Penki įspūdingi eksperimentai namų laboratorijai: nuo Saulės audrų detektoriaus uogienės stiklainyje iki Didžiojo hadronų greitintuvo salotų dubenyje

Jamie Edwardsas yra branduolių mokslininkas iki kaulų smegenų – smalsus, atkaklus ir ir trokštantis išlaisvinti atomų viduje glūdinčią energiją. Pernai, išnaršęs internetą, ieškodamas dalių ir brėžinių, jis sukūrė savo pirmąjį veikiantį branduolių sintezės reaktorių. Projektas būtų puikus pasiekimas bet kam, tačiau Jamie'io atveju buvo dar vienas wow faktorius: jam tebuvo 13 metų.

Jamie'į jo pasiekimas pakėlė į pasaulines žvaigždes. Žiniasklaida su jauduliu skelbė, kad procesas, priverčiantis šviesti Saulę, buvo panaudotas Penworthame, mažame šiaurės Anglijos miestelyje. JAV televizijos laidų vedėjas Davidas Lettermanas pakvietė Jamie'į į savo šou aptarti, kas paskatino jį jungti vandenilio branduolius mokyklos laboratorijoje. „Manau, tai buvo smalsumas – man tai pasirodė jaudinama,“ sako Jamie'is, kuris taip pat buvo pakviestas kalbėti apie sintezę su kelis kartus už jį vyresniais mokslininkais.

Galvojant apie branduolinę sintezę, galvoje iškyla didžiuliai eksperimentiniai įrenginiai, tokie, kaip 50 mlrd dolerių vertės Tarptautinis termobranduolinis eksperimentinis reaktorius (International Thermonuclear Experimental Reactor – ITER), statomas Prancūzijos pietuose. ITER siekia tapti pirmuoju branduolinės sintezės reaktoriumi, kuriame būtų sukuriama daugiau energijos, nei sunaudojama spaudžiant sunkiojo vandenilio branduolius milijonų laipsnių temperatūroje.

Tačiau Jamie'is parodė, kad dabartinė fizika nebūtinai turi būti tarptautinė daugiamilijardinė veikla. Jo sintezės reaktorius sujungė deuterio, vieną neutroną turinčio vandenilio izotopo, branduolius, vakuuminėje kameroje su prijungta aukštos įtampos srove. Paprastas Jamie'io būdas nėra iš tų, kurie kada nors gamins naudingą energiją, tačiau jo sėkmė teikia ne mažesnį pasitenkinimą visiems, besidomintiems mokslu.

Pasirodo, branduolių sintezės reaktorius nėra vienintelis šiuolaikinis fizikos aparatas, kurį galima susimeistrauti pačiam, iš, grubiai tariant, parankinių medžiagų. Norite pakartoti tamsiosios materijos paieškas? Pakaks išardyto gesintuvo. O gal mažesnės daugelio kilometrų ilgio gravitacinių bangų jutiklio versijos? Ne bėda, pradžiai užteks lazerinės rodyklės. Žinių, patirties ir tarptautinės paramos trūkumą galite kompensuoti „aš tai galiu!“ požiūriu. „Tai buvo nelengva,“ sako Jamie'is apie savąjį sintezės projektą. „Mano mokytojai neturėjo supratimo… Bet šiek tiek patyrinėjus, šiek tiek pamaldavęs, nukniaukęs ir pasiskolinęs, galiausiai įgyvendinau.“

Ką nedaugelis vertina tokioje namudinėje fizikoje, yra tai kad tikri mokslininkai irgi ja užsiima. Toddas Johnsonas, fizikas iš Fermilab Batavia'oje, Ilinojaus valst., laisvu laiku išradinėjo – be kitų dalykų – tornadų generatorių, naktinį šikšnosparnių jutiklį ir miniatiūrinį dalelių greitintuvą.

Tad, pirmyn: eksperimentai su išties nuostabiais savadarbiais laboratoriniais įrenginiais. Gal jie pažadins jumyse slypintį trylikametį.

Jutiklis iš uogienės stiklainio

Yra didžiulė properša tarp bendrojo reliatyvumo – aprašančio labai dideliu objektus – ir kvantų mechanikos – labai mažų objektų teorijos. Kaip jas apjungti? Yra įvairiausių teorijų, nuo kvantinės gravitacijos iki stygų teorijos, tačiau iš esmės klaidžiojame tamsoje, nežinome, kokia teorija teisinga. Vienas iš būdų atverti mažą šios srities eksperimentų langą yra laiko apvertimo simetrija. Subatominiame pasaulyje, nufilmavus dviejų elektronų susidūrimą, fizika būtų tokia pati, tiek sukant filmą į priekį, tiek ir atgal. „Koks bebūtų kitas fizikos žingsnis, jam reikės, kad būtų tam tikros savybės, pažeidžiančios laiko apvertimo simetriją,“ sako Timas Chuppas iš Michigano universiteto Ann Arbore.

