Fascynująca fizyka
Fascynująca fizyka to z jednej strony wędrówka przez świat współczesnych badań z zakresu fizyki, a z drugiej – ilustrowana podróż przez krainę zarówno rozwikłanych zagadek, jak i niewyjaśnionych tajemnic naszego wszechświata. Zapraszamy na pełną odkryć podróż od tajemnic świata kwantowego po zorze polarne, od czarnych dziur po system GPS, od akceleratorów cząstek po wahadło Foucaulta – ta książka oferuje wciągającą podróż przez najbardziej ekscytujące i aktualne zagadnienia współczesnej fizyki! Rozpoczynamy od odpowiedzi na pytania jak powstały Słońce, Księżyc i gwiazdy? Ludzie zaczęli opisywać swoje otoczenie astronomiczne za pomocą równań fizycznych. Obecnie dzięki ogromnym teleskopom możemy obserwować coraz dalsze zakątki kosmosu, szukać planet spoza Układu Słonecznego, badać cykl życia bliższych i dalszych gwiazd, a nawet prognozować przyszłość Drogi Mlecznej i wszechświata. W rozdziale
Astronomia i astrofizyka zebraliśmy niektóre z najciekawszych zagadnień i odkryć z zakresu astronomii oraz astrofizyki. Co wspólnego mają ze sobą magnes, kocie futro z ładunkiem elektrycznym i światło? Znacznie więcej, niż można byłoby przypuszczać na pierwszy rzut oka. Światło, ładunki i magnetyzm są ze sobą ściśle powiązane. Dzięki teorii
elektromagnetyzmu i optyce jesteśmy dziś w stanie zrozumieć, w jaki sposób fale radiowe są odbierane przez antenę, jak powstają błyskawice w chmurach burzowych oraz czemu na gorącej pustyni możemy zaobserwować zjawisko fatamorgany. W rozdziale
Elektromagnetyzm i światło omówimy je dokładniej. Dlaczego samolot lata? W jaki sposób odbywa się samooczyszczanie się liścia lotosu? Dlaczego czas płynie tylko w jednym kierunku? Te pytania i wiele innych można wyjaśnić, odwołując się do mechaniki klasycznej i statystycznej – właśnie tym zagadnieniom jest poświęcony rozdział
Mechanika i termodynamika. Co oznacza E = mc
2? Jak mamy sobie wyobrażać wirujące czarne dziury? I jak działa GPS? Na te i inne fascynujące pytania odpowiedzi udzielają szczególna i ogólna
teoria względności, które Albert Einstein sformułował na początku XX wieku. Jak głęboko w kosmos możemy zajrzeć? A jak daleko w głąb czasu? Jak powstał wszechświat i jakie informacje możemy uzyskać, analizując mikrofalowe promieniowanie tła? Tymi zagadnieniami oraz perspektywą dużych struktur kosmicznych zajmiemy się w dziale
Kosmologia. Czym jest funkcja falowa i co opisuje zasada nieoznaczoności? Czym jest próżnia kwantowa i jak zachowują się nadciecze? Czy będziemy już niedługo korzystać z komputerów kwantowych? Tymi pytaniami zajmiemy się w dziale
Atomy i mechanika kwantowa. Z czego składa się materia? Czym jest cząstka Higgsa, a czym antymateria i co dokładnie bada się w Wielkim Zderzaczu Hadronów? Na te pytania odpowiemy w rozdziale
Świat cząstek elementarnych. Co witraże Chagalla mają wspólnego z nanocząsteczkami? Jakie występują rodzaje sieci krystalicznych i czym są kwazikryształy? A jak działają diody elektroluminescencyjne? W rozdziale
Geofizyka przedstawimy pokrótce niektóre z najbardziej ekscytujących zagadnień dotyczących ciał stałych. Czym jest teoria strun, a czym zasada holograficzna? Czy żyjemy w multiwersum (wieloświecie)? Jak dokładna jest nasza aktualna znajomość praw fizyki? W rozdziale Granice wiedzy przedstawiamy najbardziej obiecujące teorie proponujące rozwiązania tych problemów.
