przełom w historii fizyki Rok 1905 - 2005 Światowy Rok Fizyki przełom w historii fizyki Jan Pluta, UTW, 15.10.2007

Albert Einstein opublikował 5 prac, które: W 1905 roku Albert Einstein opublikował 5 prac, które: zmieniły zasadniczo nasze rozumienie praw przyrody, zrewolucjonizowały rozwój fizyki i techniki w XX wieku: stały się podstawą nowych odkryć i wynalazków, stały się podstawą konstrukcji nowych urządzeń technicznych, inspirują nas obecnie (po 100 latach) do nowych poszukiwań.

Rozpoczynamy wykład.

Wykładowca: Prof. dr hab. Jan Pluta Wydział Fizyki PW, Zakład Fizyki Jądrowej Gmach Fizyki, pok. 117c (wejście przez pok. 115) Tel: 022-234-7375, sekretariat: 022-234-7267 E-mail: pluta@if.pw.edu.pl www: http://if.pw.edu.pl/~pluta  wersja polska  wykłady  UTW

Literatura: A.Einstein, 5 prac, które zmieniły oblicze fizyki, Wyd. UW, Warszawa M. Skłodowska-Curie, Autobiografia i wspomnienie o Piotrze Curie, Dom Wyd.-promocyjny GAL, Warszawa, 2004, A.K. Wróblewski, Historia Fizyki, PWN, Warszawa, 2006, oraz zawarte tam referencje

Plan wykładu: Fizyka przełomu wieków: XIX i XX 5 prac, które zmieniły oblicze fizyki Rozwój fizyki w XX wieku Fizyka współczesna

Mechanika – równania Newtona Fizyka końca XIX wieku. Mechanika – równania Newtona Elektromagnetyzm – równania Maxwella Powszechna opinia – fizyka jest „nauką zamkniętą” tj. opisuje poprawnie prawa przyrody i nie ma potrzeby jej dalej rozwijać.

Mechanika – równania Newtona Co już wiedziano? Wzór ten opisuje wszelkie ruchy obiektów makroskopowych od piłki na boisku po rakietę w kosmosie. (ale dla prędkości znacznie mniejszych od prędkości światła)

Elektromagnetyzm – równania Maxwella Co już wiedziano? Biblioteka Uniwersytetu Warszawskiego przy ul. Dobrej To dzięki sformułowaniu tych równań przez Maxwella korzystamy z radia, telewizji, telefonów komórkowych, itd. Elektromagnetyzm – równania Maxwella To z tych równań wynika możliwość generacji i rozprzestrzeniania się fal elektromagnetycznych

...niektóre „nieistotne cienie”: promieniowanie ciała doskonale czarnego – „katastrofa nadfioletu” - Rayleihg-Jeans, 2. „eter” i prędkość światła – doświadczenie Michelsona-Morleya, nowy rodzaj promieniowania – H. Bequerell, M. & P. Curie.

1896 – Henri Becquerel – badając zjawiska luminescencji dokonuje (przez przypadek) odkrycia nieznanego promieniowania emitowanego samoistnie przez związki uranu.

Odkrycie nowych pierwiastków promieniotwórczych: Polonu i Radu w 1898 roku: Maria Skłodowska-Curie i Piotr Curie Maria Skłodowska- Curie, „Auto- biografia”

Albert Einstein (1879 – 1955) W 1905 r. ma 26 lat i jest pracownikiem urzędu patentowego w Bernie.

Pięć prac Einsteina opublikowanych w 1905 roku „Nowa metoda wyznaczania rozmiarów molekuł” „O ruchu cząsteczek zawieszonych w cieczach w spoczynku, wynikającym z molekularno-kinetycznej teorii ciepła” „O elektrodynamice ciał w ruchu” „Czy bezwładność ciała zależy od zawartej w nim energii?” „O heurystycznym punkcie widzenia w sprawie emisji i przemiany światła” ruchy Browna szczególna teoria względności kwantowa natura światła

Ruchy Browna Botanik Robert Brown zaobserwował w 1827 roku, że ziarna pyłku roślin w kropli wody oglądanej pod mikroskopem poruszają się chaotycznie. W 1905 roku Albert Einstein pokazał, że przypadkowe błądzenie drobin jest wywołane bombardowaniem ich przez cząsteczki wody; wyprowadził też podstawowe wzory matematyczne opisujące ruchy Browna. (Do identycznych wyników doszedł w 1906 roku, niezależnie od Einsteina, polski fizyk Marian Smoluchowski.)

