Komentarze eksperckie

Nagrody Nobla z fizyki

Tegoroczne nagrody Nobla w dziedzinie fizyki otrzymali: Roger Penrose, emerytowany profesor Uniwersytetu Oxfordzkiego, Andrea Ghez z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles (czwarty Nobel z fizyki dla kobiety, ale już drugi w ostatniej dekadzie!) oraz Reinhard Genzel z Instytutu Maxa Plancka w Garching pod Monachium. Nagrodę przyznano za odkrycia w dziedzinie fizyki czarnych dziur, egzotycznych obiektów, których istnienie przewiduje einsteinowska ogólna teoria względności. Ogólna teoria względności, jedno z najpiękniejszych osiągnięć ludzkiej myśli, przyniosła radykalną zmianę rozumienia tak podstawowych pojęć, jak przestrzeń i czas. Przykładem są właśnie czarne dziury, posiadające tzw. horyzont zdarzeń, powierzchnię, przez którą materia może wpaść do wnętrza czarnej dziury, ale nie może się z niej wydostać. Co więcej, wnętrze czarnej dziury zawiera tzw. osobliwość, miejsce,  w którym pojęcia czasu i przestrzeni tracą sens i załamują się znane prawa fizyki.

Równania teorii względności są bardzo skomplikowane (choć, równocześnie, z punktu widzenia matematycznej harmonii, bardzo proste) i tylko w szczególnych przypadkach można znaleźć ich rozwiązania, również te opisujące czarne dziury. Aby je otrzymać, należy poczynić dodatkowe założenia, które z pewnością nie są spełnione w realnym świecie. Można by więc podejrzewać, że czarne dziury są bardziej matematyczną ciekawostką niż obiektami realnie istniejącymi. Zasługą Rogera Penrose’a było opracowanie nowatorskich, wyrafinowanych metod matematycznych, pozwalających opisywać ogólne własności rozwiązań równań Einsteina, nawet jeśli nie jesteśmy w stanie tych rozwiązań znaleźć. Najważniejszym wnioskiem z jego badań było stwierdzenie, że, wbrew początkowym podejrzeniom, czarne dziury mogą, a nawet muszą się pojawiać jako rezultat fizycznych procesów, takich jak zapadanie się masywnych gwiazd. Jego pierwsza praca na ten temat z 1965 r., którą bez przesady można nazwać epokową, liczy niecałe trzy strony (!) i jest prawdziwą perełką.

Wielką zasługą pozostałej dwójki laureatów było wykazanie, że czarne dziury rzeczywiście istnieją. Rozwinięte przez nich metody obserwacyjne, dotyczące zarówno teleskopów naziemnych (tzw. optyka adaptatywna, pozwalająca na wyeliminowanie zaburzeń spowodowanych drganiami atmosfery), jak i satelitarnych, pozwoliły na śledzenie ruchów gwiazd w centrum naszej Galaktyki. Okazało się, że krążą one wokół bardzo masywnego obiektu zwanego Sagittarius A*; jego masę ocenia się na ok. cztery miliony mas Słońca. Biorąc pod uwagę całokształt danych dotyczących tego obiektu, nie ulega wątpliwości, że jedynym wyjaśnieniem, zgodnym z aktualnym stanem wiedzy fizycznej, jest przyjęcie, że Sagittarius A* jest tzw. supermasywną czarną dziurą. W ten sposób ogólna teoria względności znalazła spektakularne potwierdzenie.

Podcast

Materiał źródłowy: prof. dr hab. Piotr Kosiński, Katedra Informatyki WFiIS UŁ

Projekt CFOOD – nominowany do Polskiej Nagrody Inteligentnego Rozwoju 2020

Projekt pn. CFOOD „Opracowanie innowacyjnej metody obliczania śladu węglowego dla podstawowego koszyka produktów żywnościowych” został nominowany do Polskiej Nagrody Inteligentnego Rozwoju 2020, w kategorii Badania przyszłości.

