Následující sérii článků poskytl David Jeřábek, 2:420/53.1, zpracoval Jiří Svršek, 2:423/43 .

Boseovy-Einsteinovy kondenzáty (Bose-Einstein condensates, BEC) představují nový fyzikální stav (fázi) hmoty, ve kterém jsou atomy plynu ochlazeny na teplotu blízkou absolutní nule (-273,16 stupňů Celsia). Atomy plynu se vzájemně překrývají a přecházejí do společného kvantového stavu, který se chová jako jediná "superčástice". Boseova-Einsteinova kondenzace vzniká u bosonů. Bosony jsou částice s celočíselným spinem, které se řídí Boseho-Einsteinovou statistikou, což znamená, že v témže stavu může být libovolný počet bosonů v souboru a díky tomu mohou vytvářet bosonovou kondenzaci v nejnižším kvantovém stavu. Jde o kondenzaci nikoliv v prostoru určitých periodických uzlů, jako je tomu u fázových přechodů plynů na pevné látky, ale o kondenzaci v prostoru hybností. Přechod od klasického stavu ke kvantovému je náhlý, až dramatický. Kvantové chování se projevuje při teplotě degenerace. Na zasedání Americké fyzikální společnosti, oddělení atomové, molekulární a optické fyziky na univerzitě v Michiganu Wolfgang Ketterle a jeho tým z MIT (617-253-6815) oznámil, že vytvořil Boseův-Einsteinův kondenzát obsahující 5 miliónů atomů, což je desetkrát více, než bylo dosaženo v předchozím experimentu. Poprvé tak bylo možno přímo pozorovat kondenzát 150 mikronů dlouhý a 8 mikronů široký. Odborníci z MIT kondenzát ozářili světlem laseru a zaznamenali odražené světlo citlivou kamerou. Vznikl tak přímý obraz vlny atomové hmoty o vlnové délce rovné polovině délky kondenzátu. Odborníci dále prozkoumali optické vlastnosti kondenzátu a zjistili, že sodíkový kondenzát má vlastnosti podobné optické čočce, protože odražené světlo od kondenzátu bylo anizotropní, tedy rozptýlené jen v určitých směrech. Pro vytvoření kondenzátu odborníci použili kombinaci laserů a magnetických polí ve zvláštní konfiguraci, v níž bylo použito jedenáct laserů a směrovaného magnetického pole.

Skupina NIST v Coloradu prokázala, že atomy lze vysílat řízeně laserovým paprskem úzkými dutými trubicemi. Tato technologie je zatím poslední ze série inovací v atomové optice, které mohou být užitečné v určitých formách litografie. Japonští vědci z Akademie věd a technologií v Kanawaze (Haruhiko Ito, [M1] ), z tokijského Institutu technologie a z Národní university v Seoulu použili poněkud jinou technologii. Zatímco vědci v Coloradu použili jeden laserový paprsek, aby zavedl atomy plynu rubidia do 20 mikronů tlusté trubice a druhý laserový paprsek pro směrování atomů v trubici, Japonci dosáhli vyššího stupně řízení (směs atomů byla úspěšně poslána trubicí) posíláním směrovaného paprsku atomů rubidia dutým 7 až 2 mikrony silným optickým vláknem pomocí jediného laseru. Laserový paprsek odrážel atomy pouze pokud atomy dosáhly stěn optického vlákna, ale jinak s atomy neinteragoval (tedy je nezahříval). Tímto způsobem se podařilo pomocí laseru přenést atomy v 3 cm dlouhém optickém vláknu a podařilo se od sebe oddělit dva stabilní izotopy rubidia přítomné v proudu atomů. Předpokládá se, že pokud se použije ještě užší vlákno, pak bude možno s atomy manipulovat s nanometrovou přesností (H. Ito et al., článek v Physical Review Letters.)

Sonda Galileo, která prolétla atmosférou Jupitera v prosinci 1995, objevila pouze zlomek očekávaného množství vody. Další analýza získaných dat přinesla určitá překvapení. Rychlost větru na povrchu byla odhadnuta na 150 m/s, v hlubších vrstvách by měla rychlost dosáhnout až 200 m/s. Torrance Johnson z Jet Propulsion Laboratory na zasedání Americké geofyzikální unie v Baltimore oznámil, že všechna data ze sondy Galileo byla zaznamenána a do počítače sondy byl zaveden nový software, který bude plnit nové úkoly související s červnovým průletem sondy kolem Jupiterova měsíce Ganymedes. Sonda se k měsíci přiblíží na vzdálenost 900 km a pořídí mnohem dokonalejší snímky jeho povrchu, než dosud byly k dispozici.

