Popularna nauka: zabavni vizuali, mašinski elementi i polubeskonačni brojevi

Koje prizore naučnih fenomena nije lako uočiti, shvatiti i prihvatiti, iako su autentični?

Pitanje i odgovor je na portalu Quora postavio Žaved Rezai (Javed Rezayee), bivši direktor regionalne kancelarije UN-a u DDR-u (2003-2005).

Pogledajte ovu jednostavnu mašinu. Čine je samo zupčanici. Njih je 101, a povezani su tako da prvi zupčanik treba okrenuti deset puta da bi naredni napravio jedan pun obrtaj.

I tako dalje…

Međutim, znate li koliko puta je potrebno zavrteti prvi zupčanik da bi poslednji u nizu napravio samo jedan obrtaj? Pa, gugol puta (Googol). To je cifra koja počinje jedinicom, iza koje stoji stotinu nula. Naravno, “polubeskonačni” brojevi iz naslova ne postoje, ali je gugol toliko veliki da se čini bezmernim (iako u suštini označava tačnu, merljivu količinu).

Kada ga napišete, gugol izgleda ovako:

10,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000, 000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000

(Googol je kreatorima najvećeg internet-pretraživača, Gugla, poslužio kao inspiracija za ime ).

To je najsvedeniji mogući prikaz ovog broja. Drugi naziv mašine je „gugol vizuelizator“.

Da biste shvatili koliko je gugol velika cifra, razmislite o broju atoma u celom univerzumu. Gugol je veći od ukupnog broja atoma za koje se procenjuje da postoje u svemiru (što je veličina koja se piše kao desetka podignuta na 87. stepen). Gugol je još veći od ukupnog broja atoma u Univerzumu: desetka podignuta na stoti stepen. Drugim rečima, potrebno je da prvi zupčanik ove po konstrukciji jednostavne ali nadasve neobične naprave obrnete više puta nego što ima atoma u svemiru, da bi konačni, stoti (odnosno 101.) zupčanik napravio tek  jedan puni obrtaj.

Genije koji stoji iza konstrukcije ove neverovatne mašine je jedan jutjuber, mašinski ekspert, hibridni dizajner i tvorac kinetičkih skulptura, Daniel De Bruin. On je izgradio ovu čudnu mašinu nakon što je 1. marta 2020. godine, tačno u 14:52, napunio „jubilarnu“ milijarditu sekundu svog života (31 godina, 251 dan, 13 sati, 34 minuta, 54.7843 sekunde, ili, zapisano u drukčijoj formi, 31.69 godina).

Ova “stvar”, na izvrstan način demonstrira odnosno vizuelizuje samu brojku googol, iako je isprva možda teško poverovati, odnosno uočiti;  svakom slučaju, De Bruinov “zupčanički prikaz” te brojke je jasan, autentičan i veoma jednostavan.

O svom Googol zupčastom prenosniku, najvećem u svetu i, kako sam voli da se našali doduše istinitim podatkom, “najvećim zupčaničkim prenosom u Kosmosu”, Daniel De Bruin kaže:

“Napravio sam najveći zupčasti prenos u Svemiru. Sada ga na jutjubu možete videti od trenutka starta, u realnom vremenu, u trajanju od jednog sata. Šaljite vaše komentare, ukoliko želite da ga posmatrate puna 24 sata (ili, možda, čak i Live stream?). Verzija iz ovog videa je tek prikaz prototipa i ne može se obrtati neki duži vremenski period, mada se sastavlja verzija koja bi mogla da radi godinama/decenijama (ukoliko ima zainteresovanih – ne oklevajte da kontaktirate e-mailom).”

De Bruin ima svoj nalog i na Instagramu.

Na ovom snimku videćete da je tokom sat vremena prvi zupčanik napravio 1000 a drugi 100 obrtaja, treći se okrenuo 10 puta a četvrti je napravio jedan puni obrtaj. Peti zupčanik rotirao je 0,1, a šesti 0,01 delova jednog punog obrtaja itd.

O radu:

Prvog marta 2020. u 14:52 otkucala je tačno milijardita sekunda otkako gazim Zemljom. Da bih obeležio taj događaj, napravio sam ovu mašinu koja vizuelizuje broj zvani gugol. Radi se o broju na čijem je početku jedinica, sa stotinu nula iza njega. Gugol je broj veći od broja svih atoma u nama poznatom Svemiru. Ova mašina je dosad uspela da 100 puta “izvrti” od prvog do desetog zupčanika (koji je, shodno logici ove naprave, sto puta načinio jedan pun obrtaj oko svoje ose). Da bi i poslednji, stoti zupčanik napravio samo jedan puni obrtaj, prvo treba da „odvrtite“ priličan broj obrtaja onih prethodnih 99 zupčanika – to je brojka koja se u matematici naziva gugol.

