Biosoft


Institutul de tehnologii bioinformationale

Aventura particulelor elementare – Partea a VII-a: Cum detectăm ce se întâmplă?

Haideţi să ne uităm la cel mai cunoscut exemplu al acestei scheme de detecţie: modul în care noi percepem lumea. Ceea ce noi ne imaginăm ca fiind ,,lumina” este alcătuit din miliarde si trilioane de particule numite ,,fotoni”. Fotonii, la fel ca toate particulele au caracteristici de undă. Din această cauză, un foton deţine informaţie despre lumea fizică întrucât el interactionează cu ceea ce el ciocneşte.

Creierul nostru analizează informaţia si crează sensul ,,mingii de tenis” în mintea noastră. Modelul nostru mental despre mingea de tenis ajută la descrierea realităţii din jurul nostru. Noi folosim informaţii de la unde de lumină ce ricoşează de colo colo în lumea noastră. Alte animale, precum delfinii şi liliecii, emit şi detectează unde sonore. De fapt, orice tip de undă care se reflectă şi senzorii noştri poate fi folosită pentru a obţine informaţii despre ceea ce ne înconjoară.

Un microscop mai performant

Problema în privinţa utilizării undelor pentru a detecta lumea fizică este limitarea calităţii imaginii de către lungimea de undă pe care o foloseşti.

Ochiii noştri sunt făcuţi pentru a percepe lumina vizibilă, care are lungimi de undă în jurul a 0.0000005 metri. Aceasta este suficient de mică încât nu trebuie să ne facem griji despre problema rezoluţiei, deoarece privim lucruri de dimensiuni mult mai mari decât 0.0000005 metri.

Cu toate acestea, lungimea de undă a luminii vizibile este prea mare pentru a analiza orice este mai mic decât o celulă. Pentru a privi aceste lucruri mai mici, trebuie să priveşti cu lungimi de undă şi mai mici. De aceea se folosesc microscoapele cu electroni (scanning electron microscope) pentru a studia particule sub-microscopice, precum viruşii. Totuşi, chiar şi cel mai performant microscop cu electroni nu poate revela decât o imagine fluă a unui atom.

Lungimea de undă şi peştera

Gandeşte-te la ipoteza de a fi suficient de ghinionist pentru a ajunge într-o pastera fără a fi in posesia unei lanterne.  Să zicem însă ca eşti atât de norocos încât să ai la tine un set de mingi de basket fosforescente, cand auzi brusc un mormăit. Este oare un urs însetat de sânge ori pur şi simplu prietenii tăi care se distrează pe seama dezorientării tale?

Pentru a elucida aceasta dilema, azvarli disperat mingile in directia murmurului auzit, si tii minte unde lovesc mingile. Astfel, deduci rapid forma fiintei din fata ta:

Dar vai! Din moment ce mingile sunt asa de mari, tot ce poti afla despre forma obiectului din care ricoşeaza este în mare despre forma acestuia, adica în mod grosolan ce înălţime şi lăţime are. Ca prin minune însă, ai cu tine şi o geantă de mingi de tenis fosforescente. Le arunci în direcţia zgomotului şi eşti recompensat cu urmatoarea imagine:

Hmm….. nici o îmbunătăţire semnificativă. Mingile de tenis sunt încă prea mari pentru a releva forma obiectului de care se lovesc. Ele oferă numai în linii mari forma acestuia. Aha! Ce noroc însă! Poate că geanta cu biluţe fosforescente este soluţia! Azvarli aceste mingiuţe în direcţia creaturii şi observi că forma fiinţei din întuneric devine mai clară în mintea ta…Pare ca e mare, cocoşat şi cu gheare imense. Ups, chiar e un urs!

Ultimul tău gând aşadar (dar ce revelaţie minunată!) este că ai întrebuinţat cel mai mic mijloc cu putinţă pentru a afla cel mai mult cu privire la destinul tău. Nota bene! Niciun urs nu a fost rănit pe parcursul realizării acestei pagini web!

Învăţămintele despre lungimea de undă

Cele două învăţăminte ce trebuie trase din povestea precedentă sunt următoarele: 1. Nu arunca cu lucruri în urşi înfometaţi! :) 2. Pentru a obţine informaţii cât mai precise despre un obiect, foloseşte cele mai mici probe posibile.

O “lovitură” cu oricare dintre probe arăta numai că există un urs acolo unde a lovit proba. Dintre cele trei probe, biluţele cele mai mici au fost soluţia pentru a obţine cele mai concludente informaţii pentru că o ”lovitură” ne spunea că un urs există în o arie foarte precisă. Imaginea obţinută cu mingiile de basket era “fluă” pentru că era o mare incertitudine despre forma reală a obiectului. Dar pe măsură ce foloseam probe tot mai mici, imaginile deveneau tot şi tot mai “clare” pentru că deveneai tot şi tot mai sigur despre forma reală a obiectului, care până la urmă s-a dovedit a fi un urs. Această calitate de “claritate” este numită rezoluţia unei imagini.

Mingile mari (de basket) nu ne oferă multe informaţii despre forma ursului, de aceea spunem că această imagine este “fluă”. Mingiile mici (biluţele), în schimb, oferă infromaţii mult mai precise despre forma ursului, de aceea spunem că este o imagine “clară”.

