środa, 25 września 2013

Niezbędny przewodnik po Elektrycznym Wszechświecie - rozdział 3 - plazma

Wprowadzenie

Znanym jest, że kosmos wypełniony jest plazmą. W rzeczy samej, plazma jest najbardziej rozpowszechnionym stanem materii we Wszechświecie. Znajduje się w szerokiej gamie miejsc, od ognia, neonów i piorunów na Ziemi po przestrzeń galaktyczną i międzygalaktyczną. Jedynym powodem, dla którego nie jesteśmy do niej bardziej przyzwyczajeni, jest to, że żyjemy w cienkiej biosferze zbudowanej głównie z ciał stałych, płynów i gazów, do których nasze zmysły są dostosowane. Na przykład, nie postrzegamy ognia jako plazmy, widzimy jasne płomienie i czujemy ciepło. Tylko naukowe eksperymenty pozwalają odkryć obecność plazmy w płomieniach.


Podczas gdy studia nad plazma skupiają się głównie na pojedynczych zagadnieniach, takich jak fuzja jądrowa, zrozumienie tego, jak działa Wszechświat, wymaga studentów o szerszych zainteresowaniach. Źródło obrazka: DOE-Princeton Plasma Physics Lab; Peter Ginter

"Plazma jest zbiorem cząstek naładowanych, które zbiorowo reagują na siły elektromagnetyczne" (z pierwszego paragrafu w Fizyce Plazmowego Wszechświata Anthony Peratt'a, Springer-Verlag, 1992). Region plazmy może również zawierać pewna ilość obojętnych cząstek lub molekuł, oraz zarówno naładowanych jak i neutralnych, jak pył, gruz i większe ciała, od małych ciał skalnych, przez planety, po gwiazdy.

Charakterystyką plazmy jest obecność wolnych ładunków - jonów, elektronów i naładowanych cząstek pyłu. Ich silne oddziaływanie z polami elektromagnetycznymi powoduje, że zachowanie plazmy jest zupełnie różne od niezjonizowanego gazu. Oczywiscie wszystkie czasteczki - naładowane i obojętne - reagują z polem grawitacyjnym, proporcjonalnie do jego lokalnego natężenia. Ponieważ większość Wszechświata zbudowana jest z plazmy, miejsca, gdzie grawitacja dominuje nad elektromagnetyzmem, są względnie rzadkie.

Z powodu swoich szczególnych właściwości, plazma jest z reguły postrzegana jako faza materii inny od ciał stałych, płynów czy gazów. Jest często nazywana czwartym stanem materii. Skoro stan ten jest najbardziej rozpowszechnionym we Wszechświecie, powinien właściwie nazywać się pierwszym stanem materii.

Schemat poniżej jest często używany do przedstawienia, jak stany materii zmieniają się z termicznego punktu widzenia. Im większa temperatura, tym wyżej na drabinie energii dochodzi do przemiany. Aczkolwiek, do zjonizowania materii potrzeba na prawdę dużo energii cieplnej. Istnieją jednak inne środki, i zjonizowaną materię z nierównowagą ładunków otrzymać można przy praktycznie każdej temperaturze.

Ciało stałe, jak metalowy kabel elektryczny, gdy tylko jest podłączony do obwodu elektrycznego ze źródłem prądu o wystarczająco dużym woltażu (bateria, elektrownia), oddzieli swoje elektrony od jąder atomowych, aby mogły swobodnie podróżować w kablu jako prąd cząstek naładowanych.

zlewka z wodą z dodatkiem metalicznej soli, np. chlorkiem sodu, jest łatwo jonizowalna. Jeśli przyłoży się napięcie elektryczne przy pomocy dodatniego i ujemnego kabla, tlen i wodór zostaną przyciągnięte do przeciwnie naładowanych końcówek i uwolnione w postaci gazu o pokojowej temperaturze. Takie stabilne, obojętne stany są częścią elektrycznego Wszechświata, jednak niniejszy przewodnik skupi się bardziej na stanie plazmy i prądów elektrycznych w dużej skali w kosmosie.

Obłoki molekularne bardzo schłodzonego gazu i pyłu mogą być zjonizowane przez niedalekie gwiazdy lub promieniowanie kosmiczne, a powstałe w wyniku tego jony i elektrony organizują się w formy plazmowe, zdolne do zachowywania ładunku i warstw podwójnych, które separują ładunki i tworzą pola elektryczne o bardzo dużych natężeniach. Taka plazma potrafi przyspieszać ładunki i przewodzić je lepiej od metalu. Prądy plazmowe przyjmują postać powłok lub włókien, dwu lub więcej morfologicznych, przez które można zidentyfikować ich obecność.


Cztery stany, lub fazy, materii, oraz przejścia pomiędzy nimi. Zauważ podobieństwo do greckich "głównych elementów" - Ziemi, wody, powietrza i ognia. Jasnym jest, że plazma zajmuje pozycję najbardziej energetyczną. Pytanie otwarte: skąd pochodzi ta energia? Źródło: Wikimedia Commons.

Proporcja jonów mierzona jest przez stopień jonizacji. Procent jonizacji plazmy może wahać się od mniej niż 0,01% do 100%, ale plazma będzie się zawsze zachowywać charakterystycznie dla niej, ze względu na obecność naładowanych cząstek i separację ładunku.

Plazma określana jest czasem mianem zaledwie "zjonizowanego gazu". Choć technicznie jest to poprawne, terminologia ta jest niekompletna i przestarzała. Używa się go w celu zamaskowania faktu, że plazma rzadko kiedy zachowuje się jak gaz. W kosmosie nie podlega ona zwykłej dyfuzji, ale organizuje się w złożone formy i nie oddziałuje w widoczny sposób z grawitacją, dopóki obecne są choć słabe pola elektromagnetyczne. Plazma nie jest materią w stanie gazowym, to materia w stanie plazmy.

Wyrzucanie przez Słońce ogromnych mas "zjonizowanego gazu" (plazmy) oraz koronalnych wyrzutów masy przeciwko jego własnej grawitacji są tego dobrym przykładem. "Wiatr słoneczny" jest plazmą zawierającą poruszające się ładunki, zwane również prądem elektrycznym. Nie jest to płyn, ani "wiatr" ani też "gorący gaz", żeby wyrazić się jasno. Używanie temrinów z dynamiki płynów zaciemnia rzeczywistość prądów elektrycznych i zjawisk plazmowych, silniejszych od grawitacji, naokoło nas w przestrzeni kosmicznej, tak daleko, jak tylko możemy zaobserwować.


Koronalny wyrzut masy wyładowuje miliony ton plazmy w w przestrzeń międzyplanetarną. Słońce jest wielkości białego koła na dysku zakrywającym. Courtesy, SOHO public imagery

Jonizacja

Wiadomo, że przestrzeń wypełniona jest polami, rozmaitymi cząstkami, z których wiele jest naładowanych, oraz szeroką gamą rozmiarów cząstek, od atomów do planet, gwiazd i galaktyk. Cząstki obojętne - czyli atomy i molekuły o takiej samej liczbie elektronów i protonów (zaniedbujemy antymaterię) - mogą być uformowane z cząstek o przeciwnych ładunkach. Odwrotnie, naładowane cząstki i molekuły mogą powstawać z tych obojętnych, w procesie jonizacji.

Jeżeli elektron - ładunek ujemny - zostanie oddzielony od atomu, wtedy pozostały atom pozostanie z ładunkiem dodatnim. Oddzielony elektron i atom macierzysty pozostaną wolne od siebie nawzajem. Proces ten nazywa się jonizacją. Dodatnio naładowana reszta atomowa nazywa się jonem. Najprostszy pierwiastek, wodór, składa się z jednego protonu (jądra) i jednego elektronu. Jeśli wodór jest zjonizowany, rezultatem jest jeden wolny elektron i proton. Pojedynczy proton jest najprostszym jonem.

Jeżeli atom cięższy od wodoru jest zjonizowany, to znaczy, że stracił jeden lub więcej elektronów. Ładunek dodatni jonu będzie równy ładunkom utraconych elektronów. Jonizacja może również następować w molekułach. Może powstać przy dodaniu elektronu do neutralnego atomu bądź molekuły, przez co powstanie ujemny jon. Cząsteczki pyłu w kosmosie często są zjonizowane, a studiowanie fizyki pyłowej plazmy zajmuje się wiele uniwersytetów. Do podzielenia atomów na jony i elektrony potrzebna jest energia - patrz wykres poniżej.


Energia pierwszej jonizacji w stosunku do liczby atomowej. Źródło: Wikimedia Commons, dodana temperatura po prawej stronie

Zauważmy, że jest tu powtarzający się wzór. Metale alkaliczne mają względnie niską energię/temperaturę jonizacji. W miarę przesuwania się w prawo, ku większej liczbie atomowej (liczbie protonów w jadrze), energia potrzebna do zjonizowania każdego "cięższego" pierwiastka rośnie, szczytuje na pierwiastku gazu szlachetnego i spada do następnego atomu o wyższej liczbie atomowej, który jest znów metalem. Następnie cykl się powtarza.

Interesujące jest to, że wodór, najlżejszy element, jest traktowany w tym elektrochemicznym spojrzeniu jako metal, ponieważ ma pojedynczy elektron, który łatwo się urywa z jego zewnętrznego (i jedynego) orbitala. Terminologia astronomiczna, w kontekście zawartości gwiazd, określa wodór i hel jako "gazy", a wszystkie inne elementy jako "metale".

Inicjowanie i utrzymywanie jonizacji

Energia do inicjacji i utrzymania jonizacji może być energią kinetyczną pochodzącą z kolizji pomiędzy energetycznymi cząstkami (wystarczająco wysoka temperatura), albo z wystarczająco intensywnego promieniowania. Średnia losowa energia kinetyczna jest rutynowo wyrażana jako temperatura, a w bardzo wysokich prędkościach jako elektronowolty (eV). Aby przekształcić temperaturę z kelwinów (K) do eV, należy podzielić K przez 11604,5. Odwrotnie należy postąpić, by zamienić eV na K.

Wykres powyżej reprezentuje energię jonizacji, potrzebną do oderwania pierwszego, zewnętrznego elektronu od atomu lub molekuły. W ekstremalnie energetycznym środowisku oddzieleniu mogą ulec elektrony z szeregu poziomów, np w pobliżu gwiazd czy dżetów galaktycznych. Ważne: ta energetyczna plazma jest ważnym źródłem jonów i elektronów, które mogą być przyspieszone do ogromnych prędkości, źródła promieniowania kosmicznego i promieniowania synchrotronowego o szerokim spektrum. Powiązania promieniowania kosmicznego z wzorem otaczających chmur, wpływającym na nasz klimat, zostały odnotowane w książce Henrika Svensmarka Chłodzące Gwiazdy.

