Przejdź do głównej treści

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Nawigacja okruszkowa Nawigacja okruszkowa

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Smoluchowski i Internet rzeczy

Smoluchowski i Internet rzeczy

Taternik, alpinista, malarz, ale przede wszystkim genialny fizyk. Równolegle z Albertem Einsteinem wyjaśnił zjawisko ruchów Browna, które wykorzystywane jest m.in. w ekonomii i nowych technologiach. W Krakowie trwają główne wydarzenia związane z obchodami Roku Mariana Smoluchowskiego.

Więcej o nauce?! Dołącz do profilu strony. www NAUKA.uj.edu.pl na Facebooku 

W 2017 r. przypada setna rocznica śmierci, przedwcześnie zmarłego, wybitnego polskiego naukowca, prof. Mariana Smoluchowskiego. Dlaczego uważany jest za jednego z najważniejszych światowych fizyków przełomu XIX i XX wieku? Co badał, czym się zajmował? Dlaczego środowisko naukowe uważa, że dokonał odkryć na miarę Nagrody Nobla? Rok Mariana Smoluchowskiego i uroczystości z tym związane, są dobrą okazją, aby przybliżyć postać wielkiego badacza i uzupełnić wiedzę na temat jego badań. Warto, ponieważ, nawet nie zdajemy sobie sprawy, z ilu rozwiązań na co dzień korzystamy, z którymi związane były badania profesora z Uniwersytetu Jagiellońskiego.

Uznanie Einsteina

Rok Mariana Smoluchowskiego
SZCZEGÓŁOWE INFORMACJE

Ludzie wielcy często bywają docenieni dopiero po śmierci. Tego jednak nie można powiedzieć o Marianie Smoluchowskim. Już za życia był cenionym naukowcem, podróżującym po Europie, aby zdobywać wiedzę, ale i dzielić się nią. Gdyby zebrać jego wszystkie adresy korespondencyjne powstałaby lista najważniejszych, nie tylko w sensie naukowym, miast Europy. W Wiedniu się wychował i zdobył doktorat, studiował w Paryżu, Glasgow i Berlinie. Jednak miastem, które najbardziej sprzyjało jego kreatywności był Lwów, gdzie w pracy naukowej asystowała mu jego żona – córka profesora matematyki UJ. Bywał częstym gościem w Krakowie, Warszawie i Cambridge. Mocno związany z Uniwersytetem Jagiellońskim, pracował w katedrze fizyki doświadczalnej, a w lipcu 1917 r. został wybrany na rektora uczelni. Miał możliwość czerpania inspiracji z takich postaci jak Lipmann, Kelvin i Einstein. Jedyne co Smoluchowski mógłby z za światów zarzucić swojemu życiu, to fakt, że trwało tak krótko - uczony zmarł 5 września 1917 r., w wieku 45 lat. Jego śmierć wzbudziła wielkie poruszenie nie tylko wśród rodziny i przyjaciół, ale i w świecie nauki. Albert Einstein po śmierci Smoluchowskiego napisał: „Los zbyt szybko ukrócił jego szlachetne działania jako naukowca i nauczyciela, jednakże podążajmy przykładem jego osoby i jego pracy”. Uznanie, którym niemiecki fizyk darzył Smoluchowskiego nie wzięło się znikąd. Obaj równolegle wyjaśnili, tajemnicze wówczas, zjawisko zwane ruchami Browna.

Ciekawe? Przeczytaj także: Małopolska Noc Naukowców na UJ

W chaotycznym ruchu

Nietypowo, ruchy Browna nie biorą swojej nazwy od nazwiska osoby, która je wyjaśniła, a od tej, która po raz pierwszy je zauważyła. Robert Brown był botanikiem, który przypadkiem – tak to już bywa z ważnymi odkryciami – dostrzegł, że pyłki kwiatowe zatopione w wodzie i obserwowane pod mikroskopem są w nieustannym, chaotycznym ruchu. Biolodzy próbowali wyjaśnić to zjawisko, zakładając, że to co się rusza – żyje. Jednak ta teoria została obalona w momencie, w którym zamiast pyłków kwiatowych, użyto substancji nieorganicznej, a rezultat pozostał taki sam. Skąd więc wziął się ruch w zawiesinach, jeśli nie był powiązany z życiem? Po śmierci Browna, w 1877 r. Joseph Delsaulx zasugerował wyjaśnienie tego zjawiska poprzez termiczne ruchy wody. Jednak dopiero na początku XX wieku chaotyczne ruchy pyłków zostały opisane matematycznie.

Ruchy pyłków w wodzie czy np. drobin tłuszczu w mleku możemy porównać do cząsteczek, które za każdym razem, obierając jakiś kierunek ruchu, nagle „zmieniały zdanie”. Dzisiaj tą „niestałość w decyzjach” można wyjaśnić posługując się zaledwie podstawami fizyki. Trzeba wiedzieć, że materia składa się z atomów i to, że atomy są w ciągłym ruchu. Zamiast statycznych, w naszym wyobrażeniu, pyłków w wodzie, należy więc wyobrazić sobie małe, rozbiegane cząsteczki cieczy atakujące z każdej strony dużą cząsteczkę w tym przypadku pyłku. Jeżeli w danej chwili pyłek zostanie „zaatakowany” w większym stopniu z prawej, to naturalną konsekwencją jest jego ruch w lewo, jeżeli z lewej to w prawo, jeżeli z dołu… Warto nadmienić, że różnica w wielkości cząsteczek cieczy a drobiną taką jak pyłek jest znaczna. Gdyby cząsteczkę wody powiększyć do rozmiarów główki od szpilki, pyłek miałby metr!

