Nauka To Lubię

Oficjalna strona Tomasza Rożka

Tag: Układ Słoneczny

Ład czy chaos?

Chaos i ład – choć wydają się przeciwstawne, w naturze pięknie się przenikają. Ład wynika z chaosu, a chaos kroczy przed harmonią. Wystarczy spojrzeć na piaskową wydmę, płatek śniegu czy którykolwiek układ planetarny.

Co było pierwsze: ład czy chaos? W życiu codziennym chaos powstaje z ładu, ale we wszechświecie w różnych skalach kolejność może być odwrotna. Gwiazdy i układy planetarne powstają z chaotycznej chmury drobinek, ta zaś z eksplozji gwiazdy. Tylko czy taka chmura jest rzeczywiście chaotyczna? Nie da się przewidzieć ruchu każdego z jej atomów, ale to nie znaczy, że nie działają w niej prawa fizyki. Z czasem to one wprowadzają porządek. Z tego porządku rodzą się nowe światy. Ale czy w nich panuje ład i porządek?

Góra piasku

Z naszego punktu widzenia niekoniecznie. Na przykład ruch planet, księżyców i wszystkich innych obiektów w Układzie Słonecznym wydaje się uporządkowany i przewidywalny. Ale gdyby tak było, jak należałoby tłumaczyć, skąd wzięły się kratery, które świadczą o kolizjach, do jakich dochodziło w przeszłości i wciąż dochodzi? Skąd pojawiające się co jakiś czas „alarmy”, że do Ziemi zbliża się groźna asteroida albo planetoida? Czy to wszystko rzeczywiście działa jak w szwajcarskim zegarku? Tak, ale złożoności tego mechanizmu nie jesteśmy (jeszcze?) w stanie pojąć. Zdarzenia w kosmosie, a wśród nich zderzenia między kosmicznymi obiektami, są elementem porządku, którego my nie dostrzegamy. Ta swego rodzaju ślepota to problem nie tylko kosmicznych skal. Mamy kłopot z ogarnianiem świata w każdej skali. Z tych ograniczeń wynika to, że dość często mylimy chaos z porządkiem. Jak to możliwe?

Wyobraźmy sobie niewielki fragment pustyni i wietrzny dzień. Pojedyncze ziarenka piasku są unoszone i opadają. Jedne blisko siebie, inne dalej. Jedne w powietrzu przebywają chwilę, inne przez długi czas. Nie ma najmniejszych szans, by przewidzieć ruch wspomnianych ziarenek. On zależy od tak wielu czynników, że największe komputery na Ziemi nie poradziłyby sobie z takim wyzwaniem. Gdy patrzy się na ten obraz, aż ciśnie się na usta słowo „chaos”. Czy ruch ziarenek piasku podrywanych przez wiatr jest przypadkowy? Na pewno jest (dla nas) nieprzewidywalny, ale nie chaotyczny. Jest w nim porządek i rządzą nim prawa fizyki. Nie trzeba wierzyć na słowo, wystarczy poczekać, aż wiatr ustanie, a wtedy naszym oczom ukaże się wydma. Ta potrzebuje swego rodzaju nieporządku. Wydma nigdy nie powstanie na idealnie płaskiej powierzchni. Potrzebna jest przeszkoda. Lokalne zaburzenie porządku. Po co? By wyhamować wiatr. Tylko wtedy niesiony przez niego piasek opadnie. Jedno ziarenko, później drugie, kolejne…