Temperatura to pomiar, jak dużo cząstki mają losowej energii kinetycznej, co jest powiązane z ilością kolizji pomiędzy nimi i prędkością. Temperatura ma wpływ na stopień jonizacji plazmy. W plazmie mogą się formować pola elektryczne równoległe do lokalnego pola elektrycznego. Cząstki przyspieszane w warunkach pola równoległego mają tendencję do poruszania się równolegle, nie chaotycznie, a w konsekwencji przy niewielkiej ilości zderzeń. Przekształcenie trajektorii cząstek z chaotycznych na równoległe nazywa się "determalizacją". Mówi się, że w jej wyniku nastaje niższa "temperatura". Analogia: pomyślmy o ruchu samochodowym w "derby zniszczenia" jako o "gorącym", kolizjogennym, chaotycznym ruchu, a o swobodnym ruchu na trasie jak o "chłodnym" ruchu równoległym, bez zderzeń.

W kolizji pomiędzy atomem a elektronem może dojść do jonizacji, jeżeli energia (temperatura) elektronu będzie większa niż energia jonizacji atomu. Podobnie, jeżeli elektron zderzy się z jonem, nie dojdzie do rekombinacji, jeżeli energia elektronu jest zbyt duża. Można to zwizualizować tym, że elektron ma większą prędkość, niż prędkość ucieczki jonu, więc nie zostanie przechwycony na orbitę wokół jądra.


Prosty diagram przedstawiający uwolnienie elektronu przy jonizacji obojętnego atomu.

Temperatury elektronów w kosmicznej plazmie mogą dochodzić do tysięcy i milionów kelwinów. Plazma może być więc efektywna w utrzymywaniu swojego stanu jonizacji. Stan odseparowania ładunków jest czymś normalnym w plazmie kosmicznej.

Inne źródła energii jonizującej zawierają wysoko energetyczne promienie kosmiczne, docierające z innych obszarów, wysoko energetyczne, czy też "jonizujące" promieniowanie, takie jak silne światło ultrafioletowe z gazu lub słabo zjonizowanej plazmy pobliskich gwiazd, styk pomiędzy rejonem plazmy i neutralnego gazu, w którym prędkość względna osiąga krytyczną prędkość jonizacji (CIV) (Hannes Alfvén, Collision between a nonionized gas and a magnetized plasma, Rev. Mod. Phys., vol. 32, p. 710, 1960), lub energetyczne procesy radiacyjne wewnątrz samej plazmy.


Wysoko energetyczne procesy obserwowane w mgławicy NGC 3603: niebieski super olbrzym Sher 25 z toroidalnym pierścieniem i bipolarnym dżetem, na górze w środku; łuk i żarzenie wyładowań plazmy jako mgławica emisyjna (biało żółte strefy); gromada gorących, niebieskich gwiazd Wolf-Rayet i młodych gwiazd typu O, z elektrycznymi włóknami i powłokami przez pyłowo-plazmowe regiony mgławicy. Prawa: W. Brandner (JPL/IPAC), E. Grebel (U. of Washington), You-Hua Chou (U. of Illinois, Urbana-Champaign), and NASA Hubble Space Telescope

W kosmologii Wielkiego Wybuchu uważa się, że nie ma we Wszechświecie dostatecznie dużo energii do stworzenia i utrzymania znaczących ilości wolnych elektronów i jonów przez jonizację, a więc nie mogą one istnieć. Z drugiej strony, gdziekolwiek jony i elektrony łączą się w atomy, energia jest zabierana. W modelu Wielkiego Wybuchu protony i elektrony powstały przed atomami, tak więc podczas formowania się atomów we Wszechświecie musiały zostać uwolnione ogromne ilości energii. Wydaje się możliwym, że jeśli model Wielkiego Wybuchu jest poprawny, to ta energia wciąż jest dostępna, żeby zrejonizować dużą ilość materii. Alternatywnie, możliwe, że nie wszystkie protony i elektrony połączyły się w atomy.

Zauważmy, że Elektryczny Wszechświat nie opiera się na Wielkim Wybuchu. Model elektryczny mówi po prostu, że wykrywamy jony i elektrony, gdziekolwiek się skierujemy, a więc one istnieją, być może w dużej ilości. Teleskopy "widzące" wysoko energetyczne fotony, jak Chandra (rentgen) czy EIT (ultrafiolet) na słonecznym statku obserwacyjnym SOHO, potwierdzają istnienie jonizujących źródeł energii we Wszechświecie, zarówno blisko jak i daleko. Sugerowanie, że wolne jony i elektrony nie mogłyby istnieć w dużej ilości z powodu niewystarczającej ilości energii do ich wytworzenia jest tak błędne, jak twierdzenie, że Wszechświat nie mógłby powstać z tego samego powodu.

3.4 Badania plazmy


Norweski naukowiec Kristian Birkeland (1867-1917) ze swoją terrellą ("małą ziemią"), próżniowym elektromagnetycznym symulatorem plazmowym, około 1904.

Chociaż plazma może nie być powszechna w ziemskiej biosferze, jest widoczna w wielopostaciowych piorunach, zorzy polarnej, iskrach elektryczności statycznej, wszelkiej maści płomieniach (patrz: rozdział 2, 2.6), w tubach próżniowych, elektrycznym łuku spawarki, w elektrycznych piecach łukowych, elektrycznych maszynach wyładowujących, plazmowych pochodniach do utylizacji toksycznych odpadów, neonach i innych fluorescencyjnych świetlnych tubach i bańkach.

Zachowanie plazmy było przez ponad wiek obszernie studiowane w eksperymentach laboratoryjnych. Istnieje duża ilość opublikowanych badań o zachowaniu plazmy przez różne laboratoria i profesjonalne organizacje, włącznie z Instytutem Elektryczności i Inżynierii Elektronicznej (IEEE), który jest dzisiaj największą profesjonalną techniczną organizacją na świecie. IEEE wydaje czasopismo Transactions on Plasma Science.

Wyjaśniając zachowanie plazmy w dalszej części tego przewodnika, będziemy się opierali przede wszystkim na tych badaniach. Jedną z rzeczy, które należy sobie uświadomić, jest skalowalność plazmy na wiele rzędów wielkości. Tak jest, możemy sprawdzić mało skalowe przykłady plazmy w laboratorium wiedząc, że wyniki mogą być przeskalowane do rozmiarów potrzebnych w wyjaśnieniu zachowania plazmy w kosmosie.


Komora próżniowa do eksperymentów z plazmą w Plazma Physics Group Dr Paula Bellana w Celifornian Institute of Technology, USA, około 2008. Prawa: Cal Tech.

3.5 Plazma i gazy

Z powodu obecności naładowanych cząstek, takich jak jony, elektrony i naładowane drobiny pyłu, plazma kosmiczna zachowuje się zupełnie inaczej w obecności pól magnetycznych niż obojętny gaz.

Siły elektromagnetyczne zmuszają naładowane cząstki do poruszania się w odmienny sposób od neutralnych atomów. Złożone zachowanie plazmy może wynikać z kolektywnego ruchu tego rodzaju.

Znaczącą cechą plazmy jest jej zdolność do formowania wielkoskalowych komórek i włókien. W gruncie rzeczy właśnie stąd plazma wzięła swoją nazwę, z powodu swojego zachowania imitującego formy żywe i podobieństwa do komórek krwi.

Komórkowość plazmy sprawia trudności przy jej modelowaniu. Użycie stwierdzenia "zjonizowany gaz" jest mylące, gdyż sugeruje, że plazmę można modelować w kategoriach gazu lub płynu.

Alfvén i Arrhenius napisali w 1971 Ewolucję Układu Słonecznego:"Podstawowa różnica [w podejściu do modelowania] jest widoczna w pojęciach zjonizowany gaz i plazma, której jakkolwiek są synonimami, niosą ze sobą inne pojęcia. Pierwsze daje nam impresję medium, które jest podobne do gazu, w szczególności do znanej nam gazowej atmosfery. W kontraście do tego, plazma, w szczególności w pełni zjonizowana i zmagnetyzowana, jest medium o zupełnie innych właściwościach."

3.6 Przewodnictwo elektryczne

Plazma zawiera wolne cząstki naładowane. Pamiętając, że z definicji poruszające się ładunki stanowią prąd, widzimy, że plazma przewodzi elektryczność. W rzeczy samej, skoro plazma zawiera zarówno wolne jony jak i elektrony, elektryczność może być przewodzona przez obydwa rodzaje nośników.

Dla porównania, w metalu przewodnictwo istnieje całkowicie dzięki obecności wolnych elektronów, ponieważ jony są połączone w sieć krystaliczną. To oznacza, że plazma jest znacznie wydajniejszym przewodnikiem niż metal, gdyż zarówno jej jony, jak i elektrony, będą się poruszać pod wpływem przyłożonej siły.


Wydajność przewodzenia plazmy w małych fluorescencyjnych źródłach światła spowodowała szybkie wyparcie przez nie włókien metalowych (ciepło oporowe).

Elektryczny opór plazmy

W modelu grawitacyjnym, plazma jest często traktowana jako doskonały przewodnik o zerowym oporze. Aczkolwiek, każda plazma posiada niewielką, niezerową oporność. Jest to fundamentalne dla kompletnego zrozumienia elektryczności w kosmosie. Ponieważ plazma posiada małą, niezerową oporność, może przewodzić słabe prądy elektryczne bez zwarcia.

Przewodność elektryczna materiału zdeterminowana jest przez dwie rzeczy: gęstość dostępnych nośników (jonów i elektronów) oraz ich mobilność (swobodę ruchu).

W plazmie kosmicznej, mobilność jest ogromna, gdyż przy relatywnie małej gęstości całkowitej, i z reguły niskiej temperaturze, nośniki doświadczają niewielu zderzeń. Z drugiej strony, gęstość nośników również jest bardzo mała, co ogranicza zdolności plazmy do przewodzenia prądu.

Elektryczna oporność plazmy, która jest odwrotnie proporcjonalna do iloczynu gęstości i mobilności ładunku, jest więc mała, ale niezerowa.

Ponieważ pole magnetyczne zmusza poruszające się w nim cząstki naładowane do zmiany kierunku, opór prądu płynącego w poprzek pola jest większy, niż płynącego wzdłuż niego. Jest to ważne przy analizowaniu prądów elektrycznych w plazmie.

Jakkolwiek plazma jest dobrym przewodnikiem, nie jest doskonałym, czy super przewodnikiem.

Powstawanie różnicy ładunków

W wystarczająco dużej przestrzeni plazma dąży do posiadania takiej samej liczby ładunków ujemnych i dodatnich, gdyż każde niebalansowanie jest szybko niwelowane przez energetyczne elektrony. Powstaje zatem pytanie, jak mogą istnieć różnie naładowane regiony, skoro plazma jest dobrym przewodnikiem i szybko dąży do samoneutralizacji?

