V článku predkladáme neortodoxnú teóriu vzniku planét Slnečnej sústavy. Aktívny a tvorivý učiteľ ju môže využiť ako názorný a pritom pre študentov veľmi zaujímavý,  príklad integrácie niekoľkých vedných disciplín či preberaných učebných celkov do prekvapivej a pritom konzistentnej hypotézy, experimentálne overenej v slovenských podmienkach.

Úvod
Učivo fyziky na slovenských základných a stredných školách je momentálne preplnené encyklopedickými vedomosťami  s malým dôrazom na integráciu preberaných vedomostí do jedného celku. To sa týka tak učiva rôznych prírodovedných predmetov, ktoré sa preberajú z 80-90 % ako uzavreté bloky, ako aj jednotlivých učebných celkov. Z toho sa samozrejme vymyká matematika a fyzika, keďže kvantitatívny  popis fyzikálnych javov sa vyjadruje matematicky. Ale paradoxne možno práve toto spojenie robí z fyziky jeden z najneobľúbenejších predmetov. Možno by pritom stačilo urobiť len niekoľko malých zmien, ktoré sú už dnes podľa nového školského zákona v rukách samotných učiteľov.
Na osobnosť učiteľa sa zrazu kladie veľmi silný dôraz, na jeho aktivitu a jeho tvorivosť. Už nejde o rozvíjanie tvorivosti u žiakov (ako to bolo doteraz), ale učiteľom uvoľňuje ministerstvo ruky a pýta od nich zvýšenú aktivitu (akoby sa už aj tak nesnažili dosť za to ohodnotenie, ktoré pre nich ministerstvo má), zatraktívnenie vyučovacích hodín, nové didaktické prístupy a metódy práce so žiakmi. Hlavným princípom je urobiť hodiny pútavejšími, zaujímavejšími a učivo ľahšie pochopiteľným. Jednoducho – gigantická úloha so šibeničným termínom.
Tvorivosť učiteľa by sa pritom mala prejaviť práve v schopnosti integrovať vyučované poznatky a spájať ich do príťažlivých a možno aj prekvapivých súvislostí tak, aby samotní žiaci nad učivom mimovoľne premýšľali, aby ich vyučovanie zaujalo. Učiteľ však na vzťahy, súvislosti a spôsob podania poznatkov v integrálnom celku má prísť sám...
Uvádzame jeden zaujímavý príklad, ktorý je práve takým motivačným a integrujúcim prvkom pri výuke fyziky. Spája v sebe fyzikálne poznatky z oblasti gravitácie, elektriny, magnetizmu, ako aj astronómie, geofyziky a geológie.  Je to zároveň aj ukážka experimentálneho potvrdenia vypracovanej teórie. Čo viac by si mohol učiteľ fyziky priať pre demonštráciu metód a metodológie prírodných vied?
Pokúsime sa jednoducho vysvetliť novú teóriu vzniku planét, na ktorej sa výraznou mierou podieľajú slovenskí vedci a  ktorá bola aj experimentálne overená prístrojom vyrobeným na Slovensku.

 

Vývoj predstáv o vzniku Slnečnej sústavy
Vznikom a vývojom Slnečnej sústavy ako aj telies v nej sa zaoberá astronomická vedná disciplína, nazývaná kozmogónia (pozor, nemýliť si ju s kozmológiou, tá sa zaoberá vznikom a vývojom vesmíru ako celku).


Obr. 1. Veľká hmlovina v Orióne – 1500 svetelných rokov vzdialené rodisko hviezd a planetárnych sústav.
Na obrázku je vidieť niekoľko protoplanetárnych diskov okolo hviezd v tejto hmlovine.

