Találkozásaim a fénytudománnyal Mohammed Samantha Orsolya Dobó Katalin Gimnázium, 2500 Esztergom Összefoglalás Olyan régen találkoztunk Feri professzorral, hogy már nem is emlékszem rá pontosan. Anya többször magával vitt konferenciákra, ahol szeretett tanárával is beszélgetett. Akkor még a színek nem is érdekeltek, csak a színes, csillogó, felt n tárgyak. Nem gondoltam rá, hogy vajon mit l színes valami, csak játszani akartam vele. Most már megtanultam, hogy a fény hullámokban terjed, és hogy csak bizonyos hullámhosszú fényt látunk. A DOKI Zrínyi Ilona Általános Iskolába jártam alsó tagozatba Dorogon. Tanítón m, Reményi Zsuzsanna harmadik osztályban megkérdezte t lem, hogy akarok-e „TDK-zni”. Én rögtön jelentkeztem rá. Hazafelé azon gondolkodtam, mir l írjam a dolgozatomat. Szeptember volt, én pedig addig nyüstöltem anyát, amíg oda nem adta a szülinapi ajándékomat. Ez a könyv [1] egy fiúról szólt, aki gyakran kilátogatott a világ rbe és megismerkedett az égitestekkel. Ez a történet nagyon tetszett, így készült el életem els , Kutató Gyerekek Tudományos Konferenciájára benyújtott dolgozata a csillagászat tudományterületén, „Hol a végtelen vége?” [2] címmel. 1. Hol a végtelen vége? 1.1. Csillagászati spektroszkópia A színképelemzés, vagyis az optikai spektroszkópia a csillagászat egyik legeredményesebb vizsgálati módszere, ezzel foglalkozok ebben a fejezetben.
- 23 -
A modern színképosztályozás a csillagok légköri h mérsékletén és nyomásán alapul [3]. A h mérséklet meghatározza a csillag színét és felületének fényességét. A nyomás durván a csillag méretét l függ. A méret és a felületi fényesség ismeretében a távolságra is következtetni lehet. A fizikusok felfedezték, hogy az izzásig hevített szilárd testek, folyadékok vagy s r gázok folytonos spektrumú sugárzást bocsátanak ki, mindenféle vonalak nélkül. A csillagok színképe is folytonos (pl. 1.a ábra). Általában igaz (lásd pl. [4, 5]), hogy minden atomnak vagy molekulának megvannak a saját spektrumvonalai, amelyek hullámhossza csak arra az atomra (és adott állapotban) jellemz ek. Ha megfelel körülmények között az atomokat megvilágítjuk, akkor ezeknél a hullámhosszaknál elnyelik a fényt, így ezt mérve az elnyelési, vagy más néven abszorpciós spektrumot kapjuk (1.c ábra). Így tehát ha hidegebb gáz helyezkedik el valamilyen sugárzó objektum el tt, akkor sötét elnyelési, vagyis abszorpciós vonalak jelennek meg a színképben (2. ábra). Ha megfelel fénnyel ugyanezeket az atomokat megvilágítjuk (gerjesztjük), akkor viszont a jellemz hullámhosszakon fényt bocsátanak ki. A második esetben a mérés eredménye az emissziós színkép (spektrum) (1.b ábra). Egy ritkított forró gáz csak az atomjaira jellemz bizonyos hullámhosszakon (színeken) sugároz, ilyenkor fényes emissziós vonalakat figyelhetünk meg a széles, szivárványszín sávok helyett (lásd 2. ábra).
!
"#
#
A spektrumvonalak nem csak arról árulkodnak, hogy milyen elemek vannak egy csillag légkörében [3, 6], hanem arról is, hogy milyen fizikai körülmények között jöttek létre (h mérséklet, nyomás, elektromos és mágneses tér, helyi mozgásviszonyok). Így a színképelemzés segítségével a csillagokról nagyon sok információt tudhatunk meg. A legtöbb információ azonban a színképvonalak vizsgálatából származik. A vonalak azonosítása és er ssége a kémiai összetétel meghatározását teszi lehet vé, amelyb l megbecsülhetjük a csillag korát. A vonalak színképbeli helye – vagyis a laboratóriumi körülmények közt mért hullámhossztól
- 24 -
való eltolódás mértéke – a gáznak a mozgásviszonyait adja meg, ahol a vonal kialakul. Ezzel a módszerrel bizonyították azt a tényt is, hogy világegyetemünk tágul, és a tágulás sebességét is megmérték [3, 6]. Az els planetáris köd, amelyen színképelemzést végezett Huggins 1864-ben, a Macskaszem köd, a Sárkány csillagképben található. William Huggins észrevette, hogy a csillagköd színképe nem folytonos, hanem néhány fényes sáv alkotja [7]. Az egyik legösszetettebb szerkezet köd, a Hubble rtávcs vel készített nagy felbontású képeken különleges alakzatok; ívek, csomók és kilövellések láthatóak. A tudósok feltételezése szerint a bonyolult szerkezetét az okozhatja, hogy a központi csillaga valójában kett scsillag, és az általuk külön-külön ledobott gázburkok összekeveredtek. A központi csillaga egy 80 000 K felszíni h mérséklet , a Napnál 10000-szer fényesebb csillag, amelynek átmér je viszont csak a Nap 65%-a. Színképelemzéssel kimutatták, hogy gyors csillagszél formájában nagy ütemben veszít a tömegéb l; 20 trillió tonnát másodpercenként [8].