(Nie)porządek na zimno

Wystarczy rzut oka na wydmę, by zobaczyć porządek. Wydmy zawsze mają jedno zbocze łagodne, a drugie strome. Łagodnym odwrócone są w kierunku wiejącego wiatru. Rozpoznajemy wydmy poprzeczne, seify, barchany czy wydmy gwiaździste. Ich kształt zależy od wielu czynników. Wśród nich są ukształtowanie terenu, siła i kierunek wiatru oraz rodzaj (właściwości) piasku. Zależności między tymi czynnikami są tak skomplikowane, że nawet największe komputery nie są w stanie tego ogarnąć. Ale o żadnym chaosie nie ma tu mowy. Tak samo jak nie ma mowy o chaosie w procesie tworzenia się kryształów. Chyba najlepszą ilustracją jest powstawanie płatków śniegu. Nie mogłyby się pojawić w idealnie czystym powietrzu, w którym nie byłoby chociażby najmniejszego pyłku. Woda w pewnej temperaturze zamarza – to jasne – ale może przechodzić w stan stały na dwa sposoby. Lód to cząsteczki wody, które zamarzły w nieuporządkowaniu. Śnieg to kryształy wody, a więc cząsteczki, które zamarzając, zdążyły się uporządkować, znaleźć się na swoich miejscach. Płatek śniegu to nieprzewidywalny porządek. Nie ma dwóch takich samych śnieżynek, ale to nie zmienia faktu, że wszystkie są stworzone według konkretnego wzoru. Każdy płatek śniegu ma kształt sześciokąta foremnego, figury, która ma sześć kątów (wierzchołków) i której wszystkie boki są równej długości. Dlaczego? Bo cząsteczki wody w krysztale łączą się ze sobą szóstkami. Połączenie „na płasko” sześciu cząsteczek wody musi utworzyć sześciokąt, w którym w wierzchołkach są atomy tlenu. I choć płatki śniegu są sześcioramiennymi gwiazdkami, każda jest nieco inna, bo każdy płatek ma inną historię, przechodzi inną drogę w chmurze. Nie da się jej przewidzieć ani odtworzyć. Rządzi nią zbyt wiele zmiennych, ale czy można powiedzieć, że w chmurze śniegowej panuje chaos? Idealnie regularne, symetryczne i uporządkowane płatki śniegu świadczą o czymś zupełnie innym. Tak samo jak idealnie „dostrojone” do siebie planety w systemach planetarnych, które powstały z chmury materii. Czy istnieją dwie takie same gwiazdy? Czy istnieją dwa takie same układy planetarne? Nie. Każdy jest inny, mimo że wszystkie powstały na podstawie tych samych zasad fizyki.
Za mało wiemy

Co ciekawe, nie do przewidzenia czy nie do opisania jest nie tylko proces, w którym coś powstaje (układ planetarny, wydma, kryształ…), ale także sam moment, w którym to powstawanie się zaczyna. Zainicjowanie wielu procesów wiąże się z nieprzewidywalną sytuacją. W przypadku płatka śniegu musi być pyłek, jakieś zanieczyszczenie. Podobnie sprawa się ma ze wszystkimi kryształami. Woda w garnku nie zacznie się gotować, o ile na ściankach garnka nie znajdzie się jakaś mała rysa. W idealnie gładkim garnku idealnie czysta woda może być w stanie ciekłym nawet wtedy, gdy jej temperatura dawno przekroczyła 100 st. C. Lawina rozpoczyna się od niewielkiego zaburzenia. Podobnie jak burza. Pioruny uderzają w sposób nieprzewidywalny, ale na pewno nie przypadkowy. Choć kształt błyskawic zdaje się na to nie wskazywać, w rzeczywistości ładunki elektryczne obierają drogę, która gwarantuje najmniejszy opór elektryczny. Skąd ładunki wiedzą, w którą stronę się przemieszczać? Przed właściwym wyładowaniem z chmury wylatuje niewielka „paczka” ładunków, która sprawdza drogę o najmniejszym oporze. Ładunki z błyskawicy, którą widzimy, są prowadzone niemalże jak po sznurku. Wszystko w idealnym porządku, według ściśle określonych reguł. Choć z zewnątrz wygląda to na chaos i przypadek.