Ili, bolje i preciznije rečeno: da bi poslednji zupčanik napravio jedan pun okretaj, potrebno je utrošiti više energije no što je sada ima u čitavom univerzumu.

I to je ono što je upravo fascinantno.

Ovaj rad je u potpunosti inspirisan radom kinetičkog skulptora, Artura Gensona (Arthur Ganson). Konkretna inspiracija je Gensonova  kinetička instalacija ‘Machine with concrete’.

 

(Muzika Brendon Moeller, vizuali iz Quore: Tipsmake, Gizmodo)

 

Daniel De Bruin official website

Daniel De Bruin via DesignBoom

One Billion Seconds

A Gear System Helps Visualize the Magnitude of One Googol, or 1 Followed by 100 Zeros

Compute expert-level answers using Wolfram’s breakthrough algorithms, knowledgebase and AI technology

The me-sized universe: Some parts of the cosmos are right within our grasp

Viking ‘treasure’ of rare artifacts revealed on a long-lost mountain trail

Material testing with AI

This Lab ‘Cooks’ With AI to Make New Materials: A Toronto lab recycles carbon dioxide into more useful chemicals, using materials it discovered with artificial intelligence and supercomputers.

Let’s Rebuild the Broken Meat Industry—Without Animals: Covid-19 has laid bare many flaws of industrialized animal agriculture. Plant- and cell-based alternatives offer a more resilient solution.

 

Istorijat prirodnih katastrofa – Al Roker: tragična povest nekadašnje vremenske prognoze

Evo ekskluzivnog izvoda iz knjige Ala Rokera o Velikom zalivskom uraganu iz 1900. godine objašnjava kako je vremenska prognoza prerasla u nauku

anemometer 02

Meteorologija nije oduvek bila precizna i egzaktna nauka kao što je danas – što Al Roker dobro zna. Njegova knjiga u izdanju Harper-Kolinsa koja je izašla pre tri dana (11.avg) pod nazivom Oluja stoleća (Storm of the Century), pripovest je o uraganu koji je septembra 1900. godine uništio Gelvisten (Galviston), teksaški grad na obali Meksičkog zaliva, sravnivši ga u jednom dahu. Jedan od mnogobrojnih likova, kojima obiluje ova interesantna priča o katastrofi bez presedana, je i Isak Klajn (Isaac Cline), nekada glavni meteorolog gelvistonskog okruga. Godine na prelazu iz XIX u XX vek bile su nadasve uzbudljiv period u oblasti meteorologije: činilo se, smatra Roker, da bi “Teror Prirode i njenih sila mogli da podlegnu superiornoj inteligenciji ljudske rase”. Slučaj Gelvistena iz 1900. dokazuje da je ova teorija pogrešna, iako je Klajn više nego dobro upućen u najnaprednijie meteorološke metode svoga vremena, što objašnjava i Roker u ekskluzivnom izvodu:

anemometerI dok je nauka predviđanja vremena u Klajnovo doba tek prerastala u modernu i objektivnu disciplinu, većina tehnoloških sprava od kojih je zavisila su postojale od davnina. Jedna od tri najznačajnije starinske naprave bio je i anemometar, baziran na najstarijim principima. Četiri metalne lopatice krstasto postavljene, “činije” u obliku polulopti postavljene vertikalno u odnosu na vetar, “hvatale” su vazdušna strujanja. Anemometar s lopaticama je najčešće upotrebljavana vrsta anemometra. Jeftiniji su u odnosu na druge vrste anemometara i mogu biti vrlo robusni. Sastoje se od 3 ili 4 lopatice koje su smeštene vertikalno na horizontalne nosače. Horizontalni nosači smešteni su na zajedničku osovinu koja se okreće zajedno s lopaticama. Osovina je spojena na električni konvertor koji proizvodi električni izlazni naizmenični signal, čiji je napon i/ili frekvencija proporcionalna brzini vetra. NSRW_AnemometerLopatice i njihove vođice se vrte oko svoje ose; U Klajnovo vreme, osovina je bila povezana sa senzorom i brojčanikom, koji je očitavao broj obrtaja. Ovaj senzor je beležio broj obrtaja u minuti, prenoseći silu vetra kroz osovinu na zupčanike, a ovi dalje do displeja brojčanika, koji je prikazivao brzinu vetra izraženu u miljama na sat. Obrtanje lopatica, samim tim zupčanika i brojčanika: ovakav anemometar je bio potpuno mehanički, bez oslanjanja na električnu energiju, široko rasprostranjeni merni instrument za merenje jačine vetra i brzine strujanja vazduha.

