WIEK MATERII

16 lutego nz.r. 2021 w audycji „Pytania z Księżyca” niestety niedostępnej w publicznym archiwum padło pytanie:

Czy cała materia we wszechświecie ma ten sam wiek?

Dr Rożek odpowiedział m. in.:

W pewnym sensie tak.

oraz:

Generalnie cała materia jest w tym samym wieku, a ten wiek to dokładnie tyle, ile ma wszechświat.

wspominając jednak wcześniej o procesach anihilacji i kreacji oraz ich marginalnym znaczeniu (bo dotyczą bardzo niewielkiej części materii w obecnym wszechświecie). Pod koniec porównywał materię do „Pudła z klockami”:

To coś ma tyle lat, ile lat mają te klocki.

 Jeśli będziemy zastanawiać się nad wiekiem klocków, to istotne jest jak małe są te klocki, czy to nie są klocki zbudowane z mniejszych klocków:

 Próbując ustalić wiek poszczególnych atomów na Ziemi (bo zmierzyć go nie potrafimy), można zauważyć spore różnice między poszczególnymi pierwiastkami. Wodór (obecny na ziemi głównie w cząsteczkach wody) jest wodorem zwykle od początku istnienia Wszechświata. Z helem może być już przeróżnie. Część powstała razem z wodorem, a część powstaje do dziś w procesie syntezy jądrowej we wnętrzach gwiazd oraz na skutek radioaktywności.
Pierwiastki cięższe od wodoru, ale nie cięższe od żelaza powstawały w gwieździe lub gwiazdach, z których resztek, po wybuchu supernowej, postał nasz Układ Słoneczny. Większość pierwiastków jeszcze cięższych powstała w trakcie tego wybuchu. Część z tych pierwiastków powoli i stopniowo rozpada się na lżejsze do dzisiaj. Więcej o tym można przeczytać we wpisie ROZPAD ATOMU.
Jeśli jednak zastanowić się nad wiekiem jeszcze mniejszych klocków – cząstek, z których składają się atomy – to można zauważyć, że sprawa nie jest taka oczywista.
Teorie względności ujawniły, a wiele doświadczeń potwierdziło bardzo nieoczekiwane zjawisko różnego tempa upływu czasu w zależności od prędkości poruszania i od dużych mas w sąsiedztwie. Planety w Układzie Słonecznym są różnie oddalone od ogromnej masy – Słońca, a w dodatku w związku z tym poruszają się po orbitach z różnymi prędkościami, co jeszcze pogłębia ten efekt. Ponieważ Słońce nie jest czarną dziurą, a te prędkości, choć spore, są dużo mniejsze od prędkości światła, to efekt ten jest bardzo niewielki.
Jeśli założymy, że planety przez większość czasu istnienia układu krążą po podobnych orbitach (co w kilku przypadkach jest założeniem błędnym, bo planety migrowały), możemy wyliczyć, że przez niemal 5 miliardów lat, które minęły od powstania układu, na Ziemi minęło około 30 lat mniej niż na najbardziej odległych ciałach obiegających Słońce. A na Merkurym około 190 lat mniej. Merkury zatem jest około 160 lat młodszy od Ziemi! Co więcej, stare góry mogą być starsze od dolin, okolice równika mieć inny wiek od biegunów. Tu sprawy bardzo się komplikują ze względu na wypiętrzanie się obszarów, wędrówkę kontynentów. Te różnice między różnymi kawałkami Ziemi, a nawet różnice związane z większą masą Ziemi niż Merkurego są znikome w porównaniu z tymi opisanymi wcześniej. Żadne znane ciało nie obiega Słońca bliżej niż Merkury, jednak na Słońcu też jest materia. Jeśli coś mimo ciągłych wybuchów wytrwało w pobliżu jego powierzchni przez od początku jego powstania, to może być około 10000 lat młodsze od Ziemi.
Ciała znajdujące się w okolicy gwiazd neutronowych i czarnych dziur mogą się różnić wiekiem dużo bardziej.
Wycieczki kosmiczne nie są jednak sposobem na subiektywną długowieczność. Procesy w mózgach podróżników też zachodziłyby wolniej i nie poczuliby, że żyją dłużej, jednak można w ten sposób przetrzymać ciężkie czasy tracąc nieco mniej własnego.
Nie potrafimy i nie zanosi się, żebyśmy wkrótce potrafili mierzyć tak rozumiany wiek materii. Szkoda, bo byłoby to wspaniałe narzędzie do badania historii kosmosu. Powyższe rozważania nie są jednak całkiem bezużyteczne. Dużo mniejsze niż te wynikające z odległości i prędkości orbitalnej wokół Słońca są te związane z oddaleniem i obieganiem Ziemi, a jednak musimy je brać pod uwagę przy pomiarze czasu w sztucznych satelitach. Taki pomiar, bardzo precyzyjny, jest konieczny w satelitach systemów pozycjonowania (na przykład GPS). Bez uwzględnienia tego zjawiska, zwanego dylatacją czasu, działanie tych systemów byłoby niemożliwe.

