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

Matfyz.cz

Aktuality z fyziky XXXVII

Radiace způsobená výbuchem supernov mohla ovlivnit vývoj klimatu i života na Zemi. Na obrázku je zachycena supernova G1.9+0.3 (obrázek: NASA/CXC/CfA/S. Chakraborti et al.)

Jestlipak víte, že i tak běžná látka, jako je obyčejná voda, v sobě skrývá řadu neprozkoumaných fyzikálních záhad? Některé z nich se nyní fyzici pokusili rozluštit za pomoci umělých neuronových sítí. O tom si povíme na začátku dnešních Aktualit. V dalším příspěvku přijde řada na astronomii. Ta totiž aktuálně zaujímá ve fyzikální literatuře přední místo. Člověk si prostě nedá pokoj a za každou cenu chce zjistit, jak to se Zemí v dobách jejího mládí vlastně bylo a jak na ní vznikl život. Nakonec, aby bylo vidět, jak široký záběr má fyzika, se dovíme něco o jedné úžasné nové technologii.

Umělé neuronové sítě pomáhají objasnit záhadné vlastnosti vody

Němečtí a rakouští fyzici použili k simulaci interakcí mezi molekulami vody umělé neuronové sítě. Ty totiž slouží jako prostředek pro zpracování velkých souborů dat, k čemuž využívají obrovské množství propojených procesorů a výpočetních cest. Inspirují se architekturou lidského mozku, a jsou dokonce schopny učit se analyzovat rozsáhlé a komplexní množiny dat, které jiné algoritmy jen těžko zvládnou. Výpočty probíhají sto tisíckrát rychleji než při použití běžného počítače. Schopnosti umělých neuronových sítí nyní vědci využili pro vysvětlení dvou klíčových vlastností vody.

Fyzici dobře vědí, že voda je velmi zajímavá a zvláštní látka. Pozastavili jste se někdy nad tím, proč led plave na vodě, která je v kapalném stavu? Je to tím, že voda má maximální hustotu kolem 4 °C. To je sice vlastnost, která je důležitá pro život řady zvířat žijících v polárních oblastech, ale z fyzikálního hlediska je to už na první pohled zarážející. Rozsáhlé počítačové simulace ukázaly, že klíčovou roli hrají vodíkové vazby mezi molekulami vody. To však celý problém neřeší.

Jednou z nejasností je role van der Waalsových interakcí, které vznikají v důsledku kvantových fluktuací v elektrické polarizaci vody. Ty jsou pro počítačové simulace už dlouho tvrdým oříškem. Fyzici z Bochumi a Vídně však nyní k jejich namodelování ve vodě použili právě již zmíněné umělé neuronové sítě. Umělé neuronové sítě (ANNs) jsou počítačové algoritmy, které se učí, jak řešit určité úlohy, pokud se do nich dosadí data, jež se k dané úloze vztahují. Používají se nejen ve fyzice, ale také v jiných oborech, dokonce v kriminalistice, a to pokud je třeba získat portrét určitého jedince z fotografií mnoha lidí podle dat vztahujících se k cílové osobě.

V nejnovější práci použil fyzikální tým data z density functional theory (DFT). Ta se velmi často používá v souvislosti s výpočty vlastností molekul, pro interakci mezi molekulami vody však může poskytnout pouze určité aproximace, které se musí dodatečně korigovat s ohledem na zmíněné van der Waalsovy interakce. Takové výpočty jsou velmi náročné a zatím se prováděly jen pro několik hodnot teploty a tlaku. Van der Waalsovy síly (interakce) jsou přitažlivé nebo odpudivé síly mezi atomy a molekulami. Jsou slabší než kovalentní vazba, protože ta je charakterizovaná sdílením jednoho nebo více párů elektronů mezi dvěma prvky. Van der Waalsovy interakce vznikají převážně v nepolárních molekulách, které neobsahují stálé dipóly a jejich vazby nejsou polarizované. Existují tři typy, ve vodě se projevuje hlavně coulombická síla způsobená polaritou molekul. V molekule vody je atom kyslíku v důsledku svého tvaru z jedné strany odhalen a díky tomu přitahuje jiné molekuly. To způsobuje, že ve vodě vznikají přitažlivé síly, a z vody se tak stává jakási velká makromolekula. Van der Waalsovy síly jsou sice slabé, ale mají značný význam ve stavbě a struktuře některých biologicky významných látek, například bílkovin.

