Η βασική λειτουργία του Planet Physics είναι να ενθαρρύνει, να προωθήσει και να υποστηρίξει την εκπαίδευση στον τομέα της Φυσικής, κάνοντας τη μάθηση απτή, ενδιαφέρουσα και διαδραστική.

Μαγνητικά μονόπολα

Σήμερα θα εξετάσουμε το συναρπαστικό κόσμο των μαγνητικών μονόπολων. Πρόκειται για υποθετικά σωματίδια με έναν μόνο μαγνητικό πόλο, είτε βόρειο, είτε νότιο. Αν και η ύπαρξη τους δεν απαγορεύεται από κάποιο νόμο της Φυσικής, κανείς δεν έχει βρει ακόμη ένα “παγκόσμιο” μαγνητικό μονόπολο. Ωστόσο, ορισμένες πρόσφατες εξελίξεις προσθέτουν μια συναρπαστική τροπή σε αυτή την επιστημονική αναζήτηση.

.

Η έννοια των μαγνητικών μονόπολων υπάρχει από τις αρχές του 20ού αιώνα, με πρωτεργάτη το Φυσικό Paul Dirac. Η ύπαρξη έστω και ενός μονόπολου θα μπορούσε να εξηγήσει γιατί το ηλεκτρικό φορτίο εμφανίζεται σε διακριτές ποσότητες. Στην ουσία, η εύρεση ενός μαγνητικού μονόπολου θα ήταν σαν να βρισκόταν ένα κομμάτι που λείπει από το παζλ της θεμελιώδους Φυσικής.

.

Οι επιστήμονες έχουν αναζητήσει αυτές τις ασύλληπτες οντότητες με διάφορους τρόπους, από επιταχυντές σωματιδίων έως ανιχνευτές κοσμικών ακτινών. Παρά την εκτεταμένη αναζήτηση, το παγκόσμιο μαγνητικό μονόπολο παρέμεινε ένα θεωρητικό κατασκεύασμα, που δεν έχει παρατηρηθεί ποτέ μέχρι σήμερα.

.

Πρόσφατες δημοσιεύσεις από το Κέντρο Νανοτεχνολογίας του Λονδίνου και άλλα ιδρύματα αναφέρουν ευρήματα που «ξεσηκώνουν» την επιστημονική κοινότητα. Αν και δεν έχουν ακόμη αξιολογηθεί εκτενώς από ομότιμους, οι μελέτες αυτές υποδηλώνουν την ύπαρξη οντοτήτων που μοιάζουν με μαγνητικά μονόπολα μέσα σε ένα εξειδικευμένο υλικό που ονομάζεται “πάγος σπιν”. Δεν πρόκειται για τα καθολικά μονόπολα που αναζητούσαμε, αλλά παρουσιάζουν παρόμοιες ιδιότητες, μέσα στο συγκεκριμένο περιβάλλον. Πρόκειται για ένα πολλά υποσχόμενο στοιχείο που θα μπορούσε να ανοίξει νέους δρόμους για την έρευνα.

.

Η αναζήτηση μαγνητικών μονόπολων δεν είναι απλά μια «θεωρητική αναζήτηση». Η ανακάλυψη αυτών των σωματιδίων θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στην κατανόηση του σύμπαντος και να οδηγήσει σε απίστευτες τεχνολογικές εξελίξεις αναφορικά με την αποθήκευση και τη μετάδοση ενέργειας.

.

Το αν οι πρόσφατες ανακαλύψεις θα αντέξουν τη δοκιμασία του χρόνου και του ελέγχου, μένει να το δούμε. Σίγουρα όμως, προσθέτουν ένα νέο, συναρπαστικό κεφάλαιο στην εξελισσόμενη έρευνα για τα μαγνητικά μονόπολα.

Claude Shannon – “Μια μαθηματική θεωρία της επικοινωνίας”

Ο Claude Shannon γεννήθηκε το 1916 στο Michigan και έδειξε από νεαρή ηλικία ότι ήταν μια μαθηματική ιδιοφυία. Παράλληλα με το πτυχίο του στα μαθηματικά, πήρε και πτυχίο ηλεκτρολόγου μηχανικού, ένας συνδυασμός που αργότερα θα αποδεικνυόταν πρωτοποριακός.

.

Σε ηλικία μόλις 21 ετών, η μεταπτυχιακή διατριβή του έθεσε τις βάσεις για τη θεωρία σχεδιασμού ψηφιακών κυκλωμάτων, αποδεικνύοντας ότι οι ηλεκτρικές εφαρμογές της άλγεβρας Boole μπορούσαν να κατασκευάσουν οποιαδήποτε λογική αριθμητική σχέση. Το 1948, ενώ εργαζόταν στα εργαστήρια Bell Labs, ο Shannon δημοσίευσε μια εργασία με τίτλο “Μια μαθηματική θεωρία της επικοινωνίας”, η οποία έφερε επανάσταση στον τρόπο με τον οποίο κατανοούμε και χρησιμοποιούμε την πληροφορία.

