Fizyka

Teoria Względności Alberta Einsteina.

Nasza obecna wiedza o ruchu ciał wywodzi się od koncepcji Galileusza i Newtona. Przedtem ludzie wierzyli Arystotelesowi, który twierdził, że naturalnym stanem ciała jest spoczynek i że porusza się on tylko pod wpływem siły pchnięcia. Wynikało stąd, że ciężkie ciała powinny spadać szybciej. Pierwszą osobą, która przeciwstawiła się Arystotelesowskiej fizyce był Galileusz, który mierząc prędkości rożnych ciał toczących się po równi pochyłej stwierdził, że po zaniechaniu oporu powietrza, ciała przyspieszają jednostajnie niezależnie od ich prędkości. Badania Galileusza posłużyły Newtonowi za podstawę jego praw ruchu. Ich niebywałą zaletą była prostota i generalnie pokrywała się z opisem świata postrzeganego przez ludzi. Powstał nawet styl myślenia Newtonowskiego zwany “mechaniką nieba”.
W roku 1676 duński astronom Ole Christensen odkrył, że światło porusza się z ogromną, ale skończoną prędkością. Zaobserwował on, że księżyce Jowisza nie chowają się za nim w równych odstępach czasu. W trakcie ruchu Ziemi i Jowisza wokół Słońca zmienia się odległość między nimi. Zauważył on że zaćmienia księżyców są tym bardziej opóźnione im większa jest ich odległość od Ziemi. Pomiar odległości Ziemi i Jowisza którego dokonał nie był zbyt dokładny i obliczona prędkość światła wynosiła 200 tys. km/s (dziś przyjmuje się jej wartość na około 300 tys. km/s). Mimo błędu było to znaczące osiągnięcie.
Poprawną teorię rozchodzenia się światła sformułował dopiero w roku 1865 brytyjski fizyk James Clerk Maxwell, który zdołał połączyć cząstkowe teorie stosowane przedtem do opisu sił elektryczności i magnetyzmu. Z równań Maxwella wynika istnienie falowych zaburzeń pola elektromagnetycznego, które powinny rozprzestrzeniać się ze skończoną prędkością, podobnie jak fale na powierzchni stawu. Teoria Newtona wyeliminowała pojęcie absolutnego spoczynku i podając prędkość światła należało podać względem czego. Wprowadzono zatem pojęcie “eteru kosmicznego” obecnego wszędzie – nawet w pustej przestrzeni. Niemniej jednak wynikało z tych założeń, że prędkość światła mierzona względem różnych źródeł (ruchomych lub spoczywających) będzie różna. Wynika z tego że na przykład prędkość światła mierzona w kierunku obrotowym ziemi powinna być większa niż mierzona prostopadle do niego. W roku 1887 Albert Michelson i Edward Morley przeprowadzili powyższy eksperyment bardzo starannie. Ku swojemu wielkiemu zdziwieniu odkryli, że obie prędkości są sobie równe.
Powyższe przekonania przetrwały do początku XX wieku – do czasów Alberta Einsteina. Pracował on nad stworzeniem jednolitej teorii opisującej wszystkie zjawiska zachodzące w przyrodzie. Stworzył on tak zwaną Teorię Względności (najpierw Szczególną Teorię Względności, później Ogólną). Zgodnie ze Szczególną Teorią Względności, odległość mierzymy posługując się pomiarami czasu i prędkością światła. Szczególna Teoria Względności zmusza nas do zmiany koncepcji czasu. Musimy przyjąć, że czas nie jest zupełnie oddzielony od przestrzeni, lecz jest z nią połączony w jedną całość – czasoprzestrzeń. W takim układzie czas jest dodatkową współrzędną.
Z równań Maxwella wynika, że prędkość światła nie zależy od prędkości z jaką porusza się źródło, a sygnał świetlny wyemitowany w pewnej chwili rozprzestrzeni się formując kulę o promieniu zależnym od czasu. Jeżeli pominiemy jeden z wymiarów przestrzennych i umieścimy źródło w układzie współrzędnych (x,y) to będzie to wyglądało jak fale na wodzie. Jeżeli dodamy współrzędną czasową to otrzymamy stożek – świetlny (rysunek 1). Wszystkie zdarzenia z których światło mogło dotrzeć do naszego zdarzenia tworzą drugi symetryczny stożek świetlny – przeszłości. Stożki dzielą zatem czasoprzestrzeń na trzy regiony – absolutna przyszłość zdarzenia P, absolutna przeszłość zdarzenia P i teraźniejszość – zdarzenie P. Absolutna przyszłość to wnętrze stożka przyszłości. Jest to zbiór wszystkich zdarzeń na które P może oddziaływać (rysunek 2). Absolutna przeszłość to zdarzenia wewnątrz stożka przeszłości. Tylko te mogą oddziaływać na nasze zdarzenie. Obszar poza stożkami to tak zwane “gdzie indziej”. Te zdarzenia nie mogą wpływać na P, ani P nie może wpływać na nie. Granicę stożków stanowi prędkość światła od której (według Teorii Względności) nic nie może poruszać się szybciej.
Szczególną Teorię Względności z powodzeniem wyjaśnia fakt, że prędkość światła jest taka sama dla różnych obserwatorów, doskonale opisuje zjawiska jakie zachodzą, kiedy ciało porusza się z bardzo dużą prędkością. Jest ona jednak sprzeczna z teorią Newtona, która powiada, że zmiana parametrów jednego ciała oddziaływującego na drugie natychmiast zmienia siłę przyciągania. Oznacza to, że efekty grawitacyjne powinny podróżować z nieskończoną prędkością. Einstein długo starał się znaleźć teorię ciążenia zgodną ze Szczególną Teorią Względności. Ostatecznie w roku 1915 zaproponował nową teorię, zwaną dziś Ogólną Teorią Względności. Rewelacyjność pomysłu Einsteina polega na potraktowaniu grawitacji odmiennie niż innych sił, a mianowicie jako konsekwencję krzywizny czasoprzestrzeni. Czasoprzestrzeń nie jest płaska lecz pofałdowana. Przez rozłożoną w niej energię i masę. Ciała takie jak Ziemia poruszają się po najkrótszej linii tzw. linii geodezyjnej, po zakrzywionej czasoprzestrzeni. Na przykład linia geodezyjna na ziemi to łuk. Pierwszy dowodem na słuszność twierdzeń Einsteina było potwierdzenie jej przy obrocie długiej osi elipsy Merkurego o 1 stopień w ciągu 10000 lat. Zauważono ten efekt kilka lat przed Teorią Względności. Efekt ten choć niezauważalny, był nie do obliczenia ze wzorów Newtona.
Promienie świetlne muszą również poruszać się po liniach geodezyjnych w czasoprzestrzeni. W tym przypadku wydaje nam się, że światło nie porusza się po liniach prostych lecz krzywych. A zatem z OTW wynika, iż promienie światła zaginane są przez pole grawitacyjne. Na przykład stożki świetlne w punktach bliskich Słońca pochylają się ku niemu. Efekt ten widoczny jest dopiero podczas zaćmienia Słońca i została po raz pierwszy potwierdzony w 1919 roku podczas zaćmienia Słońca obserwowanego w Afryce. Teoria Newtona pokrywa się więc z Ogólną Teorią Względności, lecz tylko dla płaskiej czasoprzestrzeni.
Kolejną konsekwencją Ogólnej Teorii Względności jest stwierdzenie, że czas powinien płynąć wolniej w pobliżu dużych mas takich jak np. Ziemia. Wynika to z istnienia związku między energią światła i jego częstością – im większa energia tym większa częstość. W miarę jak światło wędruje w górę w polu grawitacyjnym maleje jego częstość (co oznacza wydłużenie okresu między kolejnymi grzbietami fali). Komuś kto obserwowałby Ziemię z góry wydawałoby się że czas płynie na Ziemi wolniej. Istnienie tego faktu potwierdzono w 1962 roku za pomocą pary bardzo dokładnych zegarów zamontowanych na dole i szczycie wieży ciśnień. Różnica szybkości zegarów ma dzisiaj bardzo duże znaczenie np. przy nawigacji satelitarnej. Gdyby nie uwzględniano Ogólnej Teorii Względności błąd mógłby wynosić kilka mil. Dobrym przykładem dylatacji czasowych jest tak zwany paradoks bliźniąt. Ogólna Teoria Względności zawiera zupełnie inny pogląd na czas i przestrzeń – są one teraz dynamicznymi wielkościami. Poruszające się w niej ciała wpływają na czasoprzestrzeń, która to z kolei wpływa na ich ruch i działanie sił.

Czym jest czarna dziura?

Termin “czarna dziura” powstał bardzo niedawno. Wprowadził go w 1969 roku amerykański uczony John Wheeler. Idea czarnych dziur pojawiła się ponad 200 lat wcześniej i jako pierwszy dopuścił ich istnienie w roku 1783 John Michell i prawie jednocześnie Pierre Simone de Laplace. Wykazali oni, że gwiazda o dostatecznie dużej masie i gęstości wytwarzałaby tak silne pole grawitacyjne iż światło nie mogłoby się oddalić. Chociaż nie widzielibyśmy ich światła moglibyśmy je wykryć dzięki ich przyciąganiu grawitacyjnemu. Dla Michell’a i Laplace’a czarne dziury były jedynie nie świecącymi gwiazdami. Nie wiedzieli oni, że nic nie może poruszać się szybciej niż światło.
Według teorii Newtona siła przyciągania grawitacyjnego jest wprost proporcjonalna do iloczynu mas obu ciał i odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości.. Wyobraźmy teraz sobie że zmniejszamy promień. Wówczas grawitacja no powierzchni wzrośnie (odległość od środka zmalała). Według teorii Newtona zmniejszenie promienia dwukrotnie zwiększa grawitację czterokrotnie, według Einsteina nawet bardziej. Ma to znaczenie gdy gwiazda zostanie ściśnięta tak bardzo że siła grawitacji stanie się supersilna – wtedy różnica między dwiema teoriami staje się ogromna. Pierwsza zakłada że siła dąży do nieskończoności, gdy promień dąży do zera, druga gdy staje się równy tak zwanemu promieniowi grawitacyjnemu. Wielkość takiego promienia (tzw. promienia grawitacyjnego) określona jest przez masę ciała. Dla Ziemi promień grawitacyjny równy jest 1 cm, dla Słońca 1 km. Dla promienia dużo większego niż promień grawitacyjny różnica między teoriami wynosi miliardową część.
Zgodnie z Teorią Względności światło nie może opuścić powierzchni ciała o promieniu mniejszym od promienia grawitacyjnego. Nie jest to jedyna niezwykłość. Siła grawitacji na powierzchni gwiazdy o promieniu równym promieniowi grawitacyjnemu staje się nieskończona – przyśpieszenie swobodnego spadku staje się nieskończenie wielkie. Zwykłe planety i gwiazdy nie zostają ściśnięte do rozmiaru punktu, ponieważ siły ciśnienia i sprężystości równoważą zapadanie się grawitacyjne. Ciśnienie zależy od stanu materii, czyli im np. bardziej ściśnięta materia tym większe ciśnienie. Gdy rozmiary ciała zbliżają się do promienia grawitacyjnego siła grawitacji wzrasta do nieskończoności i nie może być zrównoważona przez skończone siły. Materia zmuszona do swobodnego spadku na promień grawitacyjny nie może zatrzymać się na powierzchni Schwarzschilda (zewnętrzne pole grawitacyjne wokół promienia grawitacyjnego, nazwane tak na cześć fizyka, który jako pierwszy rozwiązał równania Einsteina)., ponieważ podlegałaby nieskończonym siłom grawitacji. Cokolwiek zatem znajdzie się poniżej promienia grawitacyjnego musi spaść do środka. Wynika to z tak dużego zakrzywienia stożków świetlnych, że ich cały stożek przyszłości znajduje się poniżej promienia grawitacyjnego. Wywołuje to katastroficzne, niepohamowane zapadanie się aż do osobliwości, zwane kolapsem relatywistycznym. Wystarczy zatem ścisnąć ciało do rozmiaru odpowiadającego promieniowi grawitacyjnemu, by dalsze zapadanie następowało samoistnie. Można zrobić to sztucznie np. ściskając górę ważącą miliard ton do rozmiaru jądra atomowego.

Jakie Czarna Dziura ma własności?

