Pozor! Používáte zastaralý prohlížeč, stránka se nemusí zobrazovat správně. Aktualizujte jej a zlepšete tak svůj uživatelský zážitek.

Matfyz.cz

Fyzikální TOP 10 roku 2018 – část 1

Rádiové vlny detekované z vodíkového plynu, který vznikl 180 milionů let po velkém třesku, by mohly přinést nové informace o temné hmotě (obrázek: NASA)

Jaké zásadní objevy na poli fyziky přinesl uplynulý rok? Přinášíme souhrn deseti nejdůležitějších prací roku 2018, které do svého žebříčku zařadil časopis Physics World.

Po vzoru časopisu Physics World práce zveřejňujeme v náhodném pořadí.

Letadlo bez paliva a bez vrtule

Fyzici a technici z Massachusetts Institute of Technology (MIT) sestrojili letadlo, které je poháněno tzv. iontovým větrem, tedy proudem nabitých iontů generovaných drátovými elektrodami. Šéf týmu přiznal, že prvotní inspiraci k sestrojení letounu bez paliva a vrtule získal díky seriálu Star Trek. Svůj stroj vědci otestovali v hale dlouhé 60 metrů.

Iontový vítr je generován elektrodynamicky. Elektrické pole ionizuje atomy a molekuly v okolním prostředí a urychluje je coulombovskými silami. Takto urychlené ionty se posléze srážejí s dalšími částicemi, a tak vzniká iontový vítr.

Nový stroj má rozpětí křídel pět metrů. Soustava tenkých drátků u předku křídel funguje jako anoda a podobně uspořádané tlustší drátky na konci křídel hrají roli katody. Letoun má na palubě lithium-polymerové baterie, které mu dodávají proud o napětí 40 tisíc voltů. Katody letounu přitahují elektrony z molekul vzduchu, přičemž vzniká oblak ionizovaných částic. Tento oblak se pohybuje směrem k anodám a ionty se přitom mnohokrát srážejí s dalšími molekulami vzduchu. Přitom vzniká tah, který dostačuje k pohonu takto postaveného letounu.

K otestování nového stroje fyzici využili krytou halu, ve které se jim podařilo předvést nepřetržitý řízený let na vzdálenost 45 metrů.

Kvantová mechanika se vzpírá kauzálnímu uspořádání

Australští fyzici experimentálně potvrdili, že kvantová mechanika povoluje události s nedefinovaným kauzálním pořádkem.

V klasické fyzice, a tedy v běžném životě existuje mezi po sobě následujícími událostmi striktně kauzální vztah. Pokud k události (B) dojde po první události (A), pak (B) nemůže ovlivnit výsledek (A). To ale neplatí v kvantové mechanice, protože časové rozprostření vlnové funkce částic může být větší než časový interval mezi A a B. To znamená, že kauzální pořádek A a B nemusí kvantová částice, jako je například foton, rozlišit.

Australští fyzici provedli v rámci svých experimentů kvantový „switch“. V tomto režimu se fotony mohou pohybovat po dvou drahách. První z nich vyžaduje, aby operace A proběhla před B, zatímco druhá vede k tomu, že B proběhne před A. Pořadí, v němž operace proběhnou, je určeno počáteční polarizací fotonu, když tento kvantový režim nastává.

Experiment vyžaduje použití děliče polarizovaného svazku, který posílá fotony s různou polarizací podél různých drah. Zdroj fotonů je diagonálně polarizován vzhledem k děliči, a to znamená, že existuje 50% pravděpodobnost, že se foton vydá po té které dráze. Nakonec dojde k rekombinaci obou drah a měří se polarizace fotonů. Operace A a B jsou navrženy tak, že pořadí, ve kterém jsou aplikovány na fotony, ovlivňuje polarizaci výstupních fotonů, pokud ovšem má systém definovanou kauzalitu.

V experimentu fyzici použili několik různých typů operací A a B. Ve všech případech zjistili, že naměřená polarizace výstupních fotonů odpovídá stavu s nedefinovanou kauzalitou mezi A a B. Měření odpovídají nedefinovanému kauzálnímu pořádku s obrovskou statistickou pravděpodobností 18 σ, což je daleko víc, než vyžaduje hranice pro objev ve fyzice, která činí 5 σ.