„O elektrodynamice ciał w ruchu” „Należy raczej sądzić, że te same prawa elektrodynamiki i optyki pozostają słuszne we wszystkich układach współrzędnych, w których spełnione są równania mechaniki. ... Tę hipotezę (będziemy ją dalej nazywać „zasadą względności”) podniesiemy tutaj do rangi postulatu i wprowadzimy jeszcze jeden postulat, tylko pozornie sprzeczny z pierwszym, który stwierdza, że światło zawsze rozchodzi się w próżni z określoną prędkością V i nie zależy ona od ruchu ciała emitującego światło.” Prędkość światła w prózni: c=299 792 458 m/s ≈ 300 000 km/s

Konsekwencje skończonej prędkości światła Nadajnik, N znajdujący się na środku platformy P emituje błyski światła we wszystkich kierunkach. Na obu końcach platformy ustawione są układy pomiarowe (odbiorniki: O1 i O2), które rejestrują czas nadejścia do nich sygnału świetlnego. Platforma porusza się względem nieruchomej stacji S . Rozpatrujemy czas rejestracji sygnału przez oba odbiorniki. (Pamiętamy, że prędkość światła jest taka sama we wszystkich kierunkach i równa jest c zarówno w układzie platformy, jak i w układzie stacji.) Obserwator na platformie: „Oba odbiorniki zarejestrują sygnał równocześnie.” Obserwator na stacji: „Odbiornik O1 zarejestrują sygnał wcześniej.” Wnioski: 1. Czas biegnie różnie w różnych układach odniesienia. 2. Równoczesność zdarzeń jest pojęciem względnym.

Paradoks bliźniąt Często omawianym przykładem tego, że czas biegnie różnie w układach odniesienia będących w ruchu względem siebie jest tzw. paradoks bliźniąt. Kiedy jeden z dwóch bliźniaków wyrusza w podróż kosmiczna, to po powrocie zastanie swego brata starszego niż on sam. Istotą różnicy pomiędzy nimi nie jest w tym przypadku sam ruch względny, ale fakt, że bliźniak odbywający podróż - zawraca, przez co zmienia układ odniesienia, zaś ten pozostający na Ziemi jest przez cały czas w tym samym układzie. Przykład ten rozważany jest szczegółowo w podreczniku A.K.Wróblewski, J.A.Zakrzewski „Wstęp do fizyki”, PWN, W-wa,1984 Tom I, str. 223-228. Jest tam też bardzo poglądowo ilustrowany serią rysunków w wykonaniu Z. Jujki.

Newton Einstein Istnieje absolutna przestrzeń i absolutny czas. Odległość: „Absolutny, rzeczywisty lub matematyczny czas, sam z siebie, na mocy swej wewnętrznej natury, płynie równomiernie, jednostajnie, bez odniesienia do czegoś zewnętrznego.” Einstein Przestrzeń i czas są częściami jednej całości , czasoprzestrzeni Interwał:

Stożek Minkowskiego. Cała przeszłość i przyszłość zdarzenia „O” mieści się w obrębie stożka.

„Masa ciała stanowi miarę zawartej w nim energii.” „Czy bezwładność ciała zależy od zawartej w nim energii?” „Masa ciała stanowi miarę zawartej w nim energii.”

„...kwant światła przekazuje całą swą energię „O heurystycznym punkcie widzenia w sprawie emisji i przemiany światła” „...kwant światła przekazuje całą swą energię pojedynczemu elektronowi.”

Fizyka klasyczna A. Einstein A. Einstein Wzrost natężenie światła powinien spowodować zwiększenie energii emitowanych z katody elektronów. A. Einstein Wzrost natężenie światła powoduje zwiększenie liczby emitowanych z katody elektronów. A. Einstein Zwiększenie energii emitowanych z katody elektronów można uzyskać poprzez zmianę barwy padającego światła z czerwonego na niebieskie A. Einstein Nagroda Nobla z fizyki W 1921 roku

Trwał wiek XX !