W małej skali, dla kosmicznej plazmy rzędu dziesiątek metrów, występują w sposób naturalny wariacje, będące rezultatem losowych wariacji ruchu elektronów, a to prowadzi do powstawania małych, przylegających regionów, w których elektryczna obojętność jest tymczasowo niezachowana.

W większej skali, dodatnie i ujemne ładunki poruszające się w polu magnetycznym zostają automatycznie rozdzielone o pewien kąt, gdyż pole działa na nie siłą skierowaną w przeciwnych kierunkach. Skutkuje to pojawianiem się przeciwnie naładowanych regionów, które utrzymują się tak długo, jak długo naładowane cząsteczki poruszają się w polu magnetycznym.

Oddzielone ładunki wytwarzają pole elektryczne, które z kolei przyspiesza jony i elektrony, znowu w przeciwnych kierunkach. Innymi słowy, tak długo, jak istnieją małe niejednorodności, tak długo mają miejsce skomplikowane procesy plazmowe.


Poruszanie się w silnym polu magnetycznym Jowisza powoduje silne rozdzielenie ładunków (separację woltażu), i powoduje przepływ prądu w obwodzie o mocy jakichś 2 trylionów watów pomiędzy księżycem Io a biegunami Jowisza.

W każdej skali charakterystyczne włókniste i komórkowe struktury plazmowe powodują powstawanie cienkich warstw rozdzielających ładunki. Jakkolwiek warstwy te są bardzo cienkie, mogą rozdzielać bardzo rozległe obszary przestrzeni.

3.9 Ważne rzeczy do zapamiętania na temat zachowania plazmy

Podstawową rzeczą, o jakiej należy pamiętać w rozważaniach nad kosmiczną plazmą, jest to, że często zachowuje się ona zupełnie inaczej niż gaz. Naładowane cząsteczki, których obecność definiuje plazmę, reagują na pola elektromagnetyczne, które cząsteczki owe same generują i modyfikują.

W szczególności plazma formuje komórki i włókna wewnątrz siebie samej, skąd wzięła się z resztą jej nazwa, a to zmienia jej zachowanie, na zasadzie sprzężenia zwrotnego.

Zachowanie plazmy przypomina fraktal. Obydwa są złożonymi systemami, powstającymi z relatywnie prostych zasad. Jednak w odróżnieniu od fraktala, plazma jest podatna na niestabilności, które dodają kolejny stopień złożoności.

Żaden matematyczny ani teoretyczny model Wszechświata, który nie bierze pod uwagę owej złożoności, pomija ważny aspekt działania systemu i nie jest w stanie go poprawnie modelować.


Galaktyka aktywna M87 w gromadzie Wirgo, wraz ze swoim długim na 5000 lś prądem elektrycznym wzdłuż włókien plazmy (zwanym "dżetem"), z widocznymi niestabilnościami w postaci jasnych węzłów. Prawa: Space Telescope Institute, Hubble/NASA

Autor: Bob Johnson - Jim Johnson

Link do oryginału: http://www.thunderbolts.info/wp/2011/10/25/essential-guide-to-the-eu-chapter-3/

niedziela, 15 września 2013

Niezbędny przewodnik po EW - rozdział 2. Elektryczne i magnetyczne pola w kosmosie.

2.1 Porównanie siły oddziaływań grawitacyjnych i elektromagnetycznych

Grawitacja jest względnie bardzo słabą siłą. Elektryczna siła Coulomba pomiędzy protonem a elektronem jest rzędu 1039 (1 i 39 zer) większa do siły grawitacji pomiędzy nimi.

Oddziaływania fundamentalne w fizyce:

OddziaływanieObecna teoriaWzględna siłaZasięg (m)Przewidziany pośrednik
Oddziaływanie silneChromodynamika kwantowa1E+391E-14Gluony
ElektromagnetyzmElektrodynamika kwantowa1E+37Fotony
Oddziaływanie słabeTeoria oddz. elektrosłabych1E+261E-17Bozony W & Z
GrawitacjaOgólna Teoria Względności1Grawitony1

1jak dotąd nieodkryte

Możemy sami przekonać się o sile elektromagnetyzmu, gdy posługując się magnesem, podnosimy mały metalowy przedmiot, powiedzmy, kulkę z łożyska. Mimo tego, że przyciąga ją cała Ziemia, magnes z łatwością ją podnosi, gdy tylko znajdzie się wystarczająco blisko. W kosmosie, grawitacja stanie się znacząca tylko tam, gdzie siły elektromagnetyczne zostaną ekranowane lub zneutralizowane.


Mały magnes przyciąga i trzyma metalową kulkę, na przekór ziemskiej grawitacji.

Dla ciał sferycznych, zarówno siła grawitacji, jak i elektryczna siła Coulomba maleje wraz z kwadratem odległości. Dla innych geometrii i konfiguracji, siła zmniejsza się wolniej. Dla przykładu, siła działająca na względnie długie i cienkie prądy elektryczne poruszające się równolegle do siebie, maleje wraz z pierwszą potęgą odległości.

Prądy elektryczne mogą przenosić energię na ogromne odległości, zanim będzie można ją wykryć, tak jak my używamy energii generowanej w odległej elektrowni, żeby zagotować wodę w kuchni. Oznacza to, na większe dystanse, że siły elektromagnetyczne i prądy elektryczne mogą być znacznie efektywniejsze zarówno niż słaba grawitacja, jak i silniejsza elektrostatyczna siła Coulomba.

Pamiętajmy, że w celu wyjaśnienia zachowania materii, którą widzimy, model grawitacyjny potrzebuje 24 razy tyle materii, w specjalnych miejscach i specjalnego, niewidzialnego rodzaju. Wydaje się znacznie rozsądniejszym zbadanie, czy znana nam fizyka sił elektromagnetycznych i prądów elektrycznych nie prowadzi do obserwowanych efektów, niż wymyślanie czegoś, co może nie istnieć.

2.2 Próżnia - "pusta" przestrzeń

Przed stu laty myślano, że przestrzeń jest pusta. Słowa "próżnia" i "pustka" były wymienne. Ale próbniki odkryły, że przestrzeń zawiera atomy, pył, jony i elektrony. Jakkolwiek gęstość materii w kosmosie jest bardzo mała, to jednak nie jest zerowa. Co za tym idzie, przestrzeń nie jest zerowa w konwencjonalnym tego słowa znaczeniu. Na przykład, wiatr słoneczny jest strumieniem naładowanych cząstek przybywających ze Słońca i wyłapywanych przez Ziemię, powodując efekty świetlne w postaci zorzy polarnej.

Sądzi się, że cząstki pyłu kosmicznego są rozmiarów 2 do 200 nanometrów, a wiele z nich jest naładowanych, zarówno przez jony jak i elektrony. Mieszanina obojętnych i naładowanych cząstek nazywana jest plazmą i jest nasycona pola mi elektromagnetycznymi. W rozdziale trzecim omówimy plazmę i jej unikalne oddziaływanie z polami elektromagnetycznymi. "Pusta" przestrzeń pomiędzy planetami i gwiazdami czy galaktykami jest bardzo różna od wyobrażeń astronomów we wczesnym wieku XX.

Proszę zwrócić uwagę na terminologię w podanych linkach. Astronomowie często odnoszą się do materii w stanie plazmy jako do "gazu", "wiatrów", "gorącego, zjonizowanego gazu", "chmur" etc. Przeszkadza to w rozróżnieniu dwóch zupełnie odmiennych stanów materii, z których pierwszym jest plazma, a drugi może być obojętnym gazem, którym są po prostu szeroko rozproszone, niezjonizowane molekuły i atomy.


Występowanie zjonizowanego wodoru na półkuli północnej. Źródło: Wiki Commons.

Istnienie naładowanych cząstek i pól elektromagnetycznych jest akceptowane zarówno przez model grawitacyjny, jak i elektryczny. Ale nacisk na nie położony odróżnia te modele znacznie. Omówimy teraz pola magnetyczne.


Zorza sfotografowana przez L. Zimmermana w Fairbanks na Alasce. Dzięki uprzejmości spaceweather.com, Aurora PhotoGallery

2.3 Pola magnetyczne - wprowadzenie

Co rozumiemy przez pojęcie "pola magnetycznego" oraz "linii pola magnetycznego"? Aby zrozumieć koncepcję pola, rozważmy bardziej znany przykład - grawitację.

Wiemy, że grawitacja to siła przyciągania pomiędzy ciałami lub cząstkami posiadającymi masę. Mówimy, że ziemska grawitacja jest wszędzie wokół nas na powierzchni Ziemi, i że rozchodzi się w kosmos. Możemy ekonomiczniej wyrazić to samo mówiąc, że Ziemia ma pole grawitacyjne, które rozchodzi się w przestrzeń we wszystkich kierunkach. Innymi słowy, pole grawitacyjne to region, gdzie siła grawitacji działa na ciała posiadające masę.

Podobnie, pole magnetyczne to region, gdzie siła magnetyczna będzie działać na namagnesowane lub naładowane ciało (przyczyny powstawania pól magnetycznych omówimy później). Efekt siły magnetycznej jest najbardziej widoczny dla ferromagnetyków. Dla przykładu, opiłki żelazne umieszczone w polu magnetycznym ustawiają się wzdłuż kierunku jego działania jak igły kompasu.


Magnes sztabkowy z opiłkami żelaznymi naokoło, pokazuje kierunek pola magnetycznego.

Ponieważ opiłki ustawiają się przylegająco od bieguna do bieguna, ich wzór można narysować jako zestaw koncentrycznych linii, które mogą pokazywać kierunek oraz, mniej bezpośrednio, natężenie pola w każdym punkcie.

A zatem linie pola magnetycznego są wygodnym sposobem na reprezentowanie jego kierunku i służą pomocą przy wyznaczaniu trajektorii cząstek poruszających się w polu (Fundamentals of Plasma Physics, Cambridge University Press, 2006, Paul Bellan, Ph.D.).

Należy przy tym pamiętać, że linie pola nie istnieją jako fizyczne obiekty. Każdy z opiłków działa jak kompas: można go troszkę przesunąć, a on wciąż będzie wskazywał magnetyczny kierunek wschód-zachód ze swojej nowej pozycji. Na podobnej zasadzie pion będzie pokazywał lokalny kierunek grawitacji. Linie rysowane wzdłuż serii pionów tworzą zbiór linii pola grawitacyjnego. Takie linie nie istnieją na prawdę, są po prostu wygodnym wyobrażeniem do wizualizowania kierunku siły związanej z polem (zobacz załącznik I).

Linie pola niekoniecznie wskazują kierunek siły wywieranej przez źródło. Rysowane linie mogą wskazywać polaryzację siły lub mogą wskazywać kontury o stałej intensywności siły, jak izobary dla ciśnienia czy poziomice dla wysokości. Często wokół ciał trójwymiarowych stosuje się wyobrażeniowe powierzchnie oznaczające równe natężenie pola.

