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

Matfyz.cz

Aktuality z fyziky XV

Kuiperův pás je prstenec ledových a prachových tělísek, který leží těsně za oběžnou drahou Neptuna od 30 astronomických jednotek do vzdálenosti přibližně 55 astronomických jednotek od Slunce (obrázek NASA Jet Propulsion Laboratory)

Astronomie asi nikdy nepřestane lidi lákat svojí magičností. Dnes si trochu přiblížíme, jak je možno podívat se do historie naší sluneční soustavy. Skoro všechno kolem nás se řítí dopředu stále rychleji. Hranicí je rychlost světla, to nám říká teorie relativity. Ale zpomalit nebo zastavit světlo? Není to nesmysl? A na závěr se, jako ostatně často, podíváme do neuvěřitelného nanosvěta.

V okolí blízké hvězdy astronomové objevili rodící se obdobu Kuiperova pásu

Disk, který právě objevil mezinárodní tým astronomů kolem jedné blízké hvězdy, se až neuvěřitelně podobá mladé verzi Kuiperova pásu v naší sluneční soustavě. Podobné vlastnosti obou útvarů by mohly být klíčem k lepšímu pochopení interakcí mezi Kuiperovým pásem a planetami a vývoje sluneční soustavy.

Kuiperův pás je prstenec ledových a prachových tělísek, který leží těsně za oběžnou drahou Neptuna od 30 astronomických jednotek do vzdálenosti přibližně 55 astronomických jednotek od Slunce (1 AU je rovna zhruba 150 milionům kilometrů). Skládá se většinou z malých tělísek o průměru maximálně 3 000 km. Zahrnuje také Pluto a několik dalších takzvaných trpasličích planet, jako jsou Haumea a Makemake o průměru přibližně polovičním než má Pluto, a tisíce dalších zbytků z doby formování ledových planet naší sluneční soustavy.

Okolnosti vzniku tohoto disku a tvorba jeho struktury a složení jsou zásadní pro pochopení vzniku a vývoje naší sluneční soustavy. Nejlepší cestou by bylo poučit se z vlastností podobného disku, který se nachází v rannějším stádiu vývoje. I když astronomové už objevili několik takových disků kolem blízkých hvězd, žádný z nich nebyl podobný tomu našemu. Prstence byly buď velmi velké, centrální hvězda byla příliš hmotná nebo byla v oblasti velmi odlišné od té, o níž předpokládáme, že v ní vzniklo naše Slunce. Navíc byly informace limitovány kvalitou astronomických pozorování.

Teď kanadsko-japonská skupina astronomů použila Gemini Planet Imager (GPI), což je zařízení na Gemini South Teleskope v Chile. Vědci objevili suťovitý disk přibližně stejných rozměrů, jako je Kuiperův pás. Nachází se v okolí hvězdy HD 1150, která je vzdálena pouhých 360 světelných let od země. Hvězda je pouze o něco hmotnější než Slunce a leží v oblasti, která je podobná té, v níž podle našich zatímních vědomostí vznikalo Slunce. HD 115600 je ale odlišná v jedné podstatné věci, je totiž „stará“ pouhých 15 milionů let, zatímco naše Slunce mělo narozeniny už 4,6 miliardkrát. To znamená, že nám pozorování dává výbornou možnost vidět, jak mohla vypadat naše sluneční soustava, když byla ještě vesmírným batoletem.

To, že jsme schopni přímo pozorovat okolí rodící se planety kolem dalších hvězd s orbitálními rozměry podobnými jako ve sluneční soustavě, je velký pokrok. Použitá spektroskopie spolu s měřením odrazivosti disku vedly tým k přesvědčení, že disk je složen z části z vodního ledu stejně jako náš Kuiperův pás. Disk také poskytuje důkazy o tom, že byl tvarován pohybem obřích planet, které obíhají kolem centrální hvězdy – stejně, jako mohly vnější planety naší sluneční soustavy tvarovat Kuiperův pás.

