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

Akustická chirurgie používá zvuku místo skalpelu pro různé účely, jako je odstranění nádoru nebo zastavení vnitřního krvácení. Na zasedání Mezinárodního kongresu akustiky a Americké akustické společnosti koncem června 1998 v Seattlu britský lékař Gail ter Haar z Královské Marsdenovy nemocnice v Anglii (011-44-181-642-6011) popsal klinické experimenty, při nichž bylo použito zvukových vln pro odstranění částí zhoubných nádorů jater, ledvin a prostaty u 23 pacientů. Zvukové vlny jsou speciálně tvarovanými reproduktory soustředěny uvnitř těla tak, aby jejich působením vznikalo v malé oblasti tkáně intenzivní teplo, které je schopno zničit rakovinné buňky zhoubného nádoru. Takto zahřátá oblast je natolik malá, že hranici mezi zdravou a rakovinnou tkání tvoří pouze několik buněk. Takový chirurgický zákrok zdaleka přesahuje přesnost jakéhokoliv skalpelu. Ter Haar uvedl, že dalším krokem klinických experimentů bude kompletní odstranění zhoubných nádorů jater a prostaty. [X1]

Roy Martin z Univerzity ve Washingtonu (206-685-1883) hovořil o použití ultrazvuku pro zastavení vnitřního krvácení jater. Zvukové vlny ohřívají krvácející oblast a vzniklé teplo způsobuje chemické a fyzikální změny, které zastavují krvácení. Vnitřní krvácení jater je dosud závažnou překážkou chirurgie jater.

Alex Zettl a jeho kolegové z laboratoří LBL vytvořili novou formu pevného uhlíku složenou z molekul uhlíku C-36. Kapaliny, sypké látky a filmy z uhlíkových materiálů jsou získávány spalováním v elektrickém oblouku, ve kterém vznikají záblesky mezi dvěma grafitovými elektrodami. Molekula C-36 může mít mnohem lepší vlastnosti, než lépe známá molekula C-60. Vědci věří, že nová látka bude mít zajímavé elektrické a chemické vlastnosti. Pevná látka molekul C-36 smíchaná s alkalickými kovy by mohla mít supravodivé vlastnosti za teplot vyšších než mají keramické supravodiče. (Nature, 25 June 1998)

Vědci z Ústavu Maxe Plancka v Gottingenu experimentálně prostudovali supratekutost pouhých šedesáti atomů. Ve směsi atomů hélia He-3 a He-4 rozpustili molekuly OCS při teplotě nižší než je kritický bod supratekutosti atomů He-4 a současně vyšší než je kritický bod supratekutosti atomů He-3. Z infračerveného spektra emitovaného molekulami OCS vědci usuzují, že molekuly OCS volně rotují uvnitř obalu supratekutého He-4 o tloušťce pouhých dvou vrstev. Obaly supratekutého He-4 volně plavou v kapalině He-3. Atomy He-4 se chovají jako vakuum, ve kterém se molekuly OCS pohybují bez tření. (Science, 27 March)

Esejista a vědec Philip Morrison odhadl růst zaznamenávané informace. Starověká knihovna v Alexandrii obsahovala asi 600 tisíc svitků, které podle Morrisona odpovídaly asi 50 tisícům knihám. Knihovna amerického Kongresu obsahuje asi 20 miliónů knih, každá o kapacitě zhruba miliónu bytů, což odpovídá celkové kapacitě 20 terabytů informace. K tomu je třeba přidat několik petabytů (1 petabyte = 1024 terabytů) zvukových záznamů. Nové knihy a noviny celého světa ročně představují kapacitu méně než 100 terabytů. Filmové záznamy od začátku 20. století představují asi jeden petabyte informace a všechny fotografie z domácích alb představují asi 10 petabytů informace. Podle Morrisona největšími zdroji informace na Zemi jsou televize, která ročně představuje asi 100 petabytů informace, a telefony, které představují dokonce několik exebytů informace (1 exebyte = 1024 petabytů) ročně. Asi 100 petabytů informace (většinou televizních záznamů) je ročně ukládáno (nebo bude ukládáno) pro další použití. (Scientific American, July 1998)

Literatura a odkazy:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) Subject: update.380, PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 380 July 1, 1998 by Phillip F. Schewe and Ben Stein

[X1] Acoustical Society of America.

