Weselcie się miłośnicy sopli. Dr. Freeze dostarczył swoje magnum opus.
Gwoli ścisłości, Stephen Morris, profesor fizyki na Uniwersytecie w Toronto, nie nazywa siebie Dr. Freeze. Ale jak sam przyznaje, ma obsesję na punkcie sopli. Obserwował je w środowisku naturalnym i hodował w swoim laboratorium. Zgromadził tysiące zdjęć i setki filmów wideo przedstawiających formowanie się sopli w różnych warunkach.
Próbował też – i nadal próbuje – rozgryźć podstawową teorię, która rządzi ich zimną i spiczastą istotą.
A teraz rozdaje to wszystko.
Nazywa to Atlasem Sopli. Jest to baza danych online, która zawiera prawie wszystkie jego dotychczasowe badania nad soplami i jest darmowa dla każdego, kto może z niej korzystać bez ograniczeń, niezależnie od tego, czy jest naukowcem, artystą czy projektantem kartek świątecznych.
Jest to niezwykle duża ilość danych naukowych do upublicznienia – równowartość ponad 200 płyt DVD – wszystkie poświęcone soplom. Nigdy nie było czegoś takiego. A w czasach, gdy fizycy zazwyczaj zdobywają nagrody Nobla za badanie niewidzialnych cząstek i zjawisk, które leżą daleko poza zasięgiem ludzkich zmysłów, jest to po prostu trochę buntownicze.
„Interesują mnie wzory w przyrodzie w ogóle”, mówi prof. Morris, którego obszar specjalizacji oficjalnie nazywa się eksperymentalną fizyką nieliniową, ale równie dobrze można by go określić jako naukę o codziennym doświadczeniu.
„Jestem bardzo zmotywowany, aby zrozumieć rzeczy, które widzę przed sobą… rzeczy, które są widoczne dla wszystkich, ale są stosunkowo niewyjaśnione.”
A kiedy Prof. Morris spaceruje po kampusie i ulicach dzielnicy Toronto, gdzie mieszka, sople są tym, co widzi przed sobą.
Zobacz hipnotyzujący proces budowania Atlasu Sopli
PLANETA SOPLI
Pierwszą rzeczą, którą należy docenić w kwestii sopli jest to, że choć są one zjawiskiem naturalnym, niełatwo je znaleźć w przyrodzie.
Pospaceruj zimą po lesie, a wszędzie znajdziesz lód i śnieg, ale niewiele sopli. Podróżuj po Układzie Słonecznym, a wykryjesz zamarzniętą wodę praktycznie w każdym zakamarku, od popękanej powierzchni lodowiska księżyca Jowisza, Europy, po głębiny stale zacienionych kraterów na spalonym słońcem Merkurym. Ale nie ma sopli.
Tylko tutaj na Ziemi – i, w przeważającej części, tylko w północnych miastach – sople są stosunkowo powszechną cechą. Dzieje się tak, ponieważ sople wymagają dwóch rzeczy: atmosfery, która umożliwia istnienie wody, oraz odpowiednich warunków, w których woda kapie i może być nakłoniona do przekazania wystarczającej ilości ciepła do powietrza, aby zamarznąć.
W czysto naturalnych warunkach, takie okoliczności pojawiają się tylko tam, gdzie woda jest bliska punktu zamarzania i w ruchu pionowym, jak wokół wodospadów, lub przesącza się wzdłuż ścian klifów, które mogą tworzyć zamarznięte kaskady.
Ale takie miejsca są rzadkie. To właśnie pojawienie się krajobrazu miejskiego uczyniło nasz świat przyjaznym dla sopli. Typowe XIX-wieczne kanadyjskie miasto jest w zasadzie gigantyczną maszyną do generowania sopli. Jeśli potrzebujesz kapiącej wody, po prostu nie możesz pokonać tych zwisających okapów i słabo izolowanych dachów.
