Πηγή στοιχείων : Science daily.
Τετάρτη 4 Φεβρουαρίου 2009
Πέμπτη 22 Ιανουαρίου 2009
Παρασκευή 21 Νοεμβρίου 2008
Υπολογισμός μάζας των ατόμων
Βαρυόνια
This drawing shows the supercomputers the researchers used to calculate the masses of protons and neutrons.Forschungszentrum Jülich/Seitenplan
Atoms are much heavier than the fundamental particles from which they are made. European scientists have now shown that this oddity can be fully understood using the conventional Standard Model of particle physics.
Zoltán Fodor of the University of Wuppertal in Germany and his co-workers have carried out an awesomely difficult computation to deduce the masses of the proton and the neutron — the so-called baryon particles that constitute atomic nuclei — from theory alone1
Baryons are themselves made up of quarks, bound together by the 'strong' nuclear force produced by particles called gluons that zip between quarks. Before now, no one had demonstrated conclusively that the Standard Model, which explains how baryons are built from quarks, can accurately predict baryons' masses — which are well known from experiments.
That's largely because of the teeming nature of the subatomic world, in which 'empty' space is no such thing. According to quantum theory, a vacuum is filled with virtual particles that pop in and out of existence in pairs, corresponding to particles and their antimatter equivalents.
All at sea
These virtual quarks form a kind of pervasive 'sea' in which those that make up the actual baryons are bathed. "The calculations are complicated because of the need to include the effect of the sea quarks," says Christine Davies, a particle physicist at Glasgow University in Scotland who was part of a team that made some of the first accurate calculations of these particle masses in 2003.
But worst of all, the calculations needed to describe this morass don't 'converge'. For atoms and molecules interacting in gases and liquids, most of the interaction energy comes from direct interplay between pairs of particles, a little comes from triplets of particles, a tiny bit from groups of four and so on. Quarks don't have this handy tailing off as the number of interacting particles multiplies – they are said to be 'strongly coupled' – so all the possibilities need to be taken into account.
The theory for describing quark-gluon interactions is called quantum chromodynamics (QCD). The strong coupling of these interactions means that there's no exact way of making calculations using pen and paper. Instead, the equations must be solved numerically on a computer.
The usual way of doing this, devised 20 years ago, is to divide up four-dimensional time and space into a series of discrete cells, like those of a two-dimensional chess board, and then compute how each cell is affected by all the others. This gridding is essentially the same trick that scientists use in other complicated computations such as global weather and climate models. In nuclear physics it is called lattice QCD.
Virtually accurate
But even with these simplifications, the calculation is immense. So until the mid-1990s, it was common for lattice QCD calculations of the masses of hadrons (all particles composed of quarks, including baryons) simply to ignore all the virtual quark-antiquark pairs in the vacuum. That gave only rough estimates.
Five years ago, physicists hit on a way to include some of these pairs without overloading the computation. This stimulated calculations such as those of Davies's team that produced mass values for protons and neutrons close to those observed. But all such efforts have been forced to leave out some aspects of the problem, and so were not exhaustive tests of the Standard Model's accuracy.
Now Fodor and his colleagues have cracked the problem of how to include all the ingredients and the results of their calculations match experimental values extremely closely.
The researchers' success is down to no magic ingredient, but a combination of doggedness and judicious planning. It has required "a huge amount of computer time", says team member Stefan Dürr of the John von Neumann Institute for Computing in Zeuthen, Germany. But he adds that making the calculation tractable also involved a careful choice of how to describe the key physical processes involved.
Collider question
The results verify that only a small part of the baryon masses comes from the masses of the quarks themselves. The remaining mass comes from the energy that the quarks carry by virtue of being bound together or confined within a hadron.
This puts some perspective on the aims of the new Large Hadron Collider particle accelerator at CERN, the European Laboratory for Particle Physics in Geneva. The popular story is that the Large Hadron Collider will explore the 'origins of mass' by probing how quarks and other fundamental particles obtain their masses, thought to happen through the mediation of a particle called the Higgs boson.