Ovaj instrument meri nekoliko ili sve komponente vektora vetra. Idealni merni senzor vetra bi trebalo da reaguje na najmanji povetarac i vetrove poput uragana, kao i da poseduje linearni izlaz, uz trenutno reagovanje na turbulentne fluktuacije. U stvarnosti, merni senzori ne mogu da reaguju na vetrove male snage, ali ni da izdrže orkanske udare vetrova. Vetar je vodoravno strujanje vazduha koje nastaje usled nejednakosti pritiska u zemljinoj atmosferi, a određen je brzinom i smerom. U meteorologiji je službena jedinica za brzinu vetra metar u sekundi (m/s), dok je smer određen engleskim skraćenicama strana sveta (npr. E, NE, SW). Merenje vetra vrši se na visini od 10 metara iznad tla kako bi se izbegli negativni uticaji od mešanja vetra pri samom tlu, prouzrokovanih raznim faktorima. Brzina se izražava najčešće u km/h, m/s ili čvorovima (kt – engl. knot).

freeimages.co.uk nature images

I dok su, istovremeno, postojale i rivalske verzije anemometara, uključujući one s tečnostima i cevima (Pitotov cevni anemometar, koji se koristi uglavnom za vetrove velike brzine i snage), dizajn anemometra sa četiri lopatice postao je standard u američkoj meteorologiji devetnaestog veka, ostavši i do danas izuzetno stabilan. Neke osobene vrednosti vezane uz ovu vrstu anemometra su njegova tačnost od ± 4%, rezolucija 0,1 m/s, kao i merni opseg od 1 do 75 m/s. Smer vetra se, osim stranama sveta, može prikazati i u obliku stepena (W = 270°, SW = 225° itd.). Može se odrediti npr. potenciometrom: Napon pobuđenja se dovede na potenciometar, a izlazni signal je analogni napon, direktno proporcionalan uglu azimuta. Ovi instrumenti prikazuju ugao od 0° do 360° s tačnošću od ± 5° i rezolucijom od 1°.

Irski meteorolog po imenu Džon Tomas Robinson je 1846. godine unapredio ovu tehnologiju. Ali, pre toga, najznačajniji razvoj u merenju brzine vetra postignut je 1485. godine od strane – Leonarda da Vinčija. Anemometar je već bio trajni “meteorološki klasik” kada je Isak Klajn počeo da studira.

Daniell_Hygro543x800Druga sprava iz velike tehnološke trojke koja je široko upotrebljavana za merenje meteoroloških pojava, a koja je korišćena u doba kada je Isak Klajn studirao u sklopu američkih “Jedinica obaveštavanja i uzbunjivanja” (Signal Corps), bio je higrometar, koji meri relativnu vlažnost. Kao i anemometar, i higrometar je već odavno postojao – otkad je ovo ne baš precizno sredstvo za merenje relativne vlažnosti vazduha izumeo – još jednom – Leonardo da Vinči. U Klajnovim danima, osnovni higrometar merio je stepen vlažnosti vazduha pomoću dve staklene retorte oblika sijalice; svaka se nalazila na jednom kraju staklene cevi. Cev je prolazila preko i kroz vrh drvenog stuba, savijajući se nadole sa obe strane stativa, s tim što je jedna retorta bila pozicionirana niže od druge. Tako je jedna retorta tj. “sijalica” bila niža od druge. U toj donjoj “sijalici” se nalazio termometar, potopljen u etar, gas koji su u toj retorti kondenzovao u tečnost. Druga, veća “sijalica” je takođe sadržavala etar, iako je u ovoj retorti gas ostajao u svom obliku isparenja – bez kondenzacije.

Ova retorta bila je prekrivena svetlom tkaninom. Kada se kondenzovani etar sipa na tkaninu koja pokriva veći deo sijalice, sijalica se ohladi, a isparavajući etar koji je unutra se kondenzuje, smanjujući pritisak pare u sijalici. Ovo snižavanje pritiska prouzrokovalo bi da tečni etar u donjoj sijalici počne da isparava u dati prostor. Dakle, temperatura niže postavljene retorte je takođe pao. Vlaga – poznata kao “rosa” – bi se, stoga, formirala sa spoljne strane donje sijalice. Kada se to desi, temperatura koja se ukazuje na termometru u toj sijalici ovo “pročita i primeti”. Ovaj postupak se zove “čitanje temperaturne tačke rose”. Jednostavnim poređenjem temperature tačke rose sa temperaturom vazduha izvan sijalice – merenom termometrom obično okačenim o drveni stalak barometra – davao bi podatak o relativnoj vlažnosti. To je, zapravo, odnos temperature tačke rose spram temperature vazduha. Što je temperaturna tačka rose bliža temperaturi vazduha, tim je veća i relativna vlažnost vazduha.

