j a k t o o d k r y l i
MT: Dzień dobry, Panie Tomku! Po ostatniej
rozmowie muszę się Panu przyznać, że ciężko było Wyjaśnień udziela
mi zasnąć. MySlałam o słynnym E=mc2 i jak do jego Tomasz Sowiński.
odkrycia doszło. Wciąż jestem pod wielkim wraże-
niem tego eksperymentu mySlowego. W 2005 roku skoń-
TS: Muszę przyznać, że jak pierwszy raz usłysza- czył z wyróżnieniem
łem to rozumowanie, to również byłem bardzo podek- studia na Wydziale
scytowany. MySlę, że obok eksperymentu mySlowego Fizyki Uniwersytetu
Galileusza o zjeżdżających kulkach (MT 03/06) jest to Warszawskiego
jedna z najbardziej fascynujących konstrukcji logicz- w zakresie fizyki teo-
nych, o jakich rozmawialiSmy. Ale jeszcze nie raz opo- retycznej. Obecnie
wiemy sobie o równie ciekawych przemySleniach. jest asystentem
MT: Obiecał mi Pan powiedzieć, jaka była dro- w Centrum Fizyki
ga od tego rozumowania do energii atomowej. Teoretycznej PAN.
TS: Wydaje mi się, że każdy, kto dobrze zrozumie Z zamiłowania zajmuje się popularyzacją nauki. W roku
tamto rozumowanie, od razu wie, jak można je ulep- 2005 był nominowany do nagrody w konkursie Popularyza-
szyć. To właSciwie narzuca się samo. tor Nauki organizowanym przez Ministerstwo Nauki i Infor-
MT: Słucham? Co można ulepszyć w konstruk- matyzacji oraz Polską Agencję Prasową.
cji, w której występuje jedynie zamknięte pudełko
Jak masa może się zamieniać
w energię i odwrotnie?
i Swiatło przelatu- TS: Tak! I wtedy musi mieć taką prędkoSć, aby
jące z jednego wtoczyć się na wysokoSć początkową. Gdyby straciła
końca do drugie- troszkę prędkoSci na równym odcinku, to nie mogłaby
go. Proszę mi wy- się wtoczyć na górę. A to byłoby sprzeczne z wczeS-
jaSnić. niejszym spostrzeżeniem, że kulka wraca zawsze na tę
TS: No to samą wysokoSć.
może troszkę Panią MT: Tak. W ten sposób
naprowadzę. Nie odkrył I zasadę dynamiki. Ale
bez powodów jaki to ma związek z Einstei-
wspomniałem nem i jego wzorem? Prze-
wczeSniej o ekspe- cież tu nie ma żadnych
rymencie Galileu- kulek, a tym bardziej
sza z toczącymi się spadków i wjazdów.
kulkami. Pamięta Jest tylko pudełko
Pani, jaki był klu- całe czarne w Srod-
czowy moment ku i puste. Dodat-
eksperymentu? kowo odizolo-
MT: Pamiętam, że kulki toczyły się po drogach wane od oto-
o różnych kształtach, ale zawsze z tej samej wyso- czenia.
koSci. Chodziło o to, że Galileo zauważył, że nieza-
leżnie od kształtu toru kulka na końcu zawsze wra-
cała na tę samą wysokoSć.
TS: Rwietna pamięć! Ale zaraz potem Galileusz
zrobił niesamowity krok mySlowy całkowicie zaska-
kujący. Zadał sobie pytanie, co stałoby się, gdyby dro-
ga w pewnym momencie stawała się prosta i nigdy nie
zawracała w górę. Pamięta Pani?
MT: Pamiętam, pamiętam. Z tego wynikało, że
na prostym odcinku kulka musi zachowywać swoją
prędkoSć, bo będąc w pewnym miejscu prostego od-
cinka musi być przygotowana na to, że droga mo-
54 że zawrócić.
5
4
TEKST TRUDNY
eureka!
giej stronie pudełka? Albo gdy niespodziewanie Scian-
ka będzie się znajdowała w połowie drogi? Przecież
Swiatło nie wie, co je czeka. Podobnie jest w ekspery-
mencie mySlowym Galileusza. Tam kulka również nie
może się spodziewać, co ją czeka podczas dalszej drogi.
MT: Nie rozumiem.
TS: Pudełko i propagujące się w nim Swiatło są
w pewnym sensie obiektami całkowicie niezależnymi.