Dokładne opisanie ruchu pyłku w wodzie to zadanie z jakim zmierzyli się Einstein i Smoluchowski. Obaj niezależnie znaleźli odpowiedź na zadane 100 lat wcześniej pytanie. Smoluchowski opublikował swoją pracę w 1906 r., czyli rok po Einsteinie. Skąd więc dzisiejsze zachwyty nad jego osobą? Powielenie wyniku, i tak już sławnego geniusza, nie wydaje się być niczym spektakularnym, bo niezależnie od badań Smoluchowskiego, świat i tak poznałby rozwiązanie zagadki ruchów Browna. Okazuje się więc, że paradoksalnie w pracy Smoluchowskiego nie liczy się cel w jakim ją pisał, a metoda rozwiązania problemu. Jej przewaga nad metodą Einsteina tkwiła w tym, że zagadnienie zostało ujęte w skali mikro. Wykazał, że ruch obserwowanej cząstki powiązany jest z liczbą Avogadra i temperaturą cieczy. Po za tym, praca Smoluchowskiego ostatecznie przyczyniła się do zaakceptowania przez naukowców–niedowiarków faktu istnienia atomów.

Wracając do niezdecydowanych pyłków w wodzie… Jak już wspomniano, różnice pomiędzy wielkością drobiny pyłku a cząsteczkami wody są ogromne. Nietrudno więc domyślić się, że pojedynczy „atak” ze strony cząsteczki wody na drobinę nie zrobi na pyłku większego wrażenia. Dopiero suma wszystkich zderzeń spowoduje ruch pyłku. Smoluchowski zdał sobie sprawę, że śledzenie wpływu pojedynczej cząsteczki wody na drobinę nie ma sensu. Zajął się więc wszystkimi zderzeniami na raz i poprzez uśrednienie oraz wykorzystanie rachunku prawdopodobieństwa przewidywał ruch cząsteczki.

Ciekawe? Przeczytaj także: Kiedy słuch widzi rytm

IoT a ruchy Browna

Okazuje się, że takie przewidywania są przydatne nie tylko podczas tłumaczenia ruchów Browna. Na podstawie małych, niepozornych zmian udaje się przewidzieć ogólną tendencję. Metoda ta okazała się być uniwersalna i czmychnęła spod piór fizyków w kierunku m.in. ekonomii – asymetryczny ruch Browna wykorzystywany jest do opisu cen akcji na giełdzie. Pojedyncza akcja porównywana jest wtedy do cząsteczki Browna, a oferty kupna i sprzedaży są tymi elementami środowiska, które bombardują akcję z różnych stron.
Dzisiaj metoda ta umożliwia realne myślenie o Internecie rzeczy (IoT- Internet of Things). Koncepcja ta zakłada, że przedmioty codziennego użytku będą stale podłączone do sieci, po to żeby móc nimi zarządzać, ułatwiając nam życie. Przykładem może być inteligentny toster, który opiecze pieczywo jeszcze zanim wstaniemy z łóżka. Wg różnych źródeł szacuje się, że w 2020 roku do sieci może zostać podłączonych od 30 do 50 mld urządzeń. Trudno się dziwić, skoro już dzisiaj otaczają nas smartwatche i lodówki, które robią zakupy w sieci. W tej koncepcji widać bardzo podobny model do tego z ruchów Browna. Jedno więcej urządzenie w sieci nic nie zmieni, ale 50 mld to już sporo. Jak więc kierować i panować nad tak rozbudowanym systemem? Z odpowiedzią przychodzą prace Smoluchowskiego i wszystkich naukowców, którzy kontynuowali jego badania. Kto by pomyślał, że wytłumaczenie niepozornych ruchów Browna, może mieć taki wpływ na kształt przyszłości ludzi…

 

----------
Tekst opracowała Agnieszka Krawczyk - studentka UJ, członkini Koła Popularyzatorów Nauki, działającego przy Dziale Promocji UJ i Justyna Jaskulska-Schab, redaktorka www.nauka.uj.edu.pl.

----------
Animacja pochodzi ze strony: http://testokazi.hol.es/Testy/Fyzika/9.rocnik/animovana%20fyzika/

ENGLISH VERSION

Zobacz video galerię

Ruchy Browna

Polecamy również
Nobel 2017 z chemii: mroźny mikroskop
Nobel 2017 z fizyki. Fale grawitacyjne w naukowej pułapce
Tai-chi w bibliotece, czyli Noc Naukowców 2017 na UJ
Eksperyment Łańcuchowy: niesamowite, ruchome konstrukcje