OSOBNÍ STRANA

PLANETY

SLUNÍČKO

VESMÍR A VůBEC

LINKY



Physics News Update

Následující sérii článků poskytl David Jeřábek, 2:420/53.1, přeložil a zpracoval Jiří Svršek, 2:423/43. Snímky k textům, jejichž zdrojem jsou tiskové zprávy Space Telescope Science Institute (zkratka STScI), jsou dostupné pro uživatele sítě FidoNet službou File Request na uzlu 2:420/53 (omezeně též na této BBS).

Měření teploty ochlazených atomů

Claude Cohen-Tannoudji v Ecole Normale Superieure v Paříži pomocí své technologie laserového ochlazování ochladil atomy hélia do "temného stavu", kdy nejchladnější atomy nejsou schopny absorbovat další fotony a jejich teplota je nižší než je teplota kteréhokoliv oblasti ve vesmíru.

Při měření velmi nízkých teplot nelze použít tradiční metody termometrie, pokud se velký oblak silně podchlazených atomů nachází v tzv. "temném stavu" (dark state). Obvyklé metody termometrie používají metody měření "času letu". Oblak atomů ochlazeného plynu se nechá volně rozpínat a měří se rychlost této expanze. Takto lze odhadnout interval rychlostí atomů a na jeho dolní mez pak odpovídá nejnižší teplotě plynu. Pro velká oblaka silně podchlazených atomů, včetně atomů nacházejících se v temném stavu, taková metoda selhává, protože taková oblaka se rozpínají velmi nepatrně a taková expanze neposkytuje spolehlivé odhady teploty.

Temný stav atomů se vytváří zachycením atomů hélia do pasti a jejich ochlazením pomocí paprsků laseru a magnetických polí. Poté pomocí dvou laserových paprsků směrovaných v opačných směrech se atomy v pasti převedou do kombinace (superpozice) dvou stavů o nízké energii. Tyto dva stavy vzájemně interferují a zabraňují atomům vyzářit nebo přijmout foton. Atom hélia, který absorbuje nebo emituje jeden foton, má zpětný odraz o velikosti 9,2 cm/s, což odpovídá teplotě 4 mikroKelvinů. Atomy v temném stavu proto mohou mít teplotu nižší než je tato "mez odrazu pro jeden foton".

Aby bylo možno určit teploty pod touto "mezi odrazu jednoho fotonu" přesněji, skupina Cohena-Tannoudjiho zkoumala určité vlnové vlastnosti skupiny takových atomů. Každý "temný stav" atomu si lze představit jako superpozici dvou vlnových balíků, které odpovídají dvěma vzájemně interferujícím stavům s nízkou energií. Tato interference zabraňuje absorbci nebo emisi fotonu. Těmto dvěma vlnovým balíkům odpovídají dva stavy momentu hybnosti charakterizující pohyb atomu jako celku. Atom se pohybuje ve dvou opačných směrech současně. Dokud lasery temný stav udržují, jsou tyto vlnové balíky na sobě vzájemně navrstveny. Jakmile jsou lasery vypnuty, oba vlnové balíky se vzájemně od sebe rozletí. Po určité době se použije laserový impuls, kterým lze změřit stupeň vzájemného přesahu tohoto páru vlnových párů. Takto lze určit moment hybnosti a také rychlost a teplotu atomů v oblaku. Použitím této metody se podařilo změřit teplotu, která odpovídala 1/800 teplotě "meze odrazu pro jeden foton". Nejnižší absolutní změřená teplota tak byla 3 nanoKelviny, kterou tento vědecký tým změřil pro mnohem hmotnější atomy cesia v roce 1995. (B. Saubamea et al., Physical Review Letters, 27 October; contact Bruno Saubamea, [M1]).

Kosmická sonda Cassini/Huygens

Sonda Cassini/Huygens je dosud nejhmotnějším průzkumným systémem (4685 liber), který byl kdy lidstvem vyslán do kosmu. Jejím cílem je Saturn, kde v červenci 2004 bude studovat tuto planetu, zatímco modul Huygens přistane na povrchu měsíce Titan, největšího měsíce planety Saturn, kde prozkoumá jeho záhadnou dusíkovou a metanovou atmosféru. Start sondy Cassini/Huygens byl odborníky posuzován rozporně kvůli možnému nebezpečí havárie. Sonda totiž nese náklad prudce jedovatého a silně radioaktivního plutonia, které využije jako zdroj energie na dráze planety Saturn. Aby sonda Cassini získala dostatečný moment hybnosti na let k planetě Saturn, musí podobně jako sonda Galileo před několika lety nejprve letět směrem k Venuši a pak nazpět k Zemi, aby využila gravitačního zrychlení Země.

