstki światła nazywają się kwantami. Nie mają masy spoczynkowej, nie da się ich zatrzymać i przyjrzeć im się „na spokojnie”. Przeciwnie, pędzą z prędkościami, które trudno sobie nawet wyobrazić. 300 tys. kilometrów na sekundę! Ile to jest? Odległość między Zakopanem i Trójmiastem (prawie 700 km) światło pokonuje w tysięczne części sekundy. Jak złapać, jak sfotografować coś, co porusza się z taką prędkością? – Układ, który zastosowaliśmy do naszych pomiarów, jest dość złożony, ale sama idea nie jest skomplikowana – powiedział mi Michał Jachura z Uniwersytetu Warszawskiego. – Źródłem fotonów jest fioletowy laser. Padają one na urządzenie, w którym z jednego fotonu powstaje jeden elektron. Następnym elementem jest wzmacniacz powielający ten jeden elektron. Tak powstaje kilka milionów elektronów, które następnie padają na płytkę z fosforu, gdzie powodują błysk światła. Ten błysk rejestrujemy specjalną kamerą – mówi drugi z młodych badaczy, Radosław Chrapkiewicz. – I to w zasadzie wszystko – dodaje. Niektóre elementy układu, w którym udało się złapać fotony, np. wzmacniacz obrazu, to urządzenia wykorzystujące technologię wojskową. Samo sfotografowanie pojedynczej cząstki światła to jednak nie było topowe osiągnięcie Michała i Radka. Im udało się zobaczyć moment, w którym fotony się parowały. Ale zanim o tym, warto powiedzieć trochę o samych fotonach.

Światło wprost ze światłowodu

Światło wprost ze światłowodu. Obiektyw aparatu Radka Chrapkiewicza był skierowany dokładnie w kierunku światłowodu (wyjścia) z lasera femtosekundowego. Ten laser emituje bardzo krótkie błyski światła, których długość nie przekracza 100 fs (femtosekund). Femtosekunda to jedna bilionowa część sekundy. W czasie jednej femtosekundy światło pokonuje drogę sto razy krótszą niż grubość ludzkiego włosa!

Jaki kształt? Jaki kolor?

Fotografia kojarzy nam się z odwzorowywaniem rzeczywistości. Skoro foton dał się sfotografować, można chyba zapytać, jak on wygląda. Zacznijmy od kształtu. Da się go określić? – W jednym pomiarze nie, ale robiąc wiele pomiarów, wiele zdjęć, udaje się to zrobić, choć od razu trzeba powiedzieć, że kształt fotonu nie jest stały. Może się różnić w zależności od tego w jakim otoczeniu się znajduje – tłumaczy Michał. – W naszej aparaturze obserwowaliśmy np. fotony o wydłużonych kształtach, takich trochę jak ołówek, ale udawało nam się także obserwować fotony rozseparowane, czyli takie, w których jeden foton był rozdzielony na dwie części. I to części, które znajdują się od siebie w odległości nawet centymetra – dodaje Radek. A kolor? Tutaj sprawa zaczyna się komplikować jeszcze bardziej. – Foton ma trzy cechy, które nazywamy stopniami swobody – opowiada Michał Jachura.

– Pierwszy to struktura w przestrzeni, czyli w pewnym sensie kształt. Drugi stopień swobody – spektralny – to innymi słowy kolor. Fotony mogą być czerwone, niebieskie, ale możemy mieć fotony w tak zwanej superpozycji, np. fotony białe, składające się z wielu barw dla których określony kolor ustala się dopiero w momencie pomiaru. Ten sam foton mierzony wielokrotnie może mieć różne kolory. Ostatni stopień swobody to polaryzacja, tzn. kierunek, w jakim foton drga. Jeżeli dwa fotony mają identyczne trzy stopnie swobody, nie ma żadnej możliwości, by odróżnić je od siebie – kończy Michał Jachura. Zatem wróćmy do osiągnięcia dwóch doktorantów. Fotografowali oni fotony, które dobierały się w pary. W czasie tego procesu zauważyli, że dwa różne fotony skazane są na samotność. Nawet gdy znajdą się obok siebie, „nie widzą” się i zwykle nie dobierają się w pary. Sytuacja wygląda zupełnie inaczej, gdy fotony są identyczne, to znaczy, gdy wszystkie trzy stopnie swobody dwóch cząstek są takie same. Wtedy powstają pary, które na dodatek są wyjątkowo jednomyślne. Jeden foton „idzie” zawsze tam, gdzie ten drugi. Chociaż trudno powiedzieć, który jest pierwszy, a który drugi, skoro obydwa są identyczne. Łączenie fotonów nazywa się efektem Hong-Ou-Mandela i na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego po raz pierwszy na świecie udało się go sfilmować.

