Fascynująca fizyka to z jednej strony wędrówka przez świat współczesnych badań z zakresu fizyki, a z drugiej – ilustrowana podróż przez krainę zarówno rozwikłanych zagadek, jak i niewyjaśnionych tajemnic naszego wszechświata. Zapraszamy na pełną odkryć podróż od tajemnic świata kwantowego po zorze polarne, od czarnych dziur po system GPS, od akceleratorów cząstek po wahadło Foucaulta – ta książka oferuje wciągającą podróż przez najbardziej ekscytujące i aktualne zagadnienia współczesnej fizyki! Rozpoczynamy od odpowiedzi na pytania jak powstały Słońce, Księżyc i gwiazdy? Ludzie zaczęli opisywać swoje otoczenie astronomiczne za pomocą równań fizycznych. Obecnie dzięki ogromnym teleskopom możemy obserwować coraz dalsze zakątki kosmosu, szukać planet spoza Układu Słonecznego, badać cykl życia bliższych i dalszych gwiazd, a nawet prognozować przyszłość Drogi Mlecznej i wszechświata. W rozdziale Astronomia i astrofizyka zebraliśmy niektóre z najciekawszych zagadnień i odkryć z zakresu astronomii oraz astrofizyki. Co wspólnego mają ze sobą magnes, kocie futro z ładunkiem elektrycznym i światło? Znacznie więcej, niż można byłoby przypuszczać na pierwszy rzut oka. Światło, ładunki i magnetyzm są ze sobą ściśle powiązane. Dzięki teorii elektromagnetyzmu i optyce jesteśmy dziś w stanie zrozumieć, w jaki sposób fale radiowe są odbierane przez antenę, jak powstają błyskawice w chmurach burzowych oraz czemu na gorącej pustyni możemy zaobserwować zjawisko fatamorgany. W rozdziale Elektromagnetyzm i światło omówimy je dokładniej. Dlaczego samolot lata? W jaki sposób odbywa się samooczyszczanie się liścia lotosu? Dlaczego czas płynie tylko w jednym kierunku? Te pytania i wiele innych można wyjaśnić, odwołując się do mechaniki klasycznej i statystycznej – właśnie tym zagadnieniom jest poświęcony rozdział Mechanika i termodynamika. Co oznacza E = mc²? Jak mamy sobie wyobrażać wirujące czarne dziury? I jak działa GPS? Na te i inne fascynujące pytania odpowiedzi udzielają szczególna i ogólna teoria względności, które Albert Einstein sformułował na początku XX wieku. Jak głęboko w kosmos możemy zajrzeć? A jak daleko w głąb czasu? Jak powstał wszechświat i jakie informacje możemy uzyskać, analizując mikrofalowe promieniowanie tła? Tymi zagadnieniami oraz perspektywą dużych struktur kosmicznych zajmiemy się w dziale Kosmologia. Czym jest funkcja falowa i co opisuje zasada nieoznaczoności? Czym jest próżnia kwantowa i jak zachowują się nadciecze? Czy będziemy już niedługo korzystać z komputerów kwantowych? Tymi pytaniami zajmiemy się w dziale Atomy i mechanika kwantowa. Z czego składa się materia? Czym jest cząstka Higgsa, a czym antymateria i co dokładnie bada się w Wielkim Zderzaczu Hadronów? Na te pytania odpowiemy w rozdziale Świat cząstek elementarnych. Co witraże Chagalla mają wspólnego z nanocząsteczkami? Jakie występują rodzaje sieci krystalicznych i czym są kwazikryształy? A jak działają diody elektroluminescencyjne? W rozdziale Geofizyka przedstawimy pokrótce niektóre z najbardziej ekscytujących zagadnień dotyczących ciał stałych. Czym jest teoria strun, a czym zasada holograficzna? Czy żyjemy w multiwersum (wieloświecie)? Jak dokładna jest nasza aktualna znajomość praw fizyki? W rozdziale Granice wiedzy przedstawiamy najbardziej obiecujące teorie proponujące rozwiązania tych problemów.