Literatura a odkazy:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) Subject: update.343, PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 343 October 24, 1997 by Phillip F. Schewe and Ben Stein


Fyzika dopravní zácpy

Němečtí vědci ukázali, že změna plynulé dopravy k dopravní zácpě (kdy po určitou dobu vozidla na dálnici buď jedou velice pomalu nebo dokonce stojí) odpovídá fyzikálním fázovým přechodům, jako je například fázový přechod vody v led. Jinými slovy, podstata dopravní zácpy není stochastická, ale deterministická. Pokud hodnota určitého parametru, jako je celkový tok vozidel za určitý čas, překročí jistou hranici, lokální perturbace mohou narůstat, podobně jako rostou kondenzační zrna v kapalině, která se fázovým přechodem mění v led. V tomto smyslu dopravní zácpa odpovídá určitému typu "pevné látky", kdežto volně se pohybující vozidla odpovídají "těkajícím parám". Vědci věří, že analogie dopravní zácpy s fázovými přechody pomůže v blízké budoucnosti "inteligentním" způsobem řešit dopravní silniční systémy. (B.S. Kerner and H. Rehborn, Physical Review Letters, 3 Nov. 1997; contact Boris Kerner, Daimler-Benz AG, [M1]).

Indukovaná průhlednost pevného tělesa

Atom se obvykle pohybuje mezi dvěma stavy energie absorbcí nebo emisí fotonu. Příkladem je záření červeného světla. Pokud jeden z těchto stavů je dubletem dvou velmi blízkých stavů (energie mezi nimi odpovídá mikrovlnnému záření), pak se může objevit zajímavý jev interference. Jestliže ozařujeme atom mikrovlnným zářením, resonance mezi těmito dvěma blízkými stavy se může stát převládajícím jevem, který zabrání atomu absorbovat nebo emitovat záření červeného světla. Atom se pro červené světlo stane průhledným. Tato elektromagneticky indukovaná průhlednost byla dříve prokázána v plynech a hrála roli při realizaci temného stavu atomů (viz článek "Měření teploty ochlazených atomů"). Vědci s Wayne State University nyní tento jev prokázali pro pevné těleso, kdy se rezonančním ozařováním vzorku mikrovlnami absorbce světla změnila o 20 % (Zhao et al., Physical Review Letters, 28 July 1997). Tato metoda se nehodí pro změnu absorbce světla větších předmětů, protože ozařováním mikrovlnami do tělesa přechází nepřípustné množství energie. Tento proces ale bude možné použít pro užitečné modifikace indexu refrakce některých materiálů. (Physics World, October 1997; Science, 15 August)

Výroba prvku s atomovým číslem 114

Cílem vědeckých týmů z Berkeley, Dubny a Darmstadtu je výroba prvku s atomovým číslem 114. Tento prvek, jehož nejnižší izotop obsahuje 184 neutronů a 114 protonů, by měl být stabilní s poločasem rozpadu několika let, na rozdíl od ostatních supertěžkých prvků, jejichž poločas rozpadu je řádově několik milisekund nebo mikrosekund. Dlouhý poločas rozpadu, podobně jako inertnost vzácných plynů, je příkladem kompletní konfigurace neutronů a protonů. Všechny tři vědecké týmy v příštím roce plánují nové experimenty. Například v Berkeley budou ostřelovat atomy plutonia ionty vápníku. (Science, 24 October 1997.)

Měsíc vznikal asi jeden rok

Podle modelu astronomů z Colorada po katastrofické srážce planety Země s jiným tělesem dvojnásobné velikosti Marsu Měsíc vznikal asi jeden rok. Podle tohoto scénáře ohromný nepravidelný oblak, obsahující většinou sloučeniny křemíku, částečně dopadl na Zemi a částečně vytvořil Měsíc. Tím by bylo možno mimo jiné vysvětlit záhadný nedostatek sloučenin železa na Měsíci. (Nature, 25 Sept.)