Kromě toho, že tento pozoruhodný výsledek by mohl propojit teorii relativity a kvantovou mechaniku, najde uplatnění i v kvantových technologiích. Nedefinovaný kauzální pořádek může mít reálné praktické aplikace v podobě výkonnějších kvantových počítačů nebo lepší kvantové komunikace.

Aktivované kmenové buňky obnovují vidění

Mezinárodní týmu vědců se podařilo vrátit zrak myším tak, že aktivovali jejich sítnicové kmenové buňky. Tuto metodu vědci zkoušeli vůbec poprvé. Výzkum představuje naději pro pacienty s degenerativními onemocněními sítnice, jako je například zelený zákal, pro které dosud neexistoval vhodný léčebný postup.

U studenokrevných obratlovců působí Müllerovy buňky jako sítnicové kmenové buňky, které mohou doplňovat poškozené sítnicové neurony a obnovit vidění. Buňky savců však tuto regenerativní schopnost postrádají. Pokud jsou fotoreceptory zničené, nemůže se sítnice sama opravit. Onemocnění, jako je retinitis pigmentosa, proto u pacientů způsobují nevratné poškození zraku.

Aby vědci mohli myším vrátit zrak, museli jejich kmenové buňky přeprogramovat. To zahrnovalo dva kroky. Napřed vědci použili genový transfer k tomu, aby nečinné buňky změnili na aktivní. Druhý krok zahrnoval další genový transfer, který těmto kmenovým buňkám pomohl změnit se na buňky tyčinkového fotoreceptoru, které jsou důležité pro vnímání světla a ve výsledku i pro samotné vidění.

Původně slepá myš byla za čtyři až šest týdnů po přeprogramování schopna registrovat světlo a znovu vidět. Výsledky naznačují, že stejný postup by se dal v budoucnu aplikovat také v případě lidského oka.

Raný vodík odhaluje stopy vedoucí k podstatě temné hmoty

Fyzici ze State University of Arizona a z MIT pozorovali pomocí radioteleskopu EDGES plynný vodík, který je chladnější, než se očekávalo, a který vznikl 180 milionů let po velkém třesku. Vědci z univerzity v Tel Avivu spočítali, že by mohlo jít o první přímé pozorování negravitační interakce mezi temnou a konvenční hmotou. I když potvrzení této hypotézy ještě nějakou dobu potrvá, vědci očekávají, že by jejich výsledky mohly pomoci rozluštit dosud nejdůležitější nevyřešenou záhadu fyziky – co je to vlastně temná hmota.

Temná hmota dráždí fantazii fyziků už řadu desetiletí. Už v roce 1933 upozornil německý fyzik Franz Zwicky na nesoulad míry pohybu s množstvím pozorované hmoty v kupě galaxií. Podobný nesoulad byl pozorován v šedesátých letech minulého století. Aby byly dodrženy platné fyzikální zákony, zavedl Zwicky termín temná hmota. Současně spolu s kolegy došel k závěru, že temné hmoty bylo v galaxiích dříve výrazně méně než dnes.

Velký průlom v honbě za temnou hmotou, která je nebaryonové povahy a není složena z kvarků, přišel v minulém roce ze zcela neočekávaného směru. Jako posel dobrých zpráv slouží radiové vlny detekované právě teleskopem EDGES. Jsou emitovány z plynného vodíku, který existoval už 180 milionů let po velkém třesku. Když vzplanuly první hvězdy, bylo jejich ultrafialové záření absorbováno atomy vodíku, protože to je nejčastěji se vyskytující a všudypřítomný prvek ve vesmíru. Tato absorpce způsobí, že jednotlivé elektrony provedou jen malý skok mezi dvěma hladinami hyperjemné struktury energetického spektra. Během tohoto procesu dojde k emisi rádiových vln s vlnovou délkou 21 cm a frekvencí 1420 MHz.

Všesměrová anténa teleskopu EDGES byla schopna tuto emisi detekovat, pouze frekvence se změnila z 1420 na 78 MHz v důsledku rudého posuvu způsobeného rozpínáním vesmíru. Velikost rudého posuvu odpovídá právě době 180 milionů let po velkém třesku. Právě zde ale na fyziky čekalo velké překvapení. Amplituda signálu byla dvakrát větší, než se předpokládalo. Vědci jsou přesvědčeni, že je to tím, že plyn v raném vesmíru byl oproti očekávání chladnější.