Umówiono się, że kierunek pola magnetycznego w danym punkcie jest od bieguna południowego ku północnemu.

W przypadku pola grawitacyjnego również można wybrać rysowanie linii konturowych o równym natężeniu pola, zamiast linii kierunku. Będą one coraz rzadsze wraz z wysokością (czy też z odległością od środka ciała). Do znalezienia kierunku działania siły na podstawie linii konturowych, należy sprawdzić, w którą stronę ciała będą się poruszać. Położony na szczycie wzgórza kamień będzie się staczał w dół, w poprzek linii konturowych. Innymi słowy, siła grawitacji jest prostopadła do linii konturowych równego natężenia siły.

Pole magnetyczne jest bardziej skomplikowane od grawitacyjnego z tego względu, że może zarówno przyciągać, jak i odpychać. Dwa stałe magnesy sztabkowe, zwrócone do siebie przeciwnymi biegunami, będą się przyciągać wzdłuż linii połączonych pól. Magnesy zwrócone tymi samymi biegunami, będą się odpychać w tym samym kierunku.

Pole magnetyczne wywiera również wpływ na cząstki naładowane, które są w ruchu. Ponieważ siła wywierana na cząstkę naładowaną jest prostopadła zarówno do kierunku pola, jak i ruchu cząstki, więc cząstka podążająca w poprzek pola jest zmuszona do miany kierunku (przyspieszana) przez oddziaływanie z polem. Jej prędkość nie ulega zmianie, więc zachowana jest energia kinetyczna. Poniższe obrazki pokazują, co się stanie z wiązką elektronów w komorze próżniowej przed i po włączeniu pola magnetycznego, w prezentacji laboratoryjnej.


Od lewej: 1) Cewka Helmoltza wyłączona - strumień elektronów jest prosty. 2) Cewka Helmoltza wytwarza pole magnetyczne wokół tuby próżniowej. 3) Cewka Helmoltza włączona - strumień elektronów zakrzywiony, zgodnie z regułą prawej dłoni

Siła magnetyczna wywierana na cząstkę naładowaną w ruchu jest analogiczna do siły żyroskopowej. Cząstka poruszająca się wzdłuż linii pola nie doświadczy siły przy próbie zmiany kierunku, tak jak wepchnięta w wirujący żyroskop nie dokładnie wzdłuż osi rotacji nie spowoduje obrotu czy "precesji".

Chociaż siła oddziałująca na inne cząstki naładowane jest różna, to linie pola są użyteczne, gdyż kierunek siły działającej na każdy materiał, jak poruszającą się cząstkę naładowaną, można z nich wydedukować.


Linie nakładających się pól na Słońcu, w sąsiedztwie dziury koronalnej oraz w innych aktywnych regionach. Zrozumienie dynamiki takich pól pozwala zrozumieć prądy plazmy, które je powodują. Image credit: NASA SDO / Lockheed Martin Space Systems Corp., 10.20.2010

2.4 Geneza pól magnetycznych

Pole magnetyczne można wytworzyć tylko w jeden sposób: przesuwając ładunki elektryczne (kłóciłbym się, ale na razie niech im będzie2 - przyp. tłum.). W magnesach stałych, pole generowane jest przez elektrony wirujące wokół jader atomowych. Silny magnes powstaje wtedy, gdy elektrony okrążające jądro wirują w tym samym kierunku, tworząc potężną złożoną siłę. Jeśli podgrzać magnes do jego temperatury Curie, ruchy termiczne atomów przełamują porządek w wirowaniu, znacznie zmniejszając sieciowe pole magnetyczne. W metalowym przewodzie przewodzącym prąd, pole magnetyczne jest wytwarzane przez poruszające się w nim elektrony. Bardziej dokładne wprowadzenie do tematu sprzężenia i ferromagnetyzmu znajduje się tutaj.

2Jest to kontrowersyjna teza, również dla mnie. Osobiście nie zgadzam się z interpretacją magnetyzmu w ciałach stałych jako efektu klasycznego wirowania elektronów w atomie. Jednak na tej stronie omawiana jest fizyka plazmy, a nie ciała stałego, w szczególności kryształu. W plazmie zaś rzeczywiście nie sposób wytworzyć pola magnetycznego inaczej, jak przez ruch ładunków.

Inaczej mówiąc, ilekroć ładunek elektryczny się porusza, wytwarza wokół siebie pole magnetyczne. Bez poruszających się ładunków elektrycznych, pole magnetycznie nie może istnieć. Prawo Ampèra mówi, że poruszający się ładunek wytwarza pole magnetyczne o kołowych liniach siły, na płaszczyźnie prostopadłej do ruchu.


Linie pola magnetycznego otaczają przewodnik w koncentrycznych, równo oddalonych cylindrach lub "powłokach". Reguła prawej dłoni mówi, że gdy skierujesz swój prawy kciuk w kierunku przepływu prądu, zakrzywione palce pokażą kierunek linii pola wytwarzanego przez ten prąd. Źródło - Wikimedia Commons, tytuł dodany.

Podczas gdy prądy elektryczne, złożone z poruszających się ładunków elektrycznych mogą być niewidzialne i trudne do wykrycia na odległość, to wykrycie pól magnetycznych w jakimś miejscu w przestrzeni (dobrze znanymi w astronomii metodami, patrz niżej) jest pewną oznaką tego, że towarzyszą im prądy elektryczne.

Gdy prąd płynie w przewodniku, np długim prostym przewodzie lub włóknie plazmy, każdy ładunek elektryczny wewnątrz niego ma wokół siebie małe pole magnetyczne. Gdy wszystkie te indywidualne pola magnetyczne się dodadzą, efektem jest ciągłe pole magnetyczne na całej długości przewodnika. Regiony, w których natężenie pola magnetycznego jest równe (zwane powierzchniami ekwipotencjalnymi) tworzą cylindry koncentryczne do przewodnika.

Pola elektromagnetyczne zmienne w czasie będą rozważane później (patrz: rozdział 4 i załącznik III).

Kwestia o przyczyny istnienia pól magnetycznych w kosmosie stanowi jedną z kluczowych różnic pomiędzy modelem grawitacyjnym a elektrycznym.

Model grawitacyjny zezwala na pola magnetyczne w kosmosie, gdyż są one powszechnie obserwowane, ale twierdzi się, że ich źródłem są dynama wewnątrz gwiazd. Obecnie, dla większości badaczy ani pola elektryczne, ani prądy elektryczne nie grają żadnej znaczącej roli w wytwarzaniu pól magnetycznych.

Dla kontrastu, model elektryczny, z którym dokładnie zapoznamy się później, twierdzi, że pola magnetyczne muszą być wytwarzane przez poruszające się w przestrzeni cząstki naładowane elektrycznie, tak samo, jak na Ziemi. Ma się rozumieć, model elektryczny akceptuje również pola magnetyczne gwiazd i planet, widoczne przez magnetosfery i inne obserwacje. Nowe spojrzenie ma wyjaśnić inną przyczynę tych pól, jeśli nie pochodzą one z gwiezdnego dynama.

2.5 Wykrywanie pól magnetycznych w kosmosie

Od początku ery kosmicznej, pojazd kosmiczny jest w stanie wykryć pole magnetyczne w Układzie Słonecznym przy pomocy instrumentów pokładowych. Pole magnetyczne będące poza zasięgiem aparatury pojazdów możemy "zobaczyć" dzięki jego wpływowi na przechodzące przez nie światło i inne rodzaje promieniowania. Możemy nawet określić natężenie tego pola, poprzez mierzenie wielkości danego efektu.


Galaktyka M83 / NGC 5236, Południowa Galaktyka Spiralna. Od lewej: 1) Widok optyczny, ESO, La Silla, Chile, dzięki uprzejmości Rainera Becka i Billa Sherwooda. 2) Obraz natężenia pola magnetycznego (fałszywe kolory), oraz kierunku, z Atlasu pól magnetycznych pobliskich galaktyk, Max Planck Institute für Radio-Astronomie.

Od wieków wiemy o istnieniu ziemskiego pola magnetycznego. Teraz możemy wykryć takie pola w kosmosie, wiec koncepcja pola magnetycznego w kosmosie jest łatwa do pojęcia, aczkolwiek astronomowie mają problemy z wyjaśnieniem przyczyny jego powstania.

Pole magnetyczne można wykryć na wielu długościach fali, obserwując ilość symetrycznych spektrograficznych linii emisyjnych lub absorbcyjnych, rozszczepionych polem magnetycznym. Zjawisko to nosi nazwę efektu Zeemana, po duńskim fizyku i laureacie nagrody Nobla, Pieterze Zeemanie (1865-1943). Zwróć uwagę, na zdjęciach powyżej, jak bardzo kierunek pola magnetycznego przylega do ramion galaktyki widzialnych optycznie.


Efekt Zeemana, linie spektralne rozszczepiające się w polu magnetycznym. www.chemteam.info/classical papers/no.38,1897 – the Zeeman effect. Oryginalna fotografia Pietera Zeemana.

Inną przesłanką na istnienie pól magnetycznych jest polaryzacja promieniowania synchrotronowego, emitowanego przez elektrony w polu magnetycznym, przydatne na skalę galaktyczną. Zobacz artykuł Beck'a Galaktyczne Pola Magnetyczne na Scholarpedii oraz Atlas pól magnetycznych w pobliskich galaktykach Becka i Sherwooda. Pomiarów kąta polaryzacji dokonuje się przy użyciu efektu Faradaya. Obrót Faradaya prowadzi do otrzymania siły pola magnetycznego, przez które przechodzi spolaryzowane światło.

Bardzo instrukcyjna publikacja Filipa Kronberga (i innych) - Measurement of the Electric Current in a Kpc-Scale Jet - wprowadza nieodparte spojrzenie na bezpośrednie powiązanie pomiędzy zmierzonym obrotem Faradaya w potężnych "węzłach" magnetycznych w dużym, galaktycznym dżecie, wynikowym natężeniem pola magnetycznego, a prądem elektrycznym płynącym wewnątrz dżetu.

Pola magnetyczne są uwzględnione zarówno przez elektryczny, jak i grawitacyjny model wszechświata. Zasadniczą różnicą jest łączenie w modelu elektrycznym pól magnetycznych z towarzyszącymi im prądami elektrycznymi. Zajmiemy się teraz polami i prądami elektrycznymi.

Wprowadzenie do pól elektrycznych

Ładunki elektryczne mają polaryzację. Mogą być dodatnie lub ujemne. Umówiono się, że ładunek elementarny jest równy ładunkowi elektronu (-e) lub protonu (+e). Ładunek elektryczny jest skwantowany. Zawsze jest wielokrotnością e.