.

Ο Shannon δημιούργησε μια βαθιά σύνδεση μεταξύ της πληροφορίας και της πιθανότητας. Απέδειξε ότι η ποσότητα της πληροφορίας σε ένα μήνυμα μπορεί να μετρηθεί χρησιμοποιώντας πιθανολογικές έννοιες. Εισήγαγε την ιδέα της “εντροπίας”, δανεισμένη από τη θερμοδυναμική, για να μετρήσει την αβεβαιότητα ή την τυχαιότητα που συνδέεται με ένα σύνολο πιθανών μηνυμάτων. Όσο πιο αβέβαιο ή τυχαίο είναι ένα μήνυμα, τόσο περισσότερη πληροφορία περιέχει. Η έννοια αυτή επέτρεψε τη βελτιστοποίηση της μετάδοσης δεδομένων με την κωδικοποίηση των μηνυμάτων, με τρόπο που ελαχιστοποιούσε την πιθανότητα σφαλμάτων, μεγιστοποιώντας παράλληλα την αποδοτικότητα. Η συγχώνευση της πληροφορίας και της πιθανότητας από τον Shannon είχε εκτεταμένες επιπτώσεις, χρησιμεύοντας ως μαθηματική βάση για την ψηφιακή επικοινωνία, τη συμπίεση δεδομένων, ακόμη και την κρυπτογραφία.

.

Ο Shannon ήταν γνωστός για την παιχνιδιάρικη και περίεργη φύση του. Είχε μια ποικιλία από gadgets και παιχνίδια στο σπίτι του, κατασκεύασε μια μηχανή που μπορούσε να λύσει τον κύβο του Rubik και δημιούργησε ένα μηχανικό ποντίκι που μπορούσε να πλοηγηθεί σε έναν λαβύρινθο. Συχνά τον έβλεπε κανείς να κυκλοφορεί με ένα μονόκυκλο στους διαδρόμους των εργαστηρίων Bell Labs, μερικές φορές μάλιστα κάνοντας ταυτόχρονα και ζογκλερικά!

.

Ο Claude Shannon, αν και λιγότερο γνωστός, θεωρείται επιστήμονας με «λάμψη» αντίστοιχη με αυτή του Newton και του Turing…

Σιδηρομαγνητικό υγρό (Ferrofluid)

Έχετε δει ποτέ ένα υγρό που χορεύει «στο ρυθμό» ενός μαγνήτη; Το ferrofluid (σιδηρομαγνητικό υγρό) είναι μια αξιοσημείωτη ουσία που κάνει ακριβώς αυτό, θολώνοντας τα όρια μεταξύ υγρού και μαγνήτη. Αυτό το σκούρο, ελαιώδες υγρό αποτελείται από σιδηρομαγνητικά σωματίδια νανοκλίμακας, που αιωρούνται σε έναν υγρό φορέα. Όταν εκτίθεται σε μαγνητικό πεδίο, σχηματίζει εκθαμβωτικά μοτίβα και σχήματα που μοιάζουν να αψηφούν τη βαρύτητα.

.

Στην καρδιά της μαγείας του ferrofluid βρίσκονται μικροσκοπικά σωματίδια, συχνά κατασκευασμένα από μαγνητίτη, αιματίτη ή κάποια άλλη ένωση που περιέχει σίδηρο. Αυτά τα σωματίδια είναι επικαλυμμένα με μια ουσία που δεν τους επιτρέπει να συσσωματωθούν μεταξύ τους, οπότε μπορούν να επιπλέουν ελεύθερα στον υγρό φορέα, συνήθως ένα διάλυμα με βάση το λάδι ή το νερό. Όταν ένας μαγνήτης πλησιάζει, οι γραμμές του μαγνητικού πεδίου έλκουν τα σωματίδια σιδήρου σε σχηματισμό, δημιουργώντας αιχμές κατά μήκος των γραμμών του πεδίου. Το φαινόμενο αυτό είναι γνωστό ως Rosensweig ή «αστάθεια κάθετου πεδίου» (normal field instability).

.