To odpowiada za to, dlaczego jest tak wiele sopli, które można znaleźć w starszych częściach Ottawy, Montrealu i Toronto, wśród innych miejsc. A ponieważ mieszka on w części świata, która jest zoptymalizowana do produkcji sopli, wydaje się nieuniknione, że sople w końcu zwrócą uwagę Prof. Morrisa.
THE HOLLOW TRUTH
Sople są z natury interesujące dla fizyków, ponieważ w przeciwieństwie do orbity księżyca lub struktury atomu, nie ma teorii fizycznej, która wiarygodnie przewiduje ich dokładne kształty i charakterystyki przy określonym zestawie warunków początkowych. A problem ten nie jest tylko problemem akademickim. Sople należą do większego zbioru zjawisk, które są równie trudne do przewidzenia i złagodzenia, od wzrostu kamieni gradowych do gromadzenia się lodu na skrzydłach samolotów, liniach energetycznych i mostach.
W skrócie, sople oferują „dobrze zdefiniowany, zwarty problem naukowy, z praktycznymi zastosowaniami”, mówi Lasse Makkonen, główny naukowiec w VTT Technical Research Centre of Finland w Espoo.
Dr Makkonen jest jednym z niewielu naukowców, którzy zagłębili się w szczegóły struktury i zachowania sopli. W latach 80-tych opracował matematyczny opis wzrostu sopli, który pomaga wyjaśnić, dlaczego sople są długie i spiczaste.
Choć zdrowy rozsądek podpowiada, że woda powinna zamarzać w równym tempie na wszystkich częściach sopli, to jasne jest, że końcówka rośnie szybciej niż boki – aż 20 razy szybciej, jak mówi dr Makkonen. Dzieje się tak, ponieważ czubek sopla tworzy pustą w środku rurkę, która wrasta w zwężającą się kroplę wody. Gdy kropla okresowo opada, odprowadza ciepło i wystawia czubek sopla na działanie powietrza. Powietrze następnie kradnie więcej ciepła i promuje dalszy wzrost lodu.
Dr Makkonen wspomina, że doszedł do wniosku na papierze, że sople muszą mieć puste końcówki, a następnie wyszedł, aby przetestować to w prawdziwym świecie pewnego dnia.
„Wziąłem sosnową igłę i wepchnąłem ją w końcówkę sopla. Weszła na całą długość, około pięciu centymetrów. To było zabawne uczucie: Po prostu to zauważyłem, bez zaskoczenia. Tak musiało być.”
Później Raymond Goldstein i współpracownicy z Uniwersytetu Cambridge w Wielkiej Brytanii zaproponowali teorię kształtu kapiącego sopla – a raczej platońskiego ideału sopla. Podczas gdy teoria odtworzyła długi spiczasty kształt, istniały cechy, których nie mogła odtworzyć, w tym falowanie.
Wszystkie sople znalezione w „dziczy” mają pofałdowane powierzchnie, z odległością między każdą falującą fałdą średnio około centymetra lub tak. Liczba ta jest niezwykle spójna, niezależnie od temperatury i szybkości przepływu.
Falistości sopli były badane przez japońskich naukowców z Instytutu Nauki o Niskich Temperaturach na Hokkaido. W publikacji z 2002 roku stwierdzili oni, że falowanie powstaje z powodu „powierzchniowej niestabilności” wody spływającej po soplu – niewielkiego odchylenia, które ma tendencję do zwiększania się z czasem. Ale dlaczego ta niestabilność istnieje, japońscy badacze nie potrafili powiedzieć.
To właśnie w tym momencie, począwszy od 2008 roku, Prof. Morris chwycił tajemnicę sopli – a może odwrotnie.
MASZYNA DO SOKÓW
Klucz do fizyki sopli może być odkryty tylko dzięki danym, Profesor Morris zdecydował, że jest ich dużo.
Ale czekanie, aż sople uformują się na zewnątrz nie jest ani wygodne, ani odpowiednie dla kontrolowanych badań. Pracując z absolwentem, Antonym Szu-Han Chen, Prof. Morris postanowił zbudować maszynę do tworzenia sopli w swoim laboratorium.