Všechny fyzikální procesy v klasické Newtonově mechanice se odehrávají ve třech prostorových dimenzích a v nezávislém čase. Speciální a obecná teorie relativity sjednotily prostor a čas v časoprostorové kontinuum o čtyřech dimenzích.

John Gribbin v článku "The Lost Dimensions of Reality", který byl publikován v časopise Analog Science Fiction & Fact Magazine v dubnu 1985, se zabýval důsledky dalších dimenzí fyzikálního prostoru. [X1]

Gribbin popsal pokusy teoretických fyziků vytvořit teorii, která by sjednotila silnou, slabou a elektromagnetickou interakci s interakcí gravitační. Někteří teoretikové dospěli k závěru, že vesmír, ve kterém žijeme, není pouze čtyřrozměrný prostoročas, ale jedenáctirozměrný prostoročas. Zbývajících sedm dimenzí "zkompaktifikovalo", tedy uzavřelo do sebe tak, že poloměr křivosti prostoru v jejich rozměrech je nepatrný. Taková teorie se označuje jako Kaluzova-Kleinova teorie.

Proč vlastně sjednocování silových interakcí vyžaduje více dimenzí? Uvažujme nejjednodušší aplikaci Kaluzovy-Kleinovy teorie pro elektrický náboj.

Každému elektronu přísluší vlastní moment hybnosti částice, který se nazývá spin. Nejjednodušší znázornění spinu je založeno na představě, že částice je podobná kuličce a její spin je způsoben rotací kuličky kolem vlastní osy.

Důsledné uplatnění zmíněné představy ovšem vede k vážným rozporům. Elektron má například svůj magnetický moment, který lze vysvětlit rotací nabitého předmětu kolem osy. Ale rotace elektronu by musela být tak vysoká, že rychlost bodů na jeho "rovníku" by značně přesáhla rychlost světla. Také není jasné, proč rotaci nelze zastavit. Velikost spinu částice je její trvalou charakteristikou.

Takovu veličinu v nerelativistické fyzice neznáme. Tam je moment hybnosti spjat s otáčivým pohybem tělesa kolem nějaké osy. Jestliže ustane pohyb nebo jestliže je hmotnost tělesa nulová, je nulový také moment hybnosti. Spin přísluší částici i v klidu, i částici s nulovou klidovou hmotností. K jeho určení není třeba zadat osu otáčení. Spin je v tomto smyslu veličinou, která se projevuje svým zákonem zachování a schopností přeměny v jiné známé druhy momentu hybnosti. Úhrnný moment hybnosti zůstává zachován.

Každá částice má svou stálou hodnotu spinu, kterou nikdy nemění. Spin může nabývat jen zcela určitých dovolených hodnot, které se řídí jednoduchým pravidlem. Spin podstatně určuje chování částice ve skupině stejných částic a jeho hodnota má vliv na počet stavů, v nichž se částice může nacházet.

Spin elektronu může nabývat jen dvou hodnot, protože elektron může pro danou myšlenou osu rotovat pouze dvěma směry. Obě hodnoty mají stejnou absolutní velikost. Fyzikové tyto dvě hodnoty spinu označují jako "horní" a "dolní".

Klíčovou vlastností spinu elektronu je, že nelze určit osu rotace. Stejně jako elektron se může vyskytovat na různých místech v prostoru, může mít libovolnou osu rotace. Nezávisle na tom, která osa rotace se použije, elektron má spin stále stejné hodnoty (tedy vždy jen buď "horní" nebo jen "dolní"). Měření tedy určuje osu rotace a před tímto měřením nelze tuto osu rotace určit.

Pokud atomový nebo jaderný systém rotuje, jeho úhlový moment má hodnotu, která je celým násobkem hodnoty spinu elektronu. Spin libovolné částice nebo systému částic je tedy kvantován.

Další kvantovou veličinou elektronu je elektrický náboj. Všechny částice mají buď kladný nebo záporný elektrický náboj, jehož velikost je rovna náboji elektronu. Náboj a spin částice jsou tedy kvantovány. Lze se proto ptát, zda mezi nimi existuje nějaký vztah.