Τα σιδηρομαγνητικά υγρά έχουν διάφορες εφαρμογές, λόγω των μοναδικών ιδιοτήτων τους. Στα ηχεία, χρησιμοποιούνται για την ψύξη και την απόσβεση της κίνησης του πηνίου, βελτιώνοντας την ποιότητα του ήχου. Σε σκληρούς δίσκους και άλλα ευαίσθητα ηλεκτρονικά συστήματα, χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία στεγανών γύρω από περιστρεφόμενους άξονες, εμποδίζοντας την είσοδο σκουπιδιών, ενώ παράλληλα επιτρέπουν στον άξονα να περιστρέφεται ελεύθερα. Η αεροδιαστημική βιομηχανία χρησιμοποιεί επίσης τα σιδηρομαγνητικά υγρά στη δημιουργία υγρών στεγανών σε διαστημόπλοια, σε σημεία όπου τα παραδοσιακά στερεά στεγανά θα αποτύγχαναν.

.

Το ferrofluid εφευρέθηκε το 1963 από τον Steve Papell, έναν μηχανικό της NASA, με σκοπό την κίνηση καυσίμων στο διάστημα. Στη μηδενική βαρύτητα, οι συμβατικές αντλίες δεν θα μπορούσαν να λειτουργήσουν, αλλά το ferrofluid θα μπορούσε να κατευθυνθεί με τη χρήση μαγνητικών πεδίων. Αν και στην πράξη η εφεύρεση του Papell δεν υλοποιήθηκε, το ferrofluid στις μέρες μας συναρπάζει μικρούς και μεγάλους σε μουσεία Φυσικής και Science Centers.

Ολογράμματα

Τα ολογράμματα είναι επίπεδες εικόνες, που φαίνονται τρισδιάστατες και για τη δημιουργία τους χρησιμοποιούνται ακτίνες laser.

.

Για να κατανοήσουμε την ολογραφία, πρέπει να κατανοήσουμε την έννοια της συμβολής. Όταν δύο κύματα φωτός συναντώνται, μπορούν είτε να ενισχυθούν, είτε να αλληλοεξουδετερωθούν. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται συμβολή και είναι η θεμελιώδης αρχή πίσω από την ολογραφία. Πώς όμως δημιουργείται ένα ολόγραμμα;

.

Η διαδικασία ξεκινά με μια δέσμη laser, η οποία είναι μια μονοχρωματική δέσμη φωτός (μίας συχνότητας). Η δέσμη laser διαχωρίζεται σε δύο μέρη. Το ένα μέρος, που ονομάζεται δέσμη αναφοράς, ταξιδεύει απευθείας σε μια φωτοευαίσθητη επιφάνεια (όπως μια φωτογραφική πλάκα ή ένα φιλμ). Το άλλο μέρος, γνωστό ως δέσμη αντικειμένου, κατευθύνεται στο αντικείμενο που θέλουμε να αποτυπώσουμε τρισδιάστατα.

.

Η δέσμη αντικειμένου ανακλάται από το αντικείμενο και αλληλεπιδρά με τη δέσμη αναφοράς, πέφτοντας στη φωτοευαίσθητη επιφάνεια. Αυτή η αλληλεπίδραση δημιουργεί ένα μοτίβο συμβολής, το οποίο είναι ένα σύνθετο σύνολο φωτεινών και σκοτεινών περιοχών. Αυτό το μοτίβο περιέχει όλες τις πληροφορίες που απαιτούνται για την αναδημιουργία της τρισδιάστατης εικόνας.

.

Όταν φωτίζουμε το ολόγραμμα, εμφανίζεται το μοτίβο συμβολής. Ως αποτέλεσμα, η τρισδιάστατη εικόνα φαίνεται να αιωρείται στο χώρο…ως δια μαγείας! Επιπλέον, αποτυπώνεται όχι μόνο το σχήμα ενός αντικειμένου αλλά και το βάθος και η προοπτική του. Όταν κινούμαστε γύρω από ένα ολόγραμμα, μπορούμε να δούμε το αντικείμενο από διαφορετικές γωνίες, ακριβώς όπως θα κάναμε αν ήταν ακριβώς μπροστά μας!

.

Η ολογραφία έχει εκτεταμένες εφαρμογές, από την τέχνη και την ψυχαγωγία έως την επιστημονική απεικόνιση και την ασφάλεια. Χρησιμοποιείται στη δημιουργία εντυπωσιακών οθονών, στη μελέτη πολύπλοκων μορίων, ακόμη και στα χαρτονομίσματα και τις πιστωτικές κάρτες.

.

Ο κόσμος της ολογραφίας είναι ένα «μαγευτικό βασίλειο» όπου οι ακτίνες laser υφαίνουν περίπλοκα μοτίβα φωτός, για να γεννήσουν «τρισδιάστατα θαύματα». Είναι άλλη μια απόδειξη της δύναμης της επιστήμης και της τεχνολογίας, που μπορεί να μετατρέψει κάτι το συνηθισμένο σε κάτι…εξαιρετικό!

.

Εικόνα: Ελληνικό Ινστιτούτο Ολογραφίας