Objev se podařil díky nové generaci mimořádně přizpůsobivých optických systémů, v nichž se optika v reálném čase aktivně koriguje. Znamená to, že měření neovlivňují na příklad atmosférické turbulence nebo prudké záblesky světla. Systémy poskytují vyšší ostrost obrázků, než jaké bylo možno dříve dosáhnout na stejných vlnových délkách. GPI zaznamenává i prostorové charakteristiky spekter, a tak poskytuje astronomům dodatečné informace o prachu v disku a o jeho složení.

Atomový plyn brzdí světlo v optických vláknec

Šíření světla si obvykle spojujeme s obrovskými rychlostmi. Teď se ale kvůli konstrukci kvantových pamětí pro sítě vynořil problém opačný, a to jak světlo zpomalit nebo zastavit. Podařilo se to fyzikům z Francie a Rakouska. V optických vláknech zpomalili světlo prakticky do úplného zastavení technikou využívající efekt, který se nazývá elektromagneticky indukovaná průhlednost a který se vyskytuje v mracích atomových plynů.

Na výzkumu „pomalého světla“ pracují fyzici už od roku 1990. Tehdy objevili, že pokud je řídicí laser naladěn na určitou frekvenci, vybudí atomový plyn do energetického stavu, v němž atomy nemohou dále absorbovat světlo z jiného zdroje. Pokud je řídicí laser vypnut, atomy mohou absorbovat světlo a materiál bude neprůhledný. Pokud je laser zapnutý, světelný signál se neabsorbuje a materiál je průhledný. To je elektromagneticky indukovaná průhlednost, ale teď už jsou fyzici dál. V roce 2001 objevili, že pokud se řídicí laser vypne v okamžiku, kdy se světelný signál nachází v plynu, může se světlo uvést na zlomky sekundy do stavu klidu. Když se řídicí laser opět zapne, světlo pokračuje v pohybu.

Ve skutečnosti to nejsou přímo fotony, které se zpomalují, ale obálka kolektivního vlnění, která je reprezentována grupovou rychlostí fotonů. Grupová rychlost obecně vyjadřuje rychlost přenosu energie. „Pomalé světlo“ se ale stalo důležitým jevem pro využívání v kvantových sítích, které se používají pro přenos informací bez možnosti zneužití různými hackery. Kvantová informace se zničí okamžitě, jakmile je změřena, a proto musí kvantové paměti uchovávat informace bez jakéhokoliv čtení. Zpomalení světla, které je obvyklým nosičem informací, je proto ideálním řešením.

Avšak ve většině komunikačních systémů, ať již kvantových nebo konvenčních, neprochází světlo mraky atomů ve volném prostoru. Z toto důvodu se francouzští fyzici rozhodli otestovat, jestli může být „pomalé světlo“ prokázáno i v nejběžnějším přenosovém médiu, kterým jsou optická vlákna. Použití vláken by totiž udělalo paměti kompatibilnějšími s existujícími optickými informačními technologiemi. Kdyby bylo světlo uzavřeno ve vláknech, nebylo by potřeba zrcadel, čoček a dalších optických zařízení, která dělají optické systémy ve volném prostoru těžko ovladatelnými a neskladnými.

Jenže s komerčními vlákny to nešlo. A tak francouzští fyzici zkusili protahovat optická vlákna až na průměr menší než půl mikrometru. Ztenčenou část vlákna umístili do vakuové komory, ve které byl mrak přibližně 2 000 laserem chlazených cesiových atomů. Jiný laser přepínal cesiové atomy mezi průhledným a neprůhledným stavem. Ukázalo se, že rozměry vlákna byly pro úspěch experimentu zásadní. Protože vlákno bylo tenčí než vlnová délka procházejícího světla, přibližně 40 % energie světla se dostává mimo vlákno takzvaným evanescentním (unikajícím) zářením. Atomy interagují s tímto uniklým zářením a mohou zpomalit nebo zastavit procházející světlo na několik mikrosekund, i když žádné atomy nejsou přímo uvnitř vlákna. Výsledky těchto experimentů znamenají podstatný krok k vytvoření prakticky použitelných kvantových pamětí.