Wstęp V 1. Astronomia i astrofizyka 1 Słońce i jego pole magnetyczne – Plamy słoneczne i rozbłyski 2 Powstanie Układu Słonecznego – Dyski akrecyjne i protoplanety 4 Powstanie Księżyca – Jak kolizja planety Thei stworzyła Księżyc 6 Wulkany w Układzie Słonecznym – Siły pływowe, Księżyc niczym pizza i kriowulkany 8 Prawa Keplera – Ruchy planet 10 Satelity z orbitami geosynchronicznymi – Artystyczne pętle na niebie 12 Manewry rakiet – Taniec po Układzie Słonecznym 14 Na skraju Układu Słonecznego – Gdzie jest granica? 16 Planety pozasłoneczne – Poszukiwanie planet poza Układem Słonecznym 18 Rozgwieżdżone niebo – Gwiazdy, planety i Droga Mleczna 20 Narodziny gwiazd – Jak obłoki gazowe tworzą gwiazdy 22 Klasyfikacja widmowa – Jaki kolor mają gwiazdy? 24 Diagram Hertzsprunga–Russella – Temperatura, jasność i cykl życia gwiazd 26 Cefeidy – Pulsujące gwiazdy 28 Mgławice planetarne – Kres zwykłych gwiazd 30 Białe karły – Wypalone gwiazdy 32 Supernowe typu Ia – Kiedy białe karły stają się bombami atomowymi 34 Supernowe z kolapsu grawitacyjnego – Kres gwiazd o wielkiej masie 36 Gwiazdy neutronowe – Wypalone gwiazdy o wielkiej masie 38 Gwiazdy-giganty i hipernowe – Krótki żywot i wybuchowy kres wyjątkowo masywnych gwiazd 40 Świece standardowe – Latarnie kosmosu 42 Supermasywne czarne dziury – Giganty grawitacji w centrum galaktyk 44 Galaktyki aktywne – Międzygalaktyczne magnetyczne proce 46 Rodzaje galaktyk – Różnorodność galaktyk 48 Losy Drogi Mlecznej – Spotkanie Drogi Mlecznej i Galaktyki Andromedy 50 Kolizje galaktyk – Zderzenia gigantów 52 2. Elektromagnetyzm i światło 55 Pola wektorowe i linie pola – Pomocne szkice wskazujące kierunki 56 Oddziaływanie elektromagnetyczne – Równania Maxwella dla pól elektromagnetycznych 58 Dipol Hertza – Drganie i rozprzestrzenianie 60 Burza – Błyskawice, ognie świętego Elma i czerwone duszki 62 Kolory – Jak barwny jest świat? 64 Załamanie światła – Światło na zakręcie 66 Tęcza – Estetyczne załamanie światła na kropli wody 68 Anizotropia – Podwójne widzenie bez alkoholu 70 Soczewki optyczne – Odwzorowania i jego błędy 72 Optyka adaptatywna – Inteligentne zwierciadła 74 Miraże – Latający Holender, fatamorgana i wyspy-widma 76 Urządzenia maskujące – Metamateriały i sen o byciu niewidzialnym 78 3. Mechanika i termodynamika 81 Zasady dynamiki Newtona – Dlaczego ciała się poruszają? 82 Zasada najmniejszego działania – Twierdzenie Noether 84 Wahadło Foucaulta – Dowód na ruch obiegowy Ziemi 86 Żyroskopy, na które nie działają żadne siły – Swobodnie obracające się ciała w stanie nieważkości 88 Żyroskopy z zewnętrznym momentem obrotowym – Precesja i nutacja 90 Prawo powszechnego ciążenia – O spadających jabłkach i krążących planetach 92 Prędkości kosmiczne – Wznoszenie się i spadanie w polu ciężkości ciał niebieskich 94 Pływy – Jak Księżyc powoduje przypływy i odpływy 96 Prawo Archimedesa – Czyli dlaczego statki mogą zatonąć w Trójkącie Bermudzkim 98 Fizyka płynów – Wiry i turbulencje 100 Dlaczego samolot lata? – Bernoulli czy Newton? 