Ta wyjątkowa i prestiżowa nagroda wręczana jest od 2016 roku osobom i instytucjom, które w sposób bezpośredni i pośredni wpływają na inteligentny i zrównoważony rozwój życia, społeczeństwa i gospodarki.

Projekt CFOOD jest dofinansowany przez NCBiR BIOSTRATEG3 i  realizowany jest przez Konsorcjum  w składzie: Instytut Biotechnologii Przemysłu Rolno-Spożywczego im. prof. Wacława Dąbrowskiego (lider), Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej UŁ, Politechnika Poznańska, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego, Przemysłowy Instytut Maszyn Rolniczych oraz  UNIFREEZE Sp. z o.o.

Podstawowym zadaniem naukowców z Katedry Informatyki, Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej UŁ jest opracowanie i oprogramowanie systemu ekspertowego do wyznaczania i optymalizacji śladu węglowego dla produktów przemysłu przetwórczo-spożywczego.

W projekcie CFOOD pracuje zespół z Katedry Informatyki WFiIS w składzie:
* Prof. dr hab. Piotr Kosiński
* Prof. dr hab. Paweł Maślanka
* Dr inż. Artur Hłobaż
* Dr Piotr Milczarski
* Dr inż. Zofia Stawska
* Dr Bartosz Zieliński

Rezultaty projektu mają duży potencjał komercyjny i stanowią przełom na rynku rolno-spożywczym, w szczególności zastosowanie nowatorskiej metody liczenia CF do produkcji nowych wyrobów. Opracowana technologia to systemowe rozwiązanie, które wpłynie pozytywnie na zdrowie społeczeństwa i środowisko naturalne, dzięki zwiększeniu udziału w diecie warzyw, jednocześnie zapewniając pełnowartościowe wyroby w formie szybkiej i łatwej do przygotowania. Może zostać wykorzystana na użytek zrównoważonego rozwoju środowiskowego i społecznego kraju oraz zmniejszenia negatywnych skutków zjawisk cywilizacyjnych i zmian klimatu w aspekcie europejskiej polityki niskoemisyjnej.

PNIR2020 – List Nominacyjny – Badania przyszłości docx

Astrofizycy z WFiIS w projekcie CTA

 

Animacja pokazująca jak emisja zaobserwowana przez LST zmienia się w trakcie obrotu pulsara Prawa autorskie: Rubén López-Coto; gif: Michael R. Gallis

 

Cherenkov Telescope Array (CTA) jest międzynarodowym projektem zbudowania największego i najbardziej czułego obserwatorium promieniowania gamma wykorzystującego ponad sto teleskopów czerenkowskich. Teleskopy będą umieszczone w dwóch lokalizacjach: na wyspie La Palma w Hiszpanii oraz na pustyni Atacama w Chile. Aby CTA było w stanie optymalnie badać szeroki zakres energii, będzie składać się z trzech rodzajów teleskopów (SST, MST i LST, odpowiednio Small-, Medium- i Large- Sized Teleskope). W projektowaniu oraz konstrukcji teleskopów bierze udział Współpraca CTA złożona z ponad półtora tysiąca członków z 31 krajów.

 

 

 

Rys. 2 Teleskop LST-1
Prawa autorskie: Tomohiro Inada
https://www.flickr.com/photos/cta_observatory/50018704248/in/dateposted/

LST, o 23-metrowej średnicy lustra jest największym z planowanych typów teleskopów i jest przeznaczony głównie do obserwacji najniższych energii które będzie badać CTA, czyli promieniowania dziesiątki-setki miliardów razy bardziej energetycznego niż światło widzialne. Współpraca LST składa się z 200 naukowców spośród 11 krajów. Prototypowy  teleskop, LST-1, został zainaugurowany  w październiku 2018 i przechodzi  proces optymalizacji parametrów obserwacji i oddawania do użytku. Na początku czerwca bieżącego roku LST1 przeszedł procedurę Krytycznego Przeglądu Projektu.

