Pytania na które nie ma jeszcze odpowiedzi
Jaki jest kształt jądra?
Fizycy wyobrażali sobie dotychczas, że jądro atomowe przypomina kształtem
kulę, czasami nieco wydłużoną. Tymczasem polscy naukowcy prof. Jerzy Dudek z
Uniwersytetu Louisa Pasteura w Strasburgu i prof. Andrzej Góźdź z
Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie twierdzą, że jądra atomowe
mogą mieć kształt zbliżony do czworościanu foremnego - równobocznej
piramidy o trójkątnej podstawie! Odkrycie Polaków może zmienić kierunek
badań nad superciężkimi pierwiastkami.
Wiadomo wszak, że nie ma bryły bardziej zwartej niż kula. Ona ma najmniejszą
powierzchnię ze wszystkich brył o tej samej objętości, jest więc
najbardziej ekonomicznym kształtem powszechnie przybieranym w naturze przez
wszelkie twory złożone z małych cząstek utrzymywanych razem siłami spójności:
pęcherzyki powietrza, krople wody, planety czy gwiazdy. Z tych samych powodów
uważano dotąd, że jądro - złożone z protonów i neutronów zespolonych siłami
jądrowymi - też powinno przybierać kształt sfery, dysku lub rozciągnięcie
w długie cygaro.
Największe jądra są złożone z grubo ponad 200 nukleonów (protonów i
neutronów). Pełen matematyczny opis takiego układu polegałby na określeniu
ruchu wszystkich nukleonów powstającym pod wpływem ich wzajemnego oddziaływania.
Wiemy jednak, że w ogólnym wypadku zagadnienia takiego nie daje się ściśle
rozwiązać nawet dla trzech ciał - ani w mechanice klasycznej, ani kwantowej -
nawet jeśli oddziaływanie jest stosunkowo proste. Tymczasem oddziaływanie między
nukleonami (siły jądrowe) jest skomplikowane i nie w pełni jeszcze poznane.
Trzeba więc uciekać się do uproszczeń, przybliżeń, symulacji
komputerowych.
Polacy po raz pierwszy wykazali, że możliwe są stabilne jądra o innych
symetriach niż kuli czy elipsoidy. Czworościenne jądra powinny mieć jądra,
w których liczba protonów lub neutronów (a najlepiej obydwie naraz) jest równa
tzw. magicznej liczbie symetrii tetraedralnej: 20, 32, 40, 56, 70, 90, a więc:
wapnia (20 protonów) - budulca skorupy ziemskiej;
germanu (32 protony) - bardzo drogiego metalu, z którego budujemy wysokiej jakości
detektory do wykrywania promieniowania elektromagnetycznego;
cyrkonu (40 protonów) - który jest klejnotem w drogich biżuteriach;
baru (56 protonów) - używanego w niektórych związkach pirotechnicznych i
farbach;
iterbu (70 protonów) - dobrego surowca na magnesy;
toru (90 protonów) - pierwiastka rozszczepialnego.
Jądra o tak dziwnym kształcie, jak przewidują Polacy, powinny się obracać
wokół pewnych tylko osi, wysyłając promieniowanie gamma o charakterystycznej
częstotliwości. Fizycy z kilku grup (głównie w USA) próbują wykryć
istnienie takich obiektów w mikroświeciaktywnie.
Jeśli uda się potwierdzić istnienie tych "czworościennych" jąder,
to jeszcze bardziej oddalimy się od wizji z początków zeszłego wieku, kiedy
atom wyobrażano sobie na kształt miniaturowego Układu Słonecznego. Tymczasem
ani elektrony nie chcą grać roli planet obiegających jądro atomowe (już
dawno temu przekonano się, że nie zajmują określonego miejsca na orbicie),
ani też teraz kanciaste jądro atomowe nie za bardzo pasuje do kulistego Słońca
Czy możliwa jest zimna fuzja?
Dużo wysiłku wkłada się obecnie w badaniach nad zimną fuzją, tzn. syntezą,
która zachodzi w temperaturze niższej niż temperatura konieczna do pokonania
odpychania elektrostatycznego między jądrami. Najbardziej obiecująca wydaje
się synteza jądrowa katalizowana mionowo. W atomach deuteru trzeba zastąpić
elektrony ujemnymi mionami. Mion jest 207 razy cięższy od elektronu, a więc
atom mionowy deuteru jest znacznie mniejszy od zwykłego deuteru i może zbliżyć
się do innego atomu deuteru na znacznie mniejszą odległość, pozwalającą
na zajście syntezy jądrowej.
W innym pomyśle amerykańscy i rosyjscy naukowcy obliczyli, że reakcje
kontrolowanej syntezy termojądrowej dałoby się przeprowadzać... we wnętrzu
malutkich pęcherzyków gazu poddawanych działaniu ultradźwięków.
Fala dźwiękowa nacierająca na wypełniony deuterem i trytem pęcherzyk
zanurzony w ciekłym acetonie powodowałaby ściskanie bąbelka, a tym samym gwałtowny
wzrost temperatury i ciśnienia w jego wnętrzu. Zdaniem autorów obliczeń
wzrost byłby wystarczający do zapoczątkowania reakcji fuzji tych dwóch cięższych
izotopów wodoru. Gdyby wszystko poszło tak, jak chcieli uczeni, świat zyskałby
niemal nieograniczone źródło półdarmowej energii.
Niestety nic z tego. Z najnowszych obliczeń wykonanych przez prof. Kennetha
Suslicka i opublikowanych na łamach "Nature") wynika, że temperatura
wewnątrz bąbelka gazu zamiast sięgać niezbędnych milionów stopni, ledwie
zbliża się do 20 tys. stopni Celsjusza.