Teoria Względności zakłada, że im bliżej lub im większa masa ciała tym czas w jej pobliżu płynie wolniej. W pobliżu czarnej dziury czas płynie bardzo wolno, by wreszcie już na jej horyzoncie zwolnić nieskończenie. Obserwator obserwujący np. kamień spadający na czarną dziurę zauważy hamowanie w jej pobliżu i wreszcie zamarcie przy jej granicy. Tak samo obserwator obserwujący zapadanie się gazu gwiazdy dostrzeże zjawisko po nieskończenie długim czasie. Nie oznacza to jednak kontemplowania tego samego obrazu przez wieczność, ponieważ światło emitowane przez ciało w pobliżu masy czerwienieje (zmniejsza się jego częstość). Obserwując kamień spadający na czarną dziurę widzimy jego obraz coraz bardziej poczerwieniony (przesunięte widmo), by wreszcie “poczerwienione” fotony niosące coraz mniej energii dotarły do obserwatora po nieskończenie długim czasie. Połączenie efektu Dopplera i dylatacji czasu powoduje, że obszar zapadającej się gwiazdy w pobliżu sfery Schwarzschilda staje się niewidoczny. Również radar nie jest w stanie wykryć czarnej dziury, ponieważ jego fale odbiją się po nieskończenie długim czasie. Tak więc w praktyce gwiazda nigdy nie skurczy się do rozmiaru punktu, ponieważ w praktyce przestaje się zapadać w momencie osiągnięcia wymiaru promienia grawitacyjnego.
Ciała poruszające się w pobliżu czarnej dziury mają pewne ograniczenia. Gdy promień orbity wynosi mniej niż półtorej promienia Schwarzschilda prędkość ucieczki zrównuje się prędkości światła. W odległości 3 promieni prędkość wynosi prawie połowę prędkości światła. W dużej odległości ruch może odbywać się po paraboli i siła grawitacji tylko odrobinę zakrzywi czasoprzestrzeń. Jeżeli ruch paraboliczny odbywa się w pobliżu podwojonego promienia, nawinie się on jak przędza na motek i zamieni w orbitę kołową. Ciało zostanie schwytane przez czarną dziurę i nigdy się od niej nie. Samo posiadanie wystarczającej prędkości ucieczki nie wystarczy. Potrzebny jest jeszcze odpowiedni tor ruchu tworzący charakterystyczny kąt z kierunkiem ku czarnej dziurze. Im dalej od czarnej dziury tym kąt ten jest mniejszy.
W pobliżu czarnej dziury zachodzi jeszcze jeden ważny proces związany z falami grawitacyjnymi, których istnienie zakłada Teoria Względności. Takie fale według Teorii Względności powinny przypominać fale elektromagnetyczne. W normalnych warunkach ich energia jest bardzo słaba i tak np. ruch planet w Układzie Słonecznym generuje energię grawitacyjną równą mocy około 100 żarówek. Kiedy planety lub gwiazdy w układach podwójnych poruszają się po orbitach kołowych wysyłają fale grawitacyjne, które unoszą energię. Zwykle te straty energii są bardzo małe. Ciała krążące po kołowych orbitach wokół czarnych dziur emitują także fale grawitacyjne. Proces ten trwa do czasu gdy promień orbity zmaleje do trzech promieni grawitacyjnych. Osiągnąwszy tę odległość ciało wykonuje jeszcze kilka obiegów, wypromieniowuje pewną ilość energii i wpada do czarnej dziur. Zwykle natężenie promieniowania grawitacyjnego jest bardzo małe, ale proces trwa bardzo długo (dylatacja czasowa). Suma energii będzie zatem bardzo duża. Suma “wydalonej” energii będzie wynosiła około 6 procent masy. Czarne dziury mogły by być zatem źródłem energii.
Dotychczas rozważałam problem czarnych dziur powstałych przez zapadnięcie się idealnie sferycznych gwiazd będących nieruchomymi przed zapadnięciem. Załóżmy że ciało przed zapadnięciem nie było idealnie sferyczne. Czy oznacza to, że pole grawitacyjne też będzie spłaszczone. Otóż udowodniono, że w takim wypadku promień będzie zbyt wielki i nie dojdzie do kolapsu. Rzecz w tym, że kiedy rozmiary ciała zbliżają się do promienia grawitacyjnego, następuje bardzo intensywna emisja fal grawitacyjnych a wobec tego wszelkie odstępstwa od idealnie sferycznego kształtu zostają sprasowane i wypromieniowane. W pierwszych chwilach po powstaniu czarna dziura jest spłaszczona i zdeformowana. Takiego kształtu nie może jednak zbyt długo zachować. Bardzo szybko odzyskuje sferyczny kształt, a zbędne “detale” zostają wypromieniowane w postaci fal grawitacyjnych. O charakterze pola decyduje jeden parametr – masa wytwarzającego je ciała. Czarne dziury mogą być różnych rozmiarów, ale w gruncie rzeczy różnią się tylko masą. Natychmiast powstaje pytanie co się dzieje gdy ciało zapadające obdarzone jest ładunkiem elektrycznym (otacza je pole elektryczne). Badanie tego problemu doprowadziło do szalenie ciekawego wniosku. Wszelkie pola fizyczne w momencie kolapsu zostają wypromieniowane, ale pole elektryczne nie zmienia się i nadal otacza czarną dziurę. Zjawisko pola elektrycznego nie ma większego znaczenia wśród obiektów kosmicznych. Wszystkie czarne dziury można opisać tylko dwoma parametrami – masą i ładunkiem elektrycznym. To tak jakby wszystkie kobiety opisać można było tylko wagą i kolorem włosów. Wszystkie pola, które mogą zostać wypromieniowane zostają wypromieniowane, tylko idealnie sferyczne pole grawitacyjne i elektryczne zostają. Czarna dziura ma idealnie sferyczny kształt. Dlatego mówi się, że “czarne dziury nie mają włosów”.
Do tej pory zajmowałam się “statycznymi” czarnymi dziurami. Co stanie się jednak gdy ciało zapadające się posiadało pewną rotację. Teoria Względności zakłada, że pole grawitacyjne także wiruje. Rotacja nieco spłaszcza czarną dziurę, podobnie jak to ma miejsce w przypadku Ziemi. Rotacja zmienia granicę nieskończonej grawitacji. Staje się ona nieskończona na zewnątrz horyzontu, na powierzchni zwanej ergosferą. Gdy ciało przekroczy powierzchnię ergosfery żadna siła nie jest w stanie go utrzymać. Pole wirowe zmusza je do ruchu względem czarnej dziury. W przeciwieństwie do sfery Schwarzschilda ergosfera nie zmusza do ruchu do wnętrza czarnej dziury, lecz do okrążania jej. Ciało poruszające się wewnątrz ergosfery porusza się za to ze skończoną prędkością i dozwolona jest orbita kołowa. W statycznej czarnej dziurze orbita kołowa jest praktycznie niemożliwa ze względu na swoją niestabilność. Rotacja czarnej dziury zmienia więc zasadniczo jej cechy. Czarna dziura nie może jednak obracać się zbyt szybko. Rzecz w tym, że gdyby ciało poruszałoby się ze zbyt dużą prędkością nie powstałaby czarna dziura, ponieważ podczas kolapsu siły przypływowe zmieniły by ciało w “naleśnik” i jak wcześniej powiedziałam nie powstanie czarna dziura. I tu kolejna ciekawostka – ciało poruszające się po orbicie kołowej wokół czarnej dziury, która wiruje z maksymalną dozwoloną prędkością emituje w postaci fal grawitacyjnych 7 razy więcej energii niż zwykle.
Uwolnienie z rotującej czarnej dziury w przeciwieństwie do statycznej jest możliwe. Jeżeli np. pilot fikcyjnej rakiety w bezpośrednim sąsiedztwie czarnej dziury włączy silniki, wyrzucone zostaną gazy odrzutowe. Można je tak nakierować by wpadały do czarnej dziury. Wówczas rakieta ulegnie przyśpieszeniu i zostanie wyrzucona z ergosfery z ogromną prędkością – dużo większą niż uzyskałaby z pracy silników. Silnik rakiety przemieścił ją na nową orbitę, skąd porwał ją wir grawitacyjny i wyrzucił z ogromną prędkość. Energia uniesiona przez rakietę pochodzi z wiru, czyli energii rotacyjnej czarnej dziury. W rezultacie obroty czarnej dziury zostają spowolnione. Właściwość tę przewidział angielski fizyk Roger Penrose. Mimo, że energia rotacyjna zmniejsza się, rozmiarów horyzontu nie można zmniejszyć. Udowodniono, że w żaden sposób nie da się tego zrobić. Jeśli kilka dziur oddziałuje ze sobą, suma powierzchni ich horyzontów nie może zmaleć w wyniku tego oddziaływania. Czarna dziura jest czymś w rodzaju przepaści bez dna. Są wiecznie powiększającymi się grawitacyjnymi otchłaniami.
Możliwe jest zatem by natężenie fal padających na obracającą się czarną dziurę było niższe od natężenia fal rozproszonych przez czarną dziurę. W tym wypadku częstość fal elektromagnetycznych padających musi być niższa od częstości jej obrotów. Zjawisko takie odkrył profesor Jakow Zeledowicz i nazwano je nadpromienistością. Wzmocnienie fal w oddziaływaniu z czarną dziurą jest raczej skromne i wynosi 4,4%. Niemniej jednak możliwa jest sytuacja zamkniętego obiegu i w efekcie lawinowego wzmocnienia co mogłoby doprowadzić do ogromnego wzmocnienia.
Co stanie się z człowiekiem, który wpadłby do czarnej dziury? Czarna dziura rozerwie go na strzępy. Możliwy czas “życia” w czarnej dziurze równy jest czasowi jaki potrzebuje światło by przemierzyć średnicę czarnej dziury. Nie trwa to długo, zważywszy rozmiary czarnej dziury. Rozerwanie następuje na skutek tzw. sił przypływowych – różnica siły działającej na głowę i stopy człowieka (lub innego ciała) jest nieskończona i w efekcie rozrywa go na strzępy w czasie części stutysięcznych sekundy.
W roku 1974 Stephen Hawking dokonał sensacyjnego odkrycia. Odkrycia, które może przyczyniło się znacząco do zrozumienia świata. Udowodnił on, że istnieje proces dzięki któremu czarna dziura może prowadzić do tworzenia cząstek co prowadzi do zmniejszenia masy i rozmiarów czarnej dziury. Na pierwszy rzut oka jest to niemożliwe. Rzecz w tym, że na zewnątrz czarnej dziury pole nie może być zamrożone, ponieważ ciała muszą spadać na czarną dziurę. Otóż próżnia tak naprawdę nie jest pusta. W każdym punkcie przestrzeni, co chwila powstają tak zwane cząstki wirtualne. Jest to para identycznej cząstki i antycząstki. Ich suma energii równa jest zero. Może się tak zdarzyć, że jedna z nich powstanie za horyzontem, druga przed. Pierwsza w efekcie zostanie pochłonięta a druga np. znajdująca się w ergosferze zostanie wyrzucona. Mamy więc do czynienia z kwantowym wypromieniowywaniem energii. Z obliczeń Hawkinga wynika, że dziura zachowuje się jak zwykłe ciało promieniujące w bardzo niskiej temperaturze np. czarna dziura o masie Słońca ma temperaturę 1/10 milionowej stopnia. Tak niskie promieniowanie praktycznie nie obniża energii czarnej dziury. Czarna dziura zyskuje więcej energii w wyniku “połykania” międzygwiezdnego pyłu i gazu. Kiedy zmniejsza się masa czarnej dziury, jej temperatura wzrasta i proces parowania ulega przyśpieszeniu. Temperatura czarnej dziury o masie 1000 ton wynosi 1017. Parowanie zmieni się w eksplozję. Przeciętna “gwiazdowa” czarna dziura wyparuje po 1066 lat. Czarna dziura stwarza nie tylko fotony, ale i inne cząstki. Im mniejsza masa tym cięższe cząstki czarna dziura może emitować. Czarna dziura o masie typowej gwiazdy produkuje neutrina (81%), fotony (17%) i grawitony (2%).
Reasumując nic nie może być prostsze niż czarna dziura. Jej cechy w momencie kolapsu ograniczają się tylko do masy i ewentualnie pola elektrycznego i rotacji .Wszystkie inne cechy są zatracane i znikają w momencie kolapsu. Dla obserwatora nie mają one żadnego znaczenia. Badanie czarnej dziury rozszerza naszą wiedzę na temat czasu i przestrzeni. Ludzka wyobraźnia nie może objąć efektów zachodzących we wnętrzu czarnej dziury. Jest ona zatem mimo swej prostoty bardzo
skomplikowana.

Jak powstaje? Jak je znaleźć?

Jak już wcześniej powiedziałam, ciśnienie gazów kompensuje grawitacyjne zapadanie się gwiazdy. W miarę upływu czasu zapas paliwa jądrowego w gwieździe wyczerpuje się. Długość życia gwiazdy zależy od szybkości spalania paliwa. Im większa gwiazda tym więcej paliwa mysi zużywać by utrzymać się przy życiu i tym szybciej paliwo się kończy. Gwiazdy o masie zbliżonej do Słońca żyją około 10 miliardów lat. Dla przykładu gwiazda o masie 3 razy większej od Słońca istnieje przez miliard lat., 10 razy – 100 milionów lat. Gdy kończy się paliwo gwiazda dalej wypromieniowuje paliwo i stopniowo się kurczy. Jeśli masa gwiazdy nie przekracza 1,2 masy Słońca to kurczenie ustaje gdy jej promień zmniejszy się do kilku tysięcy kilometrów. Gęstość materii sięga wtedy 1019g/cm3. Takie gwiazdy nazywamy białymi karłami. Taka gwiazda może dalej świecić aż wystygnie nawet całkowicie.
Jeśli masa gwiazdy przekracza 1,2 masy Słońca to reakcje energochłonne reakcje jądrowe zachodzące podczas kurczenia się spowodują jej całkowite zapadnięcie się. Obserwuje się wtedy eksplozję supernowej (rysunek obok). Jeżeli masa gwiazdy nie przekracza dwóch mas słońca to oddziaływanie kwantowe powstrzymuje dalsze kurczenie się gwiazdy. Jej gęstość wynosi 1014-1015 g/cm3. Jest to gęstość jądra atomowego. Taką gwiazdę nazywamy neutronową. Rozmiar gwiazdy neutronowej nie przekracza 10 km. Ich istnienie było długo kwestionowane, ale ostatnie badania pulsarów potwierdziły, że są to
Obzdy neutronowe. rkę liczenia wykazują jednak, że po wypaleniu paliwa jądrowego, skurczeniu się i odrzuceniu otoczki masa gwiazdy przekracza wartość krytyczną (około 2 masy Słońca), nic nie jest w stanie powstrzymać gwiazdy od zapadnięcia się (nawet ogromne ciśnienie wewnętrzne). Czarne dziury powstają zatem nieuchronnie gdy gwiazdy o dużej masie kończą swoją ewolucję.
Jak szukać czarnych dziur? Znalezienie czarnej dziury jest bardzo trudne z uwagi na absolutnie czarny charakter, małe rozmiary i brak emisji znaczących ilości energii. Jednak gaz spadający na czarnej dziurze nie może spadać po linii prostej, ale zawsze po spirali. Oddziaływanie między spiralami gazu podnosi jego temperaturę do 10 milionów stopni. Gaz podgrzany do takiej temperatury emituje promieniowanie rentgenowskie. Aby obserwować takie źródła trzeba wynieść ponad atmosferę specjalne teleskopy. Po dokładniejszych badaniach stwierdzono, że czarne dziury muszą znajdować się wśród nie pulsujących źródeł rentgenowskich w układach podwójnych. Pole grawitacyjne potrzebne do podgrzania gazu do takiej temperatury przy której świeci on rentgenowsko musi być bardzo silne. Wiemy, że najważniejsza jest masa. Jeśli masa “martwej” gwiazdy przekracza 2 masy Słońca to musi to być czarna dziura.
Najbardziej wiarygodnym obiektem do tej pory okazało się źródło w gwiazdozbiorze Łabędzia nazwane Cygnus X-1. Źródło tego układu to gwiazda około 20 razy masywniejsza od Słońca. Promieniowanie rentgenowskie pochodzi z “martwej” gwiazdy o około 10 razy cięższej niż Słońce. Wiele badań określa prawdopodobieństwo istnienia tam czarnej dziury na 95%. W układzie tym obiekty obracają się dookoła co 5,6 dnia. Czarna dziura ściąga gaz z atmosfery gwiazdy olbrzyma. Temperatura gazu w zewnętrznych częściach dysku wynosi kilkadziesiąt tysięcy stopni, podczas gdy w wewnętrznych ponad 10 milionów stopni. Całkowita jasność rentgenowska przekracza kilka tysięcy razy jasność Słońca (we wszystkich zakresach widma). Wewnętrzny dysk ma średnicę około 200 km, czarna dziura 30 km. Całe źródło znajduje się około 6 tys. lat świetlnych od Ziemi. Odkryto je w 1971 roku. Od tamtej pory znaleziono ponad 20 podobnych źródeł. Do tej pory jednak jesteśmy ostrożni z mówieniem o Czarnych Dziurach, ponieważ są one zupełnie inne niż rzeczywistość, która nas otacza.