Tylko podczas emisji i pochłaniania ze sobą oddziałują.
W pozostałych chwilach nic o sobie nie wiedzą. Zatem
jeSli jest tak, że cały proces (od wyemitowania Swiatła,
aż po jego pochłonięcie) jest równoważny przemiesz-
czeniu pewnej porcji masy z jednego końca na drugi,
to Swiatło musi nieSć w pewnym sensie informację, ja-
TS: No to przypatrzmy się dokładnie ekspery- ką masę przenosi. Przecież może zdarzyć się tak, że pu-
mentowi mySlowemu Einsteina. Jest sobie pudełko dełko na końcu będzie otwarte, a Swiatło trafi na jakieS
i w pewnym momencie jedna Scianka emituje promie- inne pudełko. Wtedy gdy zostanie tam pochłonięte, to
niowanie w kierunku przeciwległej. Ta druga Swiatło zewnętrzny obserwator będzie mógł powiedzieć, że to
pochłania. I sytuacja jest dokładnie taka sama jak po prostu ktoS przeniósł masę z jednego pudełka do
przed wyemitowaniem promieniowania. Z jedną róż- drugiego.
nicą! MT: Faktycznie musi tak być. To znaczy, że już
MT: Tak! Pudełko się przesunęło. Było to zwią- w momencie emitowania Swiatła Scianka musiała
zane z faktem, że Swiatło przenosi oprócz energii stracić częSć swojej masy.
również pęd. TS: Dokładnie tak. Rcianka straciła częSć swojej
masy, która została zamieniona na energię Swiatła,
zgodnie ze wzorem E=mc2. W momencie, gdy Swiatło
dociera do Scianki pochłaniającej, jego energia zamie-
nia się na masę tej Scianki.
MT: Hm... Bardzo ciekawe. Ale czy to rzeczy-
wiScie się tak dzieje?
TS: Wg mnie najlepsze intuicyjne rozumienie te-
go zjawiska zostało wytłumaczone przez Feynmana
słynnego fizyka, laureata Nagrody Nobla. Feynman
przekonywał, że przed emisją energia tak naprawę
ciągle siedzi w pierwszej Sciance. Tylko my, patrząc
z zewnątrz, nie jesteSmy w stanie odróżnić tej energii
od samej Scianki, bo jest ona w niej uwięziona. Dlatego
gdy wykonujemy pomiar masy, to tak naprawdę mie-
TS: Doskonale! Ale ponieważ pudełko się przesu- rzymy masę Scianki wraz z uwięzioną w niej energią.
nęło, a zewnętrzny obserwator nie wie, co się dzieje W momencie gdy następuje emisja, Swiatło i Scianka
w Srodku, to może ten fakt wytłumaczyć równie dobrze stają się rozróżnialne i tym samym Scianka ma dla nas
inaczej. Może powiedzieć, że to nie promieniowanie, inną masę niż wczeSniej. Teraz bowiem umiemy zmie-
ale pewna porcja masy przesunęła się z jednego końca rzyć osobno energię Swiatła, które zostało wyemitowa-
na drugi. Stąd brała się równoważnoSć masy i energii ne i masę Scianki.
przeniesienie z jednego miejsca na drugie masy m jest MT: Czyli energia to tak jakby masa. Dobrze
równoważne przeniesieniu energii E, która, jak się oka- mySlę?
zuje, wynosi mc2. TS: Energia jest nieodróżnialna od masy, ale tyl-
MT: Nic nie rozumiem. Gdzie tu jakiS Galile- ko wtedy, gdy jest uwięziona w materii. W momencie
usz? gdy energia jest przenoszona przez promieniowanie, to
TS: Galileusz zauważył, że kulka będąc w danym nie jest oczywiScie masą tego promieniowania, tylko je-
miejscu na trasie, nie może nic wiedzieć o tym, jak ta go energią. To oznacza, że jeSli dana porcja materii ma
trasa dalej będzie wyglądać. W związku z tym w kulce zdolnoSć do wyemitowania promieniowania, to musi
musi być jakoS zakodowana informacja o tym, z jakiej mieć większą masę, niż taka sama porcja materii, która
wysokoSci zjeżdża i jaką prędkoSć musi mieć, będąc na takiej zdolnoSci nie ma. To jest kluczowe spostrzeżenie,
danym poziomie. Tylko wtedy, niezależnie od kształtu którego nie rozumie większoSć ludzi. Dlatego to prowa-
toru, zawsze będzie mogła mieć odpowiednią w danej dzi do wielu nieporozumień.