Wstęp V
1. Astronomia i astrofizyka 1
Słońce i jego pole magnetyczne – Plamy słoneczne i rozbłyski 2
Powstanie Układu Słonecznego – Dyski akrecyjne i protoplanety 4
Powstanie Księżyca – Jak kolizja planety Thei stworzyła Księżyc 6
Wulkany w Układzie Słonecznym – Siły pływowe, Księżyc niczym pizza i kriowulkany 8
Prawa Keplera – Ruchy planet 10
Satelity z orbitami geosynchronicznymi – Artystyczne pętle na niebie 12
Manewry rakiet – Taniec po Układzie Słonecznym 14
Na skraju Układu Słonecznego – Gdzie jest granica? 16
Planety pozasłoneczne – Poszukiwanie planet poza Układem Słonecznym 18
Rozgwieżdżone niebo – Gwiazdy, planety i Droga Mleczna 20
Narodziny gwiazd – Jak obłoki gazowe tworzą gwiazdy 22
Klasyfikacja widmowa – Jaki kolor mają gwiazdy? 24
Diagram Hertzsprunga–Russella – Temperatura, jasność i cykl życia gwiazd 26
Cefeidy – Pulsujące gwiazdy 28
Mgławice planetarne – Kres zwykłych gwiazd 30
Białe karły – Wypalone gwiazdy 32
Supernowe typu Ia – Kiedy białe karły stają się bombami atomowymi 34
Supernowe z kolapsu grawitacyjnego – Kres gwiazd o wielkiej masie 36
Gwiazdy neutronowe – Wypalone gwiazdy o wielkiej masie 38
Gwiazdy-giganty i hipernowe – Krótki żywot i wybuchowy kres wyjątkowo masywnych gwiazd 40
Świece standardowe – Latarnie kosmosu 42
Supermasywne czarne dziury – Giganty grawitacji w centrum galaktyk 44
Galaktyki aktywne – Międzygalaktyczne magnetyczne proce 46
Rodzaje galaktyk – Różnorodność galaktyk 48
Losy Drogi Mlecznej – Spotkanie Drogi Mlecznej i Galaktyki Andromedy 50
Kolizje galaktyk – Zderzenia gigantów 52
2. Elektromagnetyzm i światło 55
Pola wektorowe i linie pola – Pomocne szkice wskazujące kierunki 56
Oddziaływanie elektromagnetyczne – Równania Maxwella dla pól elektromagnetycznych 58
Dipol Hertza – Drganie i rozprzestrzenianie 60
Burza – Błyskawice, ognie świętego Elma i czerwone duszki 62
Kolory – Jak barwny jest świat? 64
Załamanie światła – Światło na zakręcie 66
Tęcza – Estetyczne załamanie światła na kropli wody 68
Anizotropia – Podwójne widzenie bez alkoholu 70
Soczewki optyczne – Odwzorowania i jego błędy 72
Optyka adaptatywna – Inteligentne zwierciadła 74
Miraże – Latający Holender, fatamorgana i wyspy-widma 76
Urządzenia maskujące – Metamateriały i sen o byciu niewidzialnym 78
3. Mechanika i termodynamika 81
Zasady dynamiki Newtona – Dlaczego ciała się poruszają? 82
Zasada najmniejszego działania – Twierdzenie Noether 84
Wahadło Foucaulta – Dowód na ruch obiegowy Ziemi 86
Żyroskopy, na które nie działają żadne siły – Swobodnie obracające się ciała w stanie nieważkości 88
Żyroskopy z zewnętrznym momentem obrotowym – Precesja i nutacja 90
Prawo powszechnego ciążenia – O spadających jabłkach i krążących planetach 92
Prędkości kosmiczne – Wznoszenie się i spadanie w polu ciężkości ciał niebieskich 94
Pływy – Jak Księżyc powoduje przypływy i odpływy 96
Prawo Archimedesa – Czyli dlaczego statki mogą zatonąć w Trójkącie Bermudzkim 98
Fizyka płynów – Wiry i turbulencje 100
Dlaczego samolot lata? – Bernoulli czy Newton? 102
Zwyczajne fale wodne – Ich wyjątkowe właściwości fizyczne 104
Nadzwyczajne fale wodne – Tsunami, solitony i fale-giganty 106
Efekt lotosu – Współzawodnictwo między kohezją i adhezją 108