Podstawową jednostką ładunku jest kulomb (C). e = 1,60×10-19 kulomba. Biorąc odwrotność tej malutkiej liczby, jeden kulomb jest równy 6,25×1018 pojedynczo naładowanym cząstkom. Jeden amper (A) prądu elektrycznego to jeden kulomb na sekundę. Prąd 20A to 20 kulombów, albo 1,25×1020 elektronów na sekundę.

Każdy ładunek posiada przyporządkowane sobie pole elektryczne. Pole elektryczne jest podobne do magnetycznego w tym, że obydwa są powodowane fundamentalnym oddziaływaniem elektromagnetycznym, a ich zasięg jest nieskończony, lub nieskończenie daleki. Pole elektryczne otaczające pojedynczą cząstkę naładowaną jest sferyczne, jak pole grawitacyjne wokół małej lub sferycznej masy.


Pole elektryczne wokół ładunku dodatniego (z lewej) i pomiędzy dwoma naładowanymi płaszczyznami. Strzałki pokazują siłę wywieraną na ładunek dodatni. Taka sama siła o przeciwnym kierunku zostanie przyłożona do ładunku o przeciwnym znaku.

Natężenie pola elektrycznego w danym punkcie zdefiniowane jest jako siła (w newtonach - N), działająca na dodatni ładunek testowy 1 kulomba, umieszczony w tym punkcie. Jak w przypadku grawitacji, siła z jednego ładunku jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości od ładunku testowego (lub jakiegokolwiek innego).

Zdefiniowanie ładunku punktowego jako dodatniego jest jednocześnie definicją kierunku działania siły przy oddziaływaniu jednego ładunku na drugi. Ponieważ podobne ładunku się odpychają, a przeciwne przyciągają, jak bieguny magnetyczne, wyobrażeniowe linie pola elektrycznego starają się uciekać od ładunków dodatnich a skupiać się na ujemnych. Można obejrzeć krótki film na YouTube o polach elektrycznych: tutaj

Tutaj znajduje się interaktywna demonstracja dwóch ładunków i linii występującego między nimi pola, w tej aplikacji Mathematica: link.

Być może zajdzie potrzeba ściągnięcia Mathematica pleyera (ale tylko raz i za darmo) z podanej strony, do zobaczenia dema. Po zainstalowaniu go, kliknij na "Download Live Demo". Możesz dobierać siłę i polaryzację ładunku (+ lub -) przy pomocy suwaków, oraz przeciągać ładunki po ekranie. Daj czas na wygładzenie się linii po dokonaniu zmian.

Siły elektromagnetyczne plazmy kosmicznej są zwykle silniejsze niż grawitacyjne. Elektromagnetyzm można ekranować, podczas gdy grawitację, wg. dotychczasowej wiedzy, nie. Wspólny argument w standardowym modelu jest taki, że większość elektronów w obszarze lub ciele jest sparowana z protonami w jądrach atomów i molekułach, tak więc siły ujemnych i dodatnich ładunków się znoszą, tak więc "dla dużych ciał grawitacja powinna dominować"(link: Wikipedia, Oddziaływania Fundamentalne, Elektromagnetyzm.

To, co przeoczono w wywodzie powyżej, to założenie względnie chłodnego, stabilnego i prawie obojętnego elektrycznie środowiska planetarnego, jakie mamy na Ziemi. Większość innej materii we wszechświecie zawiera plazmę, tzn. naładowane i obojętne cząstki poruszające się w skomplikowanej symfonii rozdzielenia ładunków i wzbudzających się wzajemnie pól elektromagnetycznych. Grawitacja, choć wciąż obecna, nie jest typowo dominującą siłą.

Ze składającej się głównie z obojętnych cząstek, słabych pól elektrycznych i magnetycznych, oraz słabych prądów, elektryczne prądy i pola plazmy w kosmosie mogą stać się bardzo potężne. Model elektryczny utrzymuje, że takie zjawiska kosmiczne jak magnetosfery, prądy Birkelanda, gwiazdy, pulsary, galaktyki, galaktyczne i gwiazdowe dżety, mgławice planetarne, "czarne dziury", energetyczne cząstki, jak promieniowanie rentgena i gamma, oraz więcej - są fundamentalnie elektryczne w fizyce plazmy. Nawet ciała skaliste - planety, asteroidy, księżyce i obiekty gazowe w układzie słonecznym - egzystują w heliosferze swojej gwiazdy i nie są wolne od wpływów elektromagnetyzmu.

Każda naładowana cząsteczka ma swój wkład w budowanie wynikowego pola elektrycznego. Można je łatwo policzyć sumując wektory siły, o ile ładunki są stacjonarne. Jeśli się ruszają (a z reguły tak jest), tworzą pola magnetyczne, oraz im podlegają. Z kolei zmiany pola magnetycznego indukują dodatkowe pola elektryczne, a te z kolei powodują powstawanie prądów. Tak więc pole, startujące z ruchomymi cząsteczkami, przedstawia bardzo skomplikowane oddziaływania, sprzężenia zwrotne i zamotaną matematykę.

Ładunki mogą być rozmieszczone w przestrzeni w dowolnej konfiguracji. Jeśli, zamiast w punktach lub sferach, są one rozłożone liniami, tak, że długość obszaru ładunku jest znacznie większa niż szerokość lub średnica, można wykazać, że pole elektryczne otacza te liniowe kształty tworzy cylindry równego potencjału, a natężenie pola maleje w nich proporcjonalnie do odległości (a nie z jej kwadratem, jak przy punktowych ładunkach). Jest to istotne przy studiowaniu efektów elektrycznych i magnetycznych pól we włóknistych prądach, jak pioruny, skupiska plazmy lub wielkie prądy Birkelanda w przestrzeni kosmicznej.

Zapamiętaj, że kierunek siły przyłożonej do dodatniego ładunku rozpoczyna się na tym ładunku, i kończy na ujemnym, lub w przypadku braku takowego, rozchodzi nieskończenie daleko. Nawet małe niezbalansowanie ładunków, powiedzmy, więcej ładunków dodatnich tutaj i więcej ujemnych gdzieś dalej, powoduje powstanie pola elektrycznego w obszarze rozdzielającym grupy ładunków. Waga tego układu stanie się bardziej jasna później, gdy zaczniemy omawiać warstwę podwójną w plazmie.

Pomyślmy o kondensatorze elektrycznym, który stanowią dwie rozdzielone, przeciwnie naładowane płaszczyzny lub warstwy, podobne do dwóch płaszczyzn na diagramie "B" powyżej. Będzie pomiędzy nimi pole elektryczne. Cząstka naładowana, która znajdzie się pomiędzy nimi, zostanie przyspieszona ku przeciwnie naładowanej płaszczyźnie. Elektrony (które są naładowane ujemnie) będą przyspieszane ku płaszczyźnie dodatniej, podczas gdy jony i protony - ku ujemnej.


Płomień świecy w polu elektrycznym pomiędzy przeciwnie naładowanymi elektrodami będzie ustawiony bocznie, ponieważ płomień jest częściowo zjonizowaną plazmą. Siła reagowania z polem elektrycznym jest większa, niż niż siła termicznej konwekcji w polu grawitacyjnym.

Zgodnie z prawem Newtona, siła skutkuje przyspieszeniem. Tak więc w polu elektrycznym cząstki naładowane nabywają prędkości. Przeciwnie naładowane cząstki będą się poruszać w przeciwnym kierunku. Prąd elektryczny jest, z definicji, ruchem ładunków przez punkt. Pole elektryczne powoduje więc powstanie prądu przez nadanie cząstkom naładowanym prędkości.

Jeśli pole elektryczne jest bardzo silne, cząstki zostaną przyspieszone do bardzo dużych prędkości. Po więcej lektury na ten temat, zajrzyj tu.

Wykrywanie pól elektrycznych i prądów w kosmosie

Pola elektryczne i prądy są trudniejsze do wykrycia bez możliwości wetknięcia bezpośrednio w nie przyrządu pomiarowego, ale wykryliśmy prądy w Układzie Słonecznym przy pomocy pojazdów kosmicznych. Jednym z pierwszych był działający w latach 70-tych, nisko pułapowy, krążący na orbicie biegunowej, satelita TRIAD, który wykrył prądy oddziałujące z ziemską górną atmosferą. W 1981 roku Hannes Alfvén opisał heliosferyczny model prądów w swojej książce Kosmiczna Plazma.

Tak więc, odkryto region prądu elektrycznego, zwany heliosferycznym prądem płaszczyznowym (HCS), który oddziela ujemne i dodatnie regiony słonecznego pola magnetycznego. Ma on nachylenie około 15 st. do równika Słońca. Podczas jednej połowy cyklu słonecznego, wskazujące na zewnątrz pole magnetyczne znajduje się nad prądem HCS, a dośrodkowe - pod nim. Odwraca się to wraz ze zmianą pola magnetycznego przez Słońca raz na pół cyklu. Wraz z obrotem Słońca, obraca się i HCS, wlokąc za sobą zaburzenia w coś, co NASA nazywa "standardową spiralą Parkera".

Trochę linków do stron poświęconych heliosferycznemu prądowy powierzchniowemu posiada Wikipedia, NASA, ta demonstracja Mathematica i Belgijski Instytut Aeronomii.


Zobrazowanie heliosferycznego prądu powierzchniowego (HCS) wokół Słońca, wraz z charakterystycznymi falami wleczonymi na kształt spirali. Źródło: Wikimedia Commons.

Od lat 80-tych pojazdy kosmiczne zmierzył← zmiany prądu powierzchniowego w różnych miejscach. Odkryły zarówno prądy słoneczne, jak i bliskie Ziemi. Model grawitacyjny akceptuje owe prądy, jednak zakłada, że są one skutkiem pól magnetycznych. Wrócimy do tego później.


Rakieta badawcza z ładunkiem w postaci SPIRIT II z wysuwanymi wysięgnikami, na których są próbniki Langmuira, do detekcji pól elektrycznych i jonów w przyziemskiej plazmie. Prawa autorskie: NASA Wallops Flight Facility and Penn State University

Pola elektryczne poza zasięgiem pojazdu kosmicznego nie są wykrywalne w taki sam sposób, jak pola magnetyczne. Rozszczepienie lub rozszerzenie linii w polu elektrycznym występuje, ale jest asymetryczne, co pozwala odróżnić pole elektryczne od magnetycznego, w którym linie rozszczepiają się symetrycznie. Rozszerzanie się linii w polu elektrycznym jest wrażliwe na masę elementu emitującego światło (im lżejszy element, tym większy efekt), podczas gdy efekt Zeemana jest niezależny od masy. Asymetryczne rozszczepianie lub rozszerzanie linii nazwane jest efektem Starka, po Johannesie Starku (1874-1957).