sytuacji prędkoSć. Tak aby móc wrócić na wysokoSć po- MT: Dlaczego?
czątkową, gdy tylko tor zacznie piąć się w górę. Infor- TS: Otóż powszechnie mówi się, że każdą mate-
macja ta zakodowana jest w energii kulki, która zacho- rię o masie m można zamienić na promieniowanie
wuje się podczas toczenia. Podobnie jest w ekspery- o energii E zgodnie ze wzorem Einsteina. Zgodnie
mencie Einsteina. z tym, co sobie powiedzieliSmy wczeSniej, nie jest to
MT: Chce Pan powiedzieć, że... prawdą. Materia nie zamienia się w promieniowanie
TS: Chcę po prostu powiedzieć, że podobnie jest i nie może sobie ot tak zniknąć. Materia może mieć je-
ze Swiatłem. No bo od razu narzuca się pytanie, co się dynie zdolnoSć do wyemitowania promieniowania
5
5
stanie, jeSli Swiatło nigdy nie trafi na Sciankę po dru- i wtedy ma większą masę. Ale nie dlatego ma większą 55
j a k t o o d k r y l i
masę, że tej materii jest więcej, a tylko dlatego, że ma TS: Skupmy się na chwilkę na wodorze i helu. Naj-
tę zdolnoSć. Jeszcze dobitniej widać to na gruncie popularniejszy izotop helu 4He (czyt. hel cztery) ma dwa
współczesnej teorii opisującej zachowanie obiektów protony i dwa neutrony w jądrze. Okazuje się, że masa
w mikroSwiecie, zwanej mechaniką kwantową, o której jądra helu, którą można mierzyć pewnymi wyrafinowany-
już wkrótce sobie troszkę opowiemy. JeSli np. wyobra- mi metodami, jest o ok. 0,7% mniejsza niż sumaryczna
zimy sobie dwa atomy wodoru, z których jeden ma masa dwóch swobodnych protonów i dwóch neutronów.
zdolnoSć emitowania promieniowania (mówimy, że jest MT: To chyba jakiS żart. Chce mi Pan powie-
wzbudzony), a drugi nie, to rzeczywiScie tak będzie, dzieć, że dwa neutrony i dwa protony mają razem
że ten pierwszy będzie miał większą masę niż drugi. większą masę niż jądro helu, które składa się właSnie
W momencie gdy atom wzbudzony wyemituje promie- z dwóch protonów i dwóch neutronów?
niowanie, stanie się taki sam jak ten drugi i będzie TS: Tak, właSnie to chcę powiedzieć. I są na to
miał taką samą masę. Proszę zauważyć, że ciągle mie- dowody doSwiadczalne. Wystarczy wziąć i zmierzyć.
liSmy do czynienia z atomem wodoru, który jedynie był Ale nic w tym nas nie powinno dziwić, skoro już wie-
w dwóch różnych stanach wzbudzonym i niewzbu- my, że ta sama materia może mieć różne masy. Ten ob-
dzonym. Ale zawsze to był ten sam atom wodoru. I nie serwacyjny fakt oznacza tylko tyle, że materia, składa-
jest prawdą, że ten atom może sobie zniknąć i zamienić jąca się z dwóch niezwiązanych protonów i dwóch
się cały na promieniowanie. niezwiązanych neutronów przechodząc do stanu zwią-
MT: Rozumiem. To rzeczywiScie zmienia całko- zanego jednego jądra helu, ma zdolnoSć do wyemito-
wicie moje mySlenie o wzorze Einsteina. Wzór ten wania promieniowania. I różnica tych mas jest właSnie
faktycznie mówi, że masa i energia są sobie równo- równoważna energii wyemitowanego promieniowania
ważne, ale w bardzo specyficznych i dobrze okreSlo- podczas takiego połączenia (fizycy mówią syntezy)
nych warunkach. I nic nie mówi o żadnym znikaniu składników w jądro. Gdyby udało się jakoS doprowa-
materii. dzić do połączenia tych czterech składników w jądro
TS: Brawo! Tak helu, to podczas takiego procesu zostałoby wyemito-
właSnie należy rozumieć wane promieniowanie.