__________________________________
Bibliografia:
1. Igor Nowikow – “Czarne Dziury i Wszechświat”
2. Stephen Hawking – “Krótka Historia Czasu”
3. Piotr Cieśliński – “Wielki darmowy obiad” Gazeta Wyborcza 15 maja 1999r.
4. E.M. Rogers – “Fizyka dla dociekliwych” Tom 1 i Tom 3
5. Paweł Krzysztof Fornalski “Czarne Dziury”
6. Internet

Definicja antygrawitacji w (najnowszej) encyklopedii jest bardzo prosta, a mianowicie brzmi ona tak: “Antygrawitacja, hipotetyczne oddziaływanie odpychające masy. Dotychczas nie stwierdzono istnienia antygrawitacji”. Czy jest to jednak całkowicie prawdziwe stwierdzenie?
Coraz więcej wskazuje na to, że Einstein niekoniecznie się mylił, wprowadzając do swoich równań tzw. stałą kosmologiczną, którą później usunął ze świadomością, iż jej użycie było jego największym błędem w karierze naukowej.
“Tempo rozszerzania się wszechświata ciągle rośnie. Pustka kosmiczna wydaje się wypełniona potężną energią rozpychającą przestrzeń wszechświata. Nikt nie zna jej natury. Wiadomo tylko, że działa odwrotnie niż grawitacja: nie przyciąga lecz odpycha. Jest czymś w rodzaju antygrawitacji” – twierdzi profesor Robert Kirshner, astrofizyk z Uniwersytetu Harvarda, rektor Smithsonian Center for Astrophysicas w Cambridge. Prawdopodobnie od tej nieznanej energii zależą losy wszechświata.
Na swoim wykładzie podczas kongresu Amerykańskiego Stowarzyszenia na Rzecz Rozwoju Nauki w Waszyngtonie profesor Kirshner pokazywał, jak pogłębia się nasza wiedza o wszechświecie. W ciągu kilku ostatnich lat bardzo dużo się zmieniło w wiedzy o wszechświecie. Dwa zespoły astronomów amerykańskich z Uniwersytetu Harvarda i z Berkeley ścigały się, polując na supernowe. Wybuch tych gwiazd zdarzają się nie częściej niż raz na sto lat w galaktyce liczącej sto miliardów obiektów. Ich blask w chwili eksplozji jest potężniejszy niż reszty galaktyki. Umierająca gwiazda w nuklearnym wybuchu odrzuca swoje warstwy zewnętrzne i po kilku tygodniach jądrowego fajerwerku przekształca się w białego karła . W listopadzie ubiegłego roku zespół prof. Kirshera odkrył supernową w odległości pięciu miliardów lat świetlnych od nas, co oznacza, że eksplozja zdarzyła się pięć miliardów lat temu.
Supernowe , pojawiające się w różnych miejscach wszechświata, spełniają funkcję podobną do latarni morskich – służą do określania odległości. Wszystkie mają niemal taką samą masę (ok. 1,4 masy Słońca), dlatego gdy kończą żywot w nuklearnym fajerwerku, mają prawie identyczną jasność. Natężenie ich blasku może być zatem wskaźnikiem ich odległości od Ziemi. Wędrując miliony czy miliardy lat fale światła supernowych “rozciągają” się, gdyż pędzą w nieustannie rozszerzającej się przestrzeni. Jest to efekt pierwotnego Wielkiego Wybuchu, podczas którego miał powstać świat. Fizycy od kilku lat tropiący supernowe próbują ustalić, czy tempo rozszerzania się przestrzeni maleje. Kilkanaście miliardów lat po Wielkim Wybuchu nie byłoby w tym nic zaskakującego.
Tymczasem informacje z obserwatoriów na Hawajach, w Australii, Chile, jak i krążącego nad Ziemią Teleskopu Hubble’a, przetwarzane przez sieci najpotężniejszych komputerów, świadczą o tym, że wszechświat rozszerza się coraz szybciej. Światło odkrytych ostatnio bardzo dalekich supernowych jest znacznie słabsze niż powinno. A to dowodzi, że przestrzeń między nimi a Ziemią rozszerzyła się bardziej, niż by to wynikało z dotychczasowego tempa ekspansji wszechświata. Obserwacje te rodzą kolejne pytania. Nie wiadomo, co może być źródłem impetu zwiększającego prędkość, z jaką uciekają od siebie wszystkie galaktyki, ich gromady i większe od nich struktury kosmiczne.
Jak zinterpretować to zjawisko? “Można się odwołać do autorytetów, dyskutować z oponentami, zdobywać nowe dowody wspierające zdumiewające odkrycie tak szybkiego rozszerzania się wszechświata.” – proponował prof. Kirshner. Zacznę jednak od Alberta Einsteina.
Uczony ten jest jednym z największych fizyków wszystkich czasów. Olbrzymią jego zasługą jest wkład, jaki wniósł w dziedzinie astrofizyki i mechaniki nieba.
Urodzony w Ulm w Niemczech, młodość spędził w Szwajcarii, walcząc z niedostatkiem jako naukowy pracownik federalnego urzędu patentowego. Gdy ujawniły się jego walory umysłowe, otrzymał nominację na profesora uniwersytetu w Zurychu, a następnie w tym samym charakterze przesiedlił się do Niemiec. Pracował tam naukowo aż do przewrotu hitlerowskiego (był pochodzenia żydowskiego, więc musiał uciec z Niemiec). Od 1933 r. wykładał na uniwersytetach w USA. I tam dopiero cechy jego genialności zostały w pełni ujawnione.
Dla teoretycznych dociekań astrofizycznych podstawowe znaczenie ma wzór Einsteina o równości energii (E) i masy (m):
(E = mc2)
gdzie c oznacza prędkość światła w próżni. Wzór ten wskazuje źródło olbrzymich ilości energii promienistej wydzielanej przez gwiazdy kosztem ich masy.
A oto jego udział w zagadnieniach astronomicznych. Opierając się na swej ogólnej teorii względności, wyjaśnił przyczynę powolnego ruchu peryheliów orbit planetarnych. Klasyczna teoria grawitacyjna Newtona nie umie tego wytłumaczyć. Einstein jako przyczynę wskazał ruch obrotowy globu słonecznego, który niejako pociąga naprzód po orbicie peryhelia planet.
W roku 1917, kiedy opublikował ogólną teorię względności, wiążąc w jeden układ równań geometrię przestrzeni, bieg czasu i siłę ciążenia, nie wiedziano jeszcze, że świat jako całość powinien się rozszerzać albo kurczyć. Astronomowie w owym czasie byli przekonani, że wszechświat jest statyczny i stały w swych rozmiarach. Skoro jednak wszechświat niw zapadł się do swego wnętrza pod własnym ciężarem wskutek siły powszechnego ciążenia, należało uznać, że coś go od tego powstrzymuje. Einstein wprowadził wówczas do swoich równań pewien czynnik, który miał zapewniać stabilny rozkład materii we wszechświecie. Nazwał go stałą kosmologiczną. Nieco później uznał tę idee za największy błąd swego życia. “Chcę wskazać, że ‘największy błąd’ Einsteina może być dziś trafniejszy od najlepszych pomysłów wielu badaczy i że mamy istotne powody, aby wrócić do jego idei z 1917 roku” – stwierdził prof. Kirshner.
Einstein uznał, że wprowadzenie stałej kosmologicznej do równań opisujących świat jako całość jest pomyłką, gdyż zaledwie kilka lat po opublikowaniu przez niego ogólnej teorii względności brytyjski astronom Edwin Hubble odkrył, że wszechświat nie jest statyczny. Dalekie galaktyki, czyli zbiory miliardów gwiazd, uciekają. W dodatku tym szybciej im dalej są od Ziemi. Zdaniem Hubble’a, cała przestrzeń kosmiczna pęcznieje jak balon z taką prędkością, że mniej więcej co pięć sekund powstaje w niej przestrzeń porównywalna z Drogą Mleczną. Pewność tę dały Hubble’owi obserwacje gwiazd zmiennych, zwanych cefeidami, które znalazł w ich galaktykach. Charakterystyczne linie odpowiadające pierwiastkom znajdującym się w świecącej materii tych gwiazd, na przykład wapniowi, były przesunięte w stronę czerwonego końca widma. Przesunięcie było tym większe, im dalej od Ziemi znajdowała się obserwowana cefeida. Zdaniem Hubble’a, fale światła rozciągały się w przestrzeni, podobnie jak fale dźwięku z oddalającego się pociągu. Pomiary naukowca przyczyniły się do stworzenia hipotezy Wielkiego Wybuchu jako momentu, od którego świat zaczął się rozszerzać.
Hubble nie mógł jednak sięgnąć w głąb wszechświata dalej niż na kilkanaście milionów lat świetlnych. Nie dysponował więc wystarczającymi danymi, by stwierdzić, czy rozszerzanie się było kiedyś szybsze, a dziś maleje, czy może jest takie samo. Współczesne badania kosmiczne pozwalają wrócić do tego pytania. Piętnaście lat temu zespół astrofizyków duńskich za pomocą wielkiego teleskopu znajdującego się w Chile postanowił tropić dalekie supernowe. W ciągu dwóch lat udało im się znaleźć jedną. Zrezygnowali więc z poszukiwań. W ostatnich latach jeszcze doskonalsze przyrządy pozwoliły na automatyczne przeczesywanie przestrzeni aż do kilku miliardów lat świetlnych. Brian Schmidt, student prof. Kirshnera, obecnie szef projektu poszukiwań supernowych, dzięki czterometrowemu teleskopowi w Chile znalazł eksplodujące gwiazdy w odległości dwóch miliardów lat świetlnych, oddalające się z prędkością 40 000 km/s. Kosmiczny Teleskop Hubble’a odnalazł supernową w odległości pięciu miliardów lat świetlnych, czyli pochodzącą z czasów, gdy wszechświat miał niewiele ponad połowę obecnego wieku. Dzięki takim możliwościom technicznym można już badać, czy tempo rozszerzania się wszechświata w przeszłości było większe, czy takie samo jak dziś. Wszystko wskazuje na to, że obecnie przestrzeń kosmiczna pęcznieje szybciej niż pięć miliardów lat temu.
Ale z czego właściwie zbudowany jest wszechświat i jaka siła kilkanaście miliardów lat po Wielkim Wybuchu przyspiesza ucieczkę galaktyk w rozszerzającej się przestrzeni? Materia, którą widać, bo świeci, stanowi zaledwie 10% tworzywa wszechświata. Ruchy gwiazd w galaktykach i galaktyk w gromadach wokół wspólnego środka ciężkości wskazują na obecność w nich materii, która nie świeci i tylko przyciąganiem zdradza swe istnienie. “Niestety, ni wiemy, czym ona jest. Daliśmy jej tylko ładną nazwę ciemnej materii” – mówi prof. Kirshner. Jeśli prawdą jest to, co potwierdzają liczne pomiary i obserwacje, że przestrzeń rozszerza się coraz szybciej, musi w niej istnieć tajemnicza energia próżni, siła odpychająca, stanowiąca ok. 70% całego tworzywa kosmosu. “Nowe obserwacje zburzyły stały obraz uniwersum” – napisano w jednym z miesięczników naukowych. Na razie nie wiadomo jaki powinien być nowy.
Biały karzeł powstaje w wyniku zapadania się czerwonego olbrzyma. Jest to typ gwiazdy, której jądro skurczyło się w wyniku wypalenia (przekształcenia się w węgiel) całości wytworzonego we wcześniejszej fazie helu. Siły wewnętrznej grawitacji są zbyt małe, by stworzyć warunki do rozpoczęcia dalszych reakcji termojądrowych nagromadzonych jąder węgla. Gęstość materii takiej gwiazdy jest bardzo duża. Uważa się, że biały karzeł jest końcowym etapem ewolucji małej gwiazdy. Wypromieniowując nagromadzoną energię, stopniowo przeistacza się w czarnego karła, pozostającego w przestrzeni jako obiekt “obumarły”.
____________________________________________
Objaśnienia:

Nowa i supernowa to gwiazdy, które pokazały się nagle na niebie. Typ gwiazdy: nowa pochodzi z układu podwójnej gwiazdy, gdzie jedna z gwiazd rozpadła się. Dodatkowa masa, przejęta przez pozostałą po wybuchu gwiazdę, zwiększa jej wewnętrzne przyciąganie. Doprowadza to do rozżarzenia się jej wnętrza. Nowa zaczyna wówczas świecić. Od supernowej różni się tym, że słabiej świeci. Nie jest również efektem wybuchu, jak supernowa – gwiazda dużych rozmiarów. Z przekazów astronomów chińskich (1054 r.) wiemy, że wybuch takiej gwiazdy był widoczny również w czasie dnia. W kwietniu 1992 r. astronomowie zaobserwowali wybuch supernowej, oddalonej od Ziemi o 5 miliardów lat świetlnych.

Perycentrum to punkt orbity danego ciała kosmicznego najbliższy obieganemu ciału. Gdy ciałem centralnym jest Ziemia, perycentrum nazywa się perygeum (punkt przyziemny), gdy jest to Słońce, perycentrum nosi nazwę peryhelium (punkt przysłoneczny), gdy rozpatruje się ruch względem jądra galaktyki, perycentrum nazywane jest perygalaksium, w przypadku obiegu dowolnej gwiazdy perycentrum nazywane jest peryastron (przeciwieństwa: apocentrum, apogeum, apohelium, apogalaksium, apoastron).

Cefeidy, gwiazdy zmienne wykazujące okresowe fizyczne zmiany jasności związane z pulsacją (zmianami średnicy) gwiazdy. Cefeidy krótkookresowe Cefeidy krótkookresowe (tzw. typu RR Lyrae), o okresie zmienności poniżej 1 dnia, nie wykazują związku między ich jasnością absolutną a okresem zmienności. Cefeidy długookresowe Cefeidy długookresowe, okres zmienności od 1 do 70 dni, dzieli się na dwie kategorie:iorzu d Cephei (od nazwy gwiazdy w gwiazdozbhta e Cefeusza, od niej pochodzi też nazwa cefeid) i typu W Virginis. Wykazują związek między jasnością absolutną a okresem zmienności: im dłuższy okres zmian, tym jaśniejsza (absolutnie) gwiazda. Zależność ta ma tak ścisły charakter (liczbowo różny dla obu typów cefeid długookresowych), że wykorzystywana jest jako najpewniejsza metoda wyznaczania odległości do innych galaktyk, o ile znana jest absorpcja światła w przestrzeni pomiędzy cefeidą a obserwatorem.

Współczesny człowiek, a zwłaszcza mieszkaniec miasta rzadko spogląda w niebo. Niektórzy nawet zapomnieli, że ono istnieje, a przecież nasza Ziemia jest jedynie mikroskopijnym pyłkiem wirującym w ogromnych kosmicznych przestworzach. Warto czasem przyjrzeć się nieco bliżej dalekim obiektom, które podobnie jak my stanowią element Wszechświata. Gwiaździste niebo przyciągało uwagę ludzi od najdawniejszych czasów. Obrót Ziemi wpływa na zmianę położenia gwiazd względem obserwatora, nie zmienia się jednak wzajemne położenie gwiazd względem siebie. Podczas obserwacji nieba należy niewątpliwie zwrócić uwagę na to,że jaśniejsze gwiazdy tworzą pewne charakterystyczne grupy , zwane konstelacjami lub gwiazdozbiorami . Obecnie funkcjonująca konwencja wywodzi się głównie z tradycji kultur basenu Morza Śródziemnego i Bliskiego Wschodu i nawiązuje
do mitologii tych kultur. Istnieją przesłanki sugerujące, że pierwszegwiazdozbiory (należące do pasa zodiakalnego) wyodrębniono tam
ok. 15 tys. lat temu. Starożytni astronomowie greccy (Eratostenes,Hipparch oraz Ptolemeusz Klaudiusz) wyróżniali ponad 40 gwiazdozbiorów na znanej im części sfery niebieskiej. Poprzez kulturę arabską tradycja ta przedostała się do średniowiecznejEuropy. W XVII i XVIII w. dalsze gwiazdozbiory wyodrębnili m.in. J. Kepler,E. Halley, oraz (dla nieba południowego) N.L.de Lacaille, P. Le Monnier i J. Bode. W początkach XIX w.wyodrębniano kolejne konstelacje i liczba ich przekroczyła 100.Tradycyjne granice gwiazdozbiorów ulegały z czasem znacznymzmianom. W 1925 Międzynarodowa Unia Astronomiczna ustaliła ostatecznie istnienie i granice 88 konstelacji.Wśród nich znajduje się gwiazdozbiór Tarcza ( po łacinie Scutum ) wprowadzony przez gdańskiego astronoma Jana Heweliusza , który w ten sposób uczcił zwycięstwo oręża polskiego pod Wiedniem . Jest to Tarcza Jana Sobieskiego . Do najbardziej znanych konstelacji nieba należą Wielki Wóz i Mały Wóz należące do gwiazdozbiorów małej i wielkiej niedźwiedzicy które zaliczane są do gwiazdozbiorów okołobiegunowych . Mianem tym określamy gwiazdozbiory , które nigdy nie wschodzą i nigdy nie zachodzą są widoczne w każdą pogodną noc . Obserwując te konstelacje przez parę godzin możemy się przekonać , że przesuwają się one po niebie , nie zmieniają jednak wzajemnego położenia . Po prostu w ciągu doby wszystkie gwiazdy i inne ciała niebieskie opisują na niebie koła wokół punktów , które nazywamy biegunami niebieskimi , środkiem bieguna północnego jest gwiazda polarna .