Literatura:

[1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) Subject: update.272 PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 272 May 23, 1996 by Phillip F. Schewe and Ben Stein

[2] Odehnal, Milan: Supravodivost a jiné kvantové jevy. Academia, nakl. Československé akademie věd, Praha 1992

Fyzikové v NIST (Christopher Monroe, 303-497-7415) pomocí jednoho iontu atomu berylia experimentálně demonstrovali principy slavného myšlenkového pokusu nazývaného Schrodingerova kočka, kterým rakouský fyzik Erwin Schrodinger v roce 1935 demonstroval koncepční problémy Heisenbergova principu neurčitosti a kvantové mechaniky vůbec.

Do zapečetěné schránky je umístěna kočka a puška, která na kočku míří a vystřelí, když se rozpadne radioaktivní jádro (v jiných publikacích se někdy používá lahvička s jedem). Pravděpodobnost, že se tak stane je 0,5 (podle kvantové teorie nelze tento jev předpovědět jiným způsobem, než pomocí teorie pravděpodobnosti).

Jak připomíná britský kosmolog Stephen Hawking, dnes by si nikdo nedovolil navrhnout tento pokus ani jako myšlenkový, ale ve Schrodingerových časech nebyla ještě ochrana zvířat na dnešní úrovni. Dnes se již nedá zjistit, zda Schrodinger měl nějakou averzi ke kočkám. Co se týče kočky samotné, za kandidáta lze považovat kocoura Mr. Mistoffeleese, "Původní čarovné kočky" T. S. Elliota, který v Institutu pokročilých studií v Princetonu pracoval během roku 1948, v době, kdy tam byl Albert Einstein.

Když se schránka otevře, najdeme kočku buď živou nebo mrtvou. Před otevřením schránky je však kvantový stav kočky směsí stavu mrtvé kočky a stavu živé kočky. Tento názor mnozí filozofové považují za zcela nepřijatelný, protože kočka nemůže být napůl zastřelená a napůl nezastřelená. Jejich námitky pramení z toho, že používají klasickou představu reality, podle které má objekt jednoznačnou historii (světočáru). Podle kvantové mechaniky je třeba se na realitu musíme dívat tak, že objekt nemá jedinou historii, ale všechny možné historie. Ve většině případů se pravděpodobnosti určité skupiny historií vzájemně zruší, ale v některých případech se naopak pravděpodobnosti některých sousedních historií zesilují.

V případě Schrodingerovy kočky jsou dvě historie, které jsou zesíleny. V jedné historii je kočka mrtvá, ve druhé živá. Podle kvantové teorie mohou obě historie existovat paralelně vedle sebe. Na tomto případě je typické, že neurčitost původně omezená na atomovou úroveň je přenesena na makroskopickou úroveň, kde ji lze řešit přímým pozorováním. Podle současných představ takové přenesení z různých důvodů nelze provést a kvantové vlastnosti nelze přenášet na systémy složené z více atomů nebo molekul, jako je např. zmíněná kočka.

Fyzikové v NIST demonstrovali svým experimentem základní principy myšlenkového pokusu Schrodingerovy kočky na iontu atomu berylia. Umístili iont do nehomogenního elektrického pole a ochlazovali jej na teplotu blízkou absolutní nule. Pulsy laseru pak způsobili v iontu oscilace jako kombinaci vlnových balíků dvou různých elektrických stavů. Další pulsy laseru tyto dva vlnové balíky od sebe oddělily na vzdálenost více než 80 nanometrů, což je vzdálenost větší než je prostorová velikost iontu. Tímto způsobem původně kvantové stavy iontu přenesli do nekvantového měřítka. Výzkumníci dalším pulsem vlnové balíky znovu spojili a pozorovali interferenční obrazce, které dokazují, že skutečně předtím došlo k oddělení vlnových balíků. Měření stavů tohoto modelu Schrodingerovy kočky mohou poskytnout informace, jak se projevují kvantové vlastnosti při fyzickém oddělení kvantových stavů od sebe. (C. Monroe et al., Science, 24 May 1996.)