ten wzór i trzeba zaw- MT: Ale czy to w ogóle da się sprawdzić? Czy
sze pamiętać, że zbyt ktoS to kiedyS w ogóle zrobił, czy to tylko takie gdy-
uproszczone tłumacze- banie?
nie pewnych rzeczy mo- TS: OczywiScie! Jako pierwsza zrobiła to... natu-
że prowadzić do bardzo ra. Taki właSnie proces łączenia protonów i neutronów
wielu nieporozumień. zachodzi na naszym Słońcu. Dwa protony, czyli jądra
A tego powinniSmy uni- wodoru, w skomplikowanym procesie najpierw zamie-
kać. niają się na neutrony, a póxniej z dwoma innymi proto-
MT: No dobrze. Ale tak naprawdę, jaki to ma nami łączą się, tworząc jądro helu. W wyniku takiego
związek z energią atomową? procesu można powiedzieć, że znikają cztery jądra
TS: Teraz jesteSmy gotowi, aby to wytłumaczyć. wodoru, a powstaje jedno jądro helu i wydziela się
Ze szkoły wiemy, że atomy składają się z dodatnio na- energia w postaci promieniowania. Proces ten w swo-
ładowanego jądra i ujemnych elektronów, które krążą ich szczegółach jest doSć skomplikowany i jako pier-
wokół niego. Każde jądro atomu składa się z pewnej wszy wytłumaczył go Hans Bethe fizyk, który w roku
liczby protonów (cząstek dodatnio naładowanych) i ne- 1967 otrzymał za to Nagrodę Nobla.
utronów (cząstek obojętnych), których masa jest bar- MT: Chce Pan powiedzieć, że na Słońcu wodór
dzo zbliżona. Atomy o takiej samej liczbie protonów zamienia się w hel i dlatego ono Swieci?
w jądrze nazywamy pierwiastkami. Np. wodór ma je- TS: Dokładnie to chcę powiedzieć. Na Słońcu
den proton, hel dwa, a tlen aż osiem. Najcięższe pier- w ciągu każdej sekundy 657 milionów ton wodoru za-
wiastki mogą zawierać nawet sto kilkadziesiąt proto- mienia się w 652 miliony ton helu. Ta różnica mas, tzn.
nów. Każdy pierwiastek ma kilka odmian, które nazy- 5 milionów ton na sekundę, zamienia się na energię zgo-
wamy izotopami. Różne izotopy tego samego pierwias- dnie ze słynnym wzorem Einsteina. Dzięki temu Słońce
tka różnią się od siebie liczbą neutronów w jądrze. jest największą elektrownią termojądrową w tej częSci
Np. wodór ma trzy izotopy: prot (0 neutronów), deuter WszechSwiata. Jego moc to 100 000 000 000 000 000 GW.
(1 neutron) i tryt (2 neutrony). Dla porównania sumaryczna moc wszystkich elektrow-
MT: No tak, to pamiętam ze szkoły. ni zbudowanych przez człowieka na Swiecie to zaled-
wie 8 000 GW.
MT: Niesamowite, Słońce traci 5 mln ton masy
w ciągu każdej sekundy swojego istnienia. Czy to zna-
czy, że Słońce w końcu zniknie?
56
5
6
eureka!
TS: Nie! Po
prostu w pewnym
Mini Rynek
momencie zabrak-
Informacji na temat zasad zamieszczania
nie wodoru. W cią-
ogłoszeń w tej rubryce udziela
gu całego tego ok-
dział reklamy: tel. (022) 568 99 95
resu, kiedy wodór
będzie zamieniał się
w hel, Słońce straci
Godziny otwarcia:
MUZEUM TECHNIKI
zaledwie 0,1% swojej
Wt.-Pt.: 9.00-17.00
masy. Choć teoretycznie
Sb.: 10.00-17.00
Pałac Kultury i Nauki
póxniej mogłoby Swiecić dalej
pl. Defilad 1, Warszawa Nd.: 10.00-17.00
dzięki syntezie helu w kolejne cięż- Pon.: nieczynne
sze pierwiastki, to przestanie to robić z innych powo-
www.muzeum-techniki.waw.pl
dów, o których nie chciałbym teraz wspominać.
MT: Dlaczego zatem w elektrowniach atomo-
wych nie wykorzystuje się wodoru i helu, ale uran?