 

 

 

Pulsary są to szybko rotujące, bardzo gęste gwiazdy. Emitują one promieniowanie elektromagnetyczne w szerokim zakresie (od radiowego przez światło widzialne i rentgenowskie, aż do promieniowania gamma) w postaci dwóch wiązek omiatających przestrzeń podobnie do latarni morskiej. Emisja na Ziemi obserwowana jest w momentach w których wiązki zwrócone są w naszym kierunku, powodując charakterystyczne impulsy. Pulsary są trudne do wykrycia przez teleskopy czerenkowskie ze względu na to, że emitują jedynie w stosunkowo niskim zakresie energii. Dotychczas jedynie 4 pulsary zostały wykryte przez teleskopy czerenkowskie. Konstrukcja LST, w szczególności duża powierzchnia zwierciadła sprawia, że świetnie nadaje się on do badań pulsarów.

Rys. 1 Szerokopasmowy widok mgławicy otaczającej pulsar Kraba (jasna kropka w środku obrazu) Prawa autorskie: NASA, ESA, G. Dubner (IAFE, CONICET-University of Buenos Aires) i in.; A. Loll i in.; T. Temim i in.; F. Seward i in.; VLA/NRAO/AUI/ NSF; Chandra/ CXC; Spitzer/JPL-Caltech; XMM-Newton/ESA; Hubble/STScI

W styczniu i lutym 2020 teleskop LST-1, podczas technicznego zbierania danych, zwrócony był w kierunku pulsara Kraba. Analiza przeprowadzonych obserwacji pokazała wzmożoną emisję w momentach, gdy strumień promieniowania zwrócony jest w kierunku Ziemi. Wyniki te zostały po raz pierwszy pokazane na zdalnym spotkaniu Współpracy LST w czerwcu bieżącego roku. Wykrycie tej emisji, pokazuje, że teleskopy LST mogą być używane do badań pulsarów. Dane te są również bardzo istotne dla Współpracy LST, ponieważ mogą być użyte do optymalizacji działania teleskopu oraz rozwijania metod analizy danych odpowiednich dla słabych, niskoenergetycznych źródeł.

Polska jest jednym z krajów silnie zaangażowanych w projekt CTA. Kilkudziesięciu naukowców i inżynierów z 13 instytucji naukowych bierze udział w projektowaniu oraz budowie teleskopów, opracowaniu programu obserwacyjnego dla nich oraz wsparciu informatycznym przetwarzania danych.

Uniwersytet Łódzki reprezentuje w projekcie LST polskie konsorcjum CTA. Naukowcy z Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej UŁ zajmują się między innymi rozwijaniem metod analizy danych z teleskopów LST.

Więcej informacji

Materiał źródłowy: dr hab. Julian Sitarek, prof. UŁ (Katedra Astrofizyki WFiIS)
Koordynator Polskiego Konsorcjum CTA: Prof. Michał Ostrowski, UJ

Historyczny lot kosmiczny rakiety Falcon 9

W nocy 27. maja około 22:30 czasu polskiego,  z Centrum Kosmicznego Johna F. Kennedy’ego na Florydzie planowane było wystrzelenie rakiety Falcon 9. Niestety ze względu na złe warunki pogodowe start rakiety został przełożony na sobotę. W sobotę, 30. maja, o 21:22 (czasu polskiego) odbył się pomyślny start rakiety Falcon 9.

Na pokładzie znajduje się 2 astronautów i odbędą oni podróż na międzynarodową stację kosmiczną. Po zakończeniu amerykańskiego programu wahadłowców w lipcu 2011 roku astronauci dostawali się na międzynarodową stację kosmiczną dzięki rosyjskim rakietom Sojuz. Lot rakiety Falcon 9 jest ostatecznym dużym testem dla firmy SpaceX by mogła świadczyć usługi transportu astronautów do i z międzynarodowej stacji kosmicznej. Stanowi on także ważny krok w przyszłych misjach m.in. na Księżyc i Marsa.

