"Keep it simple" (B.B. King)

10.8.2010

Stjarnfræðilegir eiginleikar blýantsstriks

Blýantar eru til margra hluta nytsamlegir. Á einu augabragði getur eitt blýantsstrik breytt gangi heimsmálanna. Blýantsstrik urðu nýlega kveikjan að nýjum uppgötvunum í eðlis- og efnafræði, sem geta hugsanlega gjörbreytt heimsmynd okkar. Því er jafnvel haldið fram, að inni í litlum blýantsstúf leynist nifteindastjarna, sem vill brjótast út. Til að leysa hana úr læðingi þurfi einungis að draga eitt blýantsstrik. Þetta kann að vekja furðu og getur sett strik í reikninginn, a.m.k. fyrir eðlisfræðinga, sem aðhyllast afstæðiskenningu Einsteins.

Þegar kjarnar massamikilla stjarna falla saman á lokaskeiðum stjörnunnar getur þrennt gerst. Ef upprunalega stjarnan var meiri en 30 sólarmassar verður til svarthol. Ef upprunalegi massinn var hins vegar minni en 30 sólarmassar verður annað hvort til nifteindastjarna eða hvítur dvergur. Frumeindir eru að mestu tómarúm, rafeindir sem hringsóla umhverfis kjarna úr róteindum og nifteindum. Sé þjöppun efnisins nægileg getur rafeind sameinast róteind og myndað nifteind og fiseind. Nifteindir, þétt upp hver við aðra veita þýsting sem ætti að geta haldið uppi á móti gríðarsterku þyngdarkrafti og leyft enn eðlisþyngri hnött en hvítan dverg. Slíkir nifteindaklumpar eru kallaðir nifteindastjörnur.

Hvernig tengjast blýantar þá nifteindastjörnum? Þegar blýantsstrik er dregið á blað, myndast þunnt lag af mjúku silfurlituðu gráu efni þ.e. strik. "Blýið" í blýantinum er reyndar stafli af samofnum þunnum lögum af hreinu kolefni. Ef þessar þynnur eru einangraðar í stök lög myndast örþunnar kolefnisþynnur, sem eru einungis eitt atóm á þykkt. Þessar þynnur, sem líta út eins og hænsnanet í rafeindasmásjá nefnast "graphene". Eiginlekar graphens líkjast mjög eiginleikum þeirra framandi efna sem fyrirfinnast í stjörnum, sem fallið hafa saman undan eigin þunga, t.d. i nifteindastjörnum. Efnafræðilega á graphene ýmislegt sameiginlegt með því efni, sem rekja má til uppruna alheimsins, þ.e. fyrstu andartökum Stóra-Hvells (ef menn á annað borð trúa þeirri furðukenningu).

Graphene

Komið hefur í ljós, að efnið graphene hefur ýmsa sérstaka og mjög spennandi efna- og eðlisfræðilega eiginleika. Það er um 200 sinnum sterkara en stál, rafeindir þess eru mjög hreyfanlegar og það hefur einstaka ljósfræðilega eiginleika og mikla flutningsgetu. Sumir telja að graphene gæti jafnvel verið fjölhæfara efni en kolefnisnanórör. Hægt er að gera það segulmagnað, sem bætir við notkunarmöguleika þess í spunaraftækni, sem er ferli sem notar spuna rafeinda til að búa til ný tæki í minnis- og gagnavinnslu. Enn skortir góðar aðferðir til að einangra eða framleiða þessu þunnu lög af grapheni en til skamms tíma hafa menn notast við mjög einfaldar aðferðir þ.e. einangrunarlímband. Með því er hægt að kljúfa blýantsstrikin í þynnri og þynri kolefnislög.

Petr Horava

Tékkneski eðlisfræðingurinn Petr Hořava tók eftir því að við stofuhita var hægt að skýra ferli rafeindanna í grapheni með skammtafræðinni. Rafeindir eru mjög smáar og ferðast með mun minni hraða en hraða ljóssins svo ekki var þörf á því að grípa til afstæðiskenningarinnar til að útskýra hegðun og eðli þeirrara. Afstæðiskenningin gengur m.a. út á það, að visst samræmi (Lorentz symmetria) sé á milli tíma og rúms, rúmið togi sig og teygi til að hraði ljósssins haldist sá sami óháð því úr hvaða átt horft er á ýmis fyrirbæri. Ef graphen er hins vegnar kælt niður í hitastig, sem er nærri alkuli þá gerist nokkuð merkilegt. Rafeindirnar fara þá að hamast eins og óðar væru. Samræmið milli ljóshraðans og rúmsins virðist stundum riðlast. Við þær aðstæður verður að grípa til afstæðinnar.

Tíma-rúms-bjögun

Eintóm sjónhverfing?

Horava fór þá að velta því fyrir sér hvort yfirfæra mætti þessar upgötvanir á stærri einingar, alheiminn sjálfan. Hugsa mætti sér að lögmál skammtafræðinnar hafi ráðið ríkjum við upphaf Stóra-Hvells en afstæðið ráði í dag þ.e. þegar allt hefur náð að kólna niður líkt og gerist með graphen? Hann hóf að endurbæta formúlur og útreikinga Einsteins og setti saman nýjar kenningar án samhverfu Lorentz. Með þessum aðferðum tókst honum að skilgreina þyngdaraflið sem einn af frumkröftum náttúrunnar; Þyngdaraflið stafi af aðdráttarkrafti vegna frumeinda, sem hann nefnir "gravitónur", (eins konar þyngdarjónur) á svipaðan hátt og að rafsegulbylgjur megi rekja til ljóseinda. Kenningar hans auðvelda vísindamönnum mjög alla stærðfræðilega úrteikninga. Einstein hafði reyndar sjálfur megnustu óbeit á ljótum, ólistrænum formúlum og kenningum.

Horava gjörbylti einnig kenningum Einsteins um tímann þ.e að hinn þungi niður tímans geti "streymt" í allar áttir. Hann heldur því fram, að tímans rás sé einungis í eina átt þ.e. frá fortíð til framtíðar. Vera kann að hin eftisótta "allsherjarkenning" sé nú í farvatninu en það mun tíminn leiða í ljós. Menn hafa þó ekki tekið kenningum Horava gagnrýnilaust. Ljóst er þó, að kenningar hans hafa varpa nýju ljósi á eðli svarthola, einkum hinna smærri en einnig myrku-aflanna (dark-energy), huldu-efnis (dark-matter) og ekki síst eðli þyngdaraflsins í hinu stóra sem hinu smáa í veröldinni í bæði tíma og rúmi.

E.t.v. sannast nú hið fornkveðna: "Það sem er algjörlega óskiljanlegt, er bara eintómt bull".

Keep it simple
BB King

Alþjóðlegur hópur vísindamanna hefur með hjálp tölvulíkana hannað nýtt segulmagnað nanóefni "graphone" byggt á grafíti, sem virkar sem hálfleiðari og gæti verið hvatinn að smíði næstu kynslóðar raftækja og örflagna. Það eru því spennandi tímar framundan í þesum efnum.

Helstu heimildir:

Anil Ananthaswamy: The end of Time-Space; New Scientist, 7 ágúst 2010, bls. 28
http://news.sciencemag.org/sciencenow/2010/06/graphene-finally-goes-big.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Graphene
http://www-theory.lbl.gov/~horava/
http://www.stjornuskodun.is/nifteindastjornur
http://visindavefur.hi.is/svar.php?id=49413
http://www.rsc.org/chemistryworld/News/2010/June/20061001.asp