Samozwańczy Instytut Poznawczy im. Ewy de Raj

ZUPEŁNA CISZA

28 września nz.r. 2020 w audycji… Nie, tym razem na stałe ucichła audycja „Pytania z Kosmosu” w radiowej „Trójce”, przez ostatni miesiąc nie będąca już częścią porannej „Zapraszamy do Trójki”, bo ta została zlikwidowana.
Wydawało się już, że jedyną odpowiedzią na tytułowe pytania będzie zupełna cisza, aż tu…

5 stycznia nz.r. 2021 w audycji nazwanej niebawem „Pytania z Księżyca” o dawnej porze i w sprawdzonym schemacie, lecz w rozgłośni internetowej „Radio 357” znów można było usłyszeć red. Łukawskiego i dr Rożka. I można nadal, nawet nieco częściej, bo również w piątki, co daje nadzieję na stałe dostawy tematów na niniejszą stronę. Na przykład:

15 stycznia nz.r. 2021 w audycji „Pytania z Księżyca” niestety niedostępnej (póki co, miejmy nadzieję) w publicznym archiwum padło pytanie:

Czy istnieje cisza absolutna?

Dr Rożek w ciekawy sposób opowiedział m.in. o ciszy w próżni, o różnicach między stanem faktycznym a naszymi odczuciami – „deprywacji sensorycznej”. Jeśli pojawi się taka możliwość, to warto posłuchać.

Niniejszy wpis nie odnosi się do wypowiedzi dr Rożka (stąd brak cytatów), lecz do popularnych skojarzeń związanych z akustyką. Spora część ludzi wiąże głośność z decybelami, a decybele z głośnością. Najprawdopodobniej dużo mniejsza prawidłowo odpowie na pytanie, ile decybeli ma wspomniana cisza absolutna.
Wiele mierzonych przez nas wartości zmienia się w „rozsądnym” zakresie. Przynajmniej w ramach jednego tematu. Jeśli nie jesteśmy kosmonautami, to odległości, które przemierzamy nie różnią się diametralnie. Przynajmniej w jednej dziedzinie – rzadko potrzebujemy porównać długość kroku z przebiegiem samochodu. Podobnie jest z masą, czasem, temperaturą. Ale są wielkości, które nawet w naszym otoczeniu potrafią różnić się bardzo. Do nich należy natężenie dźwięku. Najmocniejszy krzyk może być głośniejszy od ledwo słyszalnego szelestu bilion razy. Jeśli chcielibyśmy używać do tego „zwykłej” liniowej skali potrzebowalibyśmy na przykład przedrostków i ten pierwszy mierzyli w W/m² (watach na metr kwadratowy), a drugi w pW/m² (pikowatach na metr kwadratowy, czyli bilionowych częściach W/m²). Przy porównywaniu hałasu trzeba by to wszystko dzielić, a nawet znów zaglądać do dawnego wpisu MASA ZIEMI o wielkich liczbach.
Przy takich wielkościach wygodnie jest stosować skalę logarytmiczną. W popularnej wersji takiej skali wzrost o 1B (bel), czyli 10dB (decybeli) oznacza 10 razy większą wartość – w naszym przypadku – natężenia dźwięku. 20dB różnicy to 100 razy większa wartość, 30dB – 1000 razy itd. Odrzutowiec wytwarzający hałas o natężeniu 160dB jest głośniejszy od silnika samochodu generującego 80dB nie dwukrotnie, ale 100 milionów razy! Swoją drogą świadczy to o tym, jak wspaniały zmysł nam wyewoluował. Bolesny jest dla nas dopiero hałas 130dB, czyli 10 bilionów razy mocniejszy od najcichszego szeptu, który mogliśmy usłyszeć (mogliśmy, bo po takim przeskoku przynajmniej przez jakiś czas nie będziemy w stanie)

Dźwięki, z którymi mamy do czynienia mniej wygodnie opisywać przy użyciu „zwykłej”, liniowej miary, ale jeszcze trudniej pokazać je na takiej skali graficznie. Konieczne jest stosowanie jakichś powiększeń:

Można było oś skierować w dół – w końcu od czego jest rolka w myszce – ale jeśli różnicy między zerem a progiem słyszalności miałby odpowiadać 1mm na ekranie, to hałas samolotu naddźwiękowego trzeba by umieścić dalej niż Pluton.
Trzeba zaznaczyć, że natężenie dźwięku nie opisuje mocy akustycznej źródła, lecz głośność w określonym miejscu. Dlatego położenie symboli na powyższej skali należy traktować jako przybliżone. Odpowiadają one głośności w odległości około 1m od źródła. Wraz z oddalaniem się natężenie dźwięku będzie malało – czterokrotnie przy każdym dwukrotnym oddaleniu, co odpowiada spadkowi o około 6dB.
Tak. Mnożenie wartości odpowiada dodawaniu w skali logarytmicznej, a dzielenie – odejmowaniu. W wielu sytuacjach jest to bardzo wygodne. Tłumiki wyciszają iluś-krotnie, co odpowiada odjęciu iluś dB. Wyciszenie 10-krotne odpowiada odjęciu 10dB od poziomu głośności. Ile razy nie zmniejszać czegoś 10-krotnie, to i tak zawsze coś zostanie. To, że czegoś nie słyszymy, to nie znaczy, że nie istnieje, ponadto można to zwykle wzmocnić. Całkowita, taka próżniowa cisza to nie zero, ale minus nieskończona liczba decybeli.
Najczęściej kojarzone z dźwiękiem decybele są często używane na przykład w elektronice (i to niekoniecznie tej związanej z przetwarzaniem dźwięków). Moce fal radiowych (szczególnie te odbierane względem nadawanych) różnią się tak bardzo, że stosowanie skali logarytmicznej jest w tym przypadku również bardzo wygodne. A tłumienie tłumików czy wzmocnienie wzmacniaczy jest zwykle wyrażane właśnie w decybelach. Używa się również innych skal logarytmicznych już bez tej jednostki. Należy do nich na przykład magnituda trzęsień ziemi (1 stopień więcej to 10 razy większa wyzwolona energia). W książce „What if? A co, gdyby?” (ten wpis nie miał wersji internetowej) Randall Munroe opisywał, co wywołuje trzęsienia ziemi o… ujemnej magnitudzie. Tak, 0 stopni (dawniej w skali Richtera) to nie zupełny spokój, tak jak 0dB to nie zupełna cisza.
W tym wpisie kilkukrotnie pojawiło się słowo „logarytmiczna”, które dla wielu ludzi brzmi złowrogo lub przynajmniej niemiło się kojarzy. Niedawno korespondent RMF Classic B. Frymorgen w przygotowanej wcześniej audycji mówił o nowym logarytmie liczenia zakażeń koronawirusem w Wielkiej Brytanii (mając na myśli algorytm najprawdopodobniej). A przecież logarytmowanie to drugie, obok pierwiastkowania, działanie odwrotne do potęgowania, które z jakichś przyczyn jest w edukacji zwykle gorzej traktowane.

Samozwańczy Instytut Poznawczy im. Ewy de Raj

JOWISZ ZAMIAST KSIĘŻYCA

21 września nz.r. 2020 w audycji „Pytania z kosmosu” dostępnej pod adresem:

https://www.polskieradio.pl/9/5364/Artykul/2586495,Co-by-sie-stalo-gdyby-miejsce-naszego-Ksiezyca-zajal-Jowisz

padło pytanie:

Co by się stało z Ziemią, gdyby zamiast naszego Księżyca nagle pojawił się Jowisz?

Dr Rożek odpowiedział m.in.:

Ziemia spadłaby na Jowisza w ciągu kilkunastu godzin. Trzeba pamiętać, że Jowisz to planeta gazowa, więc nie ma twardej powierzchni, więc to spadanie (…) nie przypominałoby raczej rozbijania, raczej by wyglądało to trochę jak zasysanie.

W takiej sytuacji zderzenie tych dwóch ciał nastąpiłoby z prędkością ponad 50km/s. Można wyobrazić sobie przemierzanie Polski w ciągu 10 sekund… Samo zetknięcie się atmosfer przy takiej prędkości spowodowałoby ogromne tarcie z wydzielaniem ogromnych ilości ciepła, czyli wielkie fajerwerki. Rozrzucona przy okazji materia stałaby się w dużej części materiałem na pierścienie, przy których te wokół Saturna wypadałyby blado. W niezapomnianym roku 1994 mieliśmy okazję obserwowania zderzenia mierzącej około 2km komety z Jowiszem. Ślady tego wypadku w atmosferze wielkiej planety sięgały swoimi rozmiarami Ziemi. Kometa została już przy poprzednim zbliżeniu rozerwana przez siły pływowe Jowisza. Naszej planecie podczas takiego upadku nie groziłoby to – dzięki dużej gęstości mocno się trzyma w całości, jednak podczas zbliżania zostałaby mocno rozciągnięta. Wody oceanów szybko skupiłyby się na obszarach najbliżej i najdalej Jowisza. Te zmiany wraz z ogromną aktywnością geologiczną sprawiłyby, że raczej nikomu nie byłoby dane zaobserwować samo zderzenie.