Ruchy chaotyczne – Deterministyczne, lecz nieprzewidywalne 110
Drgające struny i płyty – Czy można zobaczyć dźwięki? 112
Rezonans – Wychwycić właściwą nutę z drgań 114
Siły pozorne – Odczuwalne siły bez przyczyny 116
Materia granularna – Ciekła i zarazem stała 118
Ruchy Browna – Nieprzewidywalne zachowanie kurzu, pyłków i kursów akcji 120
Entropia i drugie prawo termodynamiki – Co nadaje czasowi kierunek 122
Maszyna parowa i spółka – Na ile sprawdza się maszyna na energię cieplną? 124
Ujemne temperatury bezwzględne – Goręcej niż gorąco 126
4. Teoria względności 129
Czym jest czas? – Uporczywa iluzja 130
Prędkość światła i szczególna teoria względności – Światła nie można prześcignąć 132
Rotacja Terrella – Zawiła sprawa 134
E = mc2 – Masa jako uwięziona energia 136
Grawitacja i ogólna teoria względności – Einsteina teoria powszechnego ciążenia 138
Czasoprzestrzeń nierotujących czarnych dziur – W mackach przestrzeni i czasu 140
Czasoprzestrzeń rotujących czarnych dziur – W wirze przestrzeni i czasu 142
Napęd warp – Jak prześcignąć światło 144
Tunele czasoprzestrzenne – Na skróty przez przestrzeń i czas 146
GPS – Określanie lokalizacji przez sygnał satelitarny 148
5. Kosmologia 151
Głębokie spojrzenie we wszechświat – Oko w oko z przeszłością dzięki teleskopowi Hubble’a 152
Rozszerzający się wszechświat – Dlaczego nocne niebo jest ciemne? 154
Mikrofalowe promieniowanie tła – Mikrofale z wczesnej fazy istnienia wszechświata 156
Ciemna materia – Wszechświat jest cięższy niż się wydaje 158
Przyspieszona ekspansja i ciemna energia – Brakująca forma materii we wszechświecie 160
Wielki Wybuch i inflacja kosmologiczna – Dlaczego przestrzeń jest płaska, a tło wszędzie jednakowo zimne 162
Narodziny materii – Co wydarzyło się 10–10 sekund po Wielkim Wybuchu 164
Horyzonty kosmiczne – Jak daleko sięga wzrok w czasie i przestrzeni 166
Struktury kosmiczne – Siatka materii 168
Powstawanie struktur kosmicznych – Potęga grawitacji 170
Soczewkowanie grawitacyjne – Jak zważyć wszechświat za pomocą pozornie zniekształconych galaktyk 172
Fale grawitacyjne – Rytmiczne zniekształcenia czasu i przestrzeni 174
Pośredni dowód istnienia fal grawitacyjnych – Sygnały kosmiczne służące pomiarowi czasoprzestrzeni 176
Bezpośredni dowód istnienia fal grawitacyjnych – Pomiar niewielkich zniekształceń 178
6. Atomy i mechanika kwantowa 181
Model atomu Bohra – Czym jest atom? 182
Jądra atomowe – Znane od stu lat i wciąż nie do końca zrozumiane 184
Rozpad promieniotwórczy – Jądra atomowe w stanie nierównowagi 186
Dualizm korpuskularno-falowy – Cząstki poruszają się jak fale 188
Funkcja falowa – Rozmyte cząstki 190
Efekt tunelowy – Cząstki bez pozwolenia na pobyt 192
Eksperyment Francka–Hertza – Skoki energetyczne w atomach 194
Spin cząstki – Kwantowanie obrotu 196
Reguła Pauliego – Dlaczego elektrony unikają się nawzajem 198
Paradoks EPR i nierówności Bella – Czy mechanika kwantowa jest niepełna? 200
Teleportacja kwantowa – Beam me up, Scotty! 202
Interpretacja mechaniki kwantowej – Kot Schrödingera i koncepcja wieloświatów Everetta 204
Plazma – Czwarty stan skupienia 206
Reaktory jądrowe – Zaawansowana technologicznie energia z ognia słonecznego 208
Przemiany fazowe – Stałe, ciekłe, gazowe… i inne! 210
