• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Wyjątkowy eksperyment polskich i brytyjskich naukowców

    09.04.2010. 20:56
    opublikowane przez: Piotr aewski-Banaszak

    Naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego, Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu i Uniwersytetu w Oksfordzie przeprowadzili w Toruniu eksperyment, który pozwoli zwiększyć dokładność pomiarów do granic wyznaczonych fundamentalnymi cechami rzeczywistości. "Wykorzystaliśmy efekty kwantowe i zmusiliśmy fotony - za pomocą których dokonujemy pomiarów - aby współpracowały ze sobą" - tłumaczy dr Rafał Demkowicz-Dobrzański z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, instytucji członkowskiej Narodowego Laboratorium Technologii Kwantowych (NLTK).

    Eksperyment, wykorzystujący femtosekundowe impulsy podczerwone wytwarzane przez laser tytanowo-szafirowy, przeprowadzono w Krajowym Laboratorium Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej FAMO w Toruniu. Jego wyniki zostały opublikowane w najnowszym wydaniu prestiżowego czasopisma naukowego "Nature Photonics".

    Jak wyjaśnia Anna Żuchowska z Biura projektu NLTK, od przeprowadzania coraz dokładniejszych pomiarów zależy rozwój współczesnej nauki i inżynierii. Wyniki doświadczenia będzie można zastosować m.in. przy tworzeniu dokładniejszych wzorców długości, precyzyjniejszych zegarów atomowych i w interferometrach grawitacyjnych - wyrafinowanych przyrządach pomiarowych, za pomocą których fizycy starają się wykryć fale grawitacyjne.

    Prof. Konrad Banaszek z Wydziału Fizyki UW zaznacza jednak, że opracowanej technologii nie będzie można wykorzystać od razu. "Pokazujemy zasadę fizyczną pozwalającą poprawić dokładność pomiarów. Dopiero przyszłe badania wykażą, w jakim stopniu efekt ten będzie można wykorzystać w praktyce i jak zwiększy się dokładność pomiarów" - podkreśla prof. Banaszek.

    Żuchowska tłumaczy, że aby przeprowadzić pomiar - odległości, temperatury lub innej wielkości fizycznej - w kierunku badanego obiektu trzeba zawsze wysłać sondę, na przykład falę świetlną. W wyniku oddziaływania z obiektem fala zmienia się w pewien sposób. Analizując zmiany fali, naukowcy potrafią wydobyć informację o cechach badanego obiektu.

    "Zmiany zachodzące w falach świetlnych można precyzyjnie obserwować dzięki zjawisku interferencji (nakładania się fal-PAP). Gdy dwie fale tej samej długości się nakładają, ich grzbiety mogą się ze sobą regularnie spotykać. Dochodzi wówczas do wyraźnego wzmocnienia sygnału. Gdy z kolei grzbiet jednej fali trafi w dolinę drugiej, obie fale się zniosą i obserwator nie zobaczy nic. W rezultacie tego procesu powstaje układ jasnych i ciemnych pasków - słynne prążki interferencyjne. Ich wygląd zmieni się wyraźnie, gdy jedna z fal spóźni się względem drugiej, np. wskutek przebycia odrobinę dłuższej drogi (co może być spowodowane choćby delikatnym przesunięciem lustra, od którego się wcześniej odbijała, wzrostem temperatury próbki itp.)" - tłumaczy przedstawicielka NLTK.

    Za pomocą interferencji można zarejestrować nawet niewielkie przesunięcia grzbietów fal względem siebie.

    "Oznacza to, że możemy obserwować zmiany odległości znacznie mniejsze od długości samej fali" - mówi prof. Banaszek. Szczególną popularnością na świecie cieszy się interferometria optyczna, która wykorzystuje światło widzialne. Jest ono doskonałym narzędziem badawczym, bo stosunkowo łatwo je rejestrować, a długość fal jest bardzo mała - rzędu ułamków mikrometra (mikrometr to jedna milionowa metra).

    Jak wyjaśnia Żuchowska, problemy przy pomiarach sprawia jednak kwantowa natura światła. Kwanty światła, czyli fotony, są emitowane w sposób przypadkowy. Gdy jest ich bardzo dużo, detektory interferometrów rejestrują sygnał o mniej więcej stałej sile. Jednak gdy fotonów jest mało, może się zdarzyć, że do detektora raz dotrze trochę więcej fotonów, raz trochę mniej. Z tego powodu w rejestrowanym sygnale pojawiają się fluktuacje (wahania przypadkowe) nazywane szumem śrutowym. W praktyce szum śrutowy jest jedną z największych przeszkód w zwiększaniu dokładności pomiarów.