Supravodivá tunelová spojení STJ (Superconducting Tunnel Junction), která byla vyvinuta při vývoji výkonnějších detektorů rentgenova záření, lze použít jako detektory jednotlivých fotonů v optickém vlnovém pásmu. Takové zařízení by jistě přivítali astronomové, kteří stále více používají pro detekci světla kamery s CCD (Charge-Coupled Device) prvky. Na rozdíl od CCD prvků na křemíkové bázi, které nejsou schopny rozlišovat energii fotonů (jeden foton vytvoří v detektoru jeden elektron), detektor STJ na bázi niobu dokáže velikost energie fotonů rozlišovat (jeden foton může v závislosti na velikosti své energii generovat proud několika tisíc elektronů). Určení energie fotonů pak astronomům umožní sestavovat světelné filtry, které svou výkonností překročí výkonnost současných filtrů. Zařízení STJ, které bylo vyvinuto společným týmem Evropské agentury pro vesmír (European Space Agency) (Holandsko) a univerzit v Oxfordu a Cambridgi, může detekovat světlo ve vlnovém rozsahu od 200 do 500 nm s přesností rozlišení vlnové délky pod 45 nm (chtějí vyvinout zařízení s přesností pod 20 nm). Zařízení STJ je také schopno určit dopad fotonu do detektoru s přesností na milisekundy, čímž může být použito pro studium velmi rychlých astronomických procesů, jako jsou světelné pulsy pulsarů (A. Peacock et al., Nature, 9 May 1996.)

Literatura:

[1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) Subject: update.273 PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 273 May 31, 1996 by Phillip F. Schewe and Ben Stein

[2] Subject: Measurement in quantum mechanics FAQ Item 2.: Schrodinger's cat. Original by Paul Budnik (paul@mtnmath.com) From: paul@mtnmath.com Date: 31 Aug 1995 22:08:02 -0700

[3] Hawking, Stephen: Černé díry a budoucnost vesmíru. edice Kolumbus, Mladá fronta, Praha 1995 angl.originál: Black Holes and Baby Universies and Other Essays, Bantam Books, New York 1993

[4] Coveney, Peter; Highfield, Roger: Šíp času. nakl. Oldag, Ostrava 1995, ISBN: 80-85954-08-7, orig.: The Arrow of Time, WH Allen (Virgin Publishing Ltd.), Great Britain, 1990

Při hledání známek deuteria ve vzdálených plynových oblacích a ve velmi vzdálených quasarech (s rudým posuvem 3.7) astronomové na univerzitě v San Diegu zjistili, že poměr zárodečného deuteria a vodíku je 2,3.10^-5, což je zhruba desetkrát méně než oznámil jiný tým v roce 1994. Termín "zárodečný" se v tomto případě vztahuje k období krátce po velkém třesku, ještě před vznikem hvězd. Hvězdy v pozdějším období představovaly zdroj deuteria, které vznikalo jadernou fúzí v jejich jádrech. Nový výrazně nižší odhad poměru deuteria a vodíku vede k závěru, že hustota baryonů (protonů a neutronů) byla na počátku vyšší než se původně myslelo. Toto množství je stále ještě mnohem menší, než je potřeba k tomu, aby vesmír byl uzavřený. (David Tytler et al., Nature, 16 May 1996.)

Vědci na univerzitě v Tokiu sestavili v současné době nejrychlejší počítač pro vědecké výpočty. Počítač dosahuje 1,08 Tflops (trilión operací v pohyblivé řádové čárce za sekundu). Junichiro Makino ([M1]) a Makoto Taiji na tomto počítači GRAPE-4 provedli simulaci komplexních interakcí mezi astronomickými objekty, jako jsou hvězdy a galaxie. Tento typ simulace se označuje jako problém N těles, protože chování každého z N objektů je ovlivněno všemi ostatními objekty. Tento problém nelze řešit explicitně diferenciálními rovnicemi, ale pouze numericky. Takový výpočet velmi náročný na strojový čas. Počítač GRAPE-4 je 100krát rychlejší než nejrychlejší počítače za posledních deset let. Dosud se pro problém N těles používají rafinované efektivní algoritmy. GRAPE-4 používá 1692 procesorů, z nichž každý dosahuje rychlosti 640 Mflops. Tokijští vědci chtějí sestavit počítač s rychlostí 10^15 operací za sekundu, kdy bude použito 20 tisíc procesorů s rychlostí 50 Gflops. (Computers in Physics, July/Aug 1996.)