Układ Słoneczny potrzebuje 250 mln lat, by zrobić pełny obrót wokół centrum galaktyki Drogi Mlecznej. Ten ruch ma oczywiście swoje konsekwencje. Zmieniające się kosmiczne otoczenie powoduje, że naruszana jest subtelna równowaga między Słońcem a pozostałymi obiektami w naszym układzie planetarnym. Tego oczywiście nie da się przewidzieć, ale zdarza się, że to naruszenie równowagi skutkuje wzmożoną aktywnością komet. Te częściej niż zwykle wylatują w kierunku Słońca. Zwiększa się przez to szansa na kolizję z Ziemią. Co oznaczałoby takie zderzenie? Chaos? To chyba nie jest dobre słowo. Dzięki takim kolizjom w przeszłości dzisiaj na Ziemi jest woda. Patrząc na przepiękny krajobraz z wodą, piaskiem i palmami w tle, warto sobie zdać sprawę, że tę wodę przyniosły komety, piasek to skruszone skały, a palma czy jakikolwiek inny żywy organizm na tej planecie są zbudowane z cząsteczek chemicznych, których ruch wciąż jest dla nas chaotyczny i nieprzewidywalny. Z chaosu w pewnym sensie wynika porządek. Widząc ten porządek, harmonię, warto sobie zdać sprawę z tego, że w naszym świecie tak naprawdę nic nie jest chaotyczne. Wszystko jest podporządkowane prawom natury. Wszystko jest uregulowane i przewidywalne. Kłopot w tym, że my tego porządku często nie dostrzegamy.

 

Tekst ukazał się w Tygodniku Gość Niedzielny

 

1 komentarz do Ład czy chaos?

Bombardowanie z kosmosu

Małe asteroidy o średnicy około 1 metra wpadają w naszą atmosferę zadziwiająco często. NASA właśnie opublikowała raport dotyczący „bombardowania Ziemi” w latach 1994 – 2013.

Jednometrowe obiekty wpadają w atmosferę średnio co dwa tygodnie! Mniejszych obiektów nawet nie sposób policzyć. Miejsca w których dochodzi do kolizji są rozrzucone mniej więcej równomiernie po całej planecie. Z trwających 20 lat badań wynika, że w tym czasie zarejestrowano przynajmniej 556 przypadków bolidów, czyli dużych obiektów kosmicznych w atmosferze. Ich energia wynosi czasami setki miliardów dżuli. Jednym z nielicznych – w ostatnich latach – takich przypadków o którym mamy świadomość był meteor czelabiński, który w połowie lutego 2013 roku wywołał panikę nie tylko w Czelabińsku na Syberii. Jego energia wynosiła mniej więcej tyle ile energia pół miliona ton trotylu.

Meteor czelabiński zanim wszedł w ziemską atmosferę miał wielkość około 20 metrów. Rosnąca gęstość gazowej powłoczki Ziemi spowodowała jednak, że obiekt rozpadł się na mniejsze. To samo dzieje się z większością obiektów o średnicy około metra. Choć ich resztki nie „spalają” się w atmosferze całkowicie, zwykle nie są groźne dla ludzi. A wracając do wydarzenia z Czelabińska. Nawet eksperci uważali wtedy, że częstotliwość takich zdarzeń jest niewielka. Tymczasem okazuje się, że jest inaczej. Z danych NASA wynika, że obiekt podobny do czelabińskiego wchodzi w naszą atmosferę co kilka (a nie kilka tysięcy) lat. Obiekt wielkości boiska sportowego wchodzi w atmosferę średnio raz na 5000 lat. Obiekty wielkości samochodu osobowego „nawiedzają nas” średnio raz w roku. Obiekty mniejsze, o średnicy rzędu jednego metra wpadają średnio co dwa tygodnie. Te mniejsze, jeszcze częściej. Na powierzchnię Ziemi każdej doby spada ponad 100 ton kosmicznej materii. To, że mniejsze obiekty nie docierają do powierzchni planety to jasne. Ziemska atmosfera działa jak mechanizm hamujący. Ogromna energia kosmicznego obiektu jest „wytracana” ale nie znika, tylko zamieniana jest na ciepło, na ogrzewanie obiektu, a ten albo rozpada się na drobny maczek, albo po prostu topi się i wyparowuje. To dotyczy także obiektów dużych, tych metrowych. Przeważająca większość z nich rozpada się w górnych warstwach atmosfery pod wpływem dużej zmiany ciśnienia przy wchodzeniu atmosfery. Mniejsze obiekty albo topią się, albo spadają jako niegroźnie małe. Poza tym, 2/3 powierzchni planety pokryta jest oceanami, a całkiem spora pustyniami i lasami, w skrócie tereny niezamieszkałe stanowią dużą większość  obszarów Ziemi. Jakiekolwiek uderzenie pozostaje tam niezauważone.