Albert Einstein stał się symbolem - ale oni wszyscy współtworzyli fizykę 20-go wieku

Photograph of participants of the first Solvay Conference, from 1911. Seated (L-R): Walther Nernst, Marcel Brillouin, Ernest Solvay, Hendrik Lorentz, Emil Warburg, Jean Baptiste Perrin, Wilhelm Wien, Marie Curie, and Henri Poincaré. Standing (L-R): Robert Goldschmidt, Max Planck, Heinrich Rubens, Arnold Sommerfeld, Frederick Lindemann, Maurice de Broglie, Martin Knudsen, Friedrich Hasenöhrl, Georges Hostelet, Edouard Herzen, James Hopwood Jeans, Ernest Rutherford, Heike Kamerlingh Onnes, Albert Einstein, and Paul Langevin.

Spotkanie „Tytanów”

Niektóre ważniejsze daty w ciągu 100 lat 1895 – W. Roentgen - odkrycie promieni X (promieniowania rentgenowskiego) 1896 – H. Becquerel – odkrycie nieznanego promieniowania 1898 – Maria Skłodowska-Curie i Pierre Curie – odkrycie nowych pierwiastków promieniotwórczych: Polonu i Radu 1900 – Max Planck – kwantowe objaśnienie widma ciała doskonale czarnego 1905 – Albert Einstein – sformułowanie szczególnej teorii względności 1811 – Ernest Rurherford – stwierdzenie istnienia jądra atomowego 1913 – Niels Bohr – sformułowanie modelu atomu 1926 – Erwin Schrodinger – sformułowanie podstawowego równania mechaniki kwantowej 1928 – Paul Dirac – sformułowanie relatywistycznego równania falowego - „odkrycie” - antymaterii 1932 – James Chadwick – odkrycie neutronu C.D. Anderson – odkrycie pozytonu 1934 – Irena i Frederic Joliot-Curie – Odkrycie sztucznej promieniotwórczości 1942 – Enrico Fermi – wyzwolenie reakcji łańcuchowej – pierwszy reaktor jądrowy 1945 – zrzucenie bomby jądrowej na Hiroshimę i Nagassaki 1954 – budowa pierwszej elektrowni jądrowej (Obninsk, ZSRR) 1964 – Gell-Mann, Zweig - hipoteza istnienia kwarków 1986 – awaria elektrowni w Czarnobylu

... 100 lat później

Ruchy ... zapadki Browna Sortowanie wirusów Zasada: asymetryczne przeszkody nadają bezładnym ruchom określony kierunek. Sortowanie wirusów Ciecz przepływa przez kanał z zapadkami. Mniejsze cząsteczki ulegają większym przemieszczeniom niż duże. Wirusy odkładają się posortowane według rozmiarów w dolnej części aparatu.

Zapadki Browna w zastosowaniu do oczyszczania wody Asymetryczne kanaliki Zanieczyszczenia odbijane od ścianek kanalików gromadzą się z jednej strony.

Efekt fotoelektryczny Fotopowielacz – licznik fotonów Zasada działania Zastosowania – detektory promieniowania

Efekt fotoelektryczny – przykłady zastosowania wyłączniki światła o zmroku, czujniki w windach i innych podobnych urządzeniach, regulacja gęstości tonera w drukarkach, określenie czasu naświetlania w aparatach fotogr. alkomaty – zmiana barwy gazu testowego przetwarzanie światła w noktowizorach ...i wiele, wiele innych kwantowe własności promieniowania - lasery

SPINTRONIKA – elektronika przyszłości Świat Nauki, 10(158), 2004

Kondensat Bosego-Einsteina Świat Nauki, 10(158), 2004 W temperaturze bliskiej zera bezwzględnego grupa atomów zachowuje się w sposób całkowicie zgodny,podobnie jak fotony w wiązce laserowej Interferometr atomowy może mierzyć niewielkie zmiany natężenia i kierunku pola grawitacyjnego. ..może ujawniać obiekty ukryte pod ziemią: obszary roponośne, rudy metali, jaskinie, bunkry, tunele.

Energia jądrowa 1000 ton węgla 1 kg uranu

Fuzja termojądrowa

„Energia gwiazd – energia dla naszej planety” Wystawa na Wydziale Fizyki PW w maju 2004 r.

...a co dalej?