Quantum memory - glowing green

Układ pamięci nowej generacji do komputerów kwantowych. Zielona tuba to pamięć. Za pomocą lasera (czerwona wiązka) w atomach rubidu „zapisywana” jest informacja, która następnie może być odczytywana. Ta pamięć to także dzieło doktorantów z UW.

Nauka podstawowa

Pozostaje tylko znaleźć odpowiedź na pytanie, po co tego typu badania się robi. – Być może kiedyś uda się wyniki naszych eksperymentów wykorzystać w rozwijanych technologiach kwantowych, na razie myślimy jednak o naszych eksperymentach w kategoriach badań podstawowych – mówi Michał Jachura. – Nas bardziej niż kształt samego fotonu interesuje to, jaki kształt będzie miała para fotonów, które zaczną ze sobą interferować, zaczną się na siebie nakładać. To można wykorzystać do zupełnie nowego rodzaju mikroskopii o bardzo wysokiej rozdzielczości. – uzupełnia Radosław Chrapkiewicz.

14 komentarzy do Złapali kwant !!!

Kryształ Wikingów działa !

W każdej legendzie jest trochę prawdy. Od lat naukowcy (i żeglarze) zastanawiali się jak Wikingom udawało się tak skutecznie nawigować w czasie rejsów po morzach północnych, po Atlantyku czy Morzu Śródziemnym. Nie mieli kompasu, mgły często zasłaniały niebo, a w miejscu w którym mieszkali, przez pół roku nie było nocy (więc nie mogli nawigować obserwując gwiazdy).
Legendom o słonecznym kamieniu, którym miał się posługiwać m. in. król Olaf nie dawano wiary. Kamień do nawigacji? Dajcie spokój.

Wikingowie byli w swoim czasie (od roku 900 do roku 1200) panami mórz i oceanów. Byli najdoskonalszymi żeglarzami na Ziemi. W średniowieczu swobodnie pływali nie tylko po morzach północy, ale także po Oceanie Atlantyckim czy po Morzu Śródziemnym. Setki lat przed Kolumbem dotarli też do Ameryki. Od lat naukowcy (i żeglarze) zastanawiali się jak Wikingom udawało się tak skutecznie nawigować w czasach, w których nie znali igły magnetycznej (kompasu). Legendom o słonecznym kamieniu, którym miał się posługiwać m. in. król Olaf nie dawano wiary. Kamień do nawigacji? Dajcie spokój.

Przepuszczą, albo nie

Zrozumienie zasad nawigacji ludów północy było tym trudniejsze, że Wikingowie – z racji miejsca w którym mieszkali, a więc Islandii czy wybrzeży dzisiejszej Szwecji i Norwegii – pływali głównie po morzach północy. To obszary o bardzo dużym zachmurzeniu, a to uniemożliwia astronawigację. Na dalekiej północy, przez pół roku nocy w ogóle nie ma. Często występują też mgły, a linia brzegowa, z powodu lodowców i gór lodowych często się zmienia. I jak w takich warunkach nawigować? Jak wyruszyć tak daleko i – co ważniejsze – wrócić do domu?

Pierwszą osobą, która legendy próbowała zweryfikować legendy był duński archeolog Thorkild Ramskou. Był rok 1967, a Ramskou twierdził, że „sólarsteinn”, czyli tzw. słoneczny kamień istniał naprawdę i był nim szpat islandzki (odmiana kalcytu), występujący powszechnie na Islandii (zajmowanej przez Wikingów). Co to takiego? Fale elekto-magnetyne, w tym światło, mogą być uporządkowane, albo chaotyczne. Źródłem światła uporządkowanego jest np. laser. Za to już zwykła żarówka daje światło, które składa się z fal nieuporządkowanych. Choć nasze oko nie wykrywa polaryzacji, nie widzi czy fala która w nie wpada jest spolaryzowana czy nie, oczy niektórych zwierząt są na to wrażliwe. Np. niektórych owadów. Ponadto w przyrodzie są materiały, które działają jak filtry, i falę „ustawioną” w jednym kierunku przepuszczają, a w innych kierunkach nie.

Jak to sobie wyobrazić?

