[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Solitony nie są wymysłem twórców Star Trek. Termin ten oznacza tyle, co
samotne fale , i odnosi się do zjawiska zaobserwowanego po raz pierwszy w roku
1834 na falach wodnych przez szkockiego inżyniera Johna Scotta Russella.
Prowadząc własnym sumptem badania nad projektem barek rzecznych dla Union
Canal Society w Edynburgu, zauważył on coś niezwykłego. Oto jego relacja:
Obserwowałem ruch barki, ciągniętej z dużą szybkością wzdłuż wąskiego
kanału przez parę koni, gdy nagle barka się zatrzymała - cała zaś masa wody w
kanale, wprawiona w ruch przez barkę, nie zatrzymała się, lecz zgromadziła w
pobliżu dzioba barki w formie burzliwego kłębowiska, a potem nagle oddzieliła się i
potoczyła bardzo prędko naprzód, przybierając postać samotnego wzniesienia. Był to
zaokrąglony, gładki i zdecydowanie wyróżniający się pagórek na powierzchni wody,
który poruszał się wzdłuż kanału pozornie bez zmiany kształtu i bez utraty prędkości.
Podążyłem konno jego śladem i gdy go dogoniłem, wciąż przetaczał się naprzód z
prędkością ośmiu lub dziewięciu mil na godzinę, zachowując swój pierwotny kształt,
długi na trzydzieści stóp i na stopę lub półtorej wysoki. Jego wysokość powoli malała
i po mili lub dwóch straciłem go z oczu wśród zakrętów kanału. W ten sposób w
sierpniu 1834 roku miałem szczęście napotkać po raz pierwszy to osobliwe i piękne
zjawisko, które nazwałem falą przesuniętą.
Pózniej Scott Russell ukuł na określenie tego cudu termin samotna fala ,
który utrzymał się do dziś, choć solitony pojawiły się w wielu różnych działach
fizyki. Według ogólnej definicji, solitony są nie ulegającymi rozproszeniu, klasycznie
rozciągłymi, ale skończonych rozmiarów obiektami, które mogą przemieszczać się z
miejsca na miejsce. Z tego właśnie powodu nie mogły się wydarzyć katastrofy, które
napędzają akcję odcinka Nowa ziemia. Po pierwsze, soliton nie emitowałby dużej
ilości zakłóceń radiowych . Gdyby tak było, rozpraszałby swoją energię. Z tej samej
przyczyny nie mógłby uzyskiwać energii czy zmieniać częstości.
Zwykłe fale są obiektami rozciągłymi, które podróżując tracą swoją energię.
Jednak klasyczne siły - pochodzące z różnych oddziaływań w przestrzeni, zwanych
polami - zazwyczaj pozostawiają solitony w stanie nietkniętym, tak że mogą się one
rozchodzić, nie tracąc energii na rzecz ośrodka. Ponieważ są one kompletnymi
rozwiązaniami energetycznymi równań opisujących ruch, zachowują się w zasadzie
tak samo, jak zwyczajne obiekty - na przykład cząstki elementarne. W pewnych
matematycznych modelach silnych oddziaływań, które utrzymują razem kwarki,
można traktować proton jako soliton, a wówczas wszyscy składamy się z solitonów!
W fizyce cząstek elementarnych wymyślono nowe pola, które mogłyby łączyć się w
gwiazdy solitonowe - obiekty o rozmiarach gwiazd, istniejące dzięki jednemu
spójnemu polu. Obiektów takich nie udało się jeszcze zaobserwować, ale ich istnienie
jest prawdopodobne.