Literatura a odkazy:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) Subject: update.344, PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 344 October 31, 1997 by Phillip F. Schewe and Ben Stein


Pozorováno gravitační zakřivení časoprostoru

Podobně jako pohybující náboj emituje elektrické a magnetické pole, podle obecné teorie relativity hmotné těleso emituje statické gravitační pole (pokud se těleso pohybuje nebo rotuje) a "gravitomagnetické" pole. Analogie gravitačního pole s polem elektrickým je tak blízká, že rovnice popisující "magnetickou" komponentu gravitace lze získat z Maxwellových rovnic [E1], v nichž se hustota elektrického proudu nahradí hustotou hmoty a tok elektrického náboje se nahradí tokem hmotnosti. (podrobněji viz [I2], [N1])

Dvě skupiny astronomů, jedna v Římě (Luigi Stella, [M1]) a druhá v MIT (Wei Cui, [M2]), oznámily, že mají experimentální důkaz těchto gravitačních polí v podobě slabé modulace Roentgenova záření, které přichází od neutronových hvězd. Toto záření je zkoumáno satelitem RXTE (Rossi X-Ray Timing Explorer). Zdrojem tohoto jevu jsou zakřivení prostoročasu způsobená rotující hmotou. Tato zpráva byla zveřejněna na zasedání Oddělení astrofyziky vysokých energií Americké astronomické společnosti v Coloradu.

Vroucí topologie

Vznik Einsteinovy obecné teorie relativity jako teorie gravitace otevřel kosmologii nové možnosti. Již v roce 1917 se Albert Einstein pokusil aplikovat své gravitační rovnice na vesmír jako celek a vytvořil první relativistický model vesmíru. Vyšel z předpokladu homogenity a izotropie rozložení hmoty ve vesmíru. Navíc se domníval, ve shodě s pevným přesvědčením fyziků a filozofů své doby, že vesmír je statický. Gravitační rovnice se však chovaly podobně jako starší Poissonova rovnice. Jediným statickým řešením byl prázdný plochý Minkowského prostoročas. Proto se Einstein rozhodl modifikovat své původní gravitační rovnice zavedením tzv. kosmologické konstanty Lambda, která mohla vesmír "stabilizovat". Význam kosmologické konstanty ale byl až do vzniku kvantové teorie polí nejasný. [E2]

Podle moderní teorie polí vakuum není prázdné, ale je vyplněno virtuálními částicemi, které vznikají kvantovými fluktuacemi. [E2] V tomto případě kosmologická konstanta Lambda představuje hustotu energie vakua. Inflační verze modelu velkého třesku požaduje pro rychlou expanzi vesmíru velikost kosmologické konstanty mnohem větší, než je dnes pozorována. Přitom k tomu, aby se vesmír vyvinul do svého současného stavu, je nutné, aby tato konstanta měla hodnotu blízkou nule. Ačkoliv dosud neexistuje kompletní kvantová teorie gravitace, Steven Carlip (UC Davis, 916-752-8786, [M3]) se domnívá, že záhadu kosmologické konstanty lze řešit modelem, který má na počátku velikost srovnatelnou s Planckovou vzdáleností (10^-35 m), kdy topologie prostoročasu byla zrnitá a vznikaly kvantové fluktuace [E2]. Tento prostoročas se později zvětšil do kosmologických měřítek (asi 10 miliard světelných let). Carlip srovnává tento model vesmíru s chováním ohřívané vody. Dokud voda nedosahuje bodu varu, dodávaná energie zvyšuje jeho teplotu. Jakmile voda ale dosáhne bodu varu, další energie pouze tento var zrychluje. Analogicky vyšší kosmologická konstanta pouze zvětšovala "var" vesmíru. Topologie prostoročasu byla komplikovanou změtí poruch a červích děr. Carlipova práce, která sahá za současné znalosti teorie grup a neeuklidovské geometrie, předpokládá zápornou hodnotu kosmologické konstanty a měla by být schopna vysvětlit, proč je současná hodnota kosmologické konstanty téměř rovna nule. (Physical Review Letters, tent. 24 Nov.)

Literatura a odkazy:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) Subject: update.345, PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 345 November 7, 1997 by Phillip F. Schewe and Ben Stein

[I2] From: physnews@aip.org (AIP listserver) Subject: update.295, PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 295 November 13, 1996 by Phillip F. Schewe and Ben Stein

[1] Ullman, Vojtěch: Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu. Československá astronomická společnost ČSAV, pobočka Ostrava, 1986

[N1] Physics News Update: Gravitomagnetické pole. Natura 12/96


Korelace mezi slunečními neutriny a slunečními skvrnami

Gunther Walther, matematik ze Stanfordu, tvrdí, že neexistuje žádná korelace mezi tokem neutrin ze Slunce a výskytem slunečních skvrn. Neutrina nás informují pouze o jevech v slunečním jádru, ale fyzikové by rádi získali co nejvíce informací ze skromných pozorování neutrin, zejména v detektoru v Severní Dakotě. Gunther Walther (415-723-3066, [M1]) uvádí, že dosavadní studie, které se snaží prokázat závislost toku slunečních neutrin na výskytu slunečních skvrn (růst počtu slunečních skvrn snižuje tok slunečních neutrin), užívají statistické testy, které v případě pozorování toku slunečních neutrin nelze použít. Naměřená data jsou totiž získána vždy v určitém časovém období a tím se objevují nesprávné korelace. Gunther Walther uvádí, že použití standardních statistických testů pro takové časové řady měřen není v učebnicích statistiky dostatečně popsáno a proto se tento problém může obecně objevit v řadě dosavadních vědeckých prací. (Upcoming article in Physical Review Letters, tent. 24 November 1997.)