Vídenští fyzici udělali podobný experiment, ale místo vakuové komory použili dipólovou past, která ovšem potřebuje použít další laser. V principu může dipólová past zlepšit schopnost atomů absorbovat světlo. To je parametr, který definuje, jak dobře se dají informace do kvantové paměti zapisovat a číst. Francouzští i vídenští fyzici došli k prakticky stejným výsledkům.

Nanostroje pumpují molekuly směrem „energetického gradientu“

Novou molekulární pumpu schopnou pumpovat malé molekuly podél energetického gradientu zkonstruovali američtí fyzici. Nová pumpa se podobá proteinovým pumpám v živých buňkách a může se použít při konstruování umělých molekulárních systémů podobných těm, které se nacházejí v přírodě. Takové systémy mohou být využity v různých aplikacích, jako jsou umělé svaly, miniaturní roboty nebo mechanické pohonné jednotky.

Molekulární stroje jsou v přírodě všudypřítomné a vyvíjely se miliardy let, aby dokonale využívaly energii ze Slunce nebo ze složitých chemických reakcí v těle. Jsou tvořeny komplikovanými soustavami proteinů, které jsou zodpovědné za spoustu procesů v živých organismech, jako je transport iontů, dělení buněk nebo syntéza adenosintrifosfátu (ATP). I třeba naše svaly jsou řízeny koordinovaným pohybem tisíců takových „strojů“.

Nová molekulární pumpa je v podstatě napodobeninou proteinové pumpy v našich buňkách, které zajišťují přeměnu energie z potravy do formy, která je pro buňky využitelná. Jde o relativně jednoduchou malou molekulu, která může způsobit, že systém opustí rovnovážnou polohu pomocí chemické energie z oxidačně-redukční reakce. Pumpa je založena na molekule s názvem rotaxan. Molekula má lineární osu, která je schopna omezit pohyb prstencové složky, která je na ní „našroubována“. Chemická struktura osy je taková, že prstence se mohou pohybovat jedním směrem v důsledku mechanismu, který obsahuje dva jednocestné ventily.

„Stroj“ obsahuje několik částí. První je kladně nabitá piridinová jednotka, která působí jako první jednocestný ventil. Druhá je viologenová jednotka, která má funkci pumpy. Třetí je velká isopropylfenylová chemická skupina, která působí jako druhý jednocestný ventil. A konečně čtvrtou částí je alkylový řetězec, který obsahuje pouze vodíkové a uhlíkové atomy a působí jako sběrnice. Na konci má řetězec chemickou skupinu, která je dost velká na zastavení pohybu prstence.

Proces pumpování přenáší a ukládá energii. Stroj pracuje díky redukčně-oxidačním cyklům a přesně uspořádaným nekovalentním vazebním interakcím. Pumpuje kladně nabité prstence z roztoku a zachycuje je kolem oligomethylenového řetězce. Redukčně-oxidační aktivní viologenová jednotka v srdci této molekulární pumpy, která má tvar činky, hraje dvojí roli. Především přitahuje a pak odpuzuje prstence v průběhu oxidačně-redukčního cyklu.

Proces pumpování je ve skutečnosti cestou k přenosu a ukládání energie na molekulární úrovni. Část energie uvolněné během reakce je odčerpána a uložena do vytváření vysoko energetických molekul. Teoreticky by mohla energie uložená takovou umělou molekulární pumpou být použita k pohánění jiného molekulárního „stroje“, který by na příklad mohl tvořit součást umělého svalu.


Další díly:

Aktuality z fyziky XVII
Aktuality z fyziky XVI
Aktuality z fyziky XIV
Aktuality z fyziky XIII
Aktuality z fyziky XII
Aktuality z fyziky XI
Aktuality z fyziky X
Aktuality z fyziky IX
Aktuality z fyziky VIII
„Top ten“ fyziky v roce 2014
Aktuality z fyziky VII
Aktuality z fyziky VI
Aktuality z fyziky V
Aktuality z fyziky IV
Aktuality z fyziky III
Aktuality z fyziky II
Aktuality z fyziky I

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