Ve 40. letech 20. století teoretičtí fyzikové použili aparát matematiky kvantové teorie na popis geometrických rotací spinu v normálním trojrozměrném prostoru a pro popis chování náboje pomocí veličiny nazvané isospin. Isospin není trojrozměrným vektorem, ale vektorem ve vícerozměrném prostoru, jehož jedna dimenze se promítá do našeho prostoru. Šlo o užitečný teoretický koncept, který byl schopen vysvětlit, jak se neutrony v jádře atomu mohou měnit na protony a naopak, nebo jak souvisí elektrony a neutrina.

Kaluzova-Kleinova teorie [E1], která byla po více než 60 let považována za zvláštní ale netestovatelnou variantu Einsteinovy obecné teorie relativity, se stala náhle "horkou novinkou", když se ukázalo, že může sjednotit různé silové interakce. Původní Kaluzova-Kleinova teorie ukazovala, jak lze elektromagnetickou interakci začlenit do rámce obecné teorie relativity přidáním dalších prostorových dimenzí, které zkompaktifikovaly do malých smyček. Každý bod našeho prostoru je tvořen velmi malou smyčkou ve vícerozměrném prostoru.

Částice se ve zkompaktifikovaných dimenzích pohybují po uzavřených dráhách. Tento pohyb podle Kaluzovy-Kleinovy teorie lze chápat jako elektrický náboj, který podle směru pohybu je kladný nebo záporný. Spin a podobné rotace v normálním prostoru jsou kvantovány, protože rotaci objektu o 360 úhlových stupňů nelze rozlišit od rotace o nulový úhel. Podobně pohyb částice po celé uzavřené dráze ve zkompaktifikovaných dimenzích odpovídá kvantování elektrického náboje. Velikost náboje odpovídá délce uzavřené dráhy ve zkompaktifikovaných dimenzích.

Kaluzova-Kleinova teorie vede k řadě dalších zajímavých výsledků. Newtonův zákon pohybu, kdy velikost akce odpovídá velikosti reakce, odpovídá v Kaluzově-Kleinově teorii zákonu zachování elektrického náboje.

Kaluzova-Kleinova teorie také řeší problém symetrie CPT. Hypotéza symetrie CPT tvrdí, že fyzikální zákony jsou invariantní vůči současnému provedení transformací C (záměna elektrického náboje), P (zrcadlení) a T (inverze toku času). Dosud všechny provedené experimenty jsou konzistentní s přesnou symetrií CPT, která má v Kaluzově-Kleinově teorii má jednoduchou geometrickou interpretaci.

Novější verze Kaluzovy-Kleinovy teorie si kladou vyšší cíle. Chtějí začlenit nejen elektromagnetickou interakci, ale také slabou a silnou interakci do rámce obecné teorie relativity. Toho lze dosáhnout zvětšením počtu dimenzí. Vlastnosti kvarků, jako je "barva" nebo "vůně" lze popsat pomocí pohybu částice v uzavřených smyčkách. Zdaleka ovšem nejde o jednoduché rozšíření Kaluzovy- Kleinovy teorie, protože vlastnosti slabé a silné interakce jsou mnohem složitější než vlastnosti elektromagnetické interakce. Zatímco elektromagnetická interakce je popsána pomocí jediné kalibrační částice (fotonu), slabá interakce vyžaduje tři částice (intermediální bosony W+, W-, Z0) a silná interakce vyžaduje osm částic (gluonů). Mohli bychom se domnívat, že bude nutné celkem dvanáct (1+3+8) dalších dimenzí. Analýza problému ale ukázala, že postačuje pouze přidat sedm dalších dimenzí ke čtyřem dimenzím prostoročasu obecné teorie relativity, abychom popsali všechny známé silové interakce.

Existují však fyzikální důvody pro existenci mnohem většího počtu zkompaktifikovaných dimenzí Kaluzovy-Kleinovy teorie. Inflační scénář evoluce vesmíru ukazuje, že vesmír se ve své počáteční fázi vývoje zvětšil nejméně 10^88-krát, než jeho vývoj začal probíhat podle standardního kosmologického modelu. Zásadním problémem tohoto scénáře je nutnost specifikovat počáteční podmínky raného vesmíru, které vyžadují kolem 10^88 základních parametrů. Počáteční expanzi vesmíru lze ale mnohem kompaktněji popsat tak, že vesmír byl na počátku náhodně uspořádaný prostor s mnoha dimenzemi. Při rozpínání vesmíru většina dimenzí začala kolabovat a jejich neuspořádanost se přenesla do "normálních" dimenzí našeho světa. Výpočty ukazují, že pro popis vývoje našeho vesmíru postačuje asi 40 dodatečných dimenzí a pro popis vesmíru v současném stavu, jak již bylo uvedeno, postačuje 7 dodatečných dimenzí.