Otázka vzniku Zeme a Slnečnej sústavy trápi ľudstvo už tisícročia a prakticky každý národ si o tomto procese vytvoril vlastnú filozofickú predstavu. S vývojom reálneho poznávania sveta vedeckými metódami sa hypotézy stávali prepracovanejšími a zahŕňali aj pozorované fakty. V r. 1778 G.L. Leclerc prišiel s predstavou, že sa so Slnkom zrazila gigantická kométa, čo malo spôsobiť vyvrhnutie disku  slnečného materiálu a z neho mali skondenzovať planéty. Konkurenčné teórie zase tvrdili, že vyvrhnutie materiálu zo Slnka spôsobili slapové sily pochádzajúce z tesného priblíženia inej hviezdy k Slnku (I. Kant). Avšak všetky tieto predstavy trpeli množstvom fyzikálnych nedostatkov, ako napr. nezodpovedajúcou energetickou bilanciou, rozdielnosťou zloženia hmoty Slnka a planét, ako aj nízkou štatistickou pravdepodobnosťou podobných procesov. Iný druh teórií predpokladal, že Slnko priťahovalo k sebe (akreovalo) medzihviezdny galaktický materiál, z ktorého sa tvorili planéty. To umožňovalo vysvetliť rozdielnosť zloženia medzi Slnkom a planétami, ale nie rozdiely v zložení planét samotných. Boli tu ale aj ďalšie výrazné problémy – napríklad rozdielnosť sklonov osí rotácie jednotlivých planét k ekliptike (sklon rotačnej osi Uránu je napríklad takmer 90o), doba rotácie v porovnaní s obežnou dobou okolo Slnka (deň na Merkúre je dlhší ako jeho doba obehu okolo Slnka, teda merkúranský rok), resp. ich retrográdna rotácia (Venuša). Ale problémom bolo aj to, že moment hybnosti je v Slnečnej sústave distribuovaný veľmi zvláštne – už jednoduchý výpočet ukáže, že orbitálny moment hybnosti Jupitera je viac ako 20-násobne väčší ako rotačný moment hybnosti Slnka. Dokonca napriek 99,9 % hmotnosti Snečnej sústavy sústredenej v Slnku, má Slnko len 1 % momentu hybnosti celej sústavy a väčšina ostatku je sústredená v Jupiteri (Carrol a Ostlie, 1996).

Základom dnešných predstáv o vzniku planét je simultánny vznik Slnka a ostatných telies Slnečnej sústavy z počiatočnej plynoprachovej hmloviny a formovanie hmotných telies o rozmeroch mm až m. Tvorcami a zástancami tejto skupiny teórií boli v 17. až 19. storočí takí významní vedci a filozofi ako René Descartes, Immanuel Kant a aj Pierre – Simon de Laplace. Zatiaľ čo mnohé otázky sa darí vysvetliť napríklad zrážkami planét s väčšími či menšími telesami počas viac ako 5 miliárd rokov trvajúcej histórie  Slnečnej sústavy a následne zmenou sklonu ich osí či doby rotácie, sú tu aj otázky ešte málo, slabo alebo len nejasne preskúmané. Ohľadne času potrebného na tvorbu planét do súčasnej podoby panujú snáď najväčšie dohady a problémy.

Hlavný prúd teórií totiž predpokladá, že zárodky dnešných planét sa vytvorili postupným procesom zrážok veľmi malých telies rádovo milmetrových a submilimetrových rozmerov – pravdepodobne silikátov a podobných zlúčenín. Počas chladnutia pôvodne horúcej hmloviny, ktorá sa rotáciou splošťovala a vytvárala tzv. protoplanetárny disk (Obr. 1), strácali chladnúce častice rýchlosť a zrážkami sa spájali – zliepali do väčších celkov. Vytvárali sa postupne väčšie granuly a chondruly a tie postupne po zväčšení rozmerov začali gravitačne priťahovať ďalšie častice a zvačšili sa tak cez štádium planetesimál až do dnešných rozmerov. Avšak čas potrebný na takéto formovanie je v rádoch 107 – 108  rokov, dokonca za určitých podmienok viac ako 5 miliárd rokov! Na druhej strane vek niektorých kráterov na povrchu Merkúra a Mesiaca sa odhaduje na viac ako 3,8 miliárd rokov. Táto nekonzistencia by sa dala vysvetliť, pokiaľ by sme našli fyzikálny mechanizmus na urýchlenie akrécie, resp. tvorby planetesimál.