Problémem je, že pro porozumění podstaty známého maxima hustoty vody je potřeba provést obrovské množství výpočtů. Fyzikální tým proto naučil umělé neuronové sítě používat data z DFT, která byla jednak korigovaná a jednak nekorigovaná na van der Waalsovy interakce. Výpočty vlastností vody probíhaly v teplotním rozsahu od – 100 do + 90 °C sto tisíckrát rychleji než při použití samotné DFT.

Výsledky pochopitelně ukazují známé maximum hustoty kolem 4 °C. Jenže proč takový extrém existuje? Fyzici si proto položili otázku, jak van der Waalsovy interakce ovlivňují vodíkové vazby molekul vody. Vodíková vazba je druh slabé interakce mezi molekulami. Může se uplatnit mezi molekulami i v rámci dvou částí jedné molekuly. Tvoří ji na jedné straně vodík a silně elektronegativní prvek (kyslík nebo dusík) a na druhé straně atom s volným elektronovým párem (kyslík, fluor nebo dusík.) S tím, jak se voda ochlazuje, stávají se vodíkové vazby mezi molekulou vody a jejími čtyřmi nejbližšími sousedy pevnější, molekuly se navzájem přitahují, a díky tomu voda houstne. Jenže jak vazby zesilují, je pevnější skupina pěti molekul, díky čemuž je stále méně pravděpodobné, že by sousední molekuly vody mohly touto pevně svázanou skupinou proniknout. To je však opačný efekt k růstu hustoty: s poklesem teploty jsou vodíkové vazby pevnější, dovolují méně molekulám vody proniknout skupinou, a tak po ochlazení způsobují pokles hustoty.

Výpočty pocházející z ANNs však ukazují, že van der Waalsovy interakce zmírňují pevnost vodíkových vazeb a tyto dva protichůdné efekty vytvářejí právě to záhadné maximum hustoty při 4 °C. Van der Waalsovy interakce tedy podstatně modifikují síť vodíkových vazeb ve vodě a vytvářejí podmínky pro vznik maxima hustoty vody při 4 °C. Vědecký tým nyní techniku použití umělých neuronových sítí adaptuje ke studiu přenosu protonů ve vodě, což je efekt, který se velmi těžko experimentálně sleduje, ale pro vlastnosti vody je velmi významný.

Nejbližší supernova mohla ovlivnit život na Zemi

Podle mezinárodního týmu astronomů byl povrch naší planety v průběhu minulých devíti milionů let několikrát vystaven životu nebezpečnému radioaktivnímu záření, které pocházelo z blízkých supernov. Počítačový model předpokládá, že vysokoenergetické částice ze supernov vytvářely v zemské atmosféře ionizační záření a že tato radiace mohla podstatně měnit vývoj zemského klimatu a života na naší planetě.

Začátkem letošního roku publikovaly dva nezávislé týmy astronomů důkazy o tom, že ve vzdálenosti přibližně 330 světelných roků od Země explodovalo několik supernov. Termín supernova se vztahuje k několika typům hvězdných explozí, kterými vznikají velmi jasné objekty složené z plazmatu, jejichž jasnost v průběhu týdnů nebo měsíců velmi rychle klesá. Exploze supernovy rozmetá obrovskou silou většinu nebo všechnu hmotu hvězdy. Každá taková událost vrhne k Zemi spršku izotopu Fe-60 (železo-60). Jeho nadbytek byl skutečně nalezen ve vzorcích zemské kůry ze dna Tichého, Atlantského i Indického oceánu a také ve vzorcích povrchu Měsíce.