Obiekty wielkości ziarenka piasku, o ile wejdą w ziemską atmosferę w nocy, są łatwo zauważalne nawet gołym okiem. Większe to tzw. bolidy, świecą jaśniej niż Wenus. Co ciekawe, to świecenie nie wynika z tarcia obiektu kosmicznego o cząsteczki gazów w atmosferze, tylko z silnego sprężenia powietrza przed czołem bolidu. Ogromny wzrost ciśnienia powoduje podniesienie temperatury nie tylko obiektu, ale także gazu. I to świecący gaz, a nie meteor jest tym co widać w nocy. Bolid czy meteor nagrzewa się do temperatury kilku tysięcy stopni Celsjusza. Szybkiej zmianie ciśnienia często towarzyszy także grom dźwiękowy.

NASA od wielu już lat obserwuje obiekty, które potencjalnie mogą zagrozić Ziemi (to tzw. NEO – Near Earth Object). Jako takie definiuje się te, które znajdują się w odległości mniejszej niż 50 milionów kilometrów od orbity Ziemi.Dla porównania średnia odległość Ziemia – Słońce wynosi około 150 mln kilometrów, a średnia odległość Ziemia Księżyc około 350 tys. kilometrów.

W obszarze szczególnego zainteresowania obserwatorów z NASA, tylko obiektów o średnicy 1km lub większej znajduje się około tysiąca. Ponad 950 z nich jest przez agencję (w ramach programu NEO) obserwowana. W najbliższym sąsiedztwie Ziemi ilość obiektów, których średnica wynosi 150 metrów i więcej, szacuje się na około 25 tysięcy, z czego ponad 22 tys. jest pod obserwacją.

 

Lista potencjalnie groźnych obiektów:

http://neo.jpl.nasa.gov/risks/

Więcej informacji:

http://science.nasa.gov/planetary-science/near-earth-objects/

 

 

Brak komentarzy do Bombardowanie z kosmosu

Uderzy czy nie?

19 października, o godzinie 20:28 czasu polskiego w pobliżu Marsa przeleci kometa C/2013 A1. Będzie tak blisko, że niewykluczona jest kolizja. Te w przeszłości się zdarzały. W lipcu 1994 roku z Jowiszem zderzyły się reszki komety Shoemaker-Levy 9. Nigdy wcześniej nie oglądaliśmy jednak zderzenia komety z Marsem.

Kometa C/2013 A1 została odkryta 3 stycznia 2013 roku przez Roberta McNaughta z Siding Spring Observatory w Australii. Jak wszystkie komety i ta narodziła się na samym skrawku Układu Słonecznego, w Obłoku Oorta. Nigdy wcześniej się stamtąd nie ruszała. W naszych okolicach pojawia się po raz pierwszy. Pierwszy i być może ostatni. Obliczenia trajektorii komety, które są prowadzone od momentu jej odkrycia, wskazują, że obiekt zbliży się do powierzchni Marsa na bardzo BARDZO małą odległość zaledwie 140 tysięcy kilometrów. Nigdy wcześniej żadna kometa nie zbliżyła się tak bardzo do którejś z planet wewnętrznych Układu Słonecznego. To tak, jak gdyby w pobliżu Ziemi przeleciał obiekt w odległości 1/3 odległości Ziemia – Księżyc!

PIA17833-CometSidingSpring-C2013A1-MarsEncounter-20140128

Okazji tak bliskiego przejścia nie można zmarnować, stąd niektóre sondy i łaziki pracujące na powierzchni albo na orbicie Marsa już są przygotowywane do wstrzymania swoich zwykłych zajęć i „zajęcia” się przelatującą kometą. I tak łazik Curiosity ma robić zdjęcia komecie z powierzchni Marsa, orbitalna sonda MAVEN zbada gazy pochodzące z jądra komety i jej warkocza oraz ich wpływ na górne warstwy marsjańskiej atmosfery. Mars Odyssey Orbiter zmierzy właściwości termiczne jądra, komy i warkocza.

Badanie komety może być (dla sond i łazików) niebezpieczne. W warkoczu komety lecą bowiem mniejsze odłamki, które mogą uszkodzić znajdujące się w ich polu rażenia urządzenia. Dlatego właśnie – o ile było to możliwe – orbity tych sond, które nie biorą udziału w badaniu komety, przeprogramowano tak, by w chwili największego zbliżenia komety z Marsem, były po drugiej stronie planety. Tak zmieniono orbitę np. sondy Mars Reconnaissance Orbiter.