$ )
(b)
(a)
% &' 0 - .
() ' * + , - . /& # # &' , !112% 3 * + &' , 445%
1.2. A végtelen és még azon is túl A klasszikus fizika szerint a tér végtelen. Bár ezt az állítást általánosan elfogadták, a mindennapi tapasztalat ezzel ellentétes. Erre a megdöbbent következtetésre els ként Wilhelm Olbers német orvos mutatott rá 1826-ban, amikor feltette a kérdést: "Miért van éjszaka sötét?". Elvileg, ha a tér végtelen, bármerre nézünk, el bb-utóbb csillagot kellene látnunk. A csillagok fénye ugyan a távolsággal csökken, de a látszó csillagok száma n , ezért az égboltnak egyenletes, vakító fényesség nek kellene lennie. Mivel az éjszakai égbolt sötét, a következtetés ellentmond a tapasztalatnak. Ez az Olbers-paradoxon [6]. A megoldásra Edwin Hubble jött rá 1929-ben, amikor a galaxisok színképének vöröseltolódása alapján kimutatta, hogy minden galaxis távolodik t lünk, tehát a világegyetem tágul. Ez pontosabban ezt jelenti, hogy a megfigyelések szerint a galaxisok színképvonalai nem ott vannak, mint a laboratóriumban mérhet , földi eredet színképvonalak (vagyis nyugvó rendszerben), hanem a vörös felé eltolódva jelennek meg (mozgó rendszer) [6]. Ezeken a mérési eredményeken alapszik az srobbanás elmélet [6, 9], ami szerint a távoli múltban az összes anyag egy végtelenül kicsi, végtelen s r , végtelen
- 25 -
forró pontba volt összenyomva. Valami oknál fogva az srobbanás pillanatában az anyag robbanásszer tágulásba kezdett. „Kezdetben a világegyetem anyaga egyetlen pontba tömörült, elképzelhetetlenül s r és forró volt, mígnem úgy 13,7 milliárd éve egy pillanat alatt felrobbant.” [10]
(a)
5 )
6 8 ') # #&
''# B +
(b)
7 ##
8,' ) ' ', ' # 9 & +# - . ". 6 ' .:.; 7 ## # &+ + < =#= # $ # # >&? ? @A ' ++ , # # + " & ,0 & # - .C .:.; C 6 '
Abban a pillanatban a mai fizikai törvények nem voltak érvényesek, ezért ennek az állapotnak a leírása jelenleg meghaladja a képességeinket. Az srobbanás idején nem létezett sem tér, sem id , a ma ismert elemi részecskék sem léteztek még. A teret f leg nagy energiájú sugárzás töltötte be, ez volt a sugárzási korszak. A forró plazma a tágulás miatt fokozatosan leh lt, ekkor "keletkeztek" a ma ismert
- 26 -
mager k, elektromágneses er k, protonok, neutronok és a többi részecske. Az elméleti számítások szerint a tágulás nem volt egyenletes, történt egy hirtelen, robbanásszer felfúvódás, aminek során az univerzum mérete egyik pillanatról a másikra sokmilliárdszorosára n tt. Ezután a tágulás a maihoz hasonló ütemben ment végbe (4.a ábra). Ez az eredeti elképzelés az utóbbi id ben változott. Ugyanis néhány tudós azt mutatta ki, hogy a világegyetem tágulása gyorsul [11]. Ezt szemlélteti a 4.b ábra. „A világegyetem ma is tágul, és jöv je attól függ, mennyi anyagot tartalmaz. Lehetséges, hogy annyit, amennyi éppen elég a tágulás megfékezéséhez, így az univerzum egyensúlyi állapotba kerül.” [12] Az ember a világ rben a m szereivel lát. Ahogy a m szertechnika fejl dik, egyre távolabbi és egyre sibb objektumokat fedeztek fel a szakemberek [9]. Mivel a fény terjedéséhez is id szükséges, minél messzebb van t lünk egy égitest, annál korábbi állapotát figyeljük meg a most Földre érkez képen. Napunk fénye mindössze 8 perc alatt jut el hozzánk, az éjszakai égen szabad szemmel látható csillagokat pedig 50-100 évvel korábbi állapotban pillanthatjuk meg, míg a legtávolabbi objektumok már a Világegyetem több milliárd évvel ezel tti jellemz ir l árulkodnak [6, 9].