Główną częścią gwiazdozbioru Wielkiej Niedźwiedzicy jest powszechnie znany wielki wóz . Jest to ugrupowanie jasnych gwiazd o charakterystycznym kształcie przypominającym kształt wozu ze złamanym dyszlem . Na uwagę zasługuje przedostatnia gwiazda w dyszlu wielkiego wozu , czyli dzeta Wielkiej Niedźwiedzicy , będąca jedną z najdawniejszych znanych gwiazd podwójnych .

Arabowie nazywali ją Mizarem ( ” Rumakiem ” ) , słabszego jej towarzysza Alkorem ( ” Jeźdźcem ” ). Każda z tych gwiazd jest w rzeczywistości układem gwiazd podwójnych jednak ich składniki znajdują się tak blisko siebie , że mogła to wykazać dopiero analiza ich widm dlatego takie gwiazdy nazywamy gwiazdami podwójnymi spektroskopowymi . Gwiazdy podwójne to gwiazdy które okrążają wspólny środek masy . Na ogół jest to gwiazda zbyt słaba aby można było ją dostrzec z Ziemi . Astronomowie rozpoznają że widoczna gwiazda należy do układu gwiazd podwójnych jeśli wykazuje ona cykliczne zmiany jasności lub gdy obserwuje się zakłócenia jej ruchu , odpowiadające oddziaływaniu grawitacyjnemu jakiegoś bliskiego ciała . Gwiazdy alfa i beta Wielkiej Niedźwiedzicy ( tylne koła wielkiego wozu ) wskazują kierunek gwiazdy polarnej . Jest to najjaśniejsza gwiazda małej niedźwiedzicy , zwanej często małym wozem . Świeciłaby zapewne dużo jaśniej , gdyby nie dzieliło jej od nas aż 400 lat świetlnych . Z tej odległości Słońca nie byłoby widać bez użycia lunety , ale w porównaniu z nim Gwiazda Polarna jest olbrzymią gwiazdą , ma od niego około milion razy większą objętość . Zmienia się ona na wskutek zachodzących pulsacji regularnie co cztery lata , w związku z czym jasność gwiazdy też się zmienia w granicach od +,96 do 2,05 wielkości gwiazdowej . Między gwiazdozbiorami Wielkiej a Małej Niedźwiedzicy rozciąga się gwiazdozbiór Smok . W jego skład wchodzą też niezbyt jasne gwiazdy , tworzące na niebie olbrzymi łuk zakończony na końcu nieregularnym czworobokiem , mającym symbolizować głowę gada . W środku czworoboku znajduje się punkt , z którego wylatują meteoryty , należące do roju Drakonid . Niekiedy nazywa się je Giacobinidami , ponieważ powstały z rozpadu komety Giacobiniego . Meteory tego roju pojawiają się na niebie regularnie 9 października . Naprzeciw gwiazdozbioru Wielkiej Niedźwiedzicy , ale już po przeciwnej stronie północnego bieguna niebieskiego , leży gwiazdozbiór Kasjopei . Łatwo go na niebie rozpoznać , ponieważ pięć najjaśniejszych gwiazd tego gwiazdozbioru tworzy w zależności od pory roku wielką literę W lub M .jak każdy gwiazdzbiór, również Kasjopea posiada przypisany sobie mit. Otóż… historia działa się w Etiopii, gdzie rządził mądry król Cefeusz. Żoną Cefeusza była Kasjopea, kobieta piękna, lecz nierozsądna. Zdarzyło jej się pewnego dnia śmiertelnie obrazić Posejdona, który przyrzekł zemstę. I rzeczywiście, zesłał potwora morskiego Ketosa, który zabijał rybaków i niszczył porty i wioski nadmorskie. ( Ketosa odnajdziemy jako gwiazdozbiór Wieloryb ) Cefeusz udał się po radę do wyroczni Ammony. Przepowiednia była straszliwa, królestwo mogła uratować jedynie ofiara z życia Andromedy, córki Cefeusza i Kasjopei. Rozpacz zapanowała na dworze, lecz co zapisane, musiało się stać. Przykuto Andromedę do nadmorskiej skały, gdzie miała oczekiwać na potwora Ketosa. Stało się jednak tak, że przepowiednia się nie spełniła. Zjawił się syn Zeusa, Perseusz. Wracał właśnie do domu do Argos – po dokonaniu bohaterskiego czynu, jakim było zabicie Gorgony Meduzy. Perseusz dowiedziawszy się o nieszczęściu, które spadło na królestwo, natychmiast stanął do walki z potworem. Walka była krótka, w nagrodę za zabicie potwora Perseusz zażądał ręki Andromedy. Ich małżeństwo było szczęśliwe, lecz szczęście nie trwało długo. Perseusz podczas igrzysk zabił dyskiem swojego dziadka Akrisiosa. Po tym fakcie małżonkowie uciekli z Argos i żyli na wygnaniu. Perseusz budował zamki, których ruiny zachowały się do dnia dzisiejszego. Później bogowie postanowili przenieść na niebo Perseusza i Andromedę a także Cefeusza i Kasjopeę. Odnajdziemy ich jako piękne jasne gwiazdozbiory. W jesienne wieczory (i nie tylko) możemy przeżyć z bohaterami jeszcze raz ich dramatyczne losy. Wystarczy spojrzeć w niebo.

Najjaśniejsza z gwiazd Kasjopei jest Schedir, która to gwiazda jest zmienną nieregularną . Do zmiennych należy też gwiazda Cih , która od czasu do czasu zwiększa swoją objętość z dziesięciu na osiemnaście średnic słońca i tym samym zwiększa swoją jasność . Takich gwiazd zmiennych znamy więcej i nazywamy je z uwagi na przebieg zmian ich jasności supernowymi . Nazwę supernowej nosi natomiast gwiazda , która 11 listopada 1572 roku pojawiła się w gwiazdozbiorze Kasjopei . Jej obserwacją szczególnie zajmował się astronom duński Tycho de Brahe i dlatego często zwana jest ona gwiazdą Tychona . Gwiazda ta w maksimum swego blasku świeciła jaśniej niż planeta Wenus , przez kilka dni było ja widać na niebie nawet podczas dnia . Dziś w miejscu jej wybuchu można obserwować rozprężającą się mgławicę . Do gwiazdozbiorów okołobiegunowych należą jeszcze Żyrafa , Ryś i Cefeusz . Ten ostatni jest rozległym gwiazdozbiorem , wypełniającym przestrzeń między Kasjopeją a Smokiem . Przedłużając mniej więcej czterokrotnie linię łączącą gwiazdy alfa i beta Kasjopei natrafimy na Alderamina , najjaśniejszą gwiazdę Cefeusza . Ale na uwagę zasługuje jeszcze bardziej delta Cefeusza , regularnie co 5 dni 8 godzin i 37 minut zmieniająca swą jasność . Należy ona do gwiazd, których zmiany jasności są ściśle związane z przebiegiem ich pulsacji. Zmienne tego typu właśnie od delty Cefeusza nazywamy cefeidami . Na jasnej wstędze drogi mlecznej leży niepozorny , bliski każdemu Polakowi gwiazdozbiór Tarcza , noszący niegdyś nazwę Tarczy Sobieskiego ( Scutum Sobiescianum ) . Niedaleko na zachód od Tarczy znajdziemy , niezbyt wyraźny gwiazdozbiór Wężownika .

Ma on wyrażać postać silnego męża trzymającego w rękach sploty cielska ogromnego węża . Przez niewielki teleskop można zobaczyć pozostałości po supernowej , która w roku 1604 wybuchła w gwiazdozbiorze Wężownika , a która w literaturze naukowej nosi nazwę nowej Keplera . W gwiazdozbiorze Wężownika znajduje się jeszcze jeden godny uwagi obiekt . Otóż w roku 1916 astronom amerykański Edward Barnard odkrył w nim gwiazdę dziesiątej wielkości gwiazdowej , która wciągu roku przesuwa się po niebie aż o 10,25 sekundy kątowej .W związku z tym ruchem nazwano ją Strzałą Barnarda lub gwiazdą Barnarda . Jest to czerwony karzeł o masie dziesięciokrotnie mniejszej od masy naszego Słońca , oddalony od nas o 6 lat świetlnych . Pod względem odległości zajmuje on trzecie miejsca zaraz po Proxima i alfa Centaura . Ale ponieważ gwiazda Barnarda pędzi w naszym kierunku z prędkościa 110 km/s , w niedalekiej przyszłości to one będzie najbliższą gwiazdą . Tuż nad gwiazdozbiorem Wężownika znajduje się gwiazdozbiór Herkulesa .

Podczas bezksiężycowej nocy gołym okiem widać gromadę kulistą M13 .

To w kierunku tej gromady w 1974 amerykańscy uczeni wysłali depeszę radiową z nadzieją , że znajduję się tam gdzieś układ planetarny i że jedna z jego planet jest zamieszkała przez istoty rozumne o co najmniej takich samych możliwościach technicznych jak my . Gdyby mieszkańcy tej planety odebrali naszą wiadomość i chcieli nasz o tym powiadomić, to odpowiedź od nich otrzymamy dopiero po 48 tysiącach lat , gdyż jest ona oddalona od nas o ok. 24 tysiące lat świetlnych . Najjaśniejsza gwiazda w tym gwiazdozbiorze nosi nazwę Ras Algethi , co po polsku znaczy Głowa Klęczącego . Jest to układ gwiazd podwójnych składających się z dwóch olbrzymów , które na niebie oddalone są o 4,6 sekundy kątowej , Ciemniejszy z nich świeci jak obiekt 5,39 wielkości gwiazdowej natomiast drugi zmienia blask w granicach od 3do 4 wielkości gwiazdowej . Gwiazda ta jest zmienną nieregularną , zmiany jej jasności można z powodzeniem śledzić gołym okiem . Obok gwiazdozbioru Herkulesa znajduje się gwiazdozbiór Lutni . Według legend gwiazdozbiór przedstawia lutnię Orfeusza, najsłynniejszego śpiewaka Hellady. Był on synem trackiego króla Ojagrosa i muzy Kaliope. Przez świat starożytny Orfeusz uznawany był za bohatera, a tytuł ten przyznawano tylko wybitnym wojownikom, artystom i filozofom. Lutnie sporządził Hermes w pierwszym dniu swojego życia. Później w prezencie otrzymał ją Apolin, a ten podarował ją Orfeuszowi. Śpiew i gra Orfeusza uspokajała najdziksze zwierzęta, a także najdziksze ludzkie serca. Spokój i harmonia panowały na ziemi. Największą miłością Orfeusz darzył swoją żonę,Eurydykę. Po jej śmierci z tęsknoty, wyprawił się na poszukiwania do podziemnego królestwa. Tam swoją grą i śpiewem uprosił Hadesa – władcę podziemi – by ten pozwolił Eurydyce powrócić do życia. Ten jeden jedyny raz Hades zgodził się, jednak pod warunkiem, że opuszczą podziemne królestwo nie oglądając się za siebie. Szczęście małżonków nie miało granic, niestety trwało bardzo krótko. Niepomna ostrzeżenia Hadesa Eurydyka obejrzała się i umarła po raz drugi. Bez Eurydyki życie Orfeusza stało się puste, a jego śpiew był smutny i pełen żalu. Niedługo też dopełnił się los wspaniałego śpiewaka. Podczas dorocznego święta Bakchosa Orfeusz grał tak rzewnie, że pijane kobiety – żądne zabawy – zaczęły rzucać w niego kamieniami. Lecz nawet kamienie, wzruszone jego śpiewem, zatrzymywały się w powietrzu. Wtedy kobiety rzuciły się na Orfeusza i zabiły go, a lutnię wrzuciły do rzeki Hebros. To wydarzenie wstrząsnęło światem. Ziemia, ludzie, bogowie, wszyscy przerażeni stanęli oniemiali. Muzy prosiły Zeusa, by ten przynajmniej lutnię umieścił na niebie, na pamiątkę wspaniałego śpiewaka i wspaniałej muzyki.

Najjaśniejszą gwiazdą w Lutni jest Wega , której jasność wynosi 0.14 jasności gwiazdowej . Obok Wegi znajduje się gwiazda podwójna . Jej składniki ( epsilon1 i epsilon2 ) są na niebie oddalone o 208 sekund kątowych . Te dwie słabe gwiazdki okrążają wspólny środek ciężkości raz na 300 tysięcy lat . Za pomocą małej lunety możemy się przekonać , że i one stanowią układ podwójny . Składniki epsilon1 oddalone są od siebie o 2,8 sekundy kątowej i obiegają wspólny środek ciężkości raz na 1166 lat , składniki epsilon2 dzieli od siebie 2,3 sekundy kątowej , a na obiegnięcie wspólnego środka ciężkości potrzebują 585 lat . Niedaleko od tych gwiazd znajduje się mgławica planetarna M57 , z uwagi na swój wygląd nazywana także pierścieniową.

W środku mgławicy znajduje się niewielka gwiazda o temperaturze powierzchni dochodzącej do 75 000K . Emituje ona głównie promieniowanie nadfioletowe , słabo zaś świeci w świetle widzialnym i dlatego możemy ją widzieć tylko na fotografii . Jest to prawdopodobnie gołe jądro starej gwiazdy , która odrzuciła zewnętrzne warstwy swej materii i powoli przekształca się w białego karła . Taki przypuszczalnie los w odległej przyszłości spodka również nasze słońce . Wiele ciekawych obiektów znajduje się także w gwiazdozbiorze Łabędź . Leży on w najszerszej i najbardziej urozmaiconej części Drogi Mlecznej , granicząc z gwiazdozbiorem Lutni . główne gwiazdy tworzą figurę przypominającą krzyż lub łabędzia z rozpiętymi skrzydłami .

Najjaśniejszą z nich jest Deneb , biały olbrzym oddalony od nas o 950 lat świetlnych . Wypromieniowuje on od 16 do 20 tysięcy razy więcej energii niż słońce i gdyby się znajdował w takiej odległości jak Syriusz , świeciłby na ziemskim niebie tak jasno , jak księżyc w pełni . Przy okazji warto się pokusić o odszukanie na niebie gwiazdy 61 Łabędzia . Nie jest to łatwe ponieważ ma ona 5,12 wielkości gwiazdowej . Gwiazda ta zasługuje na uwagę z dwóch powodów : po pierwsze – była gwiazdą , do której zmierzono odległość , a po drugie – jest to układ wielokrotny , składający się z dwóch gwiazd głównych i obiegających je trzech ciał mniejszych . Masa jednej z tych gwiazd wynosi 0.58 mas słońca , obiega zaś ją raz na 1.89 roku ciemniejszy towarzysz o masie 0.016 masy słońca . Druga z nich ma masę równą 0.60 masy słońca , a okrążają ją w ciągu 1.55 i 1.80 roku dwa ciemniejsze ciała o masach 0.026 i 0.020 masy słońca . Widać więc , że gwiazdozbiór Łabędzia zasługuje na uwagę.