Literatura:

[1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) Subject: update.274 PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 274 June 7, 1996 by Phillip F. Schewe and Ben Stein

Poprvé v historii fyzikové využili zákony kvantové mechaniky pro posílání dat. Přenos informace tímto způsobem je mnohem výkonnější než klasickými metodami. Na rozdíl od tradičních počítačů, v nichž se data skládají z elektrických impulsů kódovaných do binárního tvaru (tj. proud binárních 0 a 1), výzkumníci z Univerzity v Innsbrucku v Rakousku posílají data složená z jednotlivých fotonů, které jsou kódovány jako hodnoty 0, 1 a 2. Data tedy nejsou posloupností bitů, ale "tritů". Vědecký tým na Univerzitě v Innsbrucku (Harald Weinfurter, [M1]) konvertuje foton s ultrafialovým spektrem na dva fotony, jejichž vlastnosti jsou kvantově vázány. Vysílací zařízení pak kóduje trity 0, 1 a 2 do jednoho z fotonů (nastavením spinu a posuvem jeho fáze). Zařízení nerozpoznává počáteční stav fotonu a proto se mění všechny vlastnosti fotonového páru, aniž lze určit výsledný stav. Oba fotony jsou rekombinovány a pak tento vázaný pár fotonů prolétává sítí detektorů. Interference dvou fotonů vytváří tři různé varianty, pomocí nichž lze určit kvantový stav vázaných fotonů a tím rozpoznat, zda foton kódoval trit 0, 1 nebo 2. Tato metoda vázaných stavů byla odzkoušena v mnoha předchozích experimentech, jako jsou kvantová logická hradla nebo demonstrace myšlenkového pokusu Schrodingerova kočka. Dosud však tato metoda nebyla použita pro kvantovou komunikaci, kde slibuje zrychlení přenosu dat. Například pro kódování jednoho ASCII znaku je třeba 8 bitů ale pouze 5 tritů. (K. Mattle et al, Physical Review Letters, 17 June 1996. Více informací lze nalézt na URL [X1] ).

Nejbližší planeta mimo sluneční soustavu obíhá kolem hvězdy Lalande 21185, která je od Slunce vzdálena 8,1 světelného roku. George Gatewood z Univerzity v Pittsburghu pozoroval kolísání světelného toku od této hvězdy, což ukazuje na přítomnost planety velikosti Jupitera, která se pohybuje kolem hvězdy zhruba ve vzdálenosti Saturna. Získaná data, která Gatewood předložil na zasedání Americké astronomické společnosti v Madisonu, dokonce naznačují existenci dalších planet v tomto systému. Další planetu objevil Geoff Mancy ze San Francisca a Paul Butler z Berkeley, kteří oznámili objev dvou nových planet v lednu 1996. Jejich novým objevem je planeta zhruba velikosti Jupitera obíhající kolem hvězdy ró Cnc (souhvězdí Kraba), která je ve vzdálenosti 40 světelných let od Slunce. Planeta obíhá hvězdu jen ve vzdálenosti 0,1 astronomické jednotky od hvězdy. Jeden její oběh trvá zhruba dva pozemské týdny (Sky & Telescope, July 1996).

Filmování Krabí mlhoviny M1 v souhvězdí Býka přináší nové podrobnosti o dynamice pulsarů. Uvnitř Krabí mlhoviny se nachází pulsar, který je zbytkem supernovy pozorované čínskými hvězdáři v roce 1054. Pulsar je mocným zdrojem částic, které proudí do okolní látky. Ve spojitém spektru vyzařuje asi 80% celkového zářivého výkonu mlhoviny. Obálka se rozpíná rychlostí 1100 km/s a má složitou vláknitou strukturu. Ve spektru od oblasti rentgenova záření až po oblast rádiového záření vyzařuje zbývajících 20% celkového zářivého výkonu mlhoviny.

Hubbleův teleskop zaznamenal sérii snímků, které ukazují proudění látky a energie z pulsaru. Značným překvapením byla rychlost změn v okolí pulsaru. Znatelné změny v rozložení okolní hmoty bylo možno pozorovat již v rozpětí několika dní. Dalším překvapením byla skutečnost, že tok energie se kolem pulsaru soustřeďuje ve dvou hlavních zónách. Paprsky částic odlétají z pólů a hrubší materiál se soustřeďuje v rovníkové oblasti pulsaru. (Science News, 8 June; Science, 7 June.)