In fact, the new work confirms that the mass of the stuff around us is due only in very small part to the masses of quarks themselves. Most of it comes from the way they interact inside baryons. "Ninety-nine per cent of the mass of the proton and neutron, and therefore the visible Universe, is QCD binding energy," says Davies. "The Higgs then just explains the 1% of it that comes from quark masses." All the same, she adds, where that last per cent comes from is still "a very important fundamental question".
Πηγή στοιχείων : Philip Ball , Nature .
Zoltán Fodor of the University of Wuppertal in Germany and his co-workers have carried out an awesomely difficult computation to deduce the masses of the proton and the neutron — the so-called baryon particles that constitute atomic nuclei — from theory alone1
Baryons are themselves made up of quarks, bound together by the 'strong' nuclear force produced by particles called gluons that zip between quarks. Before now, no one had demonstrated conclusively that the Standard Model, which explains how baryons are built from quarks, can accurately predict baryons' masses — which are well known from experiments.
That's largely because of the teeming nature of the subatomic world, in which 'empty' space is no such thing. According to quantum theory, a vacuum is filled with virtual particles that pop in and out of existence in pairs, corresponding to particles and their antimatter equivalents.
All at sea
These virtual quarks form a kind of pervasive 'sea' in which those that make up the actual baryons are bathed. "The calculations are complicated because of the need to include the effect of the sea quarks," says Christine Davies, a particle physicist at Glasgow University in Scotland who was part of a team that made some of the first accurate calculations of these particle masses in 2003.
But worst of all, the calculations needed to describe this morass don't 'converge'. For atoms and molecules interacting in gases and liquids, most of the interaction energy comes from direct interplay between pairs of particles, a little comes from triplets of particles, a tiny bit from groups of four and so on. Quarks don't have this handy tailing off as the number of interacting particles multiplies – they are said to be 'strongly coupled' – so all the possibilities need to be taken into account.
The theory for describing quark-gluon interactions is called quantum chromodynamics (QCD). The strong coupling of these interactions means that there's no exact way of making calculations using pen and paper. Instead, the equations must be solved numerically on a computer.
The usual way of doing this, devised 20 years ago, is to divide up four-dimensional time and space into a series of discrete cells, like those of a two-dimensional chess board, and then compute how each cell is affected by all the others. This gridding is essentially the same trick that scientists use in other complicated computations such as global weather and climate models. In nuclear physics it is called lattice QCD.
Virtually accurate
But even with these simplifications, the calculation is immense. So until the mid-1990s, it was common for lattice QCD calculations of the masses of hadrons (all particles composed of quarks, including baryons) simply to ignore all the virtual quark-antiquark pairs in the vacuum. That gave only rough estimates.
Five years ago, physicists hit on a way to include some of these pairs without overloading the computation. This stimulated calculations such as those of Davies's team that produced mass values for protons and neutrons close to those observed. But all such efforts have been forced to leave out some aspects of the problem, and so were not exhaustive tests of the Standard Model's accuracy.
Now Fodor and his colleagues have cracked the problem of how to include all the ingredients and the results of their calculations match experimental values extremely closely.
The researchers' success is down to no magic ingredient, but a combination of doggedness and judicious planning. It has required "a huge amount of computer time", says team member Stefan Dürr of the John von Neumann Institute for Computing in Zeuthen, Germany. But he adds that making the calculation tractable also involved a careful choice of how to describe the key physical processes involved.
Collider question
The results verify that only a small part of the baryon masses comes from the masses of the quarks themselves. The remaining mass comes from the energy that the quarks carry by virtue of being bound together or confined within a hadron.
This puts some perspective on the aims of the new Large Hadron Collider particle accelerator at CERN, the European Laboratory for Particle Physics in Geneva. The popular story is that the Large Hadron Collider will explore the 'origins of mass' by probing how quarks and other fundamental particles obtain their masses, thought to happen through the mediation of a particle called the Higgs boson.