Czekamy na nowe pomysły.
Co się dzieje z biegunami magnetycznymi Ziemi?
Ziemia ma dwa bieguny magnetyczne, które nie pokrywają się z biegunami
geograficznymi. Magnetyczny biegun północny leży w pobliżu bieguna
geograficznego południowego, a magnetyczny biegun południowy leży w pobliżu
bieguna geograficznego północnego.
Ziemskie bieguny magnetyczne zaczynają zamieniać się miejscami - piszą
naukowcy w piśmie "Nature". Sugerują to dziwne anomalie wykryte w
ziemskim polu magnetycznym
Źródłem ziemskiego magnetyzmu są prawdopodobnie prądy, które płyną w
stopionym jądrze naszej planety. Z namagnesowania starych skał i minerałów
można odczytać, jak zmieniało się pole magnetyczne na przestrzeni wieków.
Okazuje się bowiem, że bieguny ziemskiego pola magnetycznego cyklicznie
zamieniały się miejscami - południowy przechodził na miejsce północnego i
na odwrót. W czasie takiej zamiany ziemskie pole magnetyczne "wariowało",
m.in. zanikały wtedy oba bieguny magnetyczne. Ostatnie odwrócenie biegunów
nastąpiło ok. 180 tys. lat temu, a "magnetyczny chaos" z tym związany
trwał kilka tysięcy lat.
Gauthier Hulot i jego współpracownicy z Instytutu Nauk o Ziemi w Paryżu sądzą,
że dostrzegli właśnie pierwsze oznaki kolejnej zamiany biegunów. Analizowali
anomalie pola magnetycznego zmierzone przez satelitę Oersted, m.in. obszar
anormalnego pola znajdujący się głęboko pod południową Afryką (pole jest
tam skierowane przeciwnie niż w reszcie południowej półkuli Ziemi). Podobne
anomalie osłabiły już natężenie ziemskiego pola o 10 proc. Jeśli będą się
powiększały w dotychczasowym tempie, to ziemskie bieguny magnetyczne mogą
zaniknąć w ciągu tysiąca lat, a będą bezużyteczne. Ciekawe jak poradzą
sobie zwierzęta, np. ptaki, które w swych wędrówkach kierują się polem
magnetycznym?
Francuscy uczeni mogą się jednak mylić. Satelitarne pomiary magnetyczne są
dostępne dopiero od ledwie 20 lat. To zbyt mało, żeby wyrokować o przyszłości.
Obserwacja zmian pola grawitacyjnego Ziemi
Ziemia nie jest idealnie kulista. Jej kształt zbliżony jest do spłaszczonej
kuli ale licznie zniekształconej. Co więcej, naukowcy sądzą, że jej kształt
nie jest stały. A te przeobrażenia zachodzące we wnętrzu naszej planety mają
wielki wpływ między innymi na kształt i siłę ziemskiego pola
grawitacyjnego.
Jest kilka teorii wyjaśnienia tego zjawiska. Pierwsza tajemnicę zmiennego pola
grawitacyjnego Ziemi upatruje w oceanach. Ruchy gigantycznych mas wody, jakie
dokonują się za sprawą morskich prądów zmieniają grawitację naszej
planety. Wraz z przemieszczaniem się wody słodkiej i słonej zmienia się rozkład
mas na naszej planecie. A grawitacja jest wszak wprost proporcjonalna do masy.
Wielu zwolenników ma teoria wiążąca zmiany grawitacji z efektami efektu
cieplarnianego. Głosi ona, że wzrastająca średnia temperatura atmosfery
powoduje topnienie lodu i sprawia, że np. północna Kanada i Półwysep
Skandynawski uwolnione częściowo od przygniatających je mas lodu... zaczynają
się nieco unosić do góry! Te ruchy - rzecz jasna - odbijają się na kształcie
pola grawitacyjnego. Wszystko jednak ma się wyjaśnić wraz z uzyskaniem dokładnych
pomiarów zmian grawitacji. Globalne pomiary pola grawitacyjnego Ziemi nie są
jednak proste. Dlatego postanowiono zbadać grawitację z kosmosu. 17 marca 2002
roku wystartowała rakieta Rockot z dwoma bliźniaczymi satelitami na pokładzie.
Rozpoczęła się amerykańsko-niemiecka misja GRACE (Gravity Recovery And
Climate Experiment). Oba satelity znajdują się 500 km nad powierzchnią Ziemi
i podążają jeden za drugim w odległości 220 km. Przelatują one nad
obszarami silniejszego lub słabszego pola grawitacyjnego i potrafią je rozróżnić.
Gdy podążający przodem satelita wchodzi w obszar silniejszego pola
grawitacyjnego, oddala się nieznacznie od towarzysza. Dokładna wartość odległości
oraz wartość wzajemnej prędkości satelitów są mierzone za pomocą
umieszczonych na ich pokładzie instrumentów oraz systemu GPS z dokładnością
sięgającą... 10 mikronów, czyli około jednej dziesiątej grubości
ludzkiego włosa!
Dane gromadzone za pomocą GRACE są wykorzystywane do budowania trójwymiarowych
modeli ziemskiego pola grawitacyjnego raz na 30 dni. Misja będzie trwała pięć
lat. Satelity mierzą rozkład masy na Ziemi z dokładnością od stu do tysiąca
razy większą niż dotychczas. Badania ujawnią drobne zmiany, jakie dokonują
się w polu grawitacyjnym Ziemi i być może dostarczą też wyjaśnień, skąd
się one biorą.