Rozszerzanie się linii spektrograficznych helu zwiększa się wraz z intensywnością pola elektrycznego, przez które przechodzi światło. Cięższe pierwiastki wykazują mniejszy efekt niż lżejsze. Źródło: Journal of the Franklin Institute, 1930

Inna metoda wykrywania pól elektrycznych bazuje na obserwowaniu zachowania cząsteczek naładowanych, zwłaszcza tych, które są przyspieszone do dużych prędkości, i obecności promieniowania elektromagnetycznego, jak promienie rentgena, o których wiemy z naszego ziemskiego podwórka, że powodują je silne pola elektryczne.

Prąd elektryczny w rozrzedzonej plazmie kosmicznej zachowuje się jak fluorescencyjne światło lub opróżniona tuba Crookes'a. Przy słabym prądzie, plazma jest ciemna i emituje słabo widoczne światło (jakkolwiek zimna, może generować znaczne ilości fal radiowych i podczerwonych). Gdy prąd się zwiększa, plazma wchodzi w stan żarzenia, emitując skromną ilość światła w pasmie widzialnym. Jest to widoczne na zdjęciu na końcu tego rozdziału. Gdy prąd staje się bardzo intensywny, plazma wchodzi w stan łuku. Istnieje niewielka, ale znacząca różnica pomiędzy świecącą a promieniującą warstwą gwiazdowej fotosfery.

To oczywiście oznacza, że jest możliwe alternatywne wyjaśnienie tych efektów, również w teorii. Model grawitacyjny często zakłada, że słaba siła grawitacji pomnożona przez ponadprzeciętne gęstości, które hipotetycznie cechują czarne dziury i gwiazdy neutronowe, potrafią stworzyć tego typu efekty. Lub może cząsteczki zostały przyspieszone do prędkości przyświetlnych przez eksplozje supernowych. Pytanie brzmi, czy "zwielokrotniona grawitacja", czy przetestowany laboratoryjnie elektromagnetyzm jest bardziej spójny z obserwacjami wszechświata, złożonego głównie z plazmy.

Model elektryczny twierdzi, że efekty elektryczne nie są ograniczone do tej przestrzeni w Układzie Słonecznym, którą zdołały zbadać sondy. Wg niego podobne efekty zachodzą też na zewnątrz. Było by to z resztą dziwaczne, gdyby Ukłąd Słoneczny był jedynym miejscem we Wszechświecie, w którym zachodzą zjawiska elektryczne.


Mgławica Zasłona, NGC 6960, ze swoimi zwiewnymi, gazowymi włóknami plazmy i płaskimi prądami obejmującymi lata świetlne. Źródło: T.A. Rector, University of Alaska, Anchorage, and Kitt Peak WIYN 0.9m telescope/NOAO/AURA/NSF

Autor: Bob Johnson - Jim Johnson

Link do oryginału: http://www.thunderbolts.info/wp/2011/10/17/essential-guide-to-the-eu-chapter-2/

niedziela, 8 września 2013

Niezbędny przewodnik po EW - rozdział 1. Odległości w kosmosie.

1.1 Dystanse do gwiazd

Kiedy patrzymy w nocne niebo i widzimy gwiazdy, z których wiele jest podobnych do naszego Słońca, wydaje nam się, że leżą one blisko siebie. Ale wcale tak nie jest. Odległości pomiędzy nimi są ogromne.

Odległość to ważna i zarazem trudna sprawa w astronomii. Musimy wiedzieć, jak daleko jesteśmy od gwiazd i galaktyk, ponieważ dużo innych rzeczy w astronomii zależy bezpośrednio od tego - całkowita emitowana energia, masy z ruchów orbitalnych, prawdziwy ruch gwiazd przez przestrzeń i ich rzeczywiste rozmiary.

Gromada gwiazd dzięki uprzejmości NASA/Hubble Space Telescope

Gwiazdy są od nas tak daleko, że nawet przez teleskopy są tylko małymi punktami światła. Bez informacji o odległości nie będzie wiadomo, czy patrzymy na małą, ale jasną gwiazdę, czy też na dużą, ale mniej jasną. To samo tyczy się galaktyk, kwazarów, dżetów i innych zjawisk.

Odległość pomiędzy naszymi oczami pozwala nam na posiadanie zmysłu głębi. Każde oko musi być pod specyficznym kątem do obiektu zainteresowania. Mózg interpretuje owe kąty i dostosowuje punkt skupienia, dając nam poczucie, jak blisko lub daleko jest od nas dana rzecz. Tworzy wokół nas trójwymiarowy obraz. Owa biologiczna, kątowa detekcja jest podstawą metody wyliczania odległości, która w astronomii nazywa się paralaksą.

Triangulacja, albo trygonometryczna paralaksa, jest bezpośrednim sposobem użycia dwóch kątów z dwóch pozycji do wyznaczenia odległości od obiektu. Obserwując pozycję gwiazdy na tle dalszych gwiazd z przeciwnych punktów na naszej orbicie okołosłonecznej, mamy szeroką linię bazową, która pozwoli nam zmierzyć różnicę kątów pomiędzy pomiarami oddalonymi o 6 miesięcy, i zmierzyć odległość do czegoś tak dalekiego, jak gwiazda.

Diagram trygonometrycznej paralaksy - uprzejmość Australian Telescope Outreach and Education website

Ziemia znajduje się w przybliżeniu 93 miliony mil od Słońca, wiec jej orbita jest prawie kołowa. W astronomii odległość ta jest zwana jednostką astronomiczną (ang. AU). Tak więc odległość pomiędzy przeciwnymi pozycjami Ziemi na orbicie wynosi 2 AU, lub około 186 mln mil. Gdy mierzymy kąt do najbliższej gwiazdy (Alfy Centauri) z jednego punktu na orbicie, czekamy 6 miesięcy i mierzymy ponownie, odkrywamy, że różnica jest raczej mała, co wymusza ogromną precyzję pomiarów. Więcej o paralaksie obliczaniu odległości tutaj i tutaj.

Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) wystrzeliła swojego automatycznego satelitę teleskop Hipparcos, aby zmierzyć odległość do przeszło 118 000 gwiazd, podczas czasu jego funkcjonowania w latach 1989-1993. Misja: poprawić precyzję skatalogowanych odległości wielu gwiazd i uaktualnić katalogi Tycho i Tycho 2. Z nowymi pomiarami paralaksy, 20 870 gwiazd spełniło kryterium błędu paralaksy mniejszego 10%.

Wykres błędu paralaksy z satelity HIPPARCOS, sporządzony przez Ralfa Bigga, z katalogu danych ESA/HIPPARCOS. Zwracamy uwagę na rosnący procent błędu (pionowo rosnący klin) w stosunku do odległości.

Nawet z bliższymi prawdy danymi satelitarnymi, odległości do gwiazd do około 200-220 lat świetlnych mają do 10% błędu i są coraz mniej dokładne aż do około 500 lś. Za tą granicą, pomiary trygonometryczną paralaksą nie nie powinny być traktowane z zaufaniem. Pogge, w linku do swojego piątego wykładu, twierdzi, że dane z Hipparcos "dają dobre odległości do 1000 lś.", a jednak przybliżony dystans zaledwie 500 lś, obarczony błędem 20%-30%, jest zbyt daleki od prawdy, żeby być użytecznym. 1000 lś to niemal niepojęty dystans, a to zaledwie 1% drogi przez Drogę Mleczną.

Kąt 1 stopnia jest dzielony na 60 minut (60') kątowych. Podobnie minuty dzielą się na sekundy (1' = 60'') kątowe. Paralaksa do wszystkich gwiazd z wyjątkiem Słońca jest mniejsza niż jedna sekunda. I tak, paralaksa do Alfy Centauri wynosi około 0,75 sekundy, lub około 0,0002 stopnia. Kąt paralaktyczny do wszystkich innych gwiazd jest nawet mniejszy od tej znikomej wartości.

Jeden rok świetlny, dystans, który światło w próżni przebywa w jeden rok, wynosi prawie 60 mln mil. Jeśli podzielisz 3,26 przez paralaksę do gwiazdy w sekundach kątowych, otrzymasz dystans do gwiazdy mierzony w latach świetlnych. Astronomowie generalnie wolą raczej parseki (pc) niż lata świetlne, nawet pomimo, że paralaksa może dostarczyć ścisłych danych dla stosunkowo niewielkich odległości od Słońca.

Przykład: (3,26 / 0,75 sek. kąt.) = 4.36 lat świetlnych, co daje 25,65 trylionów mil lub 1,33 parseków do najbliższej gwiazdy.

Zacznijmy bliżej domu.

1.2 Modelowanie odległości wewnątrz oraz w pobliżu Układu Słonecznego

Robert Burnham sporządził model, aby pokazać nam w znanych pojęciach, jak wiele przestrzeni znajduje się pomiędzy gwiazdami. Aby zrozumieć tą skalę potrzebujemy znać kilka rzeczywistych odległości.

Jak wspomniano wyżej, odległość Ziemi od Słońca to około 92 960 000 mil (149 605 000 km), z reguły zaokrąglana do 92 mln mil (150 mln km). Ten dystans zwany jest jednostką astronomiczną (AU).

Rok świetlny jest równy 63 294 AU. Zbiegiem okoliczności jest to prawie taka sama liczba, jak ilość cali w mili statutowej, 63 360. Co za tym idzie, jest mniej więcej tyle samo cali w 1 AU, ile mil w roku świetlnym. To są na prawdę duże liczby. Pozostańmy przy calach.

Burnham ustalił skalę swojego modelu na 1 cal (1'') równy 1 AU, lub 93 mln mil. 1 mila w naszym modelu oznacza 1 rok świetlny. Skala ta wyraża się jak 1:6 000 000 000 000. Jedna jednostka wyraża sześć milionów milionów jednostek, czyli jeden do sześciu trylionów lub 1:6×1012

Zacznijmy opisywać miniaturowy model Burnhana naszego Układu Słonecznego przy pomocy tej skali. Wiemy, że odległość ziemi od Słońca (1 AU) wyniesie 1 cal. Jak wielkie będzie Słońce? Jego średnica wynosi 870 000 mil, więc w naszym modelu Słońce będzie mierzyć nieco poniżej 1/100 cala. To bardzo mały punkcik. Ziemia będzie w odległości 1 cala, lecz tak mała (0,00009''), że do jej zobaczenia potrzebowalibyśmy mikroskopu.

Wewnętrzny Układ Słoneczny, wizja artysty, skala nie zachowana.

Promień orbity Plutona wynosi 39,5 raza promień orbity Ziemi, a więc Pluton będzie 39,5 cali, prawie jeden metr, od Słońca.

Heliosfera, region wokół Słońca, w którym dominuje wiatr słoneczny, mierzy jakieś 7 stóp w naszym modelu.

A gdzie w naszym modelu jest najbliższa gwiazda? Najbliżej nas jest Alfa Centauri, oddalona o 4 lś. To więcej, niż 4 mile w naszym modelu.