Dr Rożek również wziął pod uwagę siły pływowe, chociaż w innej sytuacji:

Gdyby Jowisz był na miejscu Księżyca od zawsze (…). Bylibyśmy wtedy w podobnej odległości jak jeden z księżyców, Io, który jest nieustannie ugniatany przez Jowiszową grawitację. To powoduje bardzo dużą aktywność geologiczną, wulkaniczną na tym księżycu, więc tego samego można by się spodziewać a powierzchni Ziemi, a więc powstanie ogromnej liczby wulkanów, bardzo częste erupcje tych wulkanów.(…) Trzeba by się przyzwyczaić do ogromnych, ale to naprawdę ogromnych przypływów i odpływów mórz i oceanów (…)

Jeśli Ziemia obracałaby się nadal tak jak teraz, faktycznie tak by się stało. Jednak pływy to nie perpetuum mobile. Te wywołane na Ziemi przez Księżyc (i w mniejszym stopniu przez Słońce) sprawiają, że Ziemia obraca się coraz wolniej. Bardziej bezpośrednią przyczyną jest to, że ta niewielka część wody, która nie obraca się z Ziemią, lecz z Księżycem, przez tarcie bardzo powoli wyhamowuje całą planetę. Podobne zjawiska sprawiły, że wszystkie duże księżyce w Układzie Słonecznym (o czym była już mowa we wpisie OBROTY NA NIEBIE) są stale zwrócone tą samą stroną do obieganej planety. Jeżeli dodatkowo orbita jest kołowa, to siły pływowe działają tam nadal ale ich efekt to trwałe rozciągnięcie satelity wzdłuż osi łączącej go z planetą.
Skąd zatem taka aktywność na Io? Przecież jest stale zwrócona (tak, to ona) tą samą stroną do Jowisza i obiega go po kołowej orbicie. Sęk w tym, że Io nie jest sama. Niewiele dalej Jowisza obiega również spora Europa, a za nią 2 kolejne galileuszowe księżyce. Ponieważ Europa krąży dalej to obiega Jowisza dłużej (dokładnie dwukrotnie), przez co szarpie Io w coraz to inną stronę.
Dlaczego zatem na Europie nie dzieją się takie cuda jak na Io (gdzie powierzchnia podnosi się i opada o ok 100m i to w cyklu kilkudziesięciu godzin)? Przecież oba księżyce mają podobne rozmiary i masę.

 Obracający się księżyc można porównać do piłeczki ugniatanej przez skręcane i rozkręcane imadło. Księżyc, który już się poddał i jest stale zwrócony tą samą stroną do planety można porównać do piłeczki złapanej w imadle na stałe. Io jest złapana mocniej, Europa – słabiej. Wzajemny wpływ tych dwóch księżyców można porównać do prób wyciągania piłeczek z imadła. Choć są wyciągane z podobnymi siłami, to Io trzymana mocniej przez jowiszowe imadło cierpi na tych próbach bardziej, a Europa się im poddaje wychylając nieco. Gdyby Io była w okolicy samotna, nie byłaby idealną kulą, ale na powierzchni panowałby spokój.
W pytaniu słuchacza Księżyc miał zostać podmieniony Jowiszem, nie byłoby zatem w okolicy kolejnych ciał wywołujących pływy (Słońce wywołuje na Ziemi mniejsze niż Księżyc), zatem po burzliwym okresie dostrajania ruchu obrotowego sytuacja uspokoiłaby się. Swoją drogą nie byłaby to tak wielka zmiana, ponieważ okres obiegu wokół Jowisza po orbicie o takich wymiarach, jak orbita Księżyca wokół Ziemi wynosi 36 godzin i tyle wynosiłby okres obrotu.
Jak Kuba Bogu, tak Bóg… a przecież Jowisz to bóg z górnej półki a Io i Europa to jego kochanki. Tak duże i bliskie księżyce również wywołują pływy na Jowiszu. Z powodu braku stałej powierzchni objawiają się one „garbami” okrążającymi planetę. Ziemia jest prawie 70 razy cięższa od Io, a krążąca jeszcze nieco bliżej powodowałaby prawie 100-krotnie silniejsze pływy na wielkiej planecie.
Wśród atrakcji związanych z okrążaniem tak wielkiej planety można wymienić jasne noce i codzienne, półtoragodzinne zaćmienia słońca (na połowie Ziemi zwróconej do Jowisza) oraz silniejsze niż obecnie na Ziemi i do tego bardzo zmienne pole magnetyczne. Miałoby to wiele ciekawych konsekwencji nie tylko dla cywilizacji.

Samozwańczy Instytut Poznawczy im. Ewy de Raj