Spúšťací mechanizmus tvorby planét - magnetizmus
Ak na urýchlenie tvorby planét nestačí samotná gravitačná sila, môžeme sa pokúsiť pridať inú prirodzenú silu, ktorá je automaticky prítomná všade, kde máme pohybujúce sa elektricky nabité častice – elektromagnetickú, resp. magnetickú silu (Obr. 2a.). A to je nová myšlienka vyplývajúca z niekoľkých overených faktov:

1. V galaxii, a teda aj v oblastti Slnečnej sústavy, existuje a existovalo galaktické a medzigalaktické magnetické pole.
2. V protoplanetárnom disku bola počiatočná látka zložená z plazmy - iónov a voľných elektrónov (plynoprachová hmlovina vznikla ako dôsledok vzplanutia supernovy) ako aj feromagnetického materiálu – železa a niklu a tiež z nemagnetických kremičitanov a ďalších prvkov (Obr. 2a.).
3. V protoplanetárnych diskoch objavených okolo iných hviezd boli detekované elektrické výboje (podobné pozemským bleskom), ktoré svedčia o existencii krátkodobého - impulzného elektrického prúdu. Takýto prúd je zdrojom silného impulzného magnetického poľa, ktoré je schopné dočasne alebo aj trvalo zmagnetizovať častice nachádzajúce sa v blízkosti výbojového kanála (Obr. 2b.).
4. Sondy, putujúce Slnečnou sústavou (napr. Pioneer 11 alebo Voyager 1 a 2) detekovali spŕšky relativistických elektrónov (t.j. elektrónov letiacich rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla).  Takéto elektróny môžu takisto vytvárať impulzné magnetické pole (Obr. 2b.).
5. Prieskum najstarších meteoritov, tzv. chondritov, svedči o namagnetizovaní ich feromagnetických komponentov do nasýtenia. Na ich nasýtenie bolo potrebné pomerne silné magnetické pole. Chondrity vznikli pravdepodobne ešte v čase protoplanetárneho oblaku tak, že hmota, z ktorej sú zložené, bola roztavená a prudko schladená (tým, že chondrule chladli v beztiažovom prostredí, získali guľový tvar). Podmienky, kedy sa náhle zvýši teplota na úroveň tavenia a následné rýchle ochladenie za prítomnosti silného magnetického poľa, nastávajú len v blízkosti výbojového kanála elektrostatického výboja.
6. Stred Zeme je zložený z vnútorného kovového železného jadra a vonkajšieho jadra plastického (tekutého), zloženého zo železa a niklu. Okolo jadra sa nachádza ľahší silikátový plášť. 
7. Zem samotná má svoje magnetické pole. Jeho vznik a pretrvávanie nie je doposiaľ presne objasnené.