Tak, 4 mile. Nasz model Układu Słonecznego jest małą plamką, a do drugiej plamki mamy 4 mile. Pomiędzy jest sporo przestrzeni. Jak wielka jest nasza galaktyka w tym modelu? Będzie miała 100 000 mil średnicy. Cienki dysk i ramiona będą grube na tysiące mil. Zgrubienie centralne będzie miało 6000 mil od spodu do wierzchu. Ale nasza galaktyka jest tylko jedną z setek miliardów galaktyk, widocznych we wszechświecie przy pomocy naszych obecnych instrumentów. Nocne niebo wydaje się być zatłoczone gwiazdami, ale gwiazdy są z reguły oddzielone od siebie odległością 10 mln razy większą od własnej średnicy.

1.3 Odległość i grawitacja

Zapamiętajmy, że, jak powiedział Newton, siła grawitacji maleje z kwadratem odległości pomiędzy obiektami. Tak więc przyciąganie się dwóch punkcików odległych o 4 mile nie jest takie duże. Podobnie będzie z dwiema gwiazdami odległymi o 4 lata świetlne. Wykorzystajmy równanie Newtona do policzenia tej siły.

W prostym równaniu poniżej, nad arkuszem obliczeniowym, F jest siłą w Newtonach, G jest bardzo małą liczbą zwaną Stałą Grawitacji, M1 i M2 są danymi masami dwóch gwiazd w kilogramach a r jest odległością pomiędzy ich środkami w metrach. Astronomowie używają systemu metrycznego, lub SI, gdyż jest szerzej używany i wygodniejszy, niż tradycyjny imperialny cali, stóp, mil, funtów i uncji. Aczkolwiek rezultat końcowy jest przedstawiony na dole w postaci siły grawitacji na powierzchni Ziemi, zwanej "gee" (dla grawitacji), niezależnie od systemu miar.

F = G × (M1 × M2) ÷ r²

Jednostki w metrach, kilogramach, sekundach, jakich zwykle używa się w obliczeniach naukowych
Odl. Słońca do A. Centauri A+B, d = 4,3959,4608E+15 m/lś
...41 580 216 000 000mze Słońca do A. Centauri
M1, masa Słońca:1,99E+30kg
M2, masa Centaurus A+B:3,88E+30kg
Stała grawitacji, G = 6,67428E-11
Iloczyn mas (M1 · M2):7,72E+60kg2
Kwadrat odległości (r2):1,73E+33m2
F = G × (M1 × M2) ÷ r²Siła grawitacji Newtona pomiędzy dwoma masami w odległości r
Siła działająca na Słońce, F:2,98E+17N
"gee" - grawitacja na powierzchni Ziemi, równa przyśpieszeniu 9,8 m/s2
F = ma
Przekształcając, aby otrzymać przyspieszenie a = F / m:1,5E-13m/s2
Dzieląc przez przyspieszenie ziemskie, 9,8 m/s21,528E-14przyspieszenia ziemskiego w centrum Słońca

A zatem układ podwójny Alfy Centauri wywiera na Słońce siłę jednej 153-trylionowej przyciągania ziemskiego.

Pomimo swojej ogromnej masy, te dwie gwiazdy wywierają na siebie tylko niewielkie przyspieszenie. Jakakolwiek siła kontrolująca zachowanie materii musi być dość silna i musi oddziaływać efektywnie na ogromne odległości.

Prawo grawitacji Newtona wystarczy do opisania sił przyciągania wewnątrz naszego układu słonecznego. Ale relatywnie słaba grawitacja mogłaby tylko działać efektywnie, jeżeli w ogóle, na przestrzeni międzygwiezdnej, gdyby prawdą było, że przestrzeń jest pusta i nie ma alternatywnych sił, mogących przezwyciężyć grawitację.

Autor: Bob Johnson - Jim Johnson

Link do oryginału: http://www.thunderbolts.info/wp/2011/09/02/essential-guide-to-eu-chapter-1/

sobota, 7 września 2013

Niezbędny przewodnik po Elektrycznym Wszechświecie - wprowadzenie

Nowy obraz kosmosu

Jak nigdy dotąd, eksploracja naszego gwiaździstego wszechświata rozpala wyobraźnię. Nigdy wcześniej kosmos nie przedstawiał tak wielu ścieżek dla badań i odkrywania.

Nowe narzędzia obserwacyjne pozwalają nam "zobaczyć" zwykle niewidoczne spektrum elektromagnetyczne, a obraz ten jest spektakularny. Obrazy teleskopowe w promieniach rentgena, radiowych, podczerwonych i ultrafioletowych pokazują egzotyczną strukturę i silnie energetyczne zdarzenia, które w ciągły sposób na nowo definiują pytania.

Obserwacje spektrograficzne rosną ręka w rękę z szybszymi, pojemniejszymi komputerami oraz programami, doświadczeniem i szerokim naukowym przetwarzaniem danych, obrazowaniem oraz modelowaniem.

Lawina nowych obrazów stała się największym zaskoczeniem ery kosmicznej: świadectwa powszechnych prądów elektrycznych i pól magnetycznych rozciągających się poprzez cały wszechświat, łączących i poruszających to, co kiedyś uważano za odizolowane wyspy w przestrzeni. Ujawniające się zawiłe szczegóły nie są przypadkowe, lecz przejawiają unikalne zachowanie naładowanych cząstek plazmy poddanych wpływom prądów elektrycznych.

Wskazania przyrządów pokazują złożone pola magnetyczne oraz powiązane promieniowanie elektromagnetyczne. Widzimy ich efekty nad i na powierzchni Słońca, we wietrze słonecznym, w strukturach plazmy wokół planet i księżyców, wyrafinowanych strukturach mgławic, wysoko energetycznych wyrzutach z galaktyk oraz w bezkresnych przestrzeniach pomiędzy galaktykami.

Dzięki technologii XX w, astronomowie w XXI w mają niezwykłą możliwość. Dowody wskazują, że międzygalaktyczne prądy, rozpoczynające się daleko poza granicami galaktyk, mają bezpośredni wpływ na ewolucję galaktyk. Obserwowane zwiewne włókna i promieniowanie elektromagnetyczne w międzygalaktycznej i międzygwiezdnej plazmie są sygnaturą prądów elektrycznych. Nawet silne świecenie gwiazd można odnaleźć w prądach elektrycznych wiejących przez przestrzeń międzygalaktyczną.

W koronalnych wyrzutach masy (CME) naładowane cząsteczki są wybuchowo przyspieszane od Słońca tworząc włókna, pokonując słoneczną grawitację. Naładowane cząstki przyspiesza pole elektryczne, i nic innego znanego nauce nie spowoduje takiego efektu. Jeśli Słońce jest centrum pola elektrycznego, to enigmatycznych rzeczy tego ciała czeka na wyjaśnienie? Credit: SOHO (NASA/ESA)

Przez długi czas myślano, że tylko grawitacja może "pracować" lub działać efektywnie na kosmiczne dystanse. Ale perspektywy w astronomii gwałtownie się zmieniają. Specjaliści od fizyki elektryczności i magnetyzmu rozwijają nowe spojrzenie na siły aktywne w kosmosie. Nadchodzą wiarygodne konkluzje. Nie sama grawitacja, ale elektryczność i grawitacja kształtowała i kształtuje wszechświat, który obecnie obserwujemy.

Trochę historii

Wczesne teoretyczne podstawy współczesnej astronomii położone zostały przez Johannesa Keplera i Izaaka Newtona w XVII i XVIII stuleciu. Od 1687 roku, kiedy Newton po raz pierwszy ruch planet Prawem Grawitacji, w nauce założono, że grawitacja tłumaczy wszelkie wielkoskalowe zdarzenia, jak formowanie się gwiazd i galaktyk, czy narodziny systemów planetarnych.

Założenie to wynikało z obserwacji roli grawitacji w naszym układzie słonecznym. Badania nad naturą i potencjałem elektryczności jeszcze się nie rozpoczęły.

Eksperymenty Franklina z elektrycznością nastąpiły już po tym, jak astronomia grawitacyjna się dobrze ulokowała. Credit: Photo courtesy of the Benjamin Franklin Tercenary

Wtedy, w XIX w pionierzy badań, których imiona trzeszczą od elektryczności - Allesandro Volta (1745-1827), André Ampère (1775-1836), Michael Faraday (1791-1867), Joseph Henry (1797-1878), James Clerk Maxwell (1831-1879) i John H. Poynting (1852-1914) rozpoczęli empiryczne badanie "praw" rządzących magnetyzmem i zachowaniami elektromagnetycznymi oraz opracowali użyteczne równania je opisujące.

Począwsze od początku XX w norweski badacz Kristian Birkeland (1867-1917) odkrywał powiązania zorzy polarnej z polami magnetycznymi, które mierzył pod nią na Ziemi. Wywnioskował, że to elektrony dostarczane przez Słońce były źródłem "północnych świateł" - konkluzja szczegółowo potwierdzona przez współczesne badania. Było to jakieś 70 lat przed tym, jak fraza "prądy Birkelanda" weszła do leksykonów astronomii.

Dalsza praca innych naukowców - Jamesa Jeansa (1877-1946), laureata nagrody Nobla Irvinga Langmuira (1881-1957), Willarda Bennetta (1903-1987) i laureata Nobla Laureate'a Hannesa Alfvéna (1908-1995), autora książki Cosmic Plasma - kontynuowała rozwój naszego zrozumienia zjonizowanej materii (plazmy - czwartego stanu materii).

W drugiej połowie XX wieku, bliski kolega Alfvéna, Anthony Peratt opublikował przełomową książkę na temat kosmicznej plazmy Physics of the Plasma Universe, będącą kulminacją jego przekazów, eksperymentów z wysokimi energiami i symulacji komputerowych w Departamencie Energii w Los Alamos Laboratory w Nowym Meksyku (USA). Książka służy jako przewodnik dla specjalistów na tym polu.

Nowe tony w astronomii nastąpiły, gdy wycelowano w niebo radioteleskopy i zaczęto rejestrować coś, czego się nikt nie spodziewał - fale radiowe z energetycznych procesów w "pustce" w przestrzeni. Na drugim międzynarodowym warsztacie nad astrofizyką plazmy i kosmologią IEEE w 1993 roku, Kevin Healy z National Radio Astronomy Observatory (NRAO) zaprezentował dokument "A Window on the Plasma Universe: The Very Large Array, (VLA)", w którym skonkludował:

"Wraz z ciągłym powstawaniem nowych poważnych problemów w "modelach standardowych" astrofizyki i rosnącą potrzebą fizyki plazmy do opisywania wielu astrofizycznych układów, VLA (Very Large Array) jest doskonałym instrumentem do obserwacyjnego wsparcia laboratoriów, symulacji i pracy teoretycznej w fizyce plazmy. Jej bezprecedensowa elastyczność i czułość zapewnia bogactwo informacji o każdym aktywnym radiowo regionie we wszechświecie."