102 Zwyczajne fale wodne – Ich wyjątkowe właściwości fizyczne 104 Nadzwyczajne fale wodne – Tsunami, solitony i fale-giganty 106 Efekt lotosu – Współzawodnictwo między kohezją i adhezją 108 Ruchy chaotyczne – Deterministyczne, lecz nieprzewidywalne 110 Drgające struny i płyty – Czy można zobaczyć dźwięki? 112 Rezonans – Wychwycić właściwą nutę z drgań 114 Siły pozorne – Odczuwalne siły bez przyczyny 116 Materia granularna – Ciekła i zarazem stała 118 Ruchy Browna – Nieprzewidywalne zachowanie kurzu, pyłków i kursów akcji 120 Entropia i drugie prawo termodynamiki – Co nadaje czasowi kierunek 122 Maszyna parowa i spółka – Na ile sprawdza się maszyna na energię cieplną? 124 Ujemne temperatury bezwzględne – Goręcej niż gorąco 126 4. Teoria względności 129 Czym jest czas? – Uporczywa iluzja 130 Prędkość światła i szczególna teoria względności – Światła nie można prześcignąć 132 Rotacja Terrella – Zawiła sprawa 134 E = mc2 – Masa jako uwięziona energia 136 Grawitacja i ogólna teoria względności – Einsteina teoria powszechnego ciążenia 138 Czasoprzestrzeń nierotujących czarnych dziur – W mackach przestrzeni i czasu 140 Czasoprzestrzeń rotujących czarnych dziur – W wirze przestrzeni i czasu 142 Napęd warp – Jak prześcignąć światło 144 Tunele czasoprzestrzenne – Na skróty przez przestrzeń i czas 146 GPS – Określanie lokalizacji przez sygnał satelitarny 148 5. Kosmologia 151 Głębokie spojrzenie we wszechświat – Oko w oko z przeszłością dzięki teleskopowi Hubble’a 152 Rozszerzający się wszechświat – Dlaczego nocne niebo jest ciemne? 154 Mikrofalowe promieniowanie tła – Mikrofale z wczesnej fazy istnienia wszechświata 156 Ciemna materia – Wszechświat jest cięższy niż się wydaje 158 Przyspieszona ekspansja i ciemna energia – Brakująca forma materii we wszechświecie 160 Wielki Wybuch i inflacja kosmologiczna – Dlaczego przestrzeń jest płaska, a tło wszędzie jednakowo zimne 162 Narodziny materii – Co wydarzyło się 10–10 sekund po Wielkim Wybuchu 164 Horyzonty kosmiczne – Jak daleko sięga wzrok w czasie i przestrzeni 166 Struktury kosmiczne – Siatka materii 168 Powstawanie struktur kosmicznych – Potęga grawitacji 170 Soczewkowanie grawitacyjne – Jak zważyć wszechświat za pomocą pozornie zniekształconych galaktyk 172 Fale grawitacyjne – Rytmiczne zniekształcenia czasu i przestrzeni 174 Pośredni dowód istnienia fal grawitacyjnych – Sygnały kosmiczne służące pomiarowi czasoprzestrzeni 176 Bezpośredni dowód istnienia fal grawitacyjnych – Pomiar niewielkich zniekształceń 178 6. Atomy i mechanika kwantowa 181 Model atomu Bohra – Czym jest atom? 182 Jądra atomowe – Znane od stu lat i wciąż nie do końca zrozumiane 184 Rozpad promieniotwórczy – Jądra atomowe w stanie nierównowagi 186 Dualizm korpuskularno-falowy – Cząstki poruszają się jak fale 188 Funkcja falowa – Rozmyte cząstki 190 Efekt tunelowy – Cząstki bez pozwolenia na pobyt 192 Eksperyment Francka–Hertza – Skoki energetyczne w atomach 194 Spin cząstki – Kwantowanie obrotu 196 Reguła Pauliego – Dlaczego elektrony unikają się nawzajem 198 Paradoks EPR i nierówności Bella – Czy mechanika kwantowa jest niepełna? 200 Teleportacja kwantowa – Beam me up, Scotty! 