In fact, the new work confirms that the mass of the stuff around us is due only in very small part to the masses of quarks themselves. Most of it comes from the way they interact inside baryons. "Ninety-nine per cent of the mass of the proton and neutron, and therefore the visible Universe, is QCD binding energy," says Davies. "The Higgs then just explains the 1% of it that comes from quark masses." All the same, she adds, where that last per cent comes from is still "a very important fundamental question".
Πηγή στοιχείων : Philip Ball , Nature .
Τρίτη 18 Νοεμβρίου 2008
Αντιϋλη στο εργαστήριο
Διάταξη συσκευών για το πείραμα αντιύλης στο εθνικό εργαστήριο Livermore
Επιστήμονες του εθνικού εργαστηρίου Livermore στην Καλιφόρνια με επικεφαλής την ερευνήτρια Hui Chen διεξήγαγαν ένα πρωτότυπο πείραμα μέσω του οποίου παρήγαγαν μια τεράστια ποσότητα ποζιτρονίων (ηλεκτρονίων αντιύλης με θετικό φορτίο) πρωτόγνωρη για τα γήινα εργαστηριακά δεδομένα.
Η συσκευή ανίχνευσε ποσότητα μεγαλύτερη από ένα εκατομμύριο σωμάτια, ενώ οι ίδιοι οι επιστήμονες συμπέραναν ότι ο συνολικός αριθμός ποζιτρονίων ήταν περίπου εκατό δισεκατομμύρια. Η ποσότητα αυτή είναι και η μεγαλύτερη που έχει ποτέ εντοπιστεί σε εργαστήριο, αφού η αμέσως μικρότερη αριθμούσε εκατό σωμάτια αντιύλης σε ένα πείραμα που είχε διεξαχθεί πάλι από επιστήμονες του εργαστηρίου Livermore πριν από δέκα περίπου χρόνια.
Στο συγκεκριμένο πείραμα, μία συσκευή laser βραχέων παλμών ιονίζει και επιταχύνει ηλεκτρόνια πάνω σε ένα στόχο από χρυσό πάχους μερικών χιλιοστών. Η αλληλεπίδραση των επιταχυνόμενων ηλεκτρονίων με τους πυρήνες χρυσού είναι υπεύθυνη για τη δημιουργία ποζιτρονίων.
Το πρωτοποριακό του πειράματος ήταν ο στόχος από χρυσό (σκληρό υλικό), εφόσον μέχρι τώρα χρησιμοποιούνταν λεπτοί στόχοι από χαρτί. Πρόσφατες αριθμητικές προσομοιώσεις έχουν καταδείξει ότι τέτοιοι στόχοι από πυκνό υλικό θα διευκόλυναν αρκετά την μαζική παραγωγή σωματίων αντιύλης. Σωμάτια αντιύλης συνήθως παράγονται και αλληλοεξουδετερώνονται λόγω αλληλεπίδρασης με σωμάτια ύλης εκπέμποντας ακτίνες-γ.
Η επικρατούσα θεωρία για το πρώιμο σύμπαν συνάδει με μια ισορροπία ύλης και αντιύλης η οποία λόγω μιας ελάχιστης ασυμμετρίας καταστράφηκε με αποτέλεσμα στο τωρινό σύμπαν να παρατηρούμε ελάχιστη αντιύλη και τεράστιες ποσότητες ύλης.Τέτοιου τύπου πειράματα θα βοηθούσαν στο να μελετήσουμε αν η αντιύλη είναι σαν τη συνήθη ύλη και να κατανοήσουμε γιατί σήμερα παρατηρούμε πολύ περισσότερη ύλη από αντιύλη.
Οι επιστήμονες διατείνονται ότι είναι αρκετά δύσκολο να εντοπιστεί αντιύλη στο σύμπαν (κέντρα γαλαξιών, γήινη ατμόσφαιρα), ενώ πολύ ευκολότερο με πειράματα laser σε γήινα εργαστήρια.
Πηγή στοιχείων : Science daily, Κοσμικές διαδρομές .