Rekordní úroveň fúzní energie

Na britském urychlovači Joint European Torus (JET) byla pozorována rekordní úroveň fúzní energie. Bylo dosaženo skoku energie 13 MW a výstupní energie 10 MW byla udržována po dobu nejméně půl sekundy, což je pro fúzní experimenty velmi pěkný výsledek. Fúzní komora používá jako palivo směs deuteria a tritia (směsi atomů H[2;1] a H[3;1], kde první index v závorce je počet nukleonů a druhý index je počet protonů) a vznikají alfa částice (jádra izotopu hélia He[4;2] a He[3;2]). Vědci proto předpokládají, že plánovaný termonukleární reaktor ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) bude v provozu tak, jak bylo naplánováno (Nature, 6 Nov. 1997).

Uchovávání elektricky nabité plazmy

Nyní již lze uchovávat řídce se vyskytující ionty (jako jsou antiprotony nebo ionty uranu) neomezeně dlouho, což zřejmě povede ke zvýšení přesnosti atomových hodin, které ionty používají. Ve společné zprávě Oddělení plazmové fyziky Americké společnosti pro fyziku (American Physical Society Division of Plasma Physics) v Pittsburg, Univerzity v San Diegu a vědců z NIST (Pei Huang, NIST, 303-497-3508) byla vyvinuta nová technologie pro řízení elektricky nabité plazmy, tedy plynu složeného z nabitých částic, jako jsou kladně nabité ionty hořčíku nebo elektronový plyn. Nabitá plazma se většinou zachycuje v Penningově pasti, zařízení, které používá elektrická a magnetická pole. Taková plazma ale pomalu ztrácí svůj úhlový moment při rotaci v pasti a některé částice z pasti unikají. Dodatečná elektrická pole, která jsou vytvořena kolem magnetického pole pasti, umožňují zvyšovat úhlový moment iontů plazmy a tím zabraňují jejich úniku. Tato metoda snad pomůže vyřešit velmi obtížný úkol ovládání plynů elektricky nabitých částic, které se vyskytují v zařízeních magnetické fúze. (více informací lze získat na [X1])

Odchýlení paprsků o vysoké energii

Testy na zařízení Fermilab a na dalších zařízeních ukázaly, že paprsky o vysoké energii lze odchýlit řadou atomů ve speciálně nakloněných krystalech. Vědci ve Fyzikálním ústavu v Jerevanu (Arménie) zjistili, že krystaly z jednovrstevných nanovláken (single-walled nanotubes) jsou pro tuto aplikaci vhodnější, než dosud používaná karbonová nanovlákna (13,8 angstromů v průměru). (L.A. Gevorgyan et al., 10 Sept. 1997, JETP (Journal of Experimental and Theoretical Physics) Letters, ruský časopis s anglickým překladem, publikován AIP.)

Literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) Subject: update.346, PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 346 November 13, 1997 by Phillip F. Schewe and Ben Stein


Produkce Higgsových bosonů

Jako zařízení pro produkci Higgsových bosonů a jejich velmi přesné studium budou zřejmě sloužit urychlovače leptonů místo urychlovačů protonů, protože paprsky leptonů (elektronů, mionů a tauonů) přenášejí energii po kvantech, zatímco protony mohou mít libovolnou energii, protože se skládají z kvarků a gluonů.

Fyzikové by chtěli prostudovat Higgsovy bosony blíže. Podle standardního modelu Higgsovy bosony jsou částice, které nesou hmotu většiny známých částic. V urychlovači NLC (Next Linear Collider), v němž se budou provádět srážky elektronů a pozitronů, bude docházet k přímým srážkám, aby se zabránilo ztrátám energie synchrotronním zářením při pohybu elektronů po uzavřené dráze. Aby bylo možno realizovat srážky s energií řádově několika TeV, bude mít urychlovač NLC délku několika kilometrů. (Physics Today, November 1997). Miony jsou mnohem citlivější ke ztrátě energie synchrotronním zářením než elektrony a proto bude NLC schopen provádět srážky těchto nestabilních částic. Robert Palmer z Brookhavenu dokonce tvrdí, že v NLC srážky mionů budou šestkrát levnější než srážky elektronů v běžném urychlovači.