KWAZARY. W odcinku Pegaz - dowiadujemy się w nim o Traktacie
Algońskim, który zakazuje Federacji używania urządzeń maskujących - mamy okazję
zobaczyć Enterprise Picarda w trakcie badania kwazaru Mecoria. Wcześniej, w
odcinku Galileusz siedem emitowanym w pierwszej serii, dowiedzieliśmy się, że
regulamin obowiązujący na pokładzie Enterprise nakazywał badanie tych obiektów
przy każdej nadarzającej się okazji. Jest jednak mało prawdopodobne, aby jakiś
statek, podróżując po peryferiach Galaktyki, rzeczywiście napotkał kwazar. Sądzi się
bowiem, iż kwazary - obiekty o największej we Wszechświecie energii (emitują one
tyle energii, co całe galaktyki, choć są tak małe, że nie można ich dokładnie zbadać
nawet za pomocą teleskopów) - są olbrzymimi czarnymi dziurami w centralnych
częściach niektórych galaktyk i dosłownie połykają materię swoich gospodarzy. Jest
to jedyny znany nam mechanizm, który mógłby wyjaśniać obserwowane energie i
rozmiary kwazarów. Gdy materia wpada do czarnej dziury, wypromieniowuje dużą
ilość energii (w miarę jak traci swoją grawitacyjną energię potencjalną). Jeśli w
centralnych obszarach niektórych galaktyk istnieją czarne dziury o masach milion czy
miliard razy większych od masy Słońca, mogą one połykać całe układy gwiezdne. Z
tego powodu kwazary są często częścią tego, co nazywamy aktywnymi jądrami
galaktyk. Dla tej samej przyczyny odradzałbym bliskie spotkanie z jednym z takich
obiektów, gdyż mogłoby się okazać fatalne w skutkach.
NEUTRINA. Neutrina są moimi ulubionymi cząstkami i dlatego ten temat
zostawiłem sobie na koniec. Stworzonkom tym poświęciłem wiele lat mojej pracy
naukowej, tak mało bowiem o nich wiemy, a przecież mogą wiele nas nauczyć o
strukturze materii i naturze Wszechświata.
Wielokrotnie w różnych odcinkach Stor Trek używa się neutrin lub mierzy je
na pokładach statków kosmicznych. Zwiększone odczyty neutrin występują na
przykład wtedy, gdy statki przemierzają bajorański tunel czasoprzestrzenny. W
odcinku Wróg dowiadujemy się, że maska Geordiego LaForge'a potrafi wykrywać
neutrina, gdy dociera do niego ich wiązka, wysłana, żeby go zlokalizować; w ten
sposób można go ewakuować z nieprzyjaznej planety. W odcinku Koncentracja sil
załoga Enterprise napotyka pole neutrinowe , które zakłóca transport bezcielesnych,
przestępczych form życia na pokład statku.
Istnienie neutrin przewidziano w wyniku niejasności związanej z procesem
rozpadu neutronów. Neutrony są stabilne w jądrach atomowych, lecz w stanie nie
związanym ulegają rozpadowi na protony i elektrony po mniej więcej dziesięciu
minutach. Z zachowaniem ładunku elektrycznego w takich reakcjach nie ma
problemu, ponieważ neutron jest elektrycznie obojętny, natomiast proton ma ładunek
dodatni, a elektron -ujemny, przy czym ich wartość bezwzględna jest taka sama.
Masa protonu i elektronu daje w sumie niemal masę neutronu, nie zostaje więc wiele
energii na wytworzenie innych masywnych cząstek w tym rozpadzie.
Czasami jednak obserwuje się, że proton i elektron po rozpadzie neutronu
wybiegają w tym samym kierunku. Jest to niemożliwe, ponieważ każda wyemitowana
cząstka niesie pęd. Jeśli neutron znajdował się w spoczynku, jego pęd wynosił zero,
konieczne jest więc w tym rozpadzie wyemitowanie czegoś jeszcze, aby cząstka taka
mogła unieść pęd w kierunku przeciwnym.
Istnienie takiej hipotetycznej cząstki zaproponował w latach trzydziestych
Wolfgang Pauli, a Enrico Fermi nazwał ją neutrinem (czyli małym neutronem).
Wybrał tę nazwę dlatego, że cząstka Pauliego musiała być elektrycznie obojętna, aby
nie została naruszona zasada zachowania ładunku, i mieć bardzo małą masę, aby
mogła powstać nawet z niedużej ilości energii dostępnej po wyemitowaniu protonu i
elektronu.
Jako że neutrina są elektrycznie obojętne i nie odczuwają silnych oddziaływań
(które wiążą kwarki i pomagają utrzymać jądro w całości), bardzo słabo oddziałują
one ze zwykłą materią. Ponieważ jednak neutrina produkowane są w reakcjach
jądrowych, które zachodzą we wnętrzu Słońca, są wszechobecne. W ciągu każdej
[ Pobierz całość w formacie PDF ]