TS: Można powiedzieć, że z powodów czysto
technicznych. Ale jest również jednak pewna bardzo is-
totna różnica, która odróżnia obie sytuacje. Jądro uranu
zawiera aż 92 protony i w zależnoSci od izotopu sto
czterdzieSci kilka neutronów. W przypadku wodoru
i helu emisja energii następuje w wyniku łączenia jąder
lżejszych (wodoru) w cięższe (helu). W przypadku ura-
MUZEUM LOTNICTWA W KRAKOWIE
nu jest odwrotnie. Okazuje się, że jądro uranu ma więk-
ul. Jana Pawła II 39, Kraków
Godziny otwarcia:
szą masę niż sumaryczna masa jąder pierwiastków, na
Poniedziałek 9:00 17:00
które się on rozpada. To znaczy, że uran rozpadając się
Od wtorku do piatku 9:00 17:00
na mniejsze jądra (a nie łącząc się w większe), powo- W soboty i niedziele 10:00-16:00
duje wyemitowanie energii w postaci promieniowania. www.muzeumlotnictwa.pl
MT: Hm... to dziwne. A dlaczego tak jest?
TS: Są ku temu bardzo poważne powody, ale
Broń bez zezwoleń, militaria. Broń pneumatyczna wiatrówki.
nie chciałbym tu wchodzić w szczegóły, bo nie są one
Repliki broni palnej air soft gun. Wykrywacze metali. Broń biała.
w tym momencie dla nas tak bardzo ważne. Można na-
Alkomaty testery trzezwości. Akcesoria dla formacji ochron.
tomiast powiedzieć tak, że jądra lżejszych pierwias- Artykuły modelarskie.
tków zachowują się tak jak wodór łącząc się, wydzie-
Sklep militarex.pl www.militarex.pl
lają energię. Natomiast, żeby je rozbić, trzeba energii
Szczecin, ul. Bat. Chłopskich 96, tel./fax 091 461 34 65
dostarczyć. Natomiast jądra cięższe (tak jak uran), gdy
się rozpadają na lżejsze, to wydzielają energię. Aby je
połączyć, trzeba energii dostarczyć. Jądrem granicz- MUZEUM MOTORYZACJI I TECHNIKI
nym jest ŻELAZO. Zarówno jądra cięższe, rozpadając
ul. Warszawska 21, czynne jest codziennie
się na jądra żelaza, jak i lżejsze, łącząc się w te jądra,
Otrębusy w godzinach 10.00-17.00.
powodują wydzielenie się energii. Dlatego jądro żelaza
jest bardzo stabilne. Niezależnie od tego, czy chcemy
www.muzeum-motoryzacji.com.pl
je rozbić na mniejsze, czy złączyć w większe, musimy
dostarczyć energii.
MT: Rozumiem. Ale skąd my właSciwie wiemy,
że istnieją jądra atomowe? Skąd wiemy, że są jakieS
protony i neutrony. I że wokół nich krążą elektrony?
KtoS widział kiedyS jądro pierwiastka pod mikrosko- www.modelpartner.ig.pl
pem?
TS: To są bardzo ciekawe pytania. MySlę, że
przyszedł najwyższy czas, abySmy wrócili jeszcze raz
do początku XX wieku, kie-
MUZEUM KOLEJNICTWA W WARSZAWIE
dy rodziła się teoria względ-
ul. Towarowa 1 (dawny Dworzec Warszawa Główna), Warszawa
noSci. Tym razem jednak
Czynne od wtorku do niedzieli
opowiemy sobie, jak się ro-
w godz. 10.30-15.30
dziła mechanika kwantowa.
Jakie to eksperymenty i ro-
www.pkp.pl/muzeum/
zumowania doprowadziły
do jej powstania. A jest du-
żo do opowiedzenia. Tę fas-
cynującą podróż zaczniemy
od następnej rozmowy. Zap-
raszam!
MT: Już się nie mogę
5
7
doczekać! 57
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
Dr inż A Strupczewski CZY AWARIA TAKA JAK W CZARNOBYLU MOŻE POWTÓRZYĆ SIĘJak siłan zamienił się w bocianaJak może zakończyć się kontrola podatkowaJak płacić mniejsze rachunki za energię elektrycznąKażde dziecko może nauczyć się spać rekomendacjeJak szybko i skutecznie uczyć się języków obcych5 wskazówek jak już teraz uczyć się języków obcych skutecznie i z przyjemnością HTMLJak to jest z ta?rmowa energiawięcej podobnych podstron