Σάββατο 4 Οκτωβρίου 2008
Τα στοιχειώδη σωματίδια κι οι δυνάμεις της φύσης
Το μοντέλο του ατόμου Rutherford - Chadwick : τα ηλεκτρόνια κινούνται σε τροχιά γύρω από ένα μικρό, πυκνό πυρήνα από θετικά φορτισμένα πρωτόνια ( λευκές σφαίρες ) κι από ουδέτερα σωματίδια, τα νετρόνια ( γαλάζιες σφαίρες ).Sthephen Hawking, Το χρονικό του χρόνου, Κάτοπτρο 2000
Ο Αριστοτέλης πίστευε ότι όλη η ύλη στο Σύμπαν αποτελείται από τέσσερα βασικά στοιχεία : τη γη, τον αέρα, τη φωτιά και το νερό. Στα σωματίδια αυτά δρούσαν δυό δυνάμεις : η δύναμη της βαρύτητας, δηλαδή η τάση της γης και του νερού να πέφτουν προς τα κάτω, κι η δύναμη της ελαφρότητας, δηλαδή η τάση της φωτιάς και του αέρα ν' ανυψώνονται προς τα πάνω. Αυτός ο διαχωρισμός των συστατικών του Σύμπαντος σε ύλη και δυνάμεις χρησιμοποιείται ακόμη και σήμερα.
Ο Αριστοτέλης πίστευε ότι η ύλη είναι συνεχής, ότι δηλαδή θα μπορούσαμε να διαιρέσουμε ένα κομμάτι ύλης σε όλο και πιο μικρά κομμάτια χωρίς κανένα όριο. Έτσι, δεν θα συναντούσαμε ποτέ έναν " κόκκο " ύλης που θα ήταν αδύνατο να διαιρεθεί σε πιο μικρούς κόκκους.
Μερικοί Έλληνες φιλόσοφοι όπως ο Δημόκριτος, υποστήριζαν ότι η ύλη είναι εκ φύσεως " κοκκώδης " κι ότι όλα αποτελούνται από ένα μεγάλο πλήθος " ατόμων " διαφόρων ειδών. ( Η λέξη άτομο σημαίνει ακριβώς αυτό που δεν μπορεί να τμηθεί ). Η συζήτηση συνεχιζόταν για αιώνες χωρίς καμμία πλευρά να μπορέσει να παρουσιάσει κάποια πραγματική απόδειξη.
Συνεχίζεται...
Πηγή στοιχείων : Sthephen Hawking, Το χρονικό του χρόνου, Κάτοπτρο 2000
Τετάρτη 10 Σεπτεμβρίου 2008
Πέμπτη 12 Ιουνίου 2008
Τα σχήματα της φύσης - 4
Το σύμπαν στην κλίμακα υπερσμηνών γαλαξιώνΚαι λίγα λόγια για το σχήμα των υπερσμηνών γαλαξιών, των μεγαλύτερων δομικών μονάδων του σύμπαντος, από το βιβλίο του αστροφυσικού Igor Novikov, " Οι μαύρες τρύπες και το σύμπαν ", Τραυλός 2002 :
" Πρόσφατα, οι Αμερικανοί αστροφυσικοί Peebles, Gregory και Thomson και οι Einasto, Saar και Jeveer στην Εσθονία της ΕΣΣΔ, ανακάλυψαν ότι η μεγαλύτερη κλίμακα ασυνεχούς γαλαξιακής κατανομής φαίνεται ως " κυτταρική δομή. " Τα " τοιχώματα του κυττάρου " περιέχουν πολλούς γαλαξίες και σμήνη γαλαξιών, ενώ ο χώρος μέσα στο κύτταρο είναι άδειος. Το μέγεθος του κυττάρου είναι περίπου 300 εκατομμύρια έτη φωτός, ενώ μόνο τα τοιχώματά του έχουν πάχος περίπου 10 εκατομμύρια έτη φωτός. Μεγάλα σμήνη γαλαξιών βρίσκονται στους δεσμούς της κυτταρικής δομής. Τα υπερσμήνη αποτελούν ένα τμήμα αυτού του κυτταρικού συστήματος. Συχνά παρουσιάζουν σημαντική επιμήκυνση και μοιάζουν με " νήματα. " Τα υπερσμήνη εμπεριέχουν σε διάφορα σημεία τους γιγαντιαία κενά, μέσα στα οποία δεν υπάρχουν σχεδόν καθόλου φωτεινές πηγές. Tι συναντάμε όμως στην αμέσως επόμενη βαθμίδα αυτής της ιεραρχικής κλίμακας ;