Gdyby przywiązanym do drzewa (płotu,… czegokolwiek) sznurkiem machać w kierunku góra – dół, powstałaby na nim fala.  Można też sznurkiem machać lewo – prawo. Też mielibyśmy falę. W końcu, sznurkiem można machać raz góra – dół, a raz lewo – prawo. A teraz na drodze sznurka ustawmy w pionie dwie deseczki. Tak, żeby sznurek swobodnie przechodził pomiędzy nim. Deseczki zadziałają jak każdy materiał polaryzujący. Jeżeli są ustawione w pionie, „przepuszczą” tylko falę, która powstanie na sznurze w czasie machania góra – dół. Nie przepuszczą fali lewa – prawa. Identycznie działają niektóre kryształy gdy przepuścić przez nie światło. Przepuszczą tylko te fale, które są zgodne z polaryzacją danego kryształu. Może się też zdarzyć tak, że kryształ nie przepuści światła w ogóle. To bardzo widowiskowe, bo w zależności od położenia kryształu, raz jest on przezroczysty, a za chwilę czarny jak węgiel. Zdaniem – wracając do Wikingów – duńskiego archeologa, Thorkilda Ramskou, takich kryształów używali właśnie Wikingowie do nawigacji. Ciekawa koncepcja, ale gdy powstała, była rozważaniem czysto teoretycznym, nikt jej nie sprawdził.

To działa!

Zresztą kryształów które polaryzują światło jest więcej. Niektóre z nich, (m. in. turmaliny i kordieryty) występują w Skandynawii. Obracanie nimi pozwala stwierdzić z jakiego kierunku padają promienie słoneczne, czyli gdzie jest Słońce, nawet wtedy, gdy zasłania je chmura, albo gdy panuje gęsta mgła.

W 2005 roku naukowcy z Węgier i Szwecji (Gábor Horváth z Uniwersytetu Eötvös w Budapeszcie i Susanne Ĺkesson Lund University) wybrali się z polaryzującym kryształem w rejs lodołamaczem po Oceanie Arktycznym. Rejs trwał kilka dni, w czasie których wielokrotnie panowała pogoda uniemożliwiająca astronawigację. Badacze udowodnili, że niezależnie od pogody, dzięki kryształowi można wyznaczyć strony świata. A to wystarczy by skutecznie pływać po morzach i oceanach (trafiając zawsze tak gdzie chce się trafić). Cztery lata później w czasopiśmie Science opublikowano artykuł napisany przez uczonych z francuskiego Universite de Rennes 1, którzy skonstruowali pełny przyrząd którym mogli posługiwać się Wikingowie. Jego sercem jest właśnie kamień słoneczny czyli „sólarsteinn”. Z pomiarów (a nie szacunków!) jakich dokonali Francuzi wynika, że wyznaczona dzięki kryształom dokładność położenia Słońca może wynieść około 1 proc. Nawet wtedy, gdy Słońce znajduje się już za horyzontem (o ile nie jest jeszcze kompletnie ciemno).

Brak komentarzy do Kryształ Wikingów działa !

Konkurs o energii

W badanie i wdrażanie którego rodzaju energii powinniśmy w Polsce inwestować najwięcej środków i wysiłku. Uzasadnijcie proszę Waszą odpowiedź.

W odcinku  „Ekstremalna energia”, który w serii Megaodkrycia, National Geographic Channel pokaże o godzinie 22.00 w niedzielę 6 grudnia, naukowcy z kilku wiodących światowych ośrodków naukowych opowiedzą, gdzie szukają realnej alternatywy dla pozyskiwania energii z węgla, ropy i gazu. Będzie o ujarzmianiu huraganów, promieni Słońca, o geotermii, fuzji wodorowej i kilku innych pomysłach na „czystą” energię.

A teraz pytanie:

>>> Napiszcie w badanie i wdrażanie którego rodzaju energii powinniśmy w Polsce inwestować najwięcej środków i wysiłku. Uzasadnijcie proszę Waszą odpowiedź.  

Odpowiedzi wpisujcie proszę w komentarzach pod tym tekstem. Trzy najlepsze odpowiedzi zostaną nagrodzone moją najnowszą książką „Człowiek” (no chyba, że ktoś woli poprzednią „Kosmos”). Jeżeli takie będzie życzenie wygranego, chętnie napiszę imienną dedykację. 

Człowiek okłądki_II

 Regulamin konkursu:  http://naukatolubie.pl/regulamin-konkursu/

15 komentarzy do Konkurs o energii

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