Aktywna galaktyka 3C31 (zakółkowana w środku) jest skarłowaciała przez wytryski plazmy przez jej biegunową oś, poruszające się z dużym ułamkiem prędkości światła. Jak elektryczny potencjał może wpływać na ewolucję galaktyki i miliardy jej gwiazd poprzez ogromną objętość jej aktywnego regionu? Credit: NRAO’s Very Large Array, and Patrick Leahy’s Atlas of DRAGNs

Na początku XXI stulecia Wallace Thornhill i David Talbot napisali wspólnie książkę The Electric Universe, a inżynier elektryk i profesor Donald Scott popełnił The Electric Sky. Razem, te prace są pierwszym ogólnym wprowadzeniem w nowe zrozumienie prądów elektrycznych i pól magnetycznych w kosmosie.

Liderem w publikowaniu technikaliów jest Stowarzyszenie Nauki o Plazmie i Fizyce Jądrowej, oddział Instytutu Elektryki i Inżynierii Elektronicznej (IEEE). Ta profesjonalna organizacja jest jednym z największych światowych wydawców literatury technicznej i naukowej.

Stojąc na ramionach pionierów elektryki, Carl Fälthammar, Gerrit Verschuur, Per Carlqvist, Göran Marklund i wielu innych kontynuują poszerzanie przełomowych badań nad plazmą po dziś dzień.

Ograniczenia teorii grawitacji

Prawo grawitacji, polegające całkowicie na masie ciał i dystansie pomiędzy nimi, spisuje się bardzo dobrze w wyjaśnianiu ruchu ciał niebieskich i satelitów w naszym układzie słonecznym. Ale kiedy astronomowie próbowali zastosować je do galaktyk i ich gromad, okazało się, że prawie 90% masy potrzebnej do zgodnego z obserwacją ich funkcjonowania po prostu brakuje.

Problem zaczął się w 1933 roku, kiedy astronom Fritz Zwicky policzył stosunek masy do światła 8 galaktyk w gromadzie Komy, w gwiazdozbiorze Warkocz Bereniki. Do tej pory zakładano, że ilość światła widzialnego z gwiazd powinna być proporcjonalna do masy (tak zwana "wizualna równowaga"). Gdy Zwicky zdał sobie sprawę, że widoczny gwałtowny ruch galaktyk wokół ich środka masy (barycentrum) sugeruje, że do powstrzymania ich przed odleceniem w przestrzeń potrzeba znacznie więcej masy, niż jest widoczna przez obserwacje.

Zwicky skonkludował, że brakująca masa musi być niewidoczna, lub "ciemna". Inni astronomowie, jak Sinclair Smith (który przeprowadził podobne obliczenia dla gromady Virgo w 1936 roku), napotkali podobne problemy. Co gorsza, w 1970 wykres prędkości kątowej (odległość od centrum versus prędkość rotacji) gwiazd w Drodze Mlecznej wskazywał na płaską krzywą, zamiast opadającej, jak przewidywałoby prawo grawitacji Newtona.

W skrócie, astronomowie, posługujący się prawem grawitacji, zostali zmuszeni do dodania znacznie większej ilości masy, niż jest obserwowane na każdej długości fali. Nazwali tą dodatkową materię "ciemną", jej istnienie wynika jedynie z błędnych przewidywań. Aby ukryć niedostatki, dali sobie czek in blanco, licencję na dodawanie tego wyobrażeniowego materiału wszędzie, gdzie potrzeba, żeby teoria grawitacyjna działała.

Nastąpiły dalsze matematyczne deliberacje. Założenie co do przesunięcia ku czerwieni widma obiektów doprowadziły do konkluzji, że wszechświat się rozszerza. Dalsze spekulacje doprowadziły do wniosku, że rozszerzanie to przyspiesza. Skonfrontowani z tak dziwaczną sytuacją, astronomowie zapostulowali istnienie zupełnie nowego rodzaju materii, niewidzialnego "czegoś", które raczej odpycha, niż przyciąga. Ponieważ Einstein zrównał masę z materią (E = mc2), nowa materia została zinterpretowana jako oddziałująca jak czysta energia - nie zważając na fakt, że jeśli materia nie ma masy, to nie ma też energii, zgodnie z równaniem Einsteina. Astronomowie nazwali ją "ciemną energią", nawiązując do jej zdolności przezwyciężania grawitacji, na której stoi cały teoretyczny gmach.

Ciemna energia jest pomyślana jako coś w rodzaju pola elektrycznego, ale z jedną różnicą. Pole elektryczne można wykryć na dwa sposoby: gdy przyspiesza elektrony, które emitują obserwowalne promieniowanie synchrotronowe lub Bremsstrahlunga, oraz przez przyspieszanie naładowanych cząstek jako prądu elektrycznego, któremu towarzyszy pole magnetyczne, wykrywalne przez promieniowanie Faradaya (przez spolaryzowane światło). Ciemna energia zdaje się niczego nie emitować i nic, co rzekomo robi, nie jest wykrywalne w polu magnetycznym. Jedna z sugestii mówi, że odpowiada za to jakaś właściwość pustej przestrzeni. Ale pusta przestrzeń z definicji nie zawiera materii, a wiec i energii. Koncepcja ciemnej energii jest filozoficznie słaba i pokazuje tylko, że model czysto grawitacyjny nigdy nie zbliżył się do rzeczywistego wyjaśnienia zjawiska.

Ten rysunek artystyczny przedstawiający standardowy model Wielkiego Wybuchu i rozszerzającego się wszechświata wydaje się prezentować precyzyjny obraz kosmicznej historii. Zupełnie inny obraz powstanie, gdy poznamy zjawiska plazmowe i prądy elektryczne we wszechświecie. Credit: NASA WMAP

Biorąc razem ciemną materię i ciemną energię, będzie tego coś około 24 razy więcej, niż materii widzialnej przez nas i wykrywalnej. W grawitacyjnym modelu wszystkie gwiazdy i galaktyki, a także cała materia pomiędzy nimi, ktorą potrafimy wykryć, to tylko jakieś 4% całej otrzymanej masy:

Obserwatorium rentgenowskie Chandra wyznaczyło "całkowitą zawartość energii we wszechświecie". Tylko "normalna" materia może być bezpośrednio dostrzeżona przez teleskopy. Pozostała "ciemna" materia i energia pozostają niewidoczne. Image Credit: NASA WMAP

Krytycy często twierdzą, że teoria wymagająca spekulatywnego, niewykrywalnego bytu w takich ilościach, rozciąga łatwowierność do punktu krytycznego. Coś bardzo realnego, może nawet oczywistego, jest niemal na pewno pomijane w standardowym modelu grawitacyjnym.

Czy to możliwe, że tym pomijanym komponentem jest coś tak bliskiego nowoczesnemu światu jak elektryczność?

autor: Bob Johnson - Jim Johnson

Link do oryginału: http://www.thunderbolts.info/wp/2011/09/02/essential-guide-to-eu-introduction/

Magnetyczna zagadka

Sygnały radiowe (pomarańczowy i niebieski) ukazują struktury ukryte w pyłowej plazmie, aż po widzialny dżet (różowy i fioletowy) obiektu typu Herbig-Haro. Credit: ESO/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/H. Arce. Acknowledgements: Bo Reipurth

Obserwacje radiowe obiektu Herbig-Haro (wystrzelonego) w rogu otaczającej go komórki plazmy ukazują sterujące nim okablowanie.

W świetle widzialnym, spiralne włókno tryska na lewo w górę obrazka. Kończy się jasną podwójną warstwą. Otacza go słaba otoczka, również zakończona warstwą podwójną. Ta koncentryczna struktura jest typowa dla kosmicznych prądów Birkelanda.

Po drugiej stronie gwiazdy, z której wychodzi dżet, otulająca komórka pylistej plazmy blokuje światło widzialne. Aczkolwiek promieniowanie radiowe z tlenku węgla "prześwituje" przez pył. Radiowy "obrazek", jaki z tego powstaje jest podobny do tego widzialnego. Osiowe włókno pokazuje mniej szczegółów, ale spiralna struktura jest ciągle widoczna. Koncentryczna tuba prądu pokazuje więcej szczegółów, co sugeruje spiralne włókna.

Widzialne i radiowe obrazy złączone razem przedstawiają typowy kształt klepsydry mgławicy planetarnej. W konwencjonalnej teorii, dżety z gwiazd typu Herbig-Haro powstają podczas tworzenia się gwiazdy. Dla kontrastu, mgławice planetarne powstają podczas śmierci gwiazdy. Tajemnicze siły magnetyczne albo przypadkowe orbitalne okoliczności muszą być przywołane, aby wyjaśnić te struktury: grawitacja tego nie zrobi.

W Elektrycznym Wszechświecie, klepsydrowaty kształt zarówno gwiazd Herbig-Haro jak i mgławic planetarnych spowodowany jest dużymi naprężeniami elektrycznymi w prądach Birkelanda zasilającymi gwiazdy. Wysoka koncentracja prądu powoduje przejście plazmy w stan żarzenia. Prąd staje się widoczny oraz zwiększa radiację radiową. Które części prądu promieniują z daną długością fali, zależy od takich czynników jak natężenie pola elektrycznego dostępność nośników ładunku oraz kompozycyjne sortowanie.

Gdy prąd zwiększy się wystarczająco, gwiazda może rozszczepić się na dwa lub więcej nierównych komponentów. To rozprzestrzenia wyładowanie na większy obszar i redukuje gęstość prądu do wymaganego poziomu. To właśnie spotkało tą gwiazdę: obserwacje radiowe pokazały mniejszego towarzysza schowanego w pyle. Ten towarzysz również wytwarza dżet, lecz ten jest prawie prostopadły do poprzedniego.

Mel Acheson

Link do oryginału: http://www.thunderbolts.info/wp/2013/09/05/magnetic-mystery/

piątek, 6 września 2013

Witam

Witam wszystkich.

Od jakiegoś czasu bardzo intensywnie interesuję się "egzotycznymi" teoriami naukowymi. Należy do nich tzw "Elektryczny Model Kosmosu". Już jakiś czas temu przetłumaczyłem i zamieściłem na salon24.pl kilka poświęconych mu artykułów. Ale salon24 to blogowisko, gdzie nie można kontrolować wyglądu strony, ani zapewnić szybkiego dostępu do konkretnych postów. Dlatego wybrałem bloggera, żeby mieć pełniejszą kontrolę. Mam nadzieję, że uda mi się przystosować go na tyle, żeby chociaż z grubsza przypominał stronę thunderbolts.info. Będę tu zamieszczał tłumaczenia artykułów z owej strony (dodając przy każdym z nich źródło i pierwotnego autora, of course. Mam nadzieję, że będzie to bogata baza dobrej edukacyjnej wiedzy.

Pozdrawiam serdecznie

Łukasz A. Buczyński