Chuppas nori patikrinti, ar laiko apvertimo simetrija egzistuoja ir pačius smulkiausiu masteliu, naudodamas atomus, kurie, atsidūrę elektriniame ar magnetiniame lauke, elgiasi kaip besisukantys magnetai. Jei laiko apvertimo simetrija pažeidžiama, apkeitus elektrinio lauko kryptį, atomai turėtų suktis greičiau arba lėčiau. Sukimosi dažnio matavimui Chuppas naudojasi optiniu magnetometru, kurio į atomus šviečiamas lazerio spindulys fiksuoja sukimosi pokyčio greitį.

Kad galėtų užfiksuoti laiko apvertimo simetrijos pažeidimą, Chuppo magnetometras turi būti nepaprastai tikslus – nieko keisto, kad jis kainuoja tūkstančius dolerių. Tačiau nebrangus savadarbis magnetometras gali veikti daug geriau, nei tikitės. Pasak mėgėjo mokslininko Roberto Cobaino iš Bangoro, JK, jį pasigaminti nėra daug sudėtingiau, nei pakabinti neodimio magnetą – tarkime, iš ausinių – stiklainyje nuo uogienės su mažu veidrodėliu („Kaip pasigaminti labai jautrų magnetometrą iš uogienės stiklainio“).

Kai lazerinės rodyklės spindulys nukreipiamas į veidrodį, bet koks magneto pasisukimas bus fiksuojamas kaip daug didesnis ant gretimos sienos atspindimo lazerio taško poslinkis. Įtaisas pakankamai jautrus, kad užfiksuotų Žemės magnetinio lauko fluktuacijas. Šios fluktuacijos ryškiausios geomagnetinių audrų metu. Kaip Cobainas rašo savo tinklaraštyje, fiksuojami ir kasdieniškesni reiškiniai. „Šis magnetometras pašėlsta, kai kas nors pirmame aukšte ima lyginti skalbinius, ar jeigu pro namą pravažiuoja automobilis.“

Dulkės dydžio trikdžiai

Kalbant apie tikslumą, magnetometras yra niekas, lyginant su lazerinio interferometro gravitacinių bangų observatorija (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – LIGO) JAV.

Sunku pasiekti visišką izoliaciją nuo trikdžių

LIGO tokio jautrumo reikia ieškant gravitacinių bangų, Einšteino bendrosios reliatyvumo teorijos numatytų mažų erdvėlaikio ribulių. Bet Raabas sako, kad netgi savo pasidarytu interferometru galima pasiekti stulbinamą jautrumą – išmatuoti bent mikrometro, maždaug tokio dydžio yra dulkė, poslinkį.

Tam prisireiks lazerinės rodyklės, poros monetos dydžio veidrodėlių, spindulio dalintuvo ir lęšio – visa tai galima įsigyti internete už 50$ ar mažiau. Tinkamai sustačius komponentus, lazerio spindulys bus padalintas į du lygiagrečius ir vėl susijungs į žieduotą interferencijos atvaizdą. Parengti įrenginį padės LIGO svetainėje pateikiamos Michelsono interferometro instrukcijos.

Šis interferometras itin gerai fiksuos vibracijas. Pritaisius prie jo siūlą ir švelniai užgavus, interferencijos vaizdas ima didėti ir mažėti. Jei pasidarysite kavos puodelį, atsargiai: švelniausias karšto oro gūsis gali priversti komponentus išsiplėsti pakankamai, kad pasikeistų vaizdas.

Burbulų registratorius

Maždaug 2 km gylyje po žeme Sudbury'je, Kanadoje, guli indas su 60 litrų trifluorometiljodido, cheminės medžiagos, naudojamos ugnies gesintuvuose. Jis kaitinamas, kol beveik tampa dujomis, kad menkiausias surikdymas – konkrečiau, per jį lekianti elektringa dalelė – sukelia gražų burbuliukų vėrinį, kur skystis virto garais. Tokios burbulų kameros gali atskleisti įvairios radiacijos pėdsakus, tačiau esanti po Sudbury'iu, žinoma, kaip COUPP, yra sureguliuota aptikti tamsiąją materiją – medžiagą, kuri, kaip manoma, yra beveik visur, tačiau kurios išvysti dar niekam nepavyko.

Nors COUPP yra vienas iš jautriausių šios rūšies eksperimentų, jis kol kas neužfiksavo jokių burbuliukų, kurie primintų tamsiosios materijos pėdsakus. Kaip bebūtų, tai stebėti nuostabu, sako Juanas Collaras, padėjęs kurti COUPP. „Burbulų kameros leidžia stebėti radiaciją priešais savo akis,“ sako jis. „Galima valandų valandas stebėti šį vaizdą.“

Collarui burbulų kameros taip patinka, kad nedidelę darosi pats. Kaip ir Jamie'is Edwardsas, daugelį dalių jis nusipirko eBay'uje už grašius. Nereikia sudėtingo aparato, sako jis, nors reikės mikrofono, sekančio burbuliukų susidarymą išduodančius būdingus cinktelėjimus ir įjungiančio fotoaparatą iki šiems išnykstant. Collaras tai atlieka, sujungdamas šiuos prietaisus per nebrangų, populiarų tarp užsiimančių elektronika, Arduino mikrokontrolerį.