Plynoprachové častice vstupujúce do procesu akrécie mali rovnaké zloženie ako dnešné horniny Zeme. Časť z nich pozostávala z ťažkého kovového, feromagnetického či paramagnetického materiálu a časť z ľahkých diamagnetických silikátov. Silný elektrický prúd výboja generoval silné magnetické pole a to namagnetizovalo do nasýtenia okolité feromagnetické planetesimály. Tie boli priťahované k osi elektrického prúdu, ale kým tam prileteli, výboj zanikol a častice sa vplyvom magnetickej sily zhlukovali. Vzniknutá konkrécia si pritom zachovala magnetický moment a získala rotáciu ako dôsledok zachovania momentu hybnosti pôvodných častíc (Obr. 2c, 2d, 2e.).
Práve popísaný dej pokladáme za prvotný impulz k tvorbe planetárnych embrií.   
Všetky častice, aj pôvodné aj tie magneticky spojené, sa samozrejme v protoplanetárnom oblaku pohybujú. Aby bol zachovaný celkový moment hybnosti, novovzniknutá planetesimála sa dostáva do rotácie. Tak vzniká zárodok budúceho jadra Zeme. Proces impulznej akrécie sa môže zopakovať niekoľokrát po sebe, pričom sa po každom raze protojadro zväčší (Obr. 2f.). Do takéhoto procesu vstupujú len feromagnetické, prípadne paramagnetické  častice. Nemagnetických silikátových častíc sa impulzné magnetické pole prakticky nedotkne. Keď je železné protojadro dostatočne hmotné, nastáva čas pre jeho gravitačné prejavy - ľahšie, silikátové, planetesimály začnú naň padať. Vzniká silikátový plášť (Obr. 2g).
Uvedený model (Tunyi a ost. 2001, 2002, 2003) zdôvodňuje existenciu dvoch najcharakteristickejších čŕt planéty Zem. Jednou je rozdelenie jej vnútra na ťažké metalické jadro a ľahší silikátový plášť (viď bod č. 6) a druhou existencia geomagnetického poľa (viď bod č. 7). V súčasnosti je jeho zdrojom pravdepodobne mechanizmus elektrických prúdov v jadre Zeme, avšak zárodočné magnetické pole bolo podľa práve popísanej teórie dané magnetizáciou feromagnetických a paramagnetických planetesimál impulzným magnetickým poľom.

 

Experiment
Na potvrdenie teórie je vždy nevyhnutné aj experimentálne overenie základných predpokladov a odvodených dôsledkov. Keďže zásadným predpokladom celej teórie je magnetizácia demagnetizovaných feromagnetických častíc, bolo nevyhnutné zostrojiť experimentálne zariadenie, ktoré by popisované podmienky simulovalo a demonštrovalo tvorbu feromagnetických konkrécií. Takýto impulzný zdroj elektrického prúdu (výboja) bol zhotovený autormi článku (J.S. a M. B.) a efekt tvorby magnetizovaných granúl úspešne demonštrovaný priamo pred účastníkmi konferencie (viď. obr. 3 a 4.). Keďže tvorba granúl, resp. uvoľnenie nahromadenej energie elektrickým výbojom, je sprevádzané silným hlukom, je tento experiment vhodný aj ako zážitková forma vzdelávania.

 

Záver  
V predkladanom príspevku sme popísali pôvodnú teóriu vzniku zárodkov planét Slnečnej sústavy, s dôrazom na vznik Zeme. Experimentálne overenie bolo priamo demonštrované pred auditóriom konferencie „Tvorivý učiteľ fyziky“ efektným pokusom.  Je dokonca možné, po dohode s učiteľmi škôl, tento experiment demonštrovať a celú teóriu objasniť priamo niektorým z autorov, aj študentom na danej škole.

 

Na zázname vidíte priebeh pokusu zaznamenaý s freqvenciou 600 snimkov za sekundu.
Ďalšie obrázky a videa najdete vo fotogalérií.

 

Použitá literatúra:
Carroll, B.W.  and Ostlie, D.A., 1996: An Introdution to Modern Astrophysics, Addison Wesley Publishing Co.,  ISBN 0-201-54730-9.
Tunyi, I., Timko, M., Roth, L.E., 2001:Shock Magnetic Fields and Origin of the Earth, Lunar and Planet. Soc. Conf. 32, 1119-1120.
Tunyi, I., Guba, P., Roth, L.E., Timko, M., 2002: Impulse Magnetic Fileds Generated by Electrostatic Discharges in Protoplanetary Nebulae, Lunar and Planet. Soc. Conf. 33, 1074-1075
Tunyi, I., Guba, P., Roth, L.E., Timko, M., 2003: Electric Discharges in the Protoplanetary Nebula as a Source of Impulse Magnetic Field to Promote Dust Aggregation. Earth, Moon and Planets 93, 65-74.