Kondensaty Bosego–Einsteina – Atomy w kwantowo-mechanicznym równym kroku 212
Stany topologiczne materii – Wiry i zwoje 214
Chłodzenie laserem – Dlaczego gazy mogą się schładzać po naświetleniu 216
Nadprzewodnictwo – Opór jest daremny 218
Nadciecze – Jeszcze bardziej mokro 220
Próżnia kwantowa – Jak mocno uciska nicość? 222
Mikroskopia elektronowa – Mikroskopy dla skali nanometrowej 224
Skaningowy mikroskop tunelowy – Jak ujrzeć pojedyncze atomy 226
Nanoświaty – Na samym dole jest jeszcze pełno miejsca 228
Lasery – Maszerujące cząstki światła 230
Komputer kwantowy – Bity kwantowe: tak, nie, być może 232
Jednostki SI – Miara świata 234
7. Świat cząstek elementarnych 237
Model standardowy fizyki cząstek – Kwarki, leptony i trzy oddziaływania podstawowe 238
Diagramy Feynmana – Język relatywistycznej teorii pola kwantowego 240
Oddziaływanie silne – Siła łącząca kwarki 242
Oddziaływanie słabe – Rozpady cząstek, bozony W, Z oraz Higgsa 244
Neutrina – Efemeryczne cząstki-widma 246
Antymateria – Odbicie zwierciadlane materii i jej niszczycielska siła 248
Naruszenie symetrii zwierciadlanej – Inne oblicze świata po drugiej stronie lustra 250
Plazma kwarkowo-gluonowa – Stopione protony i neutrony 252
Promieniowanie kosmiczne – Bogatsze w energię niż promieniowanie w największym akceleratorze 254
Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) – Najpotężniejszy akcelerator cząstek 256
Odkrycie cząstki Higgsa – Krok milowy w fizyce cząstek 258
8. Kryształy i inne ciała stałe 261
Plazmony – Olśniewający blask kwantów 262
Ferromagnetyzm – Siła magnesów podstawowych 264
Sieć krystaliczna – Czternaście sposobów na okresowe wypełnienie przestrzeni 266
Krystalizacja – Od zalążka do dojrzałego kryształu 268
Kwazikryształy – Nieperiodyczne, a jednak symetryczne 270
Ciekłe kryształy – Porządnie mokre 272
Elektrony w półprzewodnikach krystalicznych – Od izolatora do przewodnika za sprawą
szczypty arsenu 274
Diody półprzewodnikowe – Elektryczne ulice jednokierunkowe 276
Diody elektroluminescencyjne – Świecące kryształy i giętkie ekrany 278
9. Geofizyka 281
Budowa wnętrza Ziemi – Podróż do podziemia 282
Dryf kontynentów – Prądy konwekcyjne i tektonika płyt 284
Izostazja – Wspólne cechy kontynentów i gór lodowych 286
Trzęsienia Ziemi i fale sejsmiczne – Starcia płyt kontynentalnych 288
Jądro Ziemi jako źródło pola magnetycznego Ziemi – Wewnętrzne geodynamo naszej Ziemi 290
Pole magnetyczne Ziemi i zorze polarne – Kiedy wiatr słoneczny rozświetla niebo 292
Epoki lodowcowe i cykle Milankovicia – Skąd biorą się zlodowacenia? 294
Ruchy lodowców – Wędrujące olbrzymy 296
Globalne ocieplenie – W jaki sposób gazy cieplarniane podgrzewają naszą planetę? 298
10. Granice wiedzy 301
Supersymetria – W poszukiwaniu superpartnerów 302
Teoria strun i M-teoria – Poszukiwanie wzoru na świat 304
Ukryte wymiary – Ile wymiarów ma przestrzeń? 306
Multiwersum i zasada antropiczna – Za horyzontem 308
Światy bran – Teoria strun to więcej niż tylko struny 310
Entropia i temperatura czarnych dziur – Czarne dziury nie są całkowicie czarne 312
Zasada holograficzna – Czy nasz świat to hologram? 314
Pętlowa grawitacja kwantowa – Kwanty czasoprzestrzeni 316
Wykaz ilustracji 318
Skorowidz 329