202 Interpretacja mechaniki kwantowej – Kot Schrödingera i koncepcja wieloświatów Everetta 204 Plazma – Czwarty stan skupienia 206 Reaktory jądrowe – Zaawansowana technologicznie energia z ognia słonecznego 208 Przemiany fazowe – Stałe, ciekłe, gazowe… i inne! 210 Kondensaty Bosego–Einsteina – Atomy w kwantowo-mechanicznym równym kroku 212 Stany topologiczne materii – Wiry i zwoje 214 Chłodzenie laserem – Dlaczego gazy mogą się schładzać po naświetleniu 216 Nadprzewodnictwo – Opór jest daremny 218 Nadciecze – Jeszcze bardziej mokro 220 Próżnia kwantowa – Jak mocno uciska nicość? 222 Mikroskopia elektronowa – Mikroskopy dla skali nanometrowej 224 Skaningowy mikroskop tunelowy – Jak ujrzeć pojedyncze atomy 226 Nanoświaty – Na samym dole jest jeszcze pełno miejsca 228 Lasery – Maszerujące cząstki światła 230 Komputer kwantowy – Bity kwantowe: tak, nie, być może 232 Jednostki SI – Miara świata 234 7. Świat cząstek elementarnych 237 Model standardowy fizyki cząstek – Kwarki, leptony i trzy oddziaływania podstawowe 238 Diagramy Feynmana – Język relatywistycznej teorii pola kwantowego 240 Oddziaływanie silne – Siła łącząca kwarki 242 Oddziaływanie słabe – Rozpady cząstek, bozony W, Z oraz Higgsa 244 Neutrina – Efemeryczne cząstki-widma 246 Antymateria – Odbicie zwierciadlane materii i jej niszczycielska siła 248 Naruszenie symetrii zwierciadlanej – Inne oblicze świata po drugiej stronie lustra 250 Plazma kwarkowo-gluonowa – Stopione protony i neutrony 252 Promieniowanie kosmiczne – Bogatsze w energię niż promieniowanie w największym akceleratorze 254 Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) – Najpotężniejszy akcelerator cząstek 256 Odkrycie cząstki Higgsa – Krok milowy w fizyce cząstek 258 8. Kryształy i inne ciała stałe 261 Plazmony – Olśniewający blask kwantów 262 Ferromagnetyzm – Siła magnesów podstawowych 264 Sieć krystaliczna – Czternaście sposobów na okresowe wypełnienie przestrzeni 266 Krystalizacja – Od zalążka do dojrzałego kryształu 268 Kwazikryształy – Nieperiodyczne, a jednak symetryczne 270 Ciekłe kryształy – Porządnie mokre 272 Elektrony w półprzewodnikach krystalicznych – Od izolatora do przewodnika za sprawą szczypty arsenu 274 Diody półprzewodnikowe – Elektryczne ulice jednokierunkowe 276 Diody elektroluminescencyjne – Świecące kryształy i giętkie ekrany 278 9. Geofizyka 281 Budowa wnętrza Ziemi – Podróż do podziemia 282 Dryf kontynentów – Prądy konwekcyjne i tektonika płyt 284 Izostazja – Wspólne cechy kontynentów i gór lodowych 286 Trzęsienia Ziemi i fale sejsmiczne – Starcia płyt kontynentalnych 288 Jądro Ziemi jako źródło pola magnetycznego Ziemi – Wewnętrzne geodynamo naszej Ziemi 290 Pole magnetyczne Ziemi i zorze polarne – Kiedy wiatr słoneczny rozświetla niebo 292 Epoki lodowcowe i cykle Milankovicia – Skąd biorą się zlodowacenia? 294 Ruchy lodowców – Wędrujące olbrzymy 296 Globalne ocieplenie – W jaki sposób gazy cieplarniane podgrzewają naszą planetę? 298 10. Granice wiedzy 301 Supersymetria – W poszukiwaniu superpartnerów 302 Teoria strun i M-teoria – Poszukiwanie wzoru na świat 304 Ukryte wymiary – Ile wymiarów ma przestrzeń? 306 Multiwersum i zasada antropiczna – Za horyzontem 308 Światy bran – Teoria strun to więcej niż tylko struny 310 Entropia i temperatura czarnych dziur – Czarne dziury nie są całkowicie czarne 312 Zasada holograficzna – Czy nasz świat to hologram? 314 Pętlowa grawitacja kwantowa – Kwanty czasoprzestrzeni 316 Wykaz ilustracji 318 Skorowidz 329