Tinkamą skystį galima gauti, išardžius ugnies gesintuvą – nors tam reikia būti beatodairiškam. Arba galima pasekti burbulų kameros išradėjo, Nobelio premijos laureato Donaldo Glaserio, pavyzdžiu ir pabandyti kai ką labiau linkusio burbuliuoti: alų.

Skaitymas tarp eilučių

Na, gerai, sukurti XIX a. pradžioje, spektroskopai yra maždaug tokie pat modernūs, kaip garlaiviai. Tačiau jie yra labai svarbūs moderniajai astrofizikai: kai kurie geriausi šios srities atradimai būtų buvę neįmanomi be jų, pavyzdžiui egzoplanetos, vanduo Marse, tamsioji energija… ir tai dar ne viskas.

Spektroskopas išskaido šviesą į ją sudarančias spalvas, parodančias, iš ko sudarytas šviesos šaltinis, ar kaip jis juda. Simonas Quellenas Fieldas,Gonzo Gizmos: Projects and devices to channel your inner geek autorius, paaiškina, kaip šį prietaisą pasidaryti, panaudojant DVD kaip paprastą difrakcinę gardelę. Pritaisę kartoninėje dėžutėje diską, prapjaukite plyšį šviesai ir stebėjimui įtaisykite kartoninį vamzdelį nuo tualetinio popieriaus ritinėlio. Regimos spalvotos linijos, atsiradusios dėl difrakcijos DVD (http://sci-toys.com/scitoys/scitoys/light/cd_spectroscope/spectroscope.html) priklausys nuo to, į kokią šviesą nukreipsite spektroskopą.

Kartoniniu spektroskopu tinkamų astrofizinių matavimų raudonojo poslinkio ar atmosferos sudėties nustatymui atlikti neina. Bet Fieldas sako, kad panaudojus holografinę difrakcinę gardelę, kurią už keletą dolerių galima įsigyti internete, galėsite atlikti šiek tiek „tikro mokslo“ (http://sci-toys.com/scitoys/scitoys/light/spectrograph/spectrograph.html). „Galėsite nustatyti, kokios dujos naudojamos neoniniuose ženkluose, ar žalia spalva yra chlorofilas ar maisto dažai,“ sako jis.

Dalelių greitintuvas iš salotinės

Sunku suvokti tikrąjį Didžiojo hadronų greitintuvo (Large Hadron Collider – LHC) dydį ir sudėtingumą. CERN greitintuvų flagmano perimetras yra 27 kilometrai ant Prancūzijos ir Šveicarijos sienos. Jis įgreitina protonus arba švino jonus beveik iki šviesos greičio beveik 10 000 šaltesnių už kosmosą superlaidžių magnetų. Kaip galima pakartoti tokį įtaisą?

Toddas Johnsonas, iš CERN varžovės Fermilab, tam naudoja salotinę. Žinoma, toks dalelių greitintuvas jokių Higgso bozonų neatras, tačiau yra šiek tiek pigesnis ir paprasčiau pastatomas, nei 9 milijardų milijardų LHC. Ir jis gali pademonstruoti didžiausio pasaulyje eksperimento veikimo principą.

Norėdami pasigaminti miniatiūrinį LHC, dėsto Johnsonas, pradėkite nuo folijos priklijavimo prie salotų dubens taip, kad juostelės skleistųsi nuo centro. Kas antrą juostelę prijunkite prie vieno iš aukštos įtampos elektros šaltinio – juos galima įsigyti arba išimti iš seno oro gaivintuvo – terminalo, o likusias juosteles prie kito terminalo. Tada stalo teniso kamuoliuką padenkite elektrai laidžiais dažais, ir meskite į centrą. Artimiausias folijos elektrodas trauks kamuoliuką, kol šis jį palies ir įgaus tokį pat poliariškumą. Tačiau dabar kamuoliukas jau bus atstumiamas, kol bus pritrauktas kito, turinčio priešingą poliariškumą, elektrodo. Jį palietęs kamuoliukas vėl bus atstumiamas ir traukiamas gretimo elektrodo. Pamažu, bet užtikrintai kamuoliukas judės dubeniu, greitėdamas, kol jo beveik neina įžiūrėti:

Deja, oro pasipriešinimas riboja kamuoliuko judėjimo greitį, bet Johnsonas žino būdą kaip to išvengti. „Galima iš pusrutulio išsiurbti orą,“ sako jis. Žinoma, čia ir yra bėda su mokslu: kartą pradėjus eksperimentuoti, neina liautis.

Komentarai (3)