Kometa, której wielkość ocenia się na od kilku do kilkudziesięciu kilometrów, w pobliżu Marsa przeleci z prędkością ponad 200 tys km/h. Czy grawitacja Marsa wystarczy by tak szybko poruszający się obiekt ściągnąć na swoją powierzchnię? To okaże się dopiero w niedzielę wieczorem. Gdyby jednak kometa uderzyła w powierzchnię Czerwonej Planety, biorąc pod uwagę jej masę, wielkość i energię, wybiłaby krater o średnicy ok. 800 km (odległość większa niż z Gdańska do Zakopanego) i głębokości 10 kilometrów (prawie tak głęboko jak największa głębia na Ziemi czyli Rów Mariański na Pacyfiku). W skrócie mówiąc, już w niedzielę, może powstać jeden z największych znanych nam kraterów w Układzie Słonecznym! O tym jakie byłyby skutki uderzenia takiej komety w Ziemię, nawet trudno mówić.

W momencie w którym kometa ewentualnie zderzy się z Marsem, planeta będzie z terenu Polski już niewidoczna. Zdąży zajść za horyzont. Krótko po zachodzie Słońca – o ile pogoda pozwoli – Marsa będzie można oglądać spoglądając w kierunku południowo – zachodnim. Może lepiej zerknąć, kolejnej nocy Mars, może już być inną planetą 🙂

Jedna z całkiem prawdopodobnych teorii mówi, że to komety z granic Układu Słonecznego przyniosły m.in. na Ziemię wodę. Być może wraz z wodą, przyniosły także zalążki życia.

Zobacz mój filmik na temat wody, komet i życia:

Brak komentarzy do Uderzy czy nie?

Woda jest wszędzie

Po raz kolejny potwierdzono, że wody we wszechświecie jest bardzo dużo. Właśnie odkryto największy z dotychczas znanych jej zbiorników.

Po raz kolejny potwierdzono, że wody we wszechświecie jest bardzo dużo. Właśnie odkryto największy z dotychczas znanych jej zbiorników.

Odkrycie dotyczy ogromnego obłoku pary wodnej, jaki naukowcy z California Institute of Technology, USA odkryli wokół oddalonego od Ziemi o 12 miliardów lat świetlnych kwazaru. Kwazar to rodzaj galaktyki, która otacza obszar czarnej dziury.
Dokładne obliczenia wskazują, że gdyby całą tą parę wodną skroplić, byłoby jej 140 bilionów (tysięcy miliardów) razy więcej niż wody we wszystkich ziemskich oceanach. Masa odkrytego wśród gwiazd „zbiornika wody” wynosi 100 tysięcy razy więcej niż masa Słońca. – To kolejny dowód, że woda jest wszechobecna we wszechświecie – powiedział Matt Bradfort, naukowiec z NASA

lunasyssolar_europa01_02Popękany lód na powierzchni Europy – jednego z księżyców Jowisza.

Do wyboru: lód, woda i para

Naukowców nie dziwi sam fakt znalezienia wody, ale jej ilość. Cząsteczka wody (dwa atomy wodoru i jeden atom tlenu) jest stosunkowo prosta i występuje we Wszechświecie powszechnie. Bardzo często łączy się ją z obecnością życia. To spore uproszczenie. Faktem jest, że życie jakie znamy jest uzależnione od obecności wody. Ale sam fakt istnienia gdzieś wody nie oznacza istnienia tam życia. Po to by życie zakwitło, musi być spełnionych wiele różnych warunków.

Woda, którą znajdują badacze dalekiego kosmosu jest w stanie gazowym, a woda niezbędna do życia musi być w stanie ciekłym. Nawet jednak ciekła woda to nie gwarancja sukcesu (w poszukiwaniu życia), a jedynie wskazówka. Takich miejsc którym badacze się przyglądają, jest dzisiaj w Układzie Słonecznym przynajmniej kilka. Woda w Układzie Słonecznym może występować – tak jak na Ziemi – w trzech postaciach. Gazowej, ciekłej i stałej. I właściwie we wszystkich trzech, wszędzie jej pełno. Cząsteczki pary wodnej badacze odnajdują w atmosferach przynajmniej trzech planet Układu Słonecznego. Także w przestrzeni międzygwiezdnej.