04

Kako je kao student proučavao vlažnost vazduha, Isak Klajn je čitao tabele (ponekad ugrađene u vidu pločica za brze reference na samom higrometru), koje su prikazivale tačne pokazatelje vlažnosti. Ali, iskusni prognozeri napamet znaju i mogu da izdeklamuju sve pokazatelje ugrubo. Fenomenom vlažnosti vazduha se bavimo uglavnom za toplih dana. Kada u vazduhu ima puno vlage, pa sam vazduh ne može da prihvati više vlage, to znači da toplini iz naših tela treba više vremena da izađe preko znoja, dakle, u danim koji su ekstremno vlažni se i daleko teže rashlađujemo. Sa temperaturom od 32 stepena Celzijusa i temperaturnom tačkom rose od takođe 30 stepeni Celzijusa, dobićemo relativnu vlažnost vazduha od skoro 86 odsto – što je poprilično neprijatno. Kada su temperatura vazduha i temperaturna tačka rose identični, vlažnost je 100%. A to je ono što nam se zaista ne dopada.

Bilo je i drugih vrsta higrometara razvijanih u začecima meteorološke karijere Isaka Klajna. Jedan od njih je i “Psikrometar” (Psychrometer), sprava koja je poredila vlagu retorte u kojoj je termometar, ohlađenom usled isparavanja, sa temperaturom termometra koji se nalazi u suvoj retorti. Nemački naučnik nesrećnog prezimena Rihard Ezman (Richard Assman)Psychrometer – osmislio je spravu koja je potom postala poznata kao Psikrometar, koja je bila još preciznija. Psikrometar koristi dva uparena termometra, zaštićenih toplotnim štitom od mešanja sa sunčevim zračenjem, kao i ventilatorom za sušenje kojeg je pokretao motor.

Do 1900. godine, kada je Isak Klajn je radio u gelvistonskoj meteo-stanici “Levy”, metoda očitavanja vlažnosti bila je na svom vrhuncu. Ipak, možda najvažniji element u vremenskoj prognoze je – barometar. Uloga barometarskog pritiska – vazdušnog pritiska – ide protiv svake intuicije. Mi, recimo, uz pomoć svojih čula direktno osećamo fenomene merene anemometrom i higrometrom – a to su brzina vetra, odnosno, relativna vlažnost vazduha: vazdušna kretanja tj. vetar su posvuda, dok je vlažnost vazduha ono zbog čega se osećamo kao da smo “lepljivi”. Ali, senzacije prouzrokovane vazdušnim pritiskom deluju na način različit od onog koji možemo očekivati. Ova razlika ima veze sa samom prirodom vazduha.

Obično ne razmišljamo baš previše o vazduhu. Iako znamo da nam daje preko poseban kiseonik, disanje je radnja koju naše telo obavlja uglavnom nesvesno. Vazduh primećujemo onda kada je veoma mirno ili, nasuprot tome, kada je veoma vetrovito. Primećujemo ga i kada – smrdi. Inače ga, uglavnom, ignorišemo. Zamišljamo ga nikako drugačije nego kao neku vrstu “bestežinske praznine”. Vazduh, međutim, ima težinu. Ova težina vrši pritisak na površinu Zemlje, kao i na sve što postoji na Zemlji: takođe i na ljudsku kožu i nežive objekte. Ovaj pritisak, nastao težinom samog vazduha, nazivamo “atmosferskim pritiskom”, i merimo ga barometrom. Kada se grupiše veći broj molekula vazduha, automatski se povećava i težina vazduha, a atmosfera vrši pritisak u pravcu odozgo-nadole, ka zemljinoj površini, pokušavajući da se izjednači na svim njenim tačkama. Ovu pojavu nazivamo, što nije iznenađujuće, “efektom visokog pritiska.”