" Πρόσφατα, οι Αμερικανοί αστροφυσικοί Peebles, Gregory και Thomson και οι Einasto, Saar και Jeveer στην Εσθονία της ΕΣΣΔ, ανακάλυψαν ότι η μεγαλύτερη κλίμακα ασυνεχούς γαλαξιακής κατανομής φαίνεται ως " κυτταρική δομή. " Τα " τοιχώματα του κυττάρου " περιέχουν πολλούς γαλαξίες και σμήνη γαλαξιών, ενώ ο χώρος μέσα στο κύτταρο είναι άδειος. Το μέγεθος του κυττάρου είναι περίπου 300 εκατομμύρια έτη φωτός, ενώ μόνο τα τοιχώματά του έχουν πάχος περίπου 10 εκατομμύρια έτη φωτός. Μεγάλα σμήνη γαλαξιών βρίσκονται στους δεσμούς της κυτταρικής δομής. Τα υπερσμήνη αποτελούν ένα τμήμα αυτού του κυτταρικού συστήματος. Συχνά παρουσιάζουν σημαντική επιμήκυνση και μοιάζουν με " νήματα. " Τα υπερσμήνη εμπεριέχουν σε διάφορα σημεία τους γιγαντιαία κενά, μέσα στα οποία δεν υπάρχουν σχεδόν καθόλου φωτεινές πηγές. Tι συναντάμε όμως στην αμέσως επόμενη βαθμίδα αυτής της ιεραρχικής κλίμακας ;
Ρώσικες ξύλινες κούκλες μπαμπούσκα
Kαθεμία από τις κούκλες αναπαριστά την θεωρητική κατανόηση της φύσης μέχρι μια ορισμένη κλίμακα μήκους. Κάθε κούκλα περιέχει μια μικρότερη, η οποία αντιστοιχεί στη θεωρία που περιγράφει τη φύση σε μικρότερες κλιμακες. Η μεγαλύτερη, στο κέντρο, αναπαριστά την κλασσική φυσική. Η αμέσως μικρότερη, αριστερά, την πυρηνική κι ατομική φυσική. Η επόμενη, δεξιά, τις μεγάλες ενοποιημένες θεωρίες. Και η πολύ μικρή, κάτω δεξιά, τη φυσική της κλίμακας Plank. Το μήκος Plank είναι το θεμελιώδες ελάχιστο μήκος, μια κλίμακα στην οποία η φύση ενδεχομένως να περιγράφεται από τη θεωρία - Μ που συνενώνει τις πέντε θεωρίες χορδών σ' ένα εννιαίο πλαίσιο όπου ο χωροχρόνος έχει 10 ή 11 διαστάσεις.
Εδώ, βρίσκουμε ένα άλλο φαινόμενο. Μέχρι τώρα συναντούσαμε όλο και περιπλοκότερα συστήματα : μικρά συστήματα σχημάτιζαν ένα ακόμη μεγαλύτερο κ.οκ. Το σύμπαν μοιάζει με μια ρωσική ξύλινη μπαμπούσκα : μια μικρή κούκλα μέσα σε μια μεγαλύτερη, που με τη σειρά της είναι κλεισμένη μέσα μέσα σε μια ακόμα πιο μεγάλη κλπ. Αυτό που αποκαλύφθηκε είναι ότι το σύμπαν αποτελεί την μεγαλύτερη μπαμπούσκα που μπορεί να φανταστεί κανείς. Αφού μέσα στο σύμπαν είναι, κατά μέσον όρο, ομοιογενώς κατανεμημένες μεγάλες νηματοειδείς δομές από " κύτταρα " δεν είναι δυνατόν να σχηματιστούν μεγαλύτερες δομές από αυτά τα στοιχεία. Σε απόσταση μεγαλύτερη από 300 εκατομμύρια έτη φωτός, το σύμπαν αποκαλύπτεται ομοιογενές, έχει δηλαδή παντού τις ίδιες ιδιότητες. Όπως όμως αποδείχτηκε από τις παρατηρήσεις, το σύμπαν παραμένει ομοιογενές για αποστάσεις έως και δέκα δισεκατομμύρια έτη φωτός !