Woda w stanie ciekłym występuje na pewno na Ziemi. Czasami na Marsie, najprawdopodobniej na księżycach Jowisza, ale także – jak wykazały ostatnie badania – na księżycach Saturna. A na jednym z nich – Enceladusie – z całą pewnością. Gdy kilka lat temu amerykańska sonda kosmiczna Cassini – Huygens przelatywała blisko tego księżyca, zrobiła serię zdjęć, na których było wyraźnie widać buchające na wysokość kilku kilometrów gejzery. Zdjęcia tego zjawiska były tak dokładne, że badacze z NASA zauważyli w buchających w przestrzeń pióropuszach nie tylko strugi wody, ale także kłęby pary i… kawałki lodu. Skąd lód ? Wydaje się, że powierzchnia Enceladusa, tak samo zresztą jak jowiszowego księżyca Europy, pokryta jest bardzo grubą (czasami na kilka kilometrów) warstwą lodu. Tam nie ma lądów czy wysp. Tam jest tylko zamarznięty ocean. Cały glob pokryty jest wodą.

Nie tylko u nas

Skoro cała powierzchnia księżyców Jowisza i Saturna pokryta jest bardzo grubym lodem, skąd energia gejzerów ? Skąd płynna woda pod lodem ? Niektóre globy żyją, są aktywne. Ich wnętrze jest potężnym reaktorem, potężnym źródłem ciepła. Tak właśnie jest w przypadku zarówno Europy, jak i Enceladusa. Swoją drogą ciekawe co musi się dziać pod kilkukilometrowym lodem, skoro woda, która wydrążyła sobie w nim lukę, wystrzeliwuje na wiele kilometrów w przestrzeń ?

Może nie morza, jeziora czy chociażby bajora, ale lekka rosa. Wodę znajduje się także na powierzchni naszego Księżyca. Zaskakujące odkrycie to działo indyjskiej sondy Chandrayaan-1, potwierdzone przez dwie amerykańskie misje (Deep Impact i Cassini). Płynnej wody być na Księżycu nie może, bo brak tam atmosfery.
Niejedna praca naukowa powstała tez na temat wody na Czerwonej Planecie. Wiadomo że jest na marsjańskich biegunach. Nie brakuje jednak danych, że woda, nawet w stanie ciekłym, pojawia się czasowo w różnych innych miejscach planety. Zdjęcia zrobione przez sondę Mars Global Surveyer ukazały na ścianach jednego z kraterów na południowej półkuli Marsa dwie podłużne rysy powstałe w ciągu siedmiu lat, prawdopodobnie w wyniku „erozyjnej działalności cieków wodnych”.

Z badań amerykańskiej sondy Messenger, która od 2004 roku bada Merkurego wynika, że woda jest także w atmosferze pierwszej od Słońca, gorącej planety. Co z innymi planetami z poza Układu Słonecznego ? Na nich też pewnie jest mnóstwo wody. Tylko jeszcze o tym nie wiemy.
Czasopisma naukowe coraz częściej informują też o obecności wody na planetach, które znajdują się poza Układem Słonecznym. Pierwszą egzoplanetą na jakiej znaleziono wodę (w roku 2008) była HD 189733b, która znajduje się 63 lata świetlne od nas. Ta planeta to tzw. gazowy gigant. Ogromna kula gorących i gęstych gazów z płynnym wnętrzem. Gdzie tutaj miałaby znajdować się woda ? Wszędzie – twierdzą badacze. Dzięki aparaturze wybudowanej w California Institute of Technology, USA udało się odkryć, że mająca prawie 1000 st. C atmosfera zawiera duże ilości pary wodnej.

Tomasz Rożek

 

A skąd woda wzięła się na Ziemi? Odpowiedź może się wydawać zaskakująca. Najpewniej przyleciała do nas z kometami.

 

Tekst ukazał się w tygodniku Gość Niedzielny

2 komentarze do Woda jest wszędzie

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?

2 komentarze do Ile waży elektron?


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