Pochybnosti o prvenství Alberta Einsteina vyvráceny

Albert Einstein má dodnes největší zásluhu za rozvoj moderní teorie gravitace. Dlouhou dobu se ale vedli diskuse o jeho prvenství. Tyto pochybnosti ale byly nyní rozptýleny. Klíčová Einsteinova práce o teorii relativity byla dokončena 25.11. 1915 a publikována byla 2.12. 1915. Práce jeho spolupracovníka, Davida Hilberta, která byla publikována 31.3. 1916 a která obsahovala téměř identické rovnice, byla dokončena již 20.11. 1915, tedy pět dní před dokončením práce Albertem Einsteinem. Proto z toho někteří vyvozovali, že Einstein tyto rovnice opsal od Hilberta. Nový výzkum ale dokázal, že tato hypotéza není pravdivá. Je totiž prokázáno, že původní Hilbertova práce neobsahovala podstatné rovnice, které David Hilbert do práce doplnil až 20.12., když David Hilbert prostudoval Einsteinův rukopis. Einstein a Hilbert v této době totiž byli velmi blízcí spolupracovníci. (Science, 14 November 1997.)

Teplota sluneční korony

Proč má sluneční korona teplotu řádově miliónů Kelvinů, když teplota povrchu Slunce je pouze 6000 Kelvinů? Nová měření satelitu SOHO prokázala existenci desítek tisíc magnetických dipólů ve vrstvě slunečního povrchu. Vědci z toho vyvozují, že uzavřené siločáry magnetického pole vystupující z povrchu Slunce jsou tak husté, že vytvářejí "krátká spojení", v nichž mohou protékat mocné elektrické proudy, jejichž energie se pak předává sluneční koroně. (Science News, 8 November.)

Další časová souřadnice

René Descartes ve své geometrii definoval prostor o třech prostorových souřadnicích. Albert Einstein ve speciální teorii relativity k těmto třem prostorovým souřadnicím přidal časovou souřadnici a definoval čtyřrozměrný prostoročas.

V 80. letech 20. století John Schwarz a Michael Green vytvořili stringovou teorii, v níž všechny elementární částice byly složeny z vibrujících strun (jednorozměrných membrán). Stringová teorie byla schopna odstranit nekonečné hodnoty, které se objevovaly při renormalizačních výpočtech obsahujících gravitační interakci a definovala dalších šest prostorových souřadnic. Bohužel, stringová teorie se dostala do matematických problémů a optimismus vědců ochladl. [1]

Nedávno ale Edward Witten z Institute for Advanced Study vyvolal "druhou stringovou revoluci". Vytvořil membránovou teorii, která předpokládá, že veškerá hmota ve vesmíru je složena z vícerozměrných nekonečně tenkých membrán. Membránová teorie ukazuje, že různé alternativní stringové modely jsou ekvivalentní formou stejné teorie. Novým důsledkem teorie je začlenění různých důležitých gravitačních systémů, jako jsou černé díry, do rámce kvantové teorie. Membránová teorie zvětšila počet prostorových souřadnic na jedenáct. [1], [2], [I2], [N1]

Nyní Comrun Vafa z Harvardu přidal ještě jeden rozměr, další časovou souřadnici, která zajišťuje větší vzájemnou kompatibilitu existujících teorií. Kvůli možným pozoruhodným vlastnostem, jako je možnost pohybu rychlostí vyšší než je rychlost světla ve vakuu a porušení principu kauzality jevů (čas není sekvenční, ale může být rozložen v rovině) nemá Vafova F teorie zatím přílišnou důvěru. (New Scientist, 1 November 1997).

Literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) Subject: update.347, PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 347 November 19, 1997 by Phillip F. Schewe and Ben Stein

[I2] From: physnews@aip.org (AIP listserver) Subject: update.329, PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 328 July 9, 1997 by Phillip F. Schewe and Ben Stein

[1] Synovcová, Markéta: Šest rozměrů navíc aneb teorie všeho. časopis Věda a technika mládeži, ?/1987?. str. 12 - 13. (Teorie superstringů).

[2] Ullman, Vojtěch: Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu. Československá astronomická společnost ČSAV, pobočka Ostrava, 1986

[N1] Membránová teorie. Physics News Update. Natura 08/97.

(c) 1997 Intellectronics