Rakieta Falcon 9 wyniesie kapsułę Dragon z astronautami na orbitę okołoziemską. Następie kapsuła dotrze do międzynarodowej stacji kosmicznej i połączy się z nią. Na zakończenie misji kapsuła odłączy się od międzynarodowej stacji kosmicznej i wejdzie z powrotem w ziemską atmosferę. Podobny testowy lot odbył się w marcu tego roku, lecz bez astronautów na pokładzie.

Czym jest Falcon 9?

Falcon 9 jest 70-metrową rakietą dwustopniową zaprojektowaną do przewozu ludzi i ładunku na orbitę okołoziemską i poza nią. Rakieta waży około 550 ton i pozwala zabrać prawie 23 tony ładunku na niską orbitę okołoziemską. Jej konstrukcja pozwala odzyskać najbardziej kosztowne elementy rakiety  dla ponownego użycia jej w kolejnym locie.

Opracowanie: dr hab. Julian Sitarek, prof. UŁ (Katedra Astrofizyki WFiIS)

Więcej informacji:
https://www.spacex.com/launches/

Gdzie to wszystko śledzić?

John Horton Conway zmarł na COVID-19

Gdyby zapytać pierwszego napotkanego człowieka o osobę Johna Conway’a, mało kto prawdopodobnie potrafiłby powiedzieć kilka słów o tym matematyku. Jednak, kiedy wspomni się o „Grze w Życie”, sporo osób, nawet nie pamiętając jej szczegółów, byłoby w stanie przypomnieć sobie błyskające pojawiające się i znikające na kartce kwadraciki. Wydaje się, że nadszedł czas, aby przypomnieć, zarówno o osobie, jak i jej dziele. Właśnie ostatnio świat obiegła informacja o śmierci, w wyniku zakażenia koronawirusem SARS-Cov-2, Johna Hortona Conwaya, brytyjskiego matematyka, którego życie naukowe podzieliło się między Cambridge i Princeton. W tym ostatnim, do śmierci, nosił zaszczytny tytuł „John von Neumann Professor Emeritus”, co, oprócz uhonorowania jego dorobku, jest w ciekawym związku z tym obszarem badań, który przyniósł mu największy rozgłos.

Nieraz twierdził, że nienawidzi „Gry w Życie”, a to właśnie ona uczyniła go sławnym. Może przyczyną tego był fakt, że uznawał, że ta, prosta w swoich założeniach zabawa, przesłoniła to, co sam uważał za znacznie ważniejsze. A były to, jego zdaniem, rozważania nad liczbami nadrzeczywistymi, czy zestaw twierdzeń dotyczących problemu tzw. monstrous moonshine, łączącego grupy monstrum z eliptycznymi funkcjami modularnymi.

Skąd wzięła się gra w życie?

Nie była ona wcale efektem rozrywkowego stawiania krzyżyków w pustych kratkach kartki papieru. Mniej więcej 20 lat wcześniej, dwaj wybitni matematycy: Węgier John von Neumann i Polak Stanisław Ulam, rozważając pojęcie automatu, szczególnie w kontekście jego samoreprodukowalności, zaczęli zajmować się konstrukcjami tworzonymi w oparciu o dyskretną strukturę przestrzeni dwuwymiarowej, podzielonej na równe kwadraciki. Jako przyczyny tego stanu można wskazać dwa czynniki: praktyczny i teoretyczny. Czynnik praktyczny to konieczność wykonywania skomplikowanych obliczeń numerycznych dotyczących na przykład konstrukcji bomby wodorowej. Przecież ENIAC, którego używał von Neumann, miał możliwości obliczeniowe (mierzone w tzw. FLOPSach, czyli liczbie operacji zmiennoprzecinkowych na sekundę) miliard razy mniejsze, niż procesory we współczesnych telefonach komórkowych. Czynnik teoretyczny to poszukiwanie rzeczywistych rozwiązań realizujących modele obliczeń wprowadzone przez Alana Turinga, szczególnie w odniesieniu do pojęcia kompletności oraz uniwersalności obliczeń.