W swojej pracy chciałabym przedstawić spojrzenie z pewnością wybitnego człowieka – Richarda. P. Feynmana na naukę i jej aspekty. Opierać będę się na książce “Sens tego wszystkiego” mówiącej o jego stosunku do życia, religii, polityki i nauki. Nie była to jedna z lektur obowiązkowych do przeczytania, jednakże zachęcona “Sześcioma prostymi kawałkami” – czyli wykładami – z ciekawością zabrałam się do czytania tym razem już innego rodzaju książki. Myślę, że Feynman jest osobą godną podziwu – szczególnie za tę ogromną wszechstronność, za to, ze nie zamykał się na inne dziedziny życia a umiał znaleźć się w nich chyba tak samo dobrze, jak w fizyce.
Zdecydowałam się pisać o wykładzie pt. “Niepewność nauki”, gdyż jak sama nazwa wskazuje – jest on związany z nauką i mam nadzieję okaże się interesujący nie tylko dla mnie.
Feynman omawia w wykładzie 3 aspekty nauki. Zaczyna od techniki. Jej oczywistą cechą jest stosowalność, czyli większa możliwość wytwarzania rzeczy. Niestety, nie zawiera ona instrukcji jak się z nią obchodzić – czy wykorzystywać ją dla dobra, czy zła. Zależnie od tego jak się ją wykorzysta skutki mogą być właśnie dobre, lub złe. Odpowiednim przykładem jest choćby transport powietrzny. Cieszymy się z jego rozwoju, a jednocześnie przeraża nas wizja wojny powietrznej.

“KAŻDY CZŁOWIEK OTRZYMUJE KLUCZ DO BRAM NIEBIOS -
TEN SAM KLUCZ OTWIERA WROTA PIEKIEŁ”

Dokładnie tak samo jest z nauką. Z jednej strony otwiera bramy do nieba, ale równie dobrze może się okazać, że to wrota do piekła. Nigdy nie wiadomo, która brama jest która. W tej sytuacji pewnie należałoby odrzucić ten cenny dar jakim jest klucz. Tylko jak to zrobić, nie wiedząc właściwie co tracimy?

Kolejnym aspektem nauki jest to, co zostało odkryte. Jest to jakby zapłata za dyscyplinę rozumowania i ciężką pracę. Nie wykonuje się jej dla korzyści z wdrażania w życie nowych osiągnięć. Powodem są wielkie emocje związane z odkryciami.

CZY NAUKA JEST NUDNA?
Mogłoby się tak wydawać.
Starożytni wierzyli, że Ziemia jest grzbietem słonia, który stoi na żółwiu pływającym w bezdennym oceanie. Była to rzeczywiście piękna i poetycka wizja. Ale czy ta, którą przedstawia się dzisiaj jest nudna???
Świat jest jak wirująca piłka a ludzie przytrzymywani są na niej ze wszystkich stron. Krążymy wokół słońca. Czy jest coś bardziej ekscytującego? Przytrzymuje nas siła grawitacji, która sprawia, że Ziemia jest okrągła, że słońce się nie rozlatuje a my krążymy wokół słońca nie mogąc się mimo usilnych prób od niego oddalić. Grawitacja działa nie tylko w gwiazdach, ale też pomiędzy nimi.
Nauka wciąż jednak nie jest dostatecznie doceniana. Np. Faraday w swoich “Dziejach świecy” czyli zbiorze sześciu opowiadań bożonarodzeniowych podsuwa nam pewną tezę. Mianowicie jest to stwierdzenie, że niezależnie od tego na co się patrzy i jak dokładnie się to robi – mamy do czynienia z Wszechświatem.

- 1 -

Próba zrozumienia sposobu działania przyrody to najpoważniejszy sprawdzian ludzkich zdolności umysłowych.

Trzeci aspekt nauki – metody odkrywania nowych rzeczy. Ta metoda opiera się na zasadzie, że obserwacje stają się sędzią, który stwierdza, czy coś jest takie czy też inne. Istnieje taka zasada nauki, która mówi, że jeśli istnieje wyjątek od jakiejś reguły i jeśli można dowieść go obserwacyjnie, to reguła ta jest błędna. Wyjątki od reguł są jednak bardzo ciekawe. Za wszelką cenę chce się wtedy znaleźć nową regułę – o ile oczywiście taka istnieje.
Jednak zasada, która rękę sędziego przyznaje obserwacji nakłada ograniczenia na to, jakie pytania mogą uzyskać odpowiedź. Pozostają pytania typu: “Co się stanie gdy to zrobię?”. Można to sprawdzić obserwacyjnie. Jednak racji bytu nie mają problemy typu:
” Czy powinienem to zrobić?”.
Obserwacje nie mogą być niestaranne. Wszystko musi być zrobione z ogromną ostrożnością. Inna – także bardzo ważna cecha nauki – to obiektywność.

Jest pewne spostrzeżenie, które głosi, że im konkretniejsza jest zasada, tym bardziej interesująca. Załóżmy, że ktoś mówi, że planety krążą wokół Słońca, gdyż materia planetarna ma pewien rodzaj tendencji, ruchliwości – nazwijmy ją seksapilem. Nie jest to jednak dobra teoria, mimo że mogłaby wyjaśnić też wiele innych zjawisk. Nie może ona jednak równać się z teorią mówiącą, że planety poruszają się wokół Słońca pod wpływem siły centralnej zmieniającej się odwrotnie do kwadratu odległości od centrum. Ta teoria okazuje się lepsza, gdyż jest konkretniejsza i wydaje się niemożliwe, by mogła być przypadkowa. Przy pierwszej teorii planety poruszałyby się w całej przestrzeni a my moglibyśmy powiedzieć:
“Właśnie tak działa seksapil!”

Napisałam wcześniej kto jest sędzią rozstrzygającym hipotezy. Ale pozostaje pytanie … SKĄD SIĘ BIERZE HIPOTEZA?
Szybki postęp i rozwój nauki wymaga wymyślania nowych rzeczy do testowania. Potrafimy rozstrzygnąć czy hipoteza jest poprawna czy nie, chociaż nie ma to nic wspólnego z tym skąd się ona wzięła! Sprawdza się jedynie, czy jest ona zgodna z obserwacjami.

Ludzie nie wierzą, że w nauce jest jednak miejsce na wyobraźnię. Dlaczego? Gdyż jest to jakby inny jej rodzaj. Nie taki, jaki prezentują artyści. Tutaj trudność polega na tym, że trzeba wyobrazić sobie coś nowego, co jednocześnie byłoby zgodne z zaobserwowanymi wcześniej sprawami a jednak odmienne od tego, co już wymyślono.

Nauka ma uniwersalny charakter. Nie jest dziedziną dla tzw. “lokalnych specjalistów”, gdyż najróżniejsze zasady muszą pozostawać ze sobą w zgodzie.

Stare zasady jednak mogą okazać się błędne. Zastanawiające – JAK TO JEST MOŻLIWE, że obserwacje mogą być złe? Jeżeli zostały dokładnie sprawdzone to jak mogą okazać się błędne? Dlaczego fizycy muszą zmieniać prawa?

- 2 -

Dzieje się tak gdyż prawa nie są tym samym co obserwacja, oraz dlatego, że doświadczenia zawsze są w jakimś stopniu niedokładne. Prawa są prawami zgadywanymi, ekstrapolacjami a nie czymś co bezpośrednio wynika z obserwacji. To, co wiadomo przeszło najpierw przez sito. Potem okazuje się, że ma ono jeszcze drobniejsze oczka i prawo przez te drugie już nie przechodzi.

WSZYSTKO CO O NAUCE MÓWIMY JEST NIEPEWNE , gdyż są to jedynie wnioski. Możemy się domyślać co się stanie, ale nie możemy być tego pewni.
Aby rozwiązać jakikolwiek problem TRZEBA ZOSTAWIĆ OTWARTE DRZWI DO NIEZNANEGO i dopuszczać możliwość, że nie mamy racji.

W sytuacji gdybyśmy nie chcieli podążać w nowych kierunkach , gdyby nie było możliwości nie tworzyłoby się żadnych nowych hipotez.

WĄTPIENIE – JEST OCZYWISTĄ WARTOŚCIĄ W NAUCE. JEST RZECZĄ WAŻNĄ I NIE NALEŻY SIĘ GO BAĆ.

Zanim przejdę do opisów … Przyznaję, że temat nie był łatwy, zważywszy na to, że wypada rozumieć to, o czym zamierza się napisać, aby było to w miarę sensowne. Do tego, że przy pierwszym podejściu nie mam zielonego pojęcia o co chodzi – zdążyłam się już przyzwyczaić – w końcu uczę się fizyki już piąty rok. Cóż, Niektórzy zwykli mawiać, że
“FIZYKA JEST PIĘKNA BO JEST PROSTA”, ale mi pozostaje jedynie kilka razy przeczytać to samo i mieć nadzieję, że ponieważ naturalnie “WYOBRAŹNIA JEST WAŻNIEJSZA OD WIEDZY” to moja wyobraźnia da o sobie znać … 
A trzeba przyznać – tutaj faktycznie hasło numer 2 jest bardzo przydatne.

Najprościej o czarnej dziurze napisać można, że jest ona “prostą i nieuchronną konsekwencją dwóch faktów:istnienia grawitacji, czyli siły powszechnej i zawsze przyciągającej, oraz tego, że nic nie może się poruszać z prędkością większą niż światło.” Teraz wyobrazić sobie trzeba, że utknęło się na jakiejś plancie i aby ją opuścić, trzeba wystrzelić się w górę. Jeśli prędkość początkowa będzie wystarczająca to uda nam się całkowicie oderwać od planety. Prędkość ucieczki zależeć będzie od masy planety i jej rozmiarów. Jest ona tym większa im większa masa i mniejszy promień tzn. im gęściej “upakowana” jest materia. Czarna dziura to ciało, które kurczy się do takich rozmiarów aby prędkość niezbędna do tego aby je opuścić przekracza prędkość światła. W takiej sytuacji ani światło, ani nic innego nie może się od niej oderwać.

W roku 1915 dokonała się w fizyce wielka rewolucja – za sprawą Alberta Einsteina. Ogłosił on równania swojej teorii grawitacji, bardziej znane pod nazwą Ogólnej Teorii Względności. Efektem pracy Einsteina była gruntowna rewizja dotychczasowych poglądów na temat struktury czasu i przestrzeni. Jego teoria nie przewidywała jednak istnienia czarnych dziur a jedynie dopuszczała ich istnienie jako załamanie czasoprzestrzeni pod wpływem masywnego ciała. Jednym z rozwiązań równań Einsteina jest zupełnie zwariowany obiekt, którego cała masa skupiona jest w jednym punkcie(zwanym osobliwością) a geometria czasoprzestrzeni zabrania ucieczki czemukolwiek, co znajdzie się w odległości mniejszej niż tzw. promień Schwarzhilda*.

Jak czarne dziury mogą powstawać? Wiadomo, że jest to masywny obiekt, który generuje takie pole grawitacyjne, że aby z niego uciec trzeba się poruszać z prędkością światła. Jeśli czarna dziura ma jeszcze większą masę to nic nie jest w stanie się z niej wydostać, nawet pojedynczy foton światła. Jak odkrył Hubble wszechświat nieustannie rozszerza się z dużymi prędkościami. Jest to następstwem oddalania się od siebie niezliczonej ilości galaktyk. Gdyby było tak do końca, kosmos stawał by się coraz zimniejszy i pusty, doprowadziłoby to do jego śmierci. Jest jednak siła, która może zwolnić a nawet powstrzymać tę ekspansję. To siła grawitacji. Nawet po śmierci gwiazdy, jej oddziaływanie trwa nadal. Astronomowie przypuszczają, że te martwe obiekty (czarne dziury)mogą kształtować przyszłość wszechświata. W cyklu śmierci gwiazdy, wyróżnia się następujące jej postacie:
- biały karzeł jest to pozostałość po “zmarłej” gwieździe. To jądro gwiazdy wielkości Słońca, które zapadło się pod wpływem działania siły ciężkości, gdy wypaliło się jej paliwo. Ma ono tak wielką gęstość, że jego materia wielkości kostki cukru ważyłaby na Ziemi tonę. Biały karzeł stygnie coraz bardziej, gdyż nie ma źródła energii. Może on jedynie wypromieniować swoje ciepło w przestrzeń kosmiczną. Z upływem lat stygnie, aż wreszcie staje się bryłą zimnego żużlu.
- Niektóre gwiazdy, dużo większe od słońca, kiedy osiągają kres swojego życia, wybuchają w eksplozji nazywanej SUPERNOWA. Jądro gwiazdy pod wpływem siły wybuchu , zaczyna się kurczyć, tworząc jakby olbrzymie jądro
- atomu. Wytwarza ona pole magnetyczne miliony razy większe od ziemskiego. Gwiazda ta wiruje … Podczas tego procesu wytwarza skupioną wiązkę promieniowania, która jak latarnia morska omiata przestrzeń. Z powodu pulsujących sygnałów, gwiazdy te otrzymały nazwę pulsarów.
- Po wybuchu jeszcze cięższych gwiazd (ok. 20x) pozostaje czarna dziura, obiekt, którego siła ciężkości jest tak ogromna, że nic nie może z niego uciec.

Gdybyśmy chcieli odwiedzić czarną dziurę … co stałoby się wtedy ?
Jest to wręcz nieprawdopodobna teoria. Niektórzy twierdzą, że te obiekty są tunelami do innego wszechświata (!!!), ale nie stabilnymi … Najmniejsze zakłócenie spowodowałoby ich odcięcie, i niemożliwością stałoby się przedostanie przez nie. Czarna dziura zakłóca czas w taki sposób, że jeśli dla kogoś kto do niej wpada upływają dwie sekundy, to na zewnątrz mija cała wieczność. W środku panuje koniec przestrzeni i czasu, po prostu … koniec wszystkiego.

W roku 1970 Hawking teoretycznie przewidział, że czarne dziury mogą parować. Okazuje się, że aby czarna dziura o masie 4 mas słońca wyparował, to musi upłynąć 10 lat
gdy czas życia wszechświata to 10 lat! Im mniejsza masa, tym szybciej paruje im większa – tym wolniej.

Końcowe produkty ewolucji gwiazd to – biały karzeł(od 0,2 do 1,5 mas Słońca, promień gwiazdy:od 5000 do 10 000 km, gęstość : 1t/1cm ) – nie jest to czarna dziura
- gwiazda neutronowa (powstaje w wyniku wybuchu supernowej, masa: do 3 mas słońca, promień ok. 10km, średnia gęstość:1mld/1cm
- czarna dziura powstaje w wyniku zapadnięcia się w sobie gwiazdy neutronowej
masa:powyżej 3 mas słońca, promień:kilka km, gęstość:nieokreślona do nieskończoności.