06

Ono što je neobično je, međutim, to što je visok pritisak – sva ta ogromna masa vazduha – ono što nas čini da se osećamo slobodnijim i s više energije. Veći vazdušni pritisak, nasuprot našoj prirodnoj intuiciji, čini da vazduh osećamo ne kao teži već kao lakši. To je zato što je u poljima visokog vazdušnog pritiska potisnuta relativna vlažnost vazduha: Toplota ne može da se podigne tako lako sa površine bilo kog predmeta, uključujući i toplotu koja potiče sa Zemljine površine. Tople vazdušne struje drže vlagu “na odstojanju”, vlaga je blokirana, a vetrovi ostaju stabilni i bez snažnih udara. Kiša, munje i gromovi su tada, takođe, predupređeni. Visoki vazdušni pritisak obično znači da imamo lepo vreme. Po istom principu, kada se žalimo na “težinu u vazduhu” – onih dana kada osećamo tromost, i “kao da hodamo kroz močvaru” – ono što tada osećamo nije težina samog vazduha već upravo suprotno. U tim danima, vazduh ima manju težinu, a pritisak je niži. Ovo obično rezultira određenim osećajem neprijatnosti. To je zato što lakši molekuli vazduha, kojih je tada manje u atmosferi, uzrokuju atmosfersko “podizanje”. Toplota i vlaga se onda podižu sa svih površina. Vlažnost nam tada pridaje dosta poteškoća. Ali, kada atmosferski pritisak padne dovoljno nisko, tada se može očekivati duvanje vetrova, formiranje oblaka i kiša praćena grmljavinom i munjama.

Sa veoma niskim vazdušnim pritiskom dolaze i pojave koje nisu samo neprijatne. One su i opasne, a ponekad i smrtonosne. Barometri za merenje pritiska koji su još od 1640. bili deo eksperimenta u prirodnim naukama, mnogo pre nego što su postali sastavni deo savremene vremenske prognoze. Dugo vremena, ovo je samo izgledalo kao jedna “uzgredna zanimljivost”, a možda čak i korisno znati da atmosferski pritisak uopšte i postoji. Ili, recimo, uočavanje da se živa penje i cevčici s porastom temperatura. Ali, uskoro su ljudi ove pojave počeli da primenjuju na naučnoj osnovi: očitavanja pritiska ne samo da nam skreću pažnju na postojeće vremenske prilike, već su se njima predviđale i buduće promene u vremenu. Jedan naučnik bi savladao graduaciju, tako da je pritisak postao merljiv u tačnim podeocima. Drugi bi shvatio da bi, umesto guranja žive u stubu skale naviše, skala mogla da se pretvori u krug i tako formira “brojač”; ovo zapažanje je omogućila daleko suptilnija očitavanja. Na horizontu meteorologije se pojavila još jedna promena nabolje: portabl barometar. Oni nisu koristili tečnost, pa su samim tim bili lakši i praktičniji za transport na brodovima. Prenosivi barometar je poprimio oblik metalne kutijice od berilijuma i bakra, zapečaćene i u vakuumu.

Atmosferski pritisak je činio da se kutija širi i skuplja, čime je pokretana iglu na njenoj skali. Barometar je, tako,postao prenosiv pa ga je brodski kapetan mogao nositi i u svom džepu. Ova praktičnost omogućila mu je praćenje pada vazdušnog pritiska, pa je unapred bio upoznamtda da li plovio u oluju. Pre nego što je Isak Klajn počeo da studira, svetski putnik sa svih meridijana po imenu Robert “Fic” Ficroj  (Robert FitzRoy), viceadmiral Britanske kraljevske mornarice je formalizovao novi sistem predviđanja detaljne vremenske prognoze na osnovu barometarskih očitavanja. Fic je služio kao kapetan čuvenog broda “Beagle”, na kojem je Čarls Darvin (Charles Darwin) proplovio čitav svet tokom svojih istraživanja; on je, takođe, uspeo da u međuvremenu postane i – guverner Novog Zelanda. Njegova ideja je bila da se ide dalje od tek pukog notiranja trenutnih vremenskih uslova, trudeći se da razvije meteo-prognozu: predviđanje budućih vremenskih uslova. On je, takođe, što je veoma važno za pomorce, iznašao način međubrodskog komuniciranja o meteorolškim uslovima. Ovo je značajno doprinelo povećanju bezbednosti plovila na otvorenom moru. Do sredine devetnaestog veka, veliki barometar Ficrojevog dizajna postavljan je na masivne kamene postamente ispred svake britanske luke. Kapetani i posade su tako mogli da vide kakvo ih vreme očekuje. Oluja na otvorenom moru je 1859. oduzela toliko života, da je ovaj događaj nagnao Fica da započne rad na sistemu grafikona koji će po prvi put u ljudskoj istoriji, kako je rekao, “bilo kad i bilo gde, omogućiti predviđanje vremena”.

Time

HarperCollins