    Pomiary stają się precyzyjniejsze, jeśli można wykorzystać tzw. splątanie kwantowe - zauważa Żuchowska. Pojawia się ono, gdy w jednym procesie fizycznym powstają lub oddziałują pary obiektów kwantowych, np. fotonów. Dwa fotony są splątane, gdy nie jest możliwy pełny opis jednego z nich bez odwoływania się do drugiego. Taka para fotonów ma zdefiniowany swój stan globalny mimo że stany obu cząstek składowych pozostają nieokreślone. Układ splątanych fotonów zachowuje się więc jako całość nawet gdy tworzące go cząstki są rozdzielone przestrzennie.

    "Wykorzystaliśmy splątanie w celu wytworzenia specjalnych stanów światła" - wyjaśnia dr Rafał Demkowicz-Dobrzański. "Zamiast jednego fotonu, który przelatuje obiema drogami w interferometrze, używamy dwóch splątanych fotonów, tworzących nierozłączną parę" - dodaje.

    Jak tłumaczy, taka para w pewien sposób zachowuje się jak jeden foton i interferuje sama ze sobą. Obliczenia wskazują, że dokładność pomiaru jest wówczas lepsza od ograniczenia wynikającego z istnienia szumu śrutowego. Wytworzone stany światła są przy tym stosunkowo odporne na zaburzenia często pojawiające się podczas rzeczywistych pomiarów, np. na gubienie fotonów, które niekiedy są absorbowane wewnątrz badanej próbki.

    Teoretycznie precyzyjny pomiar można przeprowadzić bez sięgania po subtelne efekty kwantowe, pod warunkiem, że światło będzie bardzo mocne. Silna wiązka świetlna może jednak zniszczyć badany obiekt i doprowadzić do rozgrzania, stopienia, a nawet spalenia elementów układu pomiarowego. Wykorzystanie efektów kwantowych pozwala zwiększyć precyzję pomiarów bez konieczności sięgania po duże ilości energii.

    Źródło:
    PAP - Nauka w Polsce

    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    Dokładność pomiarów olfaktometrycznych – precyzja i poprawność pomiarów stężenia zapachowego, kontrolowana w ramach regularnych ocen wewnątrzlaboratoryjnych i okresowych testów międzylaboratoryjnych. Spektrometria promieniowania gamma polega na ilościowym badaniu widma energetycznego promieniowania gamma źródeł, bez względu na pochodzenie - tak ziemskich jak i kosmicznych. Promieniowanie gamma jest najbardziej energetycznym zakresem promieniowania elektromagnetycznego, będąc fizycznie tym samym promieniowaniem co np. promieniowanie rentgenowskie, światło widzialne, podczerwień, nadfiolet czy fale radiowe, różniącym się od tych form wyższą energią fotonów i odpowiadającą jej wyższą częstotliwością oraz mniejszą długością fali. (Z powodu wysokiej energii fotonów gamma są one na ogół liczone indywidualnie, natomiast fotony najniższych energii promieniowania elektromagnetycznego, jak np. fale radiowe są obserwowane jako fale elektromagnetyczne składające się z wielu fotonów o niskiej energii.) Podczas gdy licznik Geigera lub podobne urządzenie określa jedynie częstość zliczeń (tj. liczbę zarejestrowanych - oddziałujących z substancją czynną detektora - kwantów gamma na sekundę), spektrometr promieniowania gamma pozwala również wyznaczyć energie rejestrowanych przez detektor a emitowanych przez źródło fotonów gamma. Czynniki wpływające na wynik pomiaru GPS: Na wynik pomiaru GPS wpływ ma wiele czynników, które należy uwzględnić przy opracowaniu pomiarów, szczególnie gdy zależy nam jednocześnie na wysokiej precyzji i dokładności. Oto lista najważniejszych czynników mogących spowodować błędy pomiaru i przełożyć się na dokładność wyznaczanych współrzędnych.