Na zewnątrz maszyna wygląda jak styropianowe pudełko z wąskim oknem na aparat fotograficzny, aby uchwycić obrazy tego, co znajduje się wewnątrz. Tam, chłodzone ściany zamykają chłodzoną przestrzeń o wysokości około jednego metra z obracającym się drewnianym kołkiem na górze, na który powoli kapie schłodzona woda i gdzie mogą rosnąć sople. Obrót wyrównuje wpływ prądów powietrza w pudełku i pozwala kamerze uchwycić wszystkie strony sopla w miarę jego rozwoju. Mnóstwo innych modyfikacji zostało wprowadzonych, aby upewnić się, że maszyna może niezawodnie hodować sople.
„Wszyscy mówią, że wygląda to jak projekt naukowy, ale jest to zwodniczo skomplikowane,” mówi.
Maszyna pozwoliła profesorowi Morrisowi i panu Chen zrobić to, czego nikt wcześniej nie zrobił w systematyczny sposób: hodować sople, w kółko, w szerokim zakresie warunków. Zrobili mnóstwo zdjęć.
W końcu odkryli coś, z czego nikt wcześniej nie zdawał sobie sprawy: Falowanie sopli jest spowodowane przez zanieczyszczenia, takie jak sole, w wodzie. Kiedy destylowana woda jest używana w maszynie do sopli, falowanie znika, a sople wyglądają o wiele bardziej jak platoński ideał dr Goldsteina.
Dodaj tylko niewielką ilość soli, około dwie części na 100 000 – co jest mniej niż całkowite zanieczyszczenie zwykłej wody z kranu – i falowanie powraca.
Praca jest „oszałamiająca”, mówi Dr. Goldstein, „ponieważ odpowiedzi są tak nieoczekiwane.”
Prof. Morris użył również maszyny do wyhodowania sopli, które są zdecydowanie nieplatońskie, z przysadzistymi kształtami, rozległymi falami i wieloma gałęziami lub „nogami”. Wszystkie te przykłady można znaleźć w Atlasie Sopli, tworzącym repozytorium dobrze zmierzonych kształtów lodu.
Ale większy cel nie został jeszcze osiągnięty: zestaw równań matematycznych, które poprawnie przewidują pełen zakres form sopli i okoliczności, w jakich się pojawią.
„Zamierzam tam dotrzeć”, mówi profesor Morris o nieuchwytnej teorii sopli. „To jest projekt długoterminowy.”
THE ATLAS
Znaleziska prof. Morrisa przyciągnęły uwagę nie tylko społeczności badawczej. Ludzie z całego świata przysłali mu zdjęcia sopli w różnych stanach wzrostu. Pewien przedsiębiorca zwrócił się do niego z pytaniem, jak zrobić aromatyzowane sople, które można by hodować w sklepie. (Jest to trudniejsze niż się wydaje i niezbyt smaczne.) Późną wiosną torontoński zespół muzyczny Continuum wykona utwór, który został częściowo zainspirowany soplami profesora Morrisa.
To właśnie estetyczna atrakcyjność sopli zmusiła go do upublicznienia danych bez ograniczeń, „Mam nadzieję, że będę zaskoczony tym, co ludzie z nimi zrobią”, mówi.
Dla niektórych odpowiedź będzie po prostu polegać na przeglądaniu cyfrowych stron Atlasu i oglądaniu filmów z soplami rosnącymi w maszynie profesora Morrisa. Są one hipnotyzujące.
Przypominają nam również, że sople mają jeszcze jeden sens – poza tym oczywistym. Jako produkty uboczne naszego roztrwonionego ciepła są dowodem naszej wytrwałości, a nawet pomyślności w obliczu zimnej i bezlitosnej pory roku. Jest to forma spontanicznego piękna, które wydarza się, ponieważ zdarza nam się być tutaj, aby być jego świadkami.
Rozważ sopel, mówi Stephen Morris, i raduj się.
.