Fe-60 ale není vše, co supernova produkuje. Produkuje i obrovské množství světelného záření a kosmických paprsků, které se skládají z vysokoenerge­tických elektronů a atomových jader. Dříve publikované práce uváděly, že supernova, která by explodovala 25 světelných let od Země, by mohla způsobit masové vymírání druhů. Naopak supernova explodující několik set světelných let daleko by velký vliv na Zemi neměla. Tým z americké Washburn University však nyní proti těmto závěrům protestuje. Američtí astronomové zjišťovali, co by se stalo, kdyby supernova explodovala 325 světelných let daleko, a počítali, jak by její radiace ovlivnila život na Zemi. Došli k závěru, že modré a ultrafialové záření by žádný zásadní vliv nemělo. Zcela jiné nebezpečí však představují kosmické paprsky urychlené supernovou směrem k Zemi. Ty disponují energií v řádu teraelektronvoltů a jsou schopny minout sluneční vítr a zemské magnetické pole a projít do zemské atmosféry mnohem dále, než to kosmické paprsky obvykle dělají. Nebezpečné však nejsou ani tak samotné kosmické paprsky, ale záření, které vzniká při jejich průchodu atmosférou. Když se kosmický paprsek srazí s molekulou vzduchu, vytvoří spršku sekundárních částic složenou z protonů, neutronů a silného toku muonů. Tyto pochody se standardně dějí v horních vrstvách atmosféry a jsou zodpovědné „jen“ za poškození ozónové vrstvy ve stratosféře. Kosmické paprsky urychlené supernovou jsou však natolik energetické, že proniknou až do troposféry, kde vytvářejí spršky, které ionizují atomy těsně nad nebo na samém povrchu Země, a dokonce pronikají až kilometr hluboko pod hladinu oceánů.

Dřívější práce publikované na téma supernov se nezaměřovaly na vysokoenergetickou část spektra kosmických paprsků. Nyní se však ukázalo, že tyto paprsky jsou důležité, i když se vyskytují méně často než velké množství kosmických paprsků s nižšími energiemi. Muony tvoří v dnešní době šestinu naší radiační dávky a z výpočtů vyplývá, že supernova by tuto dávku dvacetkrát zvýšila. To by vedlo ke ztrojnásobení celkové radiace po dobu několika tisíc let. Muon je elementární částice podobná elektronu, elektrický náboj má –1e a spin ½, její hmotnost je však mnohem větší. I když by kosmické paprsky život na Zemi nezničily, mohly by způsobit určité menší „vymírání“ druhů a mutaci genů, které potenciálně řídí evoluci. Pro takové slabší „vymírání“ druhů existuje důkaz starý 2,6 milionů let, zatím by však bylo předčasné tvrdit, že bylo spojeno s výbuchem supernovy, která se podle všech ukazatelů právě v té době objevila. Vědecký tým nicméně předpokládá, že interval, v němž může supernova způsobit poškození Země, bude nutno rozšířit.

Kosmické paprsky mohou také změnit klima na Zemi. Nejnovější sprška od supernovy přišla těsně předtím, než Země vstoupila do série dob ledových a otevřela cestu evoluci člověka. Jedno z možných souvislostí supernovy s klimatem je to, že muony ovlivňují v dolních vrstvách atmosféry oblačný příkrov a tím planetu ochlazují. Ionizace v dolních vrstvách troposféry pravděpodobně nemusí vždy způsobit vznik doby ledové. Tento problém je však potřeba zkoumat a hledat jakýkoliv doklad toho, že supernova skutečně ovlivnila klimatické podmínky na Zemi. Je také potřeba dále zdokonalovat modely, které popisují šíření kosmických paprsků od supernovy a jejich cestu vesmírem.

Tištěné optické soustavy

Pracovníci univerzity ve Stuttgartu vyvinuli novou metodu pro 3D tisk miniaturních, vysoce kvalitních kombinovaných čoček přímo na obrazové čidlo nebo na optické vlákno. Takové čočky se dají využít ve velkém množství aplikací, jako jsou lékařské endoskopy nebo kamery pro miniaturní drony.