    Interferometria – technika wykorzystująca zjawisko interferencji fal elektromagnetycznych (światła, fal radiowych) do pomiarów, np. długości fali, pomiarów kątowych gwiazd, kontroli jakości elementów i układów optycznych. Ajnsztajn (einstein, E) – jednostka liczności fotonów. Jeden ajnsztajn zawiera 6,02214179(30) · 10 (liczba Avogadra) fotonów, a więc jeden ich mol. Ponieważ energia niesiona przez fotony zależy od ich częstotliwości (E = h · ν), energię oraz irradiancję fotonów o znanej liczności wyrażonej w ajnsztajnach można obliczyć jedynie w przypadku światła monochromatycznego, o stałej długości fali. Światło niesione przez promieniowanie słoneczne składa się z fotonów o różnych długościach i częstotliwościach, więc liczność jego kwantów nie jest miarą irradiancji.

    Real Time Kinematic (RTK GPS) - technologia precyzyjnych pomiarów przy użyciu nawigacji satelitarnej. Pomiar RTK to aktualnie najnowocześniejsza na świecie technologia najdokładniejszych pomiarów (rzędu centymetrowych dokładności) uzyskiwanych w czasie rzeczywistym (bez wykonywania obliczeń po pomiarze w tzw. post-processingu). Pomiary RTK są wykorzystywane także w Polsce głównie w produkcji geodezyjnej. Interferometr optyczny – interferometr oparty na zjawisku interferencji fal świetlnych. Zasada działania opiera się na nakładaniu na siebie dwóch fal spójnych, co prowadzi do powstania jaśniejszych i ciemniejszych prążków interferencyjnych. Pomiar natężenia światła oraz jego przestrzennego rozkładu pozwala na bardzo dokładne pomiary odległości i oraz długości fali.

    Teoria korpuskularna światła to teoria, w której światło traktuje się jako strumienie cząstek. Uważa się dziś, że zjawiska interferencji światła (czyli nakładania się wiązek świetlnych) można wyjaśnić tylko za pomocą falowej teorii światła. Na podstawie tej teorii wzmacnianie lub osłabianie wiązek świetlnych wyjaśniamy nakładaniem się fal świetlnych w fazach zgodnych lub przeciwnych. Korpuskularna teoria światła nie może tego wyjaśnić, jednakże teoria falowa nie jest w stanie wyjaśnić innych zjawisk, jak na przykład efektu fotoelektrycznego. Przyjmuje się więc, iż światło ma naturę dualną. Reper roboczy – znak geodezyjny pomiarowej osnowy wysokościowej o określonej rzędnej wysokościowej (względnej lub bezwzględnej), stabilizowany trwale lub nietrwale, zwykle na czas prowadzonych pomiarów geodezyjnych celem zagęszczenia wysokościowej osnowy geodezyjnej. W przypadku określenia bezwzględnej rzędnej reperu roboczego, jego dokładność winna odpowiadać minimum dokładności osnowy wysokościowej V klasy (dopuszczalny błąd wyznaczenia wysokości wynika z dokładności wykonanych pomiarów i wynosi: m0 = 20 mm/km niwelacji).

    Operacjonizm - ruch w filozofii nauki, którego tezy zostały sformułowane i były bronione przez Bridgmana. Wyrósł na gruncie tego, co było traktowane jako praktyka i poglądy fizyków w tym mniej więcej czasie, gdy tworzyła się teoria względności i mechanika kwantowa. Podobnie jak pozytywizm "logiczny, operacjonizm kładzie nacisk na ścisły związek z eksperymentem jako rzeczą konieczną do obiektywnych rozważań, ale skupia się raczej na pojęciach niż na zdaniach, szukając dla nich zabezpieczenia przed bezsensownością przez definiowanie ich przez odwołanie się wyłącznie do precyzyjnie zdefiniowanych operacji eksperymentalnych. Na przykład „długość stołu" można potraktować jako liczbę wskazującą, ile razy ustalony pręt mierniczy należy przykładać do krawędzi stołu - od początku do końca tej krawędzi. Jeśli istnieje więcej niż jeden sposób mierzenia długości, na przykład czas, w którym światło biegnie od początku do końca krawędzi stołu i wraca, to istnieje więcej pojęć „długości". Ponadto pytania, na które nie można odpowiedzieć w sposób rozstrzygający przez odwołanie się do operacji, są eliminowane z nauki, takie na przykład jak: „Czy wszystko w świecie jest dwa razy większe w nocy niż w dzień?" Z uwagi na to, że było to radykalne odejście współczesnej fizyki od uświęconych idei, takich jak geometria euklidesowa, nie jest trudno wyjaśnić, dlaczego Bridgman próbował oczyszczać pojęcia fizyczne operacyjnie, tak aby uniknąć dalszych przeszkód w rozwoju fizyki.

    Dodano: 09.04.2010. 20:56  


    Najnowsze