I ten właśnie aspekt interesował w szczególności Conwaya. Jak sam mówił w wywiadzie, kiedy wymyślił grę, nie był pewien, czy będzie ona miała wspomniane właściwości, ale potem, w większości inni uczeni, udowodnili ten fakt. Sama gra jest bardzo prosta, w każdej z kratek na kartce (komórce) można położyć jakiś obiekt lub nie. Co ważne, nie istnieje jednoznacznie zdefiniowany stan początkowy, czyli układ tych obiektów jest całkowicie dowolny. Następnie liczymy, ile obiektów jest w ośmiu kratkach otaczających każdą z kratek. Jeśli w komórce jest obiekt, a w komórkach sąsiednich są 2 lub 3 obiekty, to badany obiekt przeżywa, jeśli nie ginie bądź to z „samotności” bądź z „przeludnienia”. Jeśli komórka jest pusta, nowy obiekt może w niej się narodzić, jeśli w komórkach sąsiednich są dokładnie 3 obiekty. I właśnie taka gra została przedstawiona przez Martina Gardnera w dziale „Gry matematyczne” Scientific American w październiku 1970 roku, wzbudzając wielkie zaciekawienie czytelników.

Skąd wzięła się jej popularność?

Dla matematyków – z możliwości udowodnienia własności przewidywanych przez von Neumanna i Ulama, dla informatyków i fizyków – z pokazania nowych możliwości modelowania wielu zjawisk. Dla wszystkich – z możliwości zafascynowania  rozwijającym się niezależnie od obserwatora gry światem agregatów tworzonych przez „żyjące” komórki. A nie można zapomnieć, że model Conway’a odtwarza tylko jedną z ponad dwustu sześćdziesięciu tysięcy (co wynika z prostego przeliczenia liczby możliwych zasad przeżywania i rodzenia się obiektów w komórkach) reguł możliwych do zastosowania dla automatu bazującego na jego założeniach dotyczących kształtu sieci i liczby stanów.

Albowiem, i to okazało się szczególnie ważne dla informatyków, gra Conway’a jest najpopularniejszym przejawem szerokiej klasy systemów zwanych Automatami Komórkowymi (Cellular Automata – CA). Bazują one na trzech pojęciach: siatki, stanów i reguły. W tym kontekście, „Gra w Życie” jest automatem binarnym (2 stany {0, 1}) na regularnej sieci dwuwymiarowej, z regułami opisanymi wcześniej, a zapisywanymi zwykle 23/3 lub B3/S23. Już sam fakt szczegółowości powyższej definicji pokazuje, jak duże, wobec możliwości modyfikacji każdego jej elementu,  są możliwości oferowane przez automaty.

Te możliwości są wykorzystywane. Kiedy popatrzymy, w jakich obszarach badań teoretycznych i praktycznych wykorzystywane są Automaty Komórkowe znajdziemy tu zarówno analizę ruchu samochodowego czy ruchu pieszych, jak i wiele zagadnień z obszaru bioinformatyki, badanie problemów synchronizacji i asynchroniczności, jak i problemy epidemiczne.

Wiele spośród tych zagadnień zostanie poruszona także na, zaplanowanej na grudzień 2020 roku, konferencji z cyklu Cellular Automata for Research and Industry (14th ACRI), która odbędzie się w tym roku w Łodzi i jest organizowana przez Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej UŁ.

Opracowanie: dr hab. Tomasz Gwizdałła, prof. UŁ (Katedra Systemów Inteligentnych, WFiIS UŁ)

Nobel z fizyki dla astronomów