A
0 # + ## , ' +
+
1+ # +&& # 8
*
## ' ? # ) ) 8 + ' ) - . ". ; #D ) = D :
8,' + ?& &, # '# ) 3BE614
Ez egyúttal azt is jelenti, hogy a minket körülvev kozmoszból ugyan egyre többet érzékelünk, de a m szereink által megszabott határon kívülre nem látunk (5. ábra). A m szerek érzékelte téren és id n kívül a világegyetem vizsgálatának egyetlen módszere a matematikai modellezés marad. Különféle elméletek alapján különféle matematikai leírások eltér eredményeket adnak. Hogy mi lesz
- 27 -
világegyetemünk sorsa? A végtelenségig tágul és szétesik? Vagy a tágulás ismét zsugorodásba csap át a gravitáció hatására? Vagy talán sok párhuzamosan létez buborék-univerzum egyikében élünk (lásd pl. 6. ábra)? Talán egyszer megtudjuk a válaszokat. A magam részér l úgy gondolom, hogy mivel sosem láttuk még a világegyetem végét, az igenis a végtelenbe nyúlik.
F
+ $
+
+,
' 8
8 1A11 + ?& &, '
+
* / )
# + ) ?
# 8
Összefoglalás A dolgozatokból [2, 13] sokat tanultam. Meglep dtem, közvetlen környezetem milyen sok apró titkot rejt és a távoli világ is milyen gyönyör . A természetismeret a kedvenc tantárgyam, bár azt még nem tudom pontosan, kés bb mivel szeretnék foglalkozni. Felhasznált irodalom: 1) Lucy és Stephen Hawking: George kulcsa a rejtélyes univerzumhoz, Könyvmolyképz Kiadó, Szeged, 2007. 2) Mohammed Samantha Orsolya: Hol a végtelen vége?, Kutató Gyerekek Konf.-ra benyújtott dolgozat, DOKI Zrínyi Ilona Általános Iskola 3.b osztály, 2012. (nyomtatásban) In: Kovács L. (szerk.). Kincskeres k a Dunakanyarban, Dorogi értékek nyomában (sor.) 22., Dorog, Zrínyi-iskola, 2012, 76-104. old. 3) Vinkó József, Szatmáry Károly, Kaszás Gábor, Kiss László: A csillagok színképe (1998-as Meteor Csillagászati évkönyv). 4) Kristóf János: Kémiai Analízis II., Veszprémi Egyetemi Kiadó, Veszprém, 2000. 5) Billes Ferenc: Rezgési spektroszkópia, Környezetvédelmi Analitika (sorozat) XXXIV. Kötet, Pannon Egyetem, Környezetmérnöki Intézet, Veszprém, 2013. ISBN: 978-615-5044-50-2
- 28 -
6) 7) 8) 9) 10) 11)
12)
13)
Csillagászati Tudásbázis: Kozmológia http://tudasbazis.csillagaszat.hu/kozmologia/ http://en.wikipedia.org/wiki/Cat's_Eye_Nebula http://hu.wikipedia.org/wiki/Macskaszem-köd Keresztúri Ákos: Minden eddiginél közelebb jutottunk a Big Banghez, 2011.jan. 26. http://www.origo.hu/tudomany/vilagur/20110126-osi-galaxisttalaltak-amely-500-millio-evvel-a-kezdopillanat-tehat.html Sue Becklake: Világ r, 100 állomás – 100 kaland sorozat, Lilliput Könyvkiadó, 2008. Székely Mihály: Sötét energia nélküli Világegyetem? http://science.topota.hu/?p=445 (Eredeti forrás: Timothy Clifton, Pedro G. Ferreira and Kate Land: Living in a Void: Testing the Copernican Principle with Distant Supernovae, Physical Review Letters, 101, 131302 (2008). Robert Burnham: A világegyetem képes atlasza gyermekeknek, Reader’s Digest Kiadó, Budapest, 2008
Mohammed Samantha Orsolya: Rosszalkodjunk engedéllyel! – Színes kísérletek, Kutató Gyerekek Konf.-ra benyújtott dolgozat, DOKI Zrínyi Ilona Általános Iskola 4.b osztály, 2013. (nyomtatásban) In: Kovács L. (szerk.). Pályázatok éve 2012-2013, Dorogi értékek nyomában (sor.) 23., Dorog, Zrínyi-iskola, 2013, 101-116. old.
- 29 -