Nová technika se nazývá dvou-fotonové přímé laserové psaní (two-photon direct laser writing). Používá pulsní červený femtosekundový laser s vlnovou délkou 780 nm a délkou pulsu 100 fs, který je fokusován na povrch ponořený do kapalného fotorezistu. Současná absorpce dvou fotonů z laserového svazku v ohnisku obnaží fotorezist a způsobí, že se polymery spojí a ztuhnou a vytvoří na povrchu transparentní prvek. Laserovým skenováním vznikne na povrchu optický systém složený z jednotlivých čoček v podpůrné schránce. Tvar systémů, jejich složení a velikost jsou řízeny počítačovým programem. Když je proces nanášení dokončen, neexponovaný fotorezist se umyje rozpouštědlem a optický element zůstane na povrchu.

Nová technologie znamená pro optiku obrovský skok dopředu, protože dovoluje přesnou a spolehlivou výrobu systémů velikosti o řád menší, než umožňovaly všechny dosud používané technologie. Takto vyrobené optické systémy jsou kolem 125 mikrometrů široké, tj. skoro jako lidský vlas, a 200 mikrometrů dlouhé, a přitom je jejich optický výkon srovnatelný s konvenčním objektivem mikroskopu nebo složených fotografických čoček. Tým zhotovil různé ukázkové čočky vhodné pro různé aplikace, například soubor systémů čoček se čtyřmi rozhraními, na kterých dochází k lomu světla. Tento systém vědci natiskli přímo na pětimegapixelové CMOS obrazové senzory, které se používají v digitálních kamerách.

Nová technologie může být také využita k výrobě extrémně tenkých endoskopů, které lze zasunout do těch nejmenších otvorů v živé tkáni i do mikroskopických otvorů v různých částech technických zařízení. Tým vytvořil prototyp optického systému, který obsahuje tři čočky natištěné na konci optického vlákna. Vlákno i s tímto optickým systémem je schopno projít jehlou typické injekční stříkačky. Vědci ukázali, že objekt, který je vzdálen 3 mm od konce vlákna, je vidět na druhém konci vlákna, které bylo v tomto případě dlouhé 1,7 m.

Další možnou aplikací je kamera pro mobilní telefony, kompaktní obrazové čidlo pro automatické řízení vozidel nebo robotů, a dokonce i miniaturní kamera pro drony velikosti včely.

Vědci věří, že 3D tisk optických soustav zahajuje zcela novou éru ve výrobě optických prvků. Jde o podobný proces, jako když byla před nějakou dobou zavedena počítačově řízená výroba v různých oborech mechaniky. Výzkum v tomto směru zahrnuje jak základní, tak i čistě aplikovaný výzkum, a je příkladem toho, po čem někteří politici stále volají: „Peníze na základní výzkum dáme, ale musí mít praktické výstupy.“ To však jde jen někdy, a když se to podaří, je to určitě dobře.

Původní materiály byly uveřejněny ve Physics World, Nature, Proceedings of the National Academies of Science, Nature Photonics a The Astronomical Journal Letters.


Další díly:

Aktuality z fyziky XXXVI Aktuality z fyziky XXXV
Aktuality z fyziky XXXIV Aktuality z fyziky XXXIII Aktuality z fyziky XXXII
Aktuality z fyziky XXXI Aktuality z fyziky XXX Aktuality z fyziky XXIX
Aktuality z fyziky XXVIII Aktuality z fyziky XXVII Aktuality z fyziky XXVI
„Top ten“ fyziky roku 2015 Aktuality z fyziky XXV Aktuality z fyziky XXIV
Aktuality z fyziky XXIII Aktuality z fyziky XXII Aktuality z fyziky XXI
Aktuality z fyziky XX Aktuality z fyziky XIX Aktuality z fyziky XVIII
Aktuality z fyziky XVII Aktuality z fyziky XVI Aktuality z fyziky XV
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