Principy Kaluzovy-Kleinovy teorie ukazují, že do těchto dodatečných dimenzí nelze z našeho "normálního" časoprostoru proniknout. Hmota je složena z různých částic, leptonů a kvarků, které se od sebe odlišují svým chováním v Kaluzově-Kleinově hyperprostoru. Přechod do jiných dimenzí by znamenal změnu těchto částic a vyžadoval by značné množství energie.

Kaluzova-Kleinova teorie nevylučuje existenci více než sedmi dodatečných dimenzí pro popis současného vesmíru, které by mohly popisovat další nám neznámé silové interakce.

Tyto silové interakce mohou být velmi silné, že všechny částice v našem vesmíru nemají dostatek energie k tomu, aby se v těchto dimenzích pohybovaly. Proto se takové silové interakce v našem vesmíru vůbec neprojevují.

Silové interakce ale mohou být naopak velmi slabé, takže naše experimenty nejsou dostatečně citlivé, aby odhalily nějaký měřitelný efekt. Časovou symetrii T porušuje pozorovaný rozpad mezonu K[0;2], který může odpovídat hypotetické "superslabé" síle. Tato časová asymetrie by mohla být jedním z důkazů nové Kaluzovy-Kleinovy teorie.

Z Kaluzovy-Kleinovy teorie plyne, že všechny hmotné částice našeho vesmíru se pohybují v dodatečných dimenzích a tím se projevují jejich vlastnosti. Lze si představit existenci částic, které se pohybují v takových dodatečných dimenzích, že nemají žádné pozorovatelné vlastnosti v našem časoprostoru. Ovlivňuje je pouze gravitační interakce a mohou představovat skrytou hmotu ve vesmíru.

Teorii silných interakcí (kvantovou chromodynamiku) s teorií elektroslabých interakcí (Weinbergovu a Salamovu teorii) spojují grandunifikační teorie (GUT, Grand Unified Theories). [E1] Tyto teorie ale nezahrnují gravitační interakci a nelze je považovat za úplné.

Názory na úlohu gravitace ve struktuře elementárních částic se velice různí a jsou mezi dvěma krajními polohami. Jednou z nich je názor, že gravitace nemá žádný vliv na strukturu a interakce elementárních částic. Tento názor vychází z faktu, že gravitační interakce je daleko slabší, než ostatní druhy interakcí.

Druhý krajní názor zastával Albert Einstein a jeho následovníci (např. John Archibald Wheeler). Gravitace, jakožto fyzika prostoročasu, hraje určující roli e struktuře elementárních částic a je jejich nejvlastnější podstatou.

Podle této koncepce je nutné hledat taková zobecnění geometrických vlastností prostoročasu, jejichž přirozenými důsledky by byly závěry kvantové teorie pole o vlastnostech elementárních částic.

Stále více převládá názor, že nelze oddělit fyziku elementárních částic a teorii gravitace. Zdá se, že bez zahrnutí gravitace nemůže být vytvořena konzistentní a jednotná teorie částic. Je proto přirozenou snahou završit unitarizaci interakcí v kvantové teorii pole zahrnutím gravitační interakce. Tento unitarizační program se označuje jako supergrandunifikační teorie (teorie supergravitace).

Myšlenka velkého sjednocení je přitažlivá. Teorie však obsahuje řadu potíží a problémů, jako např. problém hierarchie hmotností generovaných mechanismem spontánního narušení symetrie ve skalární části pole nebo problém velkého množství volných parametrů (více než 20). Není jasné, jak volit mezi několika alternativními modely.