? Początek XX-go wieku Jakie są elementarne składniki materii – jakie są ich własności? ? ~10-1 m ~10-10 m ~10-15 m Początek XXI-go wieku

de-confinement confinement „Uwięzienie” kwarków w hadronach Nukleon (hadron) „Uwięzienie” kwarków w hadronach de-confinement confinement Materia (plazma) kwarkowo-gluonowa Materia hadronowa

Dwa scenariusze

UrQMD – Ultra-relativistic Quantum-Molecular Dynamics

UrQMD – Ultra-relativistic Quantum-Molecular Dynamics

R H I C Relativistic Heavy Ion Collider Brookhaven National Laboratory, Long Island, (New York) USA

RHIC - Relativistic Heavy Ion Collider (Zderzacz Relatywistycznych Ciężkich Jonów)

Rezultat zderzenia jąder złota (197Au+ 197Au) przy energii w CMS: 200 GeV na nukleon, BNL, eksperyment STAR 4004000 E=mc2

CERN LHC

CERN - podziemny tunel LHC

LHC, Large Hadron Collider - Wielki Zderzacz Hadronów

A Large Ion Collider Experiment - ALICE

Montaż detektora „ALICE”

Co jest celem tych badań?

? ...poznać strukturę materii Materia atomowa Materia jądrowa ~10-1 m ~10-10 m ~10-15 m Materia atomowa Materia jądrowa

„cofnąć” bieg czasu ... Przyroda Experyment 10 –6 s 10 –4 s 3 min 1.5 *109 lat Plazma K-G Nukleony Jądra Atomy Dzisiaj Przyroda Experyment Wielki Wybuch

zrozumieć ewolucję Wszechświata

A gdzie Polacy? A gdzie Politechnika Warszawska?

Leopold Infeld – profesor UW - współpracownik Alberta Einsteina

List Alberta Einsteina do Profesora Fizyki Politechniki Warszawskiej Mieczysława Wofke’go. List dotyczy odwzorowań optycznych.

Włodzimierza Zycha poświęcona pomiarom masy elektronów Praca doktorska profesora Wydziału Fizyki PW Włodzimierza Zycha poświęcona pomiarom masy elektronów w funkcji ich energii ...z podręcznika: A.K.Wróblewski, J.A. Zakrzewski „Wstęp do Fizyki”

To było dawniej, a czy jesteśmy teraz obecni w tym „świecie”?

Tak, jesteśmy – jako kraj CERN - przed wejściem głównym – flagi państw - członków CERN-u Tak, jesteśmy – jako kraj

... jako Uczelnia Prezentacja współpracy STAR na konferencji „Quark Matter” w Budapeszcie 4-9 sierpień 2005r.

...jako ludzie Hanna Gos, doktorantka Wydziału Fizyki PW referuje wyniki swych prac W Brookhaven National Laboratory

...jako ludzie CERN w tle – detektor ALICE w fazie konstrukcji Michał Olędzki (student fizyki) Prof. Władysław Trzaska (fizyk) Dr Radomir Kupczak (elektronik)

Podsumowanie

Czym jest fizyka we współczesnym świecie Fizyka zajmuje się badaniem materii oraz zjawisk zachodzących w przyrodzie. Źródłem informacji w fizyce są obserwacje i pomiary. Na ich podstawie fizycy formułują prawa i zasady opisujące przebieg zjawisk i związki pomiędzy mierzonymi wielkościami. Galileusz Newton Wiemy, że prawa i zasady formułują też organizacje międzynarodowe i rządowe, prawnicy, politycy, ekonomiści...  Za najważniejsze można uznać te prawa, których zasięg w świecie jest największy, które muszą być najściślej przestrzegane.

Zauważmy następujące relacje: Prawom ruchu drogowego podlegają wszyscy kierowcy. Bywa jednak, że któryś z kierowców praw tych nie przestrzega. Prawu karnemu podlegają wszyscy przestępcy. Niekiedy jednak przestępcy udaje się uniknąć wymiaru sprawiedliwości. Prawom fizyki podlegamy wszyscy - zarówno my sami, jak i cała przyroda. Praw tych nie da się nie przestrzegać, ani uniknąć. Zmiany systemów ekonomicznych i społecznych nie mają na nie żadnego wpływu.

Dziękuję za uwagę, Podsumowanie Podsumowanie Jan Pluta (w ujęciu studentów Wydziału Fizyki PW) Dziękuję za uwagę, Jan Pluta