Podle současných představ supernovy vznikají gravitačním kolapsem hvězd určité hmotnosti na konci jejich evoluce. Část hmoty hvězdy je přitom vyvržena do okolního prostoru a tvoří zbytek supernovy, z nichž některé lze pozorovat v optickém oboru. Vlastní jádro hvězdy vytvoří pulsar, který je velmi rychle rotující neutronovou hvězdou. Pulsar vyzařuje do svého okolí prostřednictvím silného magnetického pole svou rotační energii ve formě směrovaného záření a jak již bylo uvedeno také mohutný proud elementárních částic.

Literatura:

[1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) Subject: update.275 PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 275 June 14, 1996 by Phillip F. Schewe and Ben Stein

[2] Šolc, Martin; Švestka, Jiří; Vanýsek, Vladimír: Fyzika hvězd a vesmíru. SNTL, Praha 1983

Astronomové stále hledají přímé důkazy existence černých děr. Určitým důkazem je pohyb hvězd a plynu v blízkosti předpokládané černé díry, ale není důkazem přímým a jednoznačným. Paul Wiita a jeho kolegové v Georgia State tvrdí, že polarizace rentgenova záření, které pozorujeme od některých vesmírných objektů jako jsou rentgenové dvojhvězdy a aktivní jádra galaxií, může být důkazem přítomnosti černé díry. Rentgenovo záření vzniká při tzv. akreci. Akrece je proces, při kterém látka z blízké hvězdy a mezihvězdný plyn je gravitačním polem vtahována do černé díry a při svém pádu je vlivem silného adiabatického stlačování a brzdění viskózním třením (případně ještě turbulencemi a rázovými vlnami) silně zahřívána. Kolem černé díry se v její rovníkové rovině vytváří akreční disk. Viskózním třením se akreční disk zahřívá (zejména jeho vnitřní okraj) a tato tepelná energie je formou elektromagnetického záření vyzářena silnou emisí infračerveného, viditelného a rentgenového záření. Podle Paula Wiity a jeho kolegů ([M1]) záření, které přichází z vnitřní části akrečního disku má nejen vyšší energii, ale navíc vykazuje značné změny své polarizace. Stupeň této polarizace je zřejmě zesílen silným gravitačním polem černé díry. Bohužel, v blízké budoucnosti nebude možno tuto hypotézu ověřit, protože plánovaná montáž orbitálního systému pro měření polarizace na orbitálním rentgenovém teleskopu AXAF v roce 1998, byl nedávno zrušena. (Gang Bao, Paul Wiita a Petr Hadrava, Physical Review Letters, 1 July 1996.)

Sonda Galileo nedávno provedla měření magnetického pole v okolí Jupiterova měsíce Io. Měření intenzity magnetického pole dává hodnoty zhruba o 38% nižší, než je očekávaných 1860 nanoTesla v případě, že by pole pocházelo pouze od planety Jupiter. Výzkumníci již dříve uvažovali o tom, že dodatečné pole může vytvářet blízký měsíc Io přítomností urychlených iontů ve svém okolí. V květnu tohoto roku na zasedání Americké geofyzikální unie v Baltimore však Margaret Kivelsonová z UCLA podotkla, že ani nejshovívavější odhady na základě počtu iontů změřených sondou Galileo nemohou vysvětlit tak výrazný pokles magnetického pole. Nejpřijatelnějším vysvětlením těchto naměřených výsledků by podle Kivelsonové mělo být magnetické pole vznikající v jádru měsíce Io (astronomové předpokládají, že jádro měsíce obsahuje slitiny kovů a sulfidů kovů) rázovými vlnami v tekutém kovu, podobně jako je tomu uvnitř planety Země a planety Merkur. Potvrzení této hypotézy bude vyžadovat podrobnou analýzu měření toku iontů sondou Galileo. Io by mohl být první známý měsíc, který vytváří své vlastní magnetické pole. (článek v Physics Today, July 1996).

Literatura:

[1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) Subject: update.276 PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 276 June 21, 1996 by Phillip F. Schewe and Ben Stein

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

(c) 1997 Intellectronics

časopis o přírodě, vědě a civilizaci