V unitarizačních snahách jsou dvě diametrálně odlišné cesty. Jednou z nich je Einsteinova geometrická cesta, která končí Wheelerovou geometrodynamikou. Druhou jsou kvantové kalibrační teorie pole, které vedou k supergravitaci, která však nemá s geometrickým charakterem nic společného. Einsteinovo pojetí gravitace jako geometrické struktury prostoročasu vychází z hlubokých a názorných principů. Proto se nabízí otázka, zda nelze geometrickými metodami konstruovat také supergravitační pole. Fyzikálně by to znamenalo, že "náboje" supergravitace by měly svůj původ v geometrické struktuře prostoročasu, podobně jako gravitační "náboj" v obecné teorii relativity má původ v křivosti prostoročasu.

Supergravitace skutečně může být formulována jako geometrická teorie v superprostoru (rozšíření Minkowského obecně zakřiveného prostoročasu s rozměry spinorového charakteru) s použitím aparátu diferenciální geometrie zobecněného na situaci, kdy některé souřadnice antikomutují. Jedná se tedy o prostor s torzí, přičemž se ukázalo, že všechny komponenty křivosti lze vyjádřit pomocí torze a jejích kovariantních derivací. Torze se tak stává základním geometrickým objektem v supergravitaci.

Nové pokusy o geometrickou formulaci supergravitaci vedou k určitému využití Kaluzovy-Kleinovy teorie. Vytvářejí se teorie v mnohorozměrném (d > 4) prostoročase, které by pomocí spontánní kompaktifikace mohly dát reálnou efektivní teorii v prostoročase pro d = 4. [E1]

Dnešní grandunifikační teorie se snaží sjednotit tři základní interakce, silnou interakci, slabou interakci a hypernábojovou interakci, která lépe popisuje elektromagnetickou interakci při velmi vysokých energiích několika GeV. Problém těchto teorií spočívá v tom, že hrály roli při velmi vysokých energiích (více než 10^16 GeV) ve velmi raném období vývoje vesmíru, kdy zmíněné interakce byly sjednoceny do jediné interakce.

Fyzikové z laboratoří Evropské rady pro jaderný výzkum CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléare) u Ženevy (kontakt: Keith Dienes, [M1], 011-44-22-767-2459) vytvořili případ, kdy unifikační energie může být výrazně nižší, pokud existují další prostoročasové dimenze. Takové dimenze jsou součástí předpovědí stringové teorie, které popisují interakce mezi částicemi jako struny, jejichž konce se chovají jako elementární částice.

Teorie superstringů je teorií desetirozměrného vesmíru, v němž základním stavebním kamenem nejsou nekonečně malé body, ale nekonečné malé struny, které se vzájemně pohybují a pak se navenek projevují jako kvarky, leptony nebo fotony. Při srážce dvou strun se mění vnitřní stav, vzniká jedna nebo více nových strun, což je pozorováno jako vznik a zánik částic. [E1]

Dodatečné dimenze teorie superstringů jsou zkompaktifikovány do uzavřených smyček o rozměru asi 10^-35 metru. Tento rozměr je mnohem menší, než jsou možnosti současných nejlepších urychlovačů s rozlišením zhruba 10^-18 metru. Fyzikové z CERN ale tvrdí, že dodatečné dimenze mohou být výrazně větší, až řádu 10^-19 metru, při energiích již několika TeV. Pokud tomu tak skutečně je, v nejbližších letech budou fyzikové moci provádět testování grandunifikačních teorií v urychlovačích. Elementární částici, jako je Z boson, který zprostředkovává slabou interakci, lze urychlit tak, aby dosáhla energie několika TeV. Comptonova vlnová délka (velikost částice jako vlnového objektu) bude menší než je určitá dodatečná dimenze a částice tak pronikne do této dimenze. Tento průnik částice do další dimenze povede ke vzniku nových částicových rezonancí s hmotností několika TeV. Studium těchto nových částic (tzv. Kaluzovo-Kleinových excitací) pomůže určit velikost dodatečných dimenzí a vlastnosti grandunifikačních nebo superstringových teorií při mnohem nižších energiích, než se původně myslelo. V minulosti se někteří fyzikové domnívali, že přímé testování těchto teorií nebude nikdy možné. Ale situace se může změnit. (Dienes, Dudas, Gherghetta, článek v elektronické formě lze získat na [X2], obrázky jsou dostupné na [X3]).

Literatura a odkazy:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 381 July 9, 1998 by Phillip F. Schewe and Ben Stein

[X1] John G. Cramer: The Other 40 Dimensions. Analog Science Fiction & Fact Magazine. The Alternate View Column AV-06. April, 1985.