Teplota plynu v době 180 milionů let po velkém třesku byla odhadována na 6 K, jenže intenzita signálu, detekovaného anténou EDGES, ukazuje na teplotu poloviční, tj. kolem 3 K. Fyzici z Tel Avivu navrhují vysvětlení. Podle nich za nízkou teplotu plynu v raném vesmíru může temná hmota. V této době mohla být chladnější než vodík právě jen ona. Pokud se částice temné hmoty a atomy vodíku vzájemně rozptylovaly, mohlo být z vodíkových atomů odváděno teplo.

Pokud je temná hmota skutečně správným řešením nového 21cm signálu, pak jde o první přímou indikaci negravitační interakce temné hmoty. Nezávislé potvrzení této teorie by mohlo přijít už brzy. Složitější měření budou provádět dvě nová zařízení v Jihoafrické republice.

Supravodivost pozorovaná v kvazikrystalech

Tým fyziků z Nagoya University v Japonsku poprvé objevil supravodivé kvazikrystaly – pevný materiál, v němž jsou atomy uspořádány do pravidelných obrazců, ale nemají translační symetrii. Kvazikrystaly vědci vytvořili změnou poměru množství prvků ve speciální kovové slitině. Zjistili, že při teplotách nižších než 0,05 K se jedná o supravodič. Objev by mohl vést k vytvoření nových materiálů, které vykazují dokonce i fraktální supravodivost.

Konvenční supravodivost vzniká, když elektrony interagují s atomy v krystalické mřížce a způsobují její deformaci. Tyto deformace jsou spojeny s přebytkem kladného náboje, který má tendenci přitahovat páry elektronů. Jde o tzv. Cooperovy páry čili dvojice elektronů nebo jiných fermionů, které jsou v kovech při nízkých teplotách slabě vázány elektron-fononovou interakcí, tedy prostřednictvím kmitů krystalové mřížky (fononů). Na rozdíl od elektronů, které jsou fermiony, jsou Cooperovy páry bosony a mohou se při nízkých teplotách zhustit a vytvořit supravodič, který se pohybuje bez odporu.

Aby mohli studovat supravodivost v kvazikrystalech, použili japonští fyzici slitinu hliníku, zinku a hořčíku, která má kvazikrystalické i krystalické fáze v závislosti na relativním obsahu těchto tří kovů. Napřed snižovali obsah hliníku ve slitině, kdy obsah hořčíku zůstával prakticky stejný. Zjistili, že kritická teplota, která znamená začátek supravodivosti, leží v rozmezí 0,8 – 0,2 K, avšak při 15% obsahu hliníku se slitina mění na kvazikrystal a kritická teplota se sníží na 0,05 K.

Při 0,05 K se dramaticky změní specifické teplo kvazikrystalu a magnetické toky uvnitř materiálu jsou prakticky úplně zablokovány. Obě tyto změny svědčí o vzniku supravodivé fáze.

Teplota přechodu je mimořádně nízká, proto supravodivost u kvazikrystalů nebyla dosud objevena. Bližší zkoumání vlastností kvazikrystalických supravodičů napovídá, že formování Cooperových párů je podmíněno slabou vazbou elektronů. Tato anomálie by mohla znamenat, že pozorovaná supravodivost není závislá na kvazikrystalické povaze slitiny, ale že se spíše jedná o „špinavou supravodivost“, která se vyskytuje v nedokonalých krystalech.

Teorie kvazikrystalů však také předpovídá jinou formu supravodivosti, která je založená na fraktální geometrii v kvazikrystalech. Je přitom velmi pravděpodobné, že fraktální supravodivost tvoří alespoň určitou část. Vědci proto chystají další měření, aby mohli zkoumat vzájemné působení mezi fraktální geometrií a slabou vazbou elektronových párů. Cílem je objevit zcela nové aspekty supravodivosti.

Druhá část TOP 10


Mohlo by vás zajímat:

Vědci vyvinuli chytrou pěnu, která dokáže rozpoznat vlastní deformace
Nová definice kilogramu
Neutrina vrhají nové světlo na fúzní reakce uvnitř Slunce
Zvuk pomáhá tisknout

Kompletní archiv Aktualit z fyziky

Další obrázky
comments powered by Disqus

Matfyz.cz

Univerzita Karlova
Matematicko-fyzikální fakulta
Ke Karlovu 3
121 16  Praha 2
IČ: 00216208
DIČ: CZ00216208
web fakulty
studuj na Matfyzu
e-shop