Αρχίζοντας από διαστήματα 100 εκατομμυρίων ετών φωτός ( βλ. κοσμικό άτλαντα ) περίπου, τα ουράνια σώματα και τα περίπλοκα συστήματά τους, αρχίζουν να μοιάζουν με κόκκους άμμου, που κατανέμονται ομοιόμορφα στον χώρο. Καθώς η απόσταση μεγαλώνει, αποκαλύπτεται ότι οι γαλαξίες και τα σμήνη τους εντοπίζονται σε λεπτά στρώματα που σχηματίζουν τοιχώματα κυψελίδων των οποίων οι εσώτερες περιοχές είναι ουσιαστικά άδειες. Μπορεί να λεχθεί ότι η κατανομή των γαλαξιών στο σύμπαν μοιάζει με κερήθρα. Η πυκνότητα των γαλαξιών είναι πολύ υψηλή στα όρια των κυψελίδων της κερήθρας αυτής. Έτσι, μερικά σημαντικά δεδομένα για την δομή και την εξέλιξη του σύμπαντος εξάγονται μ' έναν αξιόπιστο τρόπο : τη διαστολή του, την αρχική του θερμή κατάσταση και τη σύγχρονη κυψελώδη του δομή. "
Το σύμπαν όμως, τι σχήμα έχει ; Αυτό δεν έχει ακόμα απαντηθεί :)
Πηγές στοιχείων : Igor Novikov, " Οι μαύρες τρύπες και το σύμπαν ", Τραυλός 2002, Giles Sparrow, Cosmos, Quercus Pubblishing Ltd 2006, Stephen Hawking, Το σύμπαν σ' ένα καρυδότσουφλο, Κάτοπτρο 2001 κι η ιστοσελίδα που ήδη αναφέρθηκε.
Αρχίζοντας από διαστήματα 100 εκατομμυρίων ετών φωτός ( βλ. κοσμικό άτλαντα ) περίπου, τα ουράνια σώματα και τα περίπλοκα συστήματά τους, αρχίζουν να μοιάζουν με κόκκους άμμου, που κατανέμονται ομοιόμορφα στον χώρο. Καθώς η απόσταση μεγαλώνει, αποκαλύπτεται ότι οι γαλαξίες και τα σμήνη τους εντοπίζονται σε λεπτά στρώματα που σχηματίζουν τοιχώματα κυψελίδων των οποίων οι εσώτερες περιοχές είναι ουσιαστικά άδειες. Μπορεί να λεχθεί ότι η κατανομή των γαλαξιών στο σύμπαν μοιάζει με κερήθρα. Η πυκνότητα των γαλαξιών είναι πολύ υψηλή στα όρια των κυψελίδων της κερήθρας αυτής. Έτσι, μερικά σημαντικά δεδομένα για την δομή και την εξέλιξη του σύμπαντος εξάγονται μ' έναν αξιόπιστο τρόπο : τη διαστολή του, την αρχική του θερμή κατάσταση και τη σύγχρονη κυψελώδη του δομή. "
Το σύμπαν όμως, τι σχήμα έχει ; Αυτό δεν έχει ακόμα απαντηθεί :)
Πηγές στοιχείων : Igor Novikov, " Οι μαύρες τρύπες και το σύμπαν ", Τραυλός 2002, Giles Sparrow, Cosmos, Quercus Pubblishing Ltd 2006, Stephen Hawking, Το σύμπαν σ' ένα καρυδότσουφλο, Κάτοπτρο 2001 κι η ιστοσελίδα που ήδη αναφέρθηκε.
Εγγραφή σε:
Αναρτήσεις (Atom)