[X2] Keith R. Dienes, Emilian Dudas, Tony Gherghetta: Extra Spacetime Dimensions and Unification. March 1998. CERN-TH/98-65. LPTHE-ORSAY 98/25. hep-ph/9803466. e-Print Archive. Los Alamos National Laboratory. US National Science Foundation.

[X3] American Institute of Physics.

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

[E1] Unitární teorie pole a kvantová gravitace: Počet dimenzí fyzikálního prostoru. Pětirozměrná Kaluzova-Kleinova unitární teorie. Teorie superstringů. Membránová teorie. Sjednocování fundamentálních interakcí. Sjednocení elektromagnetické a slabé interakce. Silná interakce a kvarkový model. Grandunifikační teorie. Super- grandunifikační teorie. Obecné principy unitární teorie pole.

Reference autora článku [X1]:

* Kaluza-Klein Theories: A. Salam and J. Strathdee, Annals of Physics 141, 316 (1982).

* Inflation and K-K Theory: R. B. Abbott, S. M. Barr, and S. D. Ellis, Physical Review D30, 720 (1984).

Na konci článku "Nové důvody pro hledání dalších dimenzí" byla zmíněna možnost získat odborný text na WWW serveru Národní laboratoře v Los Alamos. Elektronický archiv [X1] vznikl na základě činnosti Národní laboratoře Los Alamos (Los Alamos National Laboratory) za podpory Národní vědecké nadace (U. S. National Science Foundation).

Elektronický archiv obsahuje volně dostupné odborné články z oborů fyziky a matematiky ve formátu zdrojového textu textového procesoru LaTeX, ve formátu DVI (DeVice Independent) a ve formátu postskriptů.

Každá oblast je označena zkratkou, která je součástí cesty k hledaným souborům. Například Fenomenologie fyziky vysokých energií má zkratku "hep-ph", proto odkazy na soubory mají cestu

Fyzikální texty jsou rozděleny do následujících oborů:

• Astrofyzika. [astro-ph]
• Fyzika pevných látek (neuspořádané systémy, neuronové sítě, fyzika materiálů, mesoskopické systémy, kvantový Hallův jev, statistická mechanika, silně korelované elektrony, supravodivost). [cond-mat]
• Obecná teorie relativity a kvantová kosmologie. [qr-qc]
• Experimenty fyziky vysokých energií. [hep-ex]
• Fenomenologie fyziky vysokých energií. [hep-ph]
• Teorie fyziky vysokých energií. [hep-th]
• Matematická fyzika. [math-ph]
• Experimenty jaderné fyziky. [nucl-ex]
• Fyzika (fyzika urychlovačů částic, fyzika atmosféry a oceánů, atomová fyzika, atomové a molekulární shluky, biofyzika, fyzikální chemie, klasická fyzika, fyzika počítačů, datová analýza a teorie pravděpodobnosti, dynamika kapalin, obecná fyzika, geofyzika, historie fyziky, přístroje a detektory, fyzika medicíny, optika, vzdělávání ve fyzice, společnost a fyzika, fyzika plazmatu, popularizace fyziky, fyzika vesmíru. [physics]
• Kvantová fyzika. [quant-ph]

Matematické texty zahrnují následující obory:

• Matematika (Algebraická geometrie, algebraická topologie, teorie kategorií, klasická analýza, kombinatorika, komplexní analýza, diferenciální geometrie, dynamické systémy, funkcionální analýza, obecná topologie, geometrická topologie, teorie grup, historie matematiky, teorie nekonečných grup, K-teorie, lineární algebra, logika, matematická fyzika, metrická geometrie, teorie čísel, numerická analýza, operační výzkum, algebra operátorů, teorie pravděpodobnosti, kvantová algebra, teorie reprezentací, okruhy a algebry, vědecké výpočty, spektrální teorie, systémy a řízení. [math]

Samostatnou skupinu tvoří obory nelineárních věd:

• Adaptace, šum, samoorganizující se systémy. [adap-org]
• Dynamika chaosu. [chao-dyn]
• Celulární automaty. [comp-gas]
• Nelineární vědy. [nli-sys]
• Vznik obrazců a solitony. [patt-sol]
• Přesně řešitelné a integrovatelné systémy. [solv-int]

Poslední skupinu tvoří obor výpočtů