 

Vypracovali:

Článok:

               K. Petrík (1,2), Igor Túnyi (1,3), J. Sochor (4), M. Bachratý (4)

Dokumentácia - fotogaléria a videozáznamy:

               A. Bočík (1), I. Vodička (1)

 

1 - Pansophia, n.o., Vodárenská 6, 911 01 Trenčín, info@pansophia.sk
2 - Hvezdáreň a planetárium Hlohovec, Sládkovičova 41, 920 01 Hlohovec, kpetrik@pansophia.sk
3 - Geofyzikálny ústav SAV, Dúbravská 9, 845 28 Bratislava, tunyi@pansophia.sk
4 - SOBA Lasers, Podzámska 33, 920 01 Hlohovec

 

 

Summary

Classical cosmogonical theories of planetary creation suppose the planetessimals to be created merging the collisioning orbiting material  in the protoplanetary disc, using only the gravitational attraction of larger pieces to attract the material and creating larger objects - the embryos of the nowadays planets. There are few problems not solved satisfactorily up to now in these theories, especially the fact, that the Earth core should consit of mostly one element - iron. Also the time duration of such gravitationally induced process of planet formation does not fit satisfactorily the real age of the planets.  Our new approach is based on the evidence of the impulse magnetic field  in the galactic nebulae and the protoplanetary accretion discs. Theory was preliminary confirmed by the experimental equipment made in Slovakia.

This theory and the experimental part could provide a very nice base for the teachers at all school levels to promote the connection between many scientific, especially physical, fields of research and education (gravity, electromagnetism, experimental physics, geology and geophysics, astronomy etc.).
We propose the driving mechanism in the beginning of the planetary creation to be magnetism. If the gravitational force itself is not able to speed up the accreting process of planetary creation, we should try to add another force, which is automatically present anywhere the moving electric particles exist (See Fig. 2a). This is the new idea based on few facts:

1. The existence of galactic and intergalactic magnetic field
2. The matter of Solar protoplanetary disc consisted of plasma particles – ions and free electrons, as well as of feromagnetic material – iron and nickel, as well as nonmagnetic silicons and other elements.
3. The electric flashes were detected in the protoplanetary disks discovered around other stars. This is the evidence of the short-time impulse electric current. This current is the source of strong magnetic field, which is able to magnetised permanently or temporarily those particles close to the discharge channel.(Fig. 2b)
4. Pioneer 11 and Voyager 1 and 2 detected also the showers of relativistic electrons, whicj could be also the sources of the impulse magnetic field.
5. The feromagnetic parts of the oldest meteorites, chondrites, were fully magnetised in the time of their creation. This needs a very strong magnetic field presented.
6. The Earth core consists of the inner iron core and the outer plastic core of iron and nikel.
7. The Earth has got its own magnetic field. The creation of this field as well as its survival isnot yet fully explained.

The composition of primordial particles was the same as the composition of nowadays Earth. Some of the consited of feromagnetic and paramagnetic material and some were the silicons. Strong electric current of the dicharge generated strong magnetic fiel, which fully magnetised the feromagnetic planetessimals around the channel. Those were attracted to the axis of the electric current, but while they were fly in, the current disappeared and the particles were tighten by the magnetic force one to each other. This cluster of praticles sustained the magnetic moment and obtained also the rotation as the reason of angular momentum conservation. (Fig. 2c,2d,2e).
When the iron core become larger, it started to attract the silacates by the gravitational force. This could be a natural explanation of Earth material differentiation into iron core and silicate envelopes around.

To confirm the theory, we prepared also the experimetal equipment (Fig. 3 and 4). Srong impulse electric current generates magnetic field which magnetise fully demagnetised feromagnetic material inside the equipment (Fig. 4.). We can easily observe the creation of small granules as the reason of magnetic attraction.