*PROMIEŃ SZWARZHILDA – nazwany na cześć człowieka, który rozwiązał równania grawitacyjne czarnej dziury – wyznacza sferę wokół osobliwości oddzielającą nasz świat od tego co jest “w środku” dziuryPowierzchnia tej sfery zwana jest horyzontem i taką właśnie funkcję pełni: spoza horyzontu niczego nie można dostrzec. A jeśli już coś pod ten horyzont wleci to już się nie wydostanie. W tym sensie czarna dziura jest “żarłoczna” gdyż pochłania wszystko co w nią wpadnie. Dotyczy to tylko ciał, które znajdą się w jej bezpośrednim pobliżu gdyż z dużej odległości czarna dziura oddziałuje grawitacyjnie dokładnie tak samo jak każda inna gwiazda.

Budowa elektrowni atomowych jest tematem bardzo kontrowersyjnym. Od dłuższego czasu mamy do czynienia z “małą wojną” między naukowcami przedstawiającymi argumenty “za” i ekologami przedstawiającymi argumenty “przeciw”. Obydwie strony oczywiście uważają, że ich teoria jest słuszna i nie chcą słyszeć o innej. Na podstawie zdobytych przeze mnie materiałów postaram się przedstawić w miarę obiektywnie argumenty jednej i drugiej strony. Jako, że nie zaliczam się do żadnej z tych grup mam nadzieję, że mi się to uda.

Obecnie w 31 krajach działa 437 reaktorów jądrowych. Wytwarzają one ok. 17% energii elektrycznej.
Na energetykę jądrową postawiły kraje Dalekiego Wschodu. Dynamicznie rozwija się energetyka jądrowa w Korei Południowej oraz Japonii. Nowe elektrownie pojawiają się również w krajach rozwijających się takich jak Indie, Pakistan czy Iran. Uruchomienie elektrowni jądrowej w Słowacji oraz decyzja rządu czeskiego o kontynuacji budowy elektrowni atomowej świadczą o tym, że także kraje europejskie liczą się z możliwością znacznego wzrostu zapotrzebowania na energię elektryczną. Kolejne reaktory jądrowe budują także:Federacja Rosyjska, Ukraina i Rumunia. W energetykę jądrową angażują się Argentyna i Brazylia. Również we Francji buduje się kolejną elektrownie atomową. Łącznie na świecie buduje się 14 nowych obiektów tego rodzaju.

Dziś większość ludzi uważa elektrownie jądrowe za zagrożenie. Naukowcy zastanawiają się, czy i kiedy Polska będzie zmuszona sięgnąć po energię atomową aby zaspokoić potrzeby energetyczne kraju. Szacuje się, że zapotrzebowanie na energię wzrośnie do 2020 roku od 60 do 120 %. Jest to więcej niż są w stanie wyprodukować obecnie działające elektrownie.

Prof. Andrzej Hrynkiewicz – jeden z najbardziej zagorzałych zwolenników rozwoju energii atomowej-:
“Na całym świecie energia elektryczna jest uważana za najlepszą postać energii końcowej, czyli tej, która powinna dotrzeć do konsumentów. Tymczasem w naszym kraju tylko niewielka część energii dociera do odbiorców pod tą postacią. Aż 27% energii dostarczanej odbiorcom to węgiel. Ale to nie koniec problemu – aż 97% energii elektrycznej w Polsce produkowana jest z węgla kamiennego lub brunatnego. Sytuacja taka budzi niepokój, gdyż energia z węgla jest bardzo szkodliwa dla środowiska”

Ze względu na bezpieczeństwo energetyczne kraju należałoby – wg Piotra Kieracińskiego – doprowadzić do większej dywersyfikacji źródeł pozyskiwania energii. I tu wprowadzenie energetyki jądrowej byłoby korzystne. Poza tym, energetyka atomowa jest jedyną czystą postacią energii, nie emitującą żadnych szkodliwych zanieczyszczeń. Zdaniem wielu analityków, przy obecnej strukturze pozyskiwania energii możliwe jest spełnienie zobowiązań ekologicznych do ok. 2010 roku. Dalej może ono okazać się zbyt kosztowne. Wtedy jedną z opcji stanie się wybudowanie elektrowni atomowych. Panują różne opinie, jedni uważają, że będzie to rok 2010, inni przesuwają tą datę jeszcze o 10 lat.

Czy energia atomowa warta jest zachodu … Koszty inwestycyjne są ogromne. Wybudowanie elektrowni atomowej jest o połowę droższe od wybudowania nowoczesnej elektrowni węglowej. ALE … okazuje się, że najdroższym paliwem energetycznym jest w tej chwili gaz ziemny. Przewiduje się, że będzie on drożał w przyszłości. Najbardziej stabilna sytuacja panuje natomiast na rynku paliwa jądrowego. Ponieważ potrzeba go niewiele, łatwo jest zgromadzić zapasy paliwa na wiele lat . Tymczasem paliwa kopalne są nie tylko kosztowne, ale i ich zapasy szybko się wyczerpują. Trzeba także zwrócić uwagę na to, że transport – który jest bardzo drogi i wciąż stanowi jedno z poważniejszych źródeł emisji zanieczyszczeń atmosfery – w przypadku elektrowni atomowych ogranicza się do cyklu inwestycyjnego a do pracy elektrowni węglowych potrzeba go bardzo dużo. Dochodzą jeszcze ogromne ilości odpadów. Do pracy elektrowni gazowych trzeba miliardów metrów sześciennych gazu ziemnego, przesyłanego ogromnymi kosztownymi rurociągami.

W latach 90. Kraje zachodnie zrealizowały dwa programy, na podstawie których ustalono koszty dla wytwarzania energii elektrycznej z węgla, gazu ziemnego oraz rozpadu atomu. . Okazało się, że koszty produkcji energii z gazu są o rząd wielkości (10x) wyższe od kosztów energii uzyskanej w elektrowni atomowej., a koszty energii z węgla – stukrotnie wyższe.

Według Tomasza Terleckiego z “Federacji Zielonych” argumentacja zwolenników energetyki jądrowej opiera się na założeniu, że aby uniknąć kryzysu energetycznego należy produkować więcej energii, tym czasem logika ekologiczna zaczyna się od przekonania, że lepiej racjonalnie i oszczędnie używać tego co jest, niż wytwarzać rzeczy nowe. W kraju, który nie cierpi na nadmiar pieniędzy, żeby na coś dać trzeba skądś wziąć. Wydatki na energetykę jądrową zablokują środki na strukturalne zmiany w gospodarce, na wykonanie programu oszczędnościowego, oraz przekreślają nadzieję na ograniczenie emisji zanieczyszczeń konwencjonalnych.” Nie licząc innych przyczyn, samo przyjęcie planu rozwoju energetyki jądrowej spowoduje wzrost zadłużenia kraju w roku 2010 do 79 mld dolarów i nie zaspokoi zapotrzebowania na energię. Według źródeł oficjalnych, w przypadku kontynuowania budowy elektrowni jądrowych, zapotrzebowanie na energię wzrośnie do 2010r. przynajmniej o 20% a elektrownie te (jeśli zostaną wybudowane na czas, co można między bajki włożyć)pokryją najwyżej 3-7% ogólnego bilansu energii” – twierdzi Terlecki. Według niego, nie dość, że każda elektrownia atomowa zamiast poprawiać – pogarsza problemy energetyczne kraju, to stwarza zagrożenia dla życia. Awarie w elektrowniach konwencjonalnych mają zasięg lokalny a ich skutki odczuwalne są przez ograniczony czas. Z elektrowniami atomowymi jest niestety inaczej. Radioaktywne pary, które przedostają się do środowiska nawet podczas bezawaryjnej pracy, zawierają pierwiastki promieniotwórcze, krążące w przyrodzie przez tysiące lat i zabijające wielokrotnie. Do tego należy dodać wycieki radioaktywne z innych ogniw łańcuch obiegu paliwa jądrowego, bez którego elektrownia działać nie może.

Awarie w elektrowniach atomowych są nieuniknione. Według raportów Międzynarodowej Agencji Energii Atomowej od początku lat 70 – tych zdarzyło się na świecie ok. 400 wypadków tzw. poważnych.
Dokładnie ile ich było – nie wiadomo, gdyż nie ma obowiązku informowania MAEA i opinii publicznej o awariach. Informacje na ten temat są ukrywane, aby nie straszyć ludzi i nie hamować rozwoju energetyki atomowej. Chmura radioaktywna ma tę zaletę, że jest niewidoczna. Nikt jednak nie zliczy ilu ludzi i innych żywych istot dotąd zabiły i ilu jeszcze uśmiercą.

Energetyka jądrowa niesie ze sobą jeszcze jeden nierozwiązywalny problem – pozbywanie się odpadów. Kto da gwarancję, że jakiekolwiek miejsce na Ziemi oraz jakikolwiek pojemnik wytrzymają w nienaruszonym stanie pół miliona lat? Bo tyle właśnie pluton-239 – najbardziej śmiercionośna substancja stworzona przez człowieka – powinien być odizolowany od środowiska.

Aby nie unicestwić ludzkości energetyka jądrowa wymaga absolutnie niezawodnych technologii oraz doskonale perfekcyjnego człowieka – mówi Terlecki. Są to marzenia nierealne i groźne. Normalne jest, że maszyna czasem się psuje a człowieka nieomylnego próżno by szukać. Każda technologia powinna to uwzględnić.

Rozwój naszego kraju nie może być oparty na nieodnawialnych paliwach kopalnych. Trzeba się zacząć przestawiać na czerpania energii ze źródeł, które są odnawialne, bądź niewyczerpywalne.

Najprostszym, najtańszym i najwydajniejszym sposobem zwiększania podaży energii jest jej oszczędzanie. Każda złotówka przeznaczona na zmniejszenie energochłonności przynosi kilkakrotnie więcej energii niż złotówka włożona w budowę nowej elektrowni. W latach 1973-1978 95% całkowitej dodatkowej podaży energii w Europie pochodziło z jej oszczędniejszego wykorzystania. Tym sposobem miliony zabiegów oszczędzających energię w skali indywidualnej przyczyniły się do uzyskania niemal 20 razy więcej energii, niż w tym czasie dały wszystkie nowe elektrownie europejskie razem wzięte, z elektrowniami jądrowymi włącznie.

Energia słoneczna dociera na Ziemię w ilościach prawie nieograniczonych w stosunku do potrzeb człowieka. Dlaczego nie wykorzystać tego? Energetyka geotermalna polegająca na wykorzystaniu ciepła Ziemi jest obiecująca. Według obliczeń krakowskich profesorów Romana Neya i Juliusza Sokołowskiego, tą drogą można pokryć 23% krajowego bilansu energii pierwotnej.