Lungimea de undă şi rezoluţia

Lucrurile cu lungimi de undă mari sunt asemenea mingilor de baschet in povestea cu peştera întrucât nici una dintre ele nu poate da prea multe detalii despre ceea ce lovesc. Lucrurile cu lungimi de undă mici sunt ca mărgelele putând sa furnizeze informaţii destul de detaliate despre ceea ce lovesc. Cu cât este mai mică lungimea de undă a particulei de test, cu atât mai multe informaţii poţi obţine despre ţintă.

Un bun exemplu pentru problema lungimii de undă vs. rezoluţia este bazinul de înot. Dacă ai un bazin de înot cu unde aflate la o distanţă de un metru (o lungime de undă de un metru) şi împingi un băţ în apă, undele bazinului vor trece pe lângă băţ întrucât o lungime de unda de un metru înseamnă că undele bazinului nu vor fi afectate de o asemenea ţintă nesemnificativă.

Toate particulele au proprietăţi de undă. Deci când folosim particule de test trebuie să folosim particule cu lungimi de undă scurte pentru a obţine informaţii cât mai detaliate. Ca o regulă aproximativă o particulă poate testa doar până la distanţe egale cu propria lungime de undă. Pentru a testa la scale mai mici, lungimea de undă a particulei de test trebuie sa fie mai mică.

Acceleratorul de particule, sau cel mai performant microscop

Fizicienii nu pot folosi lumina pentru a explora domeniul subatomic pentru că lungimea de undă a acesteia este prea mare. Totuşi, cum TOATE particulele au proprietăţi ondulatorii, ei pot folosi particule ca probe. Pentru a observa cele mai mici particule este nevoie de particulele cu cea mai mica lungime de undă posibilă. Majoritatea particulelor din jurul nostru au însă lungimi de undă destul de mari. Cum fac fizicienii să micşoreze lungimea de undă a unei particule astfel încât să poată fi folosită ca particulă de probă?

Impulsul unei particule şi lungimea ei de undă sunt invers proporţionale. Acest principiu este aplicat în fizica energiilor înalte unde sunt folosite acceleratoare de particule pentru a mări impulsul particulelor de probă, deci micşorându-le lungimea de undă.

Paşii pentru studiul celor mai mici componente ale materiei:

1. Introduceţi particula într-un accelerator.

2. Daţi particulei un impuls mare accelerând-o până aproape de viteza luminii.

3. Cum particula are acum un impuls mare, lungimea ei de undă este foarte mică.

4. Loviţi această particulă de probă de o ţintă şi înregistraţi ce se întâmplă.

Unde şi particule

Una dintre cele mai importante proprietăţi ale undelor este că atunci când două unde trec una pe lângă cealalta, efectele lor se adună. Acest fenomen se numeşte interferenţă.

Să ne imaginăm o sursă de lumină blocată de o foiţă din metal cu două tăieturi. Câţiva metri mai departe e un ecran. Pentru un anume punct de pe ecran există două unde de lumină care lovesc ecranul (una prin fiecare gaură). Aceste două unde traversează distanţe diferite pentru a ajunge la ecran aşa ca interferează una cu alta, producând un model de interferenţă.

S-a constatat că dacă pentru un experiment similar se foloseşte o undă de particule în locul sursei de lumină, se înregistreaza un model similar de interferenţă. Aceasta înseamnă că toate particulele au proprietaţi de undă. De exemplu iată un model de interferenţă real produs de împrăştierea unor electroni pe o foiţă de aur.

Este un termen foarte ciudat la care ne putem gândi întrucât particulele materiei solide sunt în realitate la fel ca undele pentru că particulele materiei au lungimi de undă şi pot să interfereze unele cu celelalte.

Diferite ordine de mărime

Această imagine reprezintă un metru care măsoară în puteri ale lui zece. După cum se poate vedea, există felurite moduri de a vedea lumea pentru fiecare scară (dimensiune) la care privim.

Masă şi energie

Destul de des, fizicienii doresc să studieze particule masive şi instabile, care au doar o existenţă efemeră, de exemplu cuarcul top. Cu toate acestea, în viaţa de zi cu zi suntem înconjuraţi doar de particule cu masă mică. Cum se poate realiza acest lucru fascinant de a folosi particule cu masă mică pentru a obţine particule cu masă mai mare?

Ştiti, faimoasa ecuaţie a lui Albert Einstein, E=mc2, unde E este energia, m este masa, iar c este viiteza luminii…Aşadar, masa este doar o forma de energie!

Conversia masa-energie

Când un fizician doreşte sa folosească particule cu masă mică pentru a produce particule cu masă mai mare, tot ceea ce el trebuie să facă este să pună particulele de masă mică într-un accelerator, să le dea energie cinetică(viteză) şi apoi să le ciocnească. Pe parcursul ciocnirii, energia cinetică a particulelor este transformată în formarea particulelor masive. Prin acest proces putem crea particule masive instabile şi le putem studia proprietăţile.

În coliziunile de particule de mare energie se întâmplă ca si cum s-ar ciocni cap în cap două căpşune şi ai obţine alte câteva căpşune noi, o mulţime de fulgi de porumb, o banană, cîteva pere, un mar, o castană şi o prună.


August 3rd, 2009
Topic: Generale Tags: None

≡ Leave a Reply