Właściwości Ciał Stałych I Cieczy

CIAŁO STAŁE- ciało wyróżniające się uporząd-kowanym układem atomów (cząsteczek), które tworzą trwałą strukturę, zwaną siecią krystaliczną; uporządkowanie polega na periodycznym powtarzaniu się w trzech kierunkach układu współrzędnych podstawowego mo-delu przestrzennego, zw. komórką elementarną krysz-tału. Do początków XX w. za ciała stałe uważano wszystkie substancje wykazujące sprężystość postaci (tzn. zdol-ność powracania do pierwotnych wymiarów i kształtu po przerwaniu działania sił odkształcających); właści-wość tę mają także takie ciała, jak szkliwa i polimery, zaliczane dawniej do ciał stałych, chociaż w strukturze ich brak uporządkowania przestrzennego; obecnie ciała te uważane są za przechłodzone ciecze ( bezpostacio-we ciała). Badania wykazały, że własności (mech., op-tyczne, elektr., magnet. i in.) ciał stałych zależą od rodzaju ato-mów wchodzących w skład c.s., ich rozmieszczenia (a więc wewn. budowy c.s.) i wzajemnego oddziaływania. Poznanie tych zależności ma ogromne znaczenie teore-tyczne i praktyczne; zajmuje się tym jedna z najmłod-szych dziedzin fizyki — fizyka ciał stałych.
Atomy (lub cząsteczki) c.s. tworzą sieć krystaliczną, tzn. zajmują one określone położenia w przestrzeni od-powiadające stanom równowagi, w których utrzymywa-ne są siłami wzajemnego oddziaływania; siły te są iden-tyczne z siłami wiązań chemicznych, wynikającymi z budowy powłok elektronowych atomów lub cząsteczek tworzących c.s. Zależnie od rodzaju wiązań chemicznych w sie-ci krystalicznej rozróżnia się następujące rodzaje kryszta-łów: o wiązaniach jonowych, wiązaniach walencyjnych Van der Waalsa, metalicznych i wiązaniach mieszanych. Wzajemne oddziaływanie atomów oraz ich prawidłowe rozmieszczenie w sieci krystalicznej decyduje o tzw. wła-snościach kolektywnych c.s., będących rezultatem su-mowania się efektów pochodzących od poszczególnych atomów (np. ferromagnetyzm, własności ferroelektr. niektórych dielektryków, nadprzewodnictwo elektr. me-tali i stopów w niskich temp.). Z anizotropią sieci kry-stalicznej związana jest anizotropia wielu własności fiz. (np. sprężystości, załamania światła). Siły wzajemnego oddziaływania powodują osłabienie wiązania między elektronami zewnętrznych powłok a resztą atomu. W pewnych przypadkach osłabienie takie może spowo-dować uwolnienie elektronów z ich powłok i wytwo-rzyć pewną liczbę swobodnych elektronów, wspólną dla wszystkich atomów (tzw. kolektywizacja elektro-nów).
Atomy (cząsteczki) drgają nieustannie wokół swych położeń równowagi; energia ruchu drgającego wzrasta ze wzrostem temperatury i w temp. topn. staje się więk-sza od energii wiązania sieci; porządek sieci zostaje zburzony i ciało przechodzi w stan ciekły. Drgania sieci krystalicznej wpływają m.in. na przewodnictwo elektryczne, gdyż z jednej strony ułatwiają oderwanie się elektronów walencyjnych z drugiej — utrudniają ruch swobodnych elektronów.
Struktura rzeczywistego kryształu nigdy nie jest do-skonała; w sieci istnieją tzw. defekty, np.: a) puste węzły, czyli luki nie obsadzone przez atomy, b) atomy umiej-scowione w międzywęzłach c) niewielkie domieszki ato-mów obcych, d) dyslokacje. Niedoskonałości sieci wpły-wają na wiele własności c.s. Szczególnie ważne są dyslo-kacje. Polegają one na przesunięciu części sieci w sto-sunku do reszty, przy czym spójność sieci jest zacho-wana, a ciągłość jej zaburzona. Rozróżnia się 2 typy dys-lokacji: krawędziową i śrubową. Dyslokacje mogą się przemieszczać wewnątrz kryształu pod wpływem mech. naprężeń. Z zagadnieniem dyslokacji wiąże się teoria wzrostu kryształów ( krystalizacja). Jeśli w zarodku kryształu jest dyslokacja śrubowa, to zawsze istnieje „uskok” płaszczyzny sieciowej, który ułatwia szybki wzrost kryształu; na gładkiej płaszczyźnie sieciowej wzrost jest wolniejszy. Nowsze badania wykazały, że dyslokacje istnieją w każdym krysztale. Udało się sztucz-nie otrzymać niemal doskonałe monokryształy w kształ-cie włosów, tzw. kryształy nitkowe lub włókniste, grubości rzędu 10-4 cm, wykazu-jące nie spotykane normalnie własności; np. kryształy nitkowe cyny mają 1000 razy większą wytrzymałość niż zwykła cyna.
Podstawowa cecha mech., polegająca na właściwości zachowywania swojego kształtu, czyni z c.s. niezastą-piony materiał w technice. Spowodowaną działaniem sił zewnętrznych deformację c.s. przekazują za pośred-nictwem wiązań sieci jedne atomy następnym; wobec tego sieć kryształu, przeciwstawiając się działaniu sił zewn. sprawia, że c.s. wykazują sprężystość. C.s. spotykane zwykle jako materiały konstrukcyjne nie są jednorodne, lecz składają się z drobnych monokryszta-łów; im drobniejsze są monokryształy, tym większa na ogół twardość, a mniejsza plastyczność materiału. Mo-nokryształy różnią się własnościami mech. od ciał, które tworzą (mają np. niższą granicę sprężystości).
Atom w sieci krystalicznej, drgając wokół swego po-łożenia równowagi, narusza równowagę sąsiednich ato-mów. W rezultacie drgania rozciągają się na całą sieć i mogą być traktowane jako fale sprężyste. Częstotli-wość drgań nie jest jednakowa, lecz ma pewne widmo od vmax (odpowiadającego częstotliwości promienio-wania podczerwonego) do v=0. Do fal sprężystych w c.s. stosuje się teorię kwantów; kwantami fal spręży-stych są cząstki o energii E=Ar; przez analogię z foto-nami rozpatruje się je jako quasi-cząstki — fonony (na-zwa pochodzi od gr. Phonema „głos” gdyż prędkość roz-chodzenia się fal sprężystych jest w przybliżeniu taka sama jak fal akustycznych). Znając statystyczny roz-kład widma częstotliwości można obliczyć zależność ciepła molowego od temp. T, zgodną z danymi doświad-czalnymi, wg których w niskich temp. (gdy r w 0K dąży do zera) ciepło właściwe dąży do zera proporcjonalnie do T3. Zależność ta pozwoliła również określać współ-czynniki rozszerzalności cieplnej c.s. Wśród c.s. rozróż-nia się dobre i złe przewodniki ciepła. Przewodzenie cie-pła odbywa się przez dyfuzję fononów lub za pośrednic-twem elektronów (prędkości elektronów są znacznie większe niż prędkość rozchodzenia się fononów). W większości c.s. w przewodzeniu ciepła biorą udział za-równo elektrony, jak i fonony, lecz nie w jednakowym stopniu (gdy przeważa mechanizm elektronowy, np. w metalach, ciało jest dobrym przewodnikiem).
Rezultatem selektywnego pochłaniania i odbicia światła padającego na c.s. jest jego barwa i połysk. Barwa c.s. zależy od rodzaju i rozmieszczenia atomów w c.s., a także od defektów sieci krystalicznej (luki w węzłach sieci, obce atomy), które są ośrodkami absorp-cji promieniowania. Zjawisko luminescencji powodują domieszki obcych metali w sieci krystalicznej.
Własności magnetyczne c.s. zależą głównie od konfigura-cji zarówno zewn., jak i wewn. powłok elektronowych atomów c.s. ( magnetyzm atomowy). Atomy są jakby elementarnymi magnesami; jeśli w polu magnet. ich momenty magnet. są różne od zera, to dążą do ustawie-nia się zgodnie z kierunkiem pola magnet. i c.s. ma wła-sności paramagnetyczne (paramagnetyzm) a jeśli atomy mają moment magnet. równy zeru, to pole mag-net. indukuje momenty skierowane przeciwnie i c.s. jest diamagnetyczne. Wśród c.s. zbudowanych z atomów paramagnetyków wyróżnia się nieliczna grupa kryszta-łów o własnościach antyferromagnetycznych i ferromagnetycznych; własności te (w odróżnieniu od diamagnetyzmu i paramagnetyzmu) są wyłącznie cechą kryształów i związane są ze sposo-bem uporządkowania atomów w sieci, polegającym na tym, że ich momenty magnet. ustawione są zgodnie-równolegle lub na przemian przeciwrównolegle (antyferromagnetyki). Stan jedna-kowego uporządkowania nie obejmuje całego kryształu lecz jego części, tzw. domeny magnetyczne.
Przewodnictwo elektr. w c.s. polega na ruchu nośni-ków ładunków elektr., np. elektronów; wartość prze-wodnictwa zależy więc od liczby tych nośników w c.s. Pod tym względem c.s. dzielą się na 3 grupy: przewod-niki (metale), półprzewodniki i dielektryki (izolatory). Wraz ze wzrostem temp. przewodnictwo elektryczne przewodników (metali) maleje, natomiast w temperatu-rach bliskich 0°K staje się ono bardzo duże (nadprze-wodnictwo). Przewodnictwo półprzewodników i dielek-tryków rośnie ze wzrostem temp.; w temp. niskich pół-przewodniki, praktycznie biorąc, nie przewodzą prądu elektr. Próbę wyjaśnienia istoty przewodnictwa metali podjął 1900 P. Drude, wychodząc z założenia, że w me-talach liczba swobodnych elektronów jest b. duża; z prac tych wywodzi się tzw. elektronowa teoria metali. W 1930—40 powstała ogólniejsza, kwantowomech. teoria, tzw. teoria pasmowa, która wyjaśniła m.in. istotę przewodnictwa elektr. c.s.
W swobodnych atomach elektrony powłoki atomo-wej znajdują się w określonych stanach (poziomach) energetycznych opisywanych liczbami kwantowymi; stany te oddzielone są strefami energii wzbronionej. Zgodnie z Pauliego zasadą wykluczenia poszczególny stan mogą zajmować 2 elektrony o przeciwnie skiero-wanych spinach. Każdy elektron powłoki może być przeniesiony ze swego stanu podstawowego do stanu wyższej energii — stanu wzbudzonego (jeżeli stan ten jest nie obsadzony), np. w wyniku pochłonięcia kwantu energii. Ponieważ sieć składa się z identycznych, roz-mieszczonych w sposób periodyczny atomów, zakłada się, że nierozróżnalność atomów rozciąga się na elek-trony ich powłok. Wszystkie elektrony należą więc do całego kryształu, traktowanego jako jedna wielka czą-steczka. Oznacza to, że każdy dozwolony poziom ener-getyczny swobodnego atomu musi być teraz zastąpiony przez pasmo b. bliskich siebie dozwolonych poziomów energetycznych, gdyż elektrony dostarczone do wspól-noty przez poszczególne atomy nie mogą obsadzać tego samego stanu kwantowego. W krysztale zawierającym N atomów istnieje więc tyleż stanów w każdym dozwo-lonym paśmie energii. Pasmo obsadzone przez elek-trony walencyjne nosi nazwę pasma podstawowego
lub walencyjnego, najbliższe dozwolone pasmo puste — odpowiednik stanów wzbudzonych w atomach swobod-nych- nazywa się pasmem przewodnictwa. W temp. 0°K elektrony obsadzają parami najniższe stany ener-gii w paśmie; jeżeli atomy mają po jednym elektronie walencyjnym (np. atomy metali alkalicznych), to pasmo podstawowe jest tylko w połowie wypełnione. Obecność nie obsadzonych stanów w tym paśmie umożliwia ruch elektronów wewnątrz pasma, a więc decyduje o prze-wodnictwie elektrycznym Liczba elektronów przewodzących prąd elektr. (tzw. elektronów przewodnictwa) jest tego samego rzędu co liczba atomów w sieci krystalicznej (tzn.1022 na cm3.Z nierozróżnalności elektronów w paśmie dozwolonej energii wynika, że się nie zmieni stan ener-getyczny kryształu, jeśli 2 elektrony zamienią swoje miej-sca i stany; stan wzbudzenia energetycznego w dowol-nym węźle sieci krystal. może się zatem przenosić na wszystkie równoważne węzły sieci; w ten sposób inter-pretuje się rozchodzenie się wzbudzeń optycznych i elektr. w krysztale. Gdy pasmo walencyjne i pasmo przewod-nictwa zachodzą na siebie, tzn. gdy nie oddziela ich strefa energii wzbronionej, c.s. jest przewodnikiem (np. metale). Jednak ruch elektronów nie odbywa się swo-bodnie; oporność elektr. spo-wodowana jest działaniem na elektrony pola elektrycz-nego jonów sieci krystal. oraz rozpraszaniem elektro-nów na fononach (gdy tem-peratura jest wyższa, zderze-nia z fononami są częstsze).
Półprzewodniki (samoist-ne) mają w temp. 0°K pasmo walencyjne całkowicie obsa-dzone elektronami i są do-skonałymi izolatorami; sze-rokość strefy energii wzbronionej Eg wynosi ok. 0,1-2 eV. Minimalne wzbudzenie energetyczne równe Eg umożli-wia elektronom przenoszenie się do nie obsadzonego pasma przewodnictwa. W paśmie podstawowym w wy-niku przeniesienia elektronu do pasma przewodnictwa pojawiają się nie obsadzone stany energetyczne, co umoż-liwia wzbudzenie energetyczne pozostałych elektronów w paśmie podstawowym, a zatem— przewodnictwo także w tym paśmie. Wolny stan energetyczny w paśmie podstawowym, powstały przez przeniesienie elektronu do pasma przewodnictwa, jest tzw. dziurą, zachowującą się jak elementarny ładunek dodatni. Prąd elektr. w paśmie podstawowym jest więc przenoszony przez dziury i elektrony w paśmie prze-wodnictwa. Dziury i elektro-ny rekombinują między sobą; ustala się więc pewien stan równowagi, określony szyb-kością powstawania par dziura-elektron oraz ich re-kombinacji, w danej tem-peraturze T>0°K. Równowadze tej odpowiada określona koncentracja dziur i elektronów, zależna m.in. od szerokości strefy wzbronionej. Pary dziur i elektronów mogą się także tworzyć pod wpływem absorpcji kwan-tów światła. Przewodnictwo elektr. Półprzewodników niesamoistnych zależy w dużym stopniu od koncentracji defektów oraz domieszek donorowych i akceptorowych.
Dielektryki mają pasmo podstawowe w temp. 0°K w pełni obsadzone elektronami, szerokość strefy wzbro-nionej Eg jest tak znaczna, że odpowiada wzbudzeniu kwantami promieniowania nadfioletowego. W temp. pokojowej koncentracja swo-bodnych elektronów i dziur jest więc mała, czego rezulta-tem są własności izolacyjne. Absorpcja światła prowadzi często do wzbudzeń, zw. ekscytonami. Ekscyton — związana ze sobą para elek-tron i dziura, może wędro-wać w krysztale w wyniku rezonansu kwantomech. i powodować różnorodne efekty, np. luminescencję w wyniku rekombinacji na atomach domieszek.
Badania optycznych własności c.s. zapoczątkował 1669 E. Bartholin który zauważył dwójłomność szpatu isl. Opis kryształu opierano początkowo wyłącznie na symetrii ścian, a później, gdy zrozumiano, że symetria zewn. jest odbiciem uporządkowania atomów wewnątrz kryształu, podjęto badania metodami optycznymi. F.E. Neumann wyjaśnił 1833 zależność między zjawiskami optycznymi a symetrią kryształów. Stephen Gray (1670-.1736) stwierdził 1731, że istnieją ciała dobrze przewo-dzące i źle przewodzące elektryczność, a Franz Urlich Theodor Apinus (1724-1802) uzupełnił to twierdze-nie zakładając, że istnieją ciała o własnościach pośred-nich. Badania wpływu ośrodka na pole magnet. zapocząt-kował 1846 M. Faraday. Jednakże dopiero w końcu XIX w. fizycy zainteresowali się szerzej badaniem wła-ściwości c.s. Okres ten zapoczątkowały 1880 prace Pierrea i Paula Jacques’a Curie nad zjawiskiem piezoelektryczności (polegającym na powstaniu wewn. polaryza-cji elektr. w krysztale pod wpływem zewnętrznych na-prężeń mech.) oraz badania w dziedzinie magnetyzmu c.s. Osiągnięcia fizyki atomowej, a gł. odkrycie promie-ni rentgenowskich wpłynęło na burzliwy rozwój badań w dziedzinie fizyki c.s. W 1912 M. Laue a 1913 W.H. i W.L. Braggowie opracowali rentgenowskie metody ba-dania struktury atomowej ciał; pozwoliło to wyodręb-nić ciała bezpostaciowe spośród ciał występujących w stanie stałym. Dzięki rozwojowi fizyki statystycznej, a przede wszystkim powstaniu 1900 teorii kwantów, A. Einstein 1906 i P. Debye 1912 wyjaśnili własności ciepl-ne c.s. Dzięki zastosowaniu mechaniki kwantowej do teorii c.s. powstała 1930-40 teoria pasmowa (A.H. Wilson N.F. Mott, F. Bloch, L.Brillouin). Wyjaśnienie isto-ty defektów sieci krystal. i ich wpływu na własności c.s. zawdzięcza się m.in. J.J. Frenklynowi i W. Shottkyemu. Badania nad zastosowaniem półprzewodników uwień-czone zostały odkryciem tranzystora ostrzowego (J. Bardeen, W. Brattain 1949) i warstwowego (W. Shockley 1951).
Szczególne cechy elektronowe półprzewodników de-cydują o wciąż rozszerzających się badaniach ich wła-sności, o coraz liczniejszych zastosowaniach tech.; już dziś elektronika nie może się obejść bez takich urządzeń półprzewodnikowych, jak tranzystory, termistory, pro-stowniki, fotodiody, fototranzystory, diody tunelowe itp. Również własności dielektryków wykorzystuje się w nowoczesnej technice; np. tlenek glinu z niewielką domieszką chromu, czyli rubin (o rubinowej barwie mi-nerału decyduje domieszka chromu, który w sztucznie hodowanych kryształach jest odpowiednio dozowany), oziębiony ciekłym helem może być użyty jako maser krystaliczny, czyli jako wzmacniacz lub generator mi-krofalowy.
CIECZ- ciało, które ma określoną objętość, a nie ma określonej postaci; stan ciekły jest jednym ze stanów skupienia materii. Własności cieczy są zależne od temperatury; w niższych temp., bliskich krzepnię-cia, ciecz wyraźniej upodabnia się do ciał stałych (krysta-licznych), a w wyższych temperaturach — do ciał ga-zowych. Ciecz różni się od gazów głównie tym, że jej cząsteczki (drobiny) silnie oddziałują wzajemnie na siebie za pośrednictwem sił – Van der Waalsa; wskutek tego przeprowadzenie dowolnej cząsteczki z wnętrza cieczy na jej powierzchnię (zwiększenie powierzchni) wymaga wykonania pracy, czego wyrazem jest napięcie po-wierzchniowe cieczy. Podobieństwo cieczy do stałych kryształów wynika m.in. stąd, że atomy lub cząsteczki cieczy są upo-rządkowane w małych obszarach i, wg teorii (1925) radź. Fizyka J.I. Frenkla, wykonują drgania dokoła swych położeń równowagi; cząsteczki te przechodzą jednak od jednego położenia równowagi do drugiego znacznie łatwiej niż w kryształach. Własności cieczy w nor-malnych warunkach są na ogół izotropowe (nie zależą od kierunku); nieliczne ciecze których pewne własności fi-zyczne są trwale anizotropowe ,zw. są ciekłymi kryształami; reprezentują one pośred-ni stan skupienia między cieczą a ciałem stałym.
W odpowiednio niskiej temperaturze ciecz krzepnie i przechodzi w ciało stałe, krystaliczne; krystalizacja zaczyna się w otoczeniu tzw. zarodzi (za-rodków) krystalicznych, tj. w otoczeniu jakiegokolwiek kryształka lub zanieczyszczenia mech.; gdy w cieczy brak zarodzi krystalicznych (np. w starannie oczyszczonej wodzie), można jej temperaturę obniżyć poniżej tem-peratury krzepnięcia; otrzymuje się wtedy ciecz przechłodzoną. Każda ciecz posiada pewną lepkość (wewn. tarcie pojawiające się przy względnych ruchach różnych warstw cieczy) która wzrasta przy obniżeniu tem-peratury cieczy.; w szczególności u niektórych cieczy wzrost lep-kości przy obniżaniu temperatury jest tak duży, że nie mogą krystalizować, lecz przechodzą w bezpostaciowe ciało stałe (np. szkło, lak).
Przy podwyższaniu temperatury zmniejsza się lep-kość oraz zwiększa się intensywność parowania cieczy.; jeśli w c. tej znajdują się ślady dowolnego gazu, to w pew-nej temperaturze zaczyna ona wrzeć ( wrzenie); po usunięciu z cieczy gazu (np. przez staranne jej go-towanie) można ją podgrzać powyżej temperatury wrzenia nie wywołując wrzenia; otrzymuje się ciecz przegrzaną.
Badaniem właściwości c. zajmują się hydrome-chanika, rozpatrująca ciecz jako ośrodek ciągły, na który działają siły zewn oraz kinetyczna teoria cieczy ( kinetyczna teoria materii), obejmująca procesy mole-kularne (międzycząsteczkowe) zachodzące w samej cieczy; z punktu widzenia mechaniki płynów (aero i hydro-mechaniki) c. jest — obok gazu — płynem.

ogólnie…
Piorun to zjawisko bardzo gwałtowne, bardzo groźne dla istot żywych (w tym i dla człowieka), ale także bardzo piękne. Powstaje podczas burz i może uderzać od chmury w ziemię lub, szczególnie jeśli jest wysoki obiekt lub wzniesienie, od ziemi do chmury. Występują także wyładowania między chmurami i w obrębie jednej chmury, mają one jednak mniejszą energię niż te zwykłe miedzy chmurą a ziemią. Powietrze jest złym przewodnikiem prądu, więc piorun szuka najkrótszej drogi do ziemi, wybiera zatem najwyżej położone punkty i dobre przewodniki (maszty, dzwonnice, samotne drzewa, wieże kościelne, słupy energetyczne itp.). Nie jest to jednak zasada, bo piorun może uderzyć w pozornie bezpieczne miejsce. Zwłaszcza, gdy porusza się pod kątem do powierzchni ziemi (może wtedy prazić nawet podstawę wysokiego masztu). Ten czasem nawet poziomy ruch pioruna tłumaczy się tym, że przskok iskry następuje kanałem najmniejszego oporu elektrucznego, a powietrze nie jest jednorodne i w różnych miejscach przewodzi prąd inaczej (przewodnictwu sprzyjają zanieczyszczenia, pyły, silna struga deszczu). Nieprawdą jest natomiast pogląd, że metale lub wysoko położone punkty ściągają pioruny.
w liczbach…
Zazwyczaj długość pioruna waha się w granicach kilometra, ale spotkano także takie, które miały więcej niż 10 km. Zanotowano iskry o długości 40-50 km, a nawet o długości… 150 kilometrów Napięcie między chmurą, a ziemią (dla pioruna ok. kilometrowego) ma wartość kilkuset milionów voltów [V], czyli kilkuset megavoltów [MV] (nie jest to jednak stała wartość, bo zależnie od panujących w danej chwili warunków atmosferycznych [obfitość deszczu, zanieczyszczenie, temperatura i ciśnienie powiertza] może być mniejsza lub większa). Dla

porównania w naszych gniadkach elektrycznych znajduje się 220-230 V, w telefonie ok. 40 V, w sieci tramwajowej 600 V, a w liniach wysokiego napięcia do 4 500 000 V (4,5 MV). Także natężenie prądu pioruna jest astronomiczne – przeciętnie 20 000 A (amperów), ale występują także silniejsze natężenia – do 250 000 A, a nawet do 500 000 A. Mając napięcie i natężenie (odpowiednio: 100 000 000 V i 10 000 A) otrzymujemy średnią moc pioruna – 1 000 000 000 000 W (watów), czyli 1 TW (terawat). Jest to moc niewyobrażalnie wielka, która niszczy wszystko, nawet izolatory w liniach elektrycznych wysokiego napięcia. Piorun jednak niesie zwykle mało energii (jakieś 150 – 200 kWh), a to dlatego, że trwa niezwykle krótko. Każdy piorun produkuje masę potrzebnych florze związków, w tym 100-1500 kg tlenków azotu, co rocznie na całej ziemi daje 100 000 000 000 kg tych substancji. Istnieją miejsca na ziemi (np. wyspa Jawa), które mają średnio 222 dni burzowe w roku, ale występują tam też lata, w których jest ich aż 322. W Polsce rocznie jest do 36, a na wybrzeżu Kalifornii do 8 dni burzowych. Rocznie na świecie porażonych przez pioruny jest kilka tysięcy osób, dziennie kilkudziesięcu. Cały czas nad powierzchnią ziemi szaleje ponad 40 tys. burz. W czasie burzy na naszych terenach pojawia się średnio 65 piorunów na godzinę, a w rejonach tropikalnych nawet 10 000.
Szerokość kanału pioruna zmienia się w czasie i rośnie od kilku milimetrów do 2-3 centymetrów, jego temperatura osiąga 25 000 K (kelvinów), czyli ponad cztery razy więcej niż powierzchnia Słońca.
podział…
Wyodrębnia się jeden podział: na pioruny wileokrotne i na jednokrotne. Wyładowania można także podzielić na burzące i zapalające. Wiadomo, że piorun to nic innego jak tylko krótkotrwały przepływ prądu. Gdy uderza w skałę, mur, czy drzewo tak jak w powietrzu szuka miejsca o jak najmniejszym oporze elektrycznym. Jeśli spłynie po powierzchni skały, muru czy po zewnętrznej części drzewa może to spowodować tylko odłupanie kawałka gruzu lub kory w przypadku drzewa. Ale gdy wniknie do wnętrza skały czy muru spowoduje (choć to jest skała bądź w drugim przypadku murowana ściana) jej odparowanie tak gwałtowne, że zostanie ona rozsadzona; gdy przeniknie do wnętrza drzewa zamieni naturalną wodę w roślinie w parę wodną i tak jak w poprzednim przypadku gaz o ogromnej temperaturze (nawet 25 000oK) i gigantycznym ciśnieniu zacznie się rozprężać, co spowoduje rozsadzenie pnia drzewa. Przy czym drzazgi i kawałki drzewna rozlecą się z wielką szybkością i mogą ranić przebywające w pobliżu osoby lub zwierzęta. Zdarza się, że piorun po uderzeniu pozostawia z małego domu stertę gruzu.

Np. w Columbos w USA zdarzył się kiedyś przypadek zburzenia kamiennego mostu, który wyglądał jak po uderzeniu ciężkiej bomby. Takie skutki są podobne do skutków wybuchu ładunku chemicznego i są charakterystyczne dla wyładowania o ogromnym natężeniu prądu, które określa się jako burzące. Jak łatwo obliczyć, krótkotrwałość i wysokie natężenie oznacza dużą moc pioruna. Natomiast te wyładowania, które mają małą moc (stosunkowo małe natężenie i długotrwałość) to pioruny zapalające. Są przyczyną większości pożarów lasów i domostw oraz szybów naftowych – powodują największe szkody bo działają dłużej.

Jedną z największych tajemnic cywilizacji ludzkiej zawsze stanowiła grawitacja. Zjawisko które w fizyce nigdy do końca nie zostało wyjaśnione. Grawitacja występuje prawie wszędzie ale pod różnymi formami : w jaskini gdzie przyciąganie ziemskie jest mniejsze niż na powierzchni, w wodzie gdzie na każde ciało działo siła wyporu skierowana pionowo do góry równa ciężarowi wypartej cieczy, w powietrzu gdzie im wyżej tym przyciąganie się zmniejsza oraz na powierzchni gdzie wszystko jest przyciągane pionowo do dołu.

Wiele greckich filozofów i naukowców próbowało odkryć prawa grawitacji, jednak nikomu nie udało się tak naprawdę tego zrozumieć. Dopiero w XVII wieku człowiekowi dociekliwemu, pochodzącego z ubogiej rodziny udało się zgłębić sekrety przyciągania ciał. Isaac Newton odkrył ciążenie w przyrodzie, na „słynnym zjawisku spadanie jabłka”. Twierdził on bowiem, że Ziemia przyciąga jabłko jako całość, to znaczy, że każdy atom Ziemi przyciąga każdy atom jabłka i odwrotnie. Tak też dzieje się w kosmosie, każde ciało niebieskie przyciąga swoje sąsiednie. Gdyby nie te ciążenie, już dawno Ziemia albo inna planeta by powę- drowała w siną dal.

Prawo „wzajemnego przyciągania się ciał” Newtona utrzymywało się przez prawie 250 lat. Wszyscy po nim sławni naukowcy kierowali się jego stwierdzeniami i tezami, aby dowiedzieć się czegoś więcej o grawitacji. Wszystko jednak się zmieniło na początku XX wieku, po opublikowaniu czterech słynnych prac naukowych Alberta Einsteina, ze słynnym jego powiedzeniem „Bóg nie gra w kości z Wszechświatem” – co było pokazaniem, że wszystko rządzi się określonymi prawami. Jego słynna teoria względności głosiła, że ciało materialne zakrzywia przestrzeń, co znaczyło, że ciało spada w jego kierunku. Te nowiny i doniesienia zmieniły sposób myślenia o ciążeniu. W twierdzeniach Einsteina można się dowiedzieć, że nawet światło bez masy poddaje się grawitacji.

Jak każde zjawisko oraz rzecz ma swoje zalety i wady. Bez grawitacji moglibyśmy np. bez trudu wnieść się w powietrze, lecz bez przyciągania wzajemnych ciał, dawno by Słońce wpadło na Ziemię. Dla bezpieczeństwa cywilizacji oraz całego świata człowiek nie powinien zanadto się ingerować w prawa fizyki i chemii.

FALE ELEKTROMAGNETYCZNE

Fale elektromagnetyczne – zaburzenia pola elektromagnetycznego rozchodzące się w przestrzeni ze skończoną prędkością. Fale elektromagnetyczne są falami poprzecznymi, tzn. w każdym punkcie pola wektor natężenia pola elektrycznego E i wektor indukcji magnetycznej B są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fal elektromagnetycznych i do siebie, a ich prędkość rozchodzenia się w próżni c m/s. Własności, warunki powstawania i rozprzestrzeniania się fal elektromagnetycznych opisują w zupełności równania falowe wynikające z równań Maxwella. Istotny wpływ na takie własności fal elektromagnetycznych, jak prędkość rozchodzenia się, polaryzacja, natężenie, ma ośrodek, w którym się fale elektromagnetyczne rozchodzą. W realnych ośrodkach występuje dyspersja fal elektromagnetycznych, tzn. zależność prędkości ich rozchodzenia się od częstości fali. Charakterystyczne dla fal elektromagnetycznych są zjawiska interferencji, dyfrakcji, załamania, oraz całkowitego wewnętrznego odbicia. Charakterystyka przestrzenno-czasowa fal elektromagnetycznych jest określana zarówno przez własności ośrodka, w którym się one rozchodzą, jak przez własności źródła promieniowania. Najprostszy przypadek wzbudzenia oraz rozprzestrzeniania się fal elektromagnetycznych stanowi wzbudzenie w jednorodnym ośrodku izotropowym za pomocą drgającego dipola Hertza. Stanowi go odcinek przewodu o długości l ( – długość wytwarzanej fali elektromagnetycznej), elektrycznie obojętny jako całość, opisany przez elektryczny moment dipolowy. W odległości od dipola dużo większej od tworzy się strefa falowa, gdzie rozchodzą się fale elektromagnetyczne poprzeczne, spolaryzowane liniowo. Ze względu na różne sposoby wytwarzania, odbioru i detekcji fal elektromagnetycznych, jak również ze względu na różny charakter ich oddziaływania z materią rozróżnia się: fale elektromagnetyczne

 niskiej częstości ( =10 – 10 m),
 fale radiowe ( =10 )-fale elektromagnetyczne wytwarzane, gdy swobodne elektrony zaczynają drgać (a więc są przyspieszane) pod wpływem pola elektrycznego. Ponieważ częstość zależy od przyłożonego pola, fale powstają raczej jak regularny strumień, a nie losowo. Stosowane w komunikowaniu się na odległość.
 fale świetlne ( =10 -dzielą się na promieniowanie podczerwone, światło widzialne i promieniowanie ultrafioletowe. Promieniowanie podczerwone są to fale elektromagnetyczne wytwarzane przez gorące ciała. Powodują największy przyrost temperatury spośród wszystkich fal elektromagnetycznych, ponieważ są najłatwiej pochłaniane. Światło widzialne, to fale elektromagnetyczne, które może wykrywać oko. Wytwarzane przez lampy wyładowcze i każdą rozżarzoną substancję. Powoduje zmiany chemiczne, np. na błonie fotograficznej, a różne długości fal w paśmie są widziane jako różne barwy. Promieniowanie ultrafioletowe są to fale elektromagnetyczne wytwarzane np. przy przepływie prądu elektrycznego przez zjonizowany gaz pomiędzy dwoma elektrodami. Są także emitowane przez słońce, lecz tylko niewielka część osiąga powierzchnię ziemi (większość traci energię na jonizację atomów w atmosferze). Te małe ilości są istotne dla życia, lecz większe dawki są niebezpieczne. Ultrafiolet wywołuje fluorescencję, np. w świetlówkach, a także szereg reakcji chemicznych, np. ciemnienie skóry.
 promieniowanie rentgenowskie ( =10 -fale elektromagnetyczne jonizujące gazy, wywołujące fosforescencję i zmiany chemiczne w materiałach fotograficznych . Wytwarzane w lampach rentgenowskich, mają liczne zastosowania.
 promieniowanie gamma ( <10 -fale elektromagnetyczne emitowane przez substancje promieniotwórcze. Są w tym samym paśmie , co promieniowanie rentgenowskie, lecz powstają inaczej i zajmują górny kraniec pasma ze względu na energię.

Najbardziej krótkofalowe promieniowanie elektromagnetyczne obserwuje się w promieniowaniu kosmicznym. Trzeba tu zaznaczyć, że podział taki ma charakter umowny, ponadto w przypadku promieniowania rentgenowskiego i promieniowania gamma odpowiadające im długości fal nie są powszechnie jednoznacznie przyjęte. Największe różnice we własnościach fal elektromagnetycznych z różnych zakresów objawiają się przy ich oddziaływaniu z materią. Przy długościach mniejszych od podczerwieni dominują procesy o charakterze wybitnie kwantowym. Obecny stan techniki budowy urządzeń radiowych bardzo wysokich częstości pozwala zarówno rejestrować fale elektromagnetyczne wysyłane przez atomy i cząsteczki, jak wytwarzać fale elektromagnetyczne mogące być w sposób selektywny pochłaniane przez atomy i cząsteczki, co pozwala na badanie wielu interesujących zjawisk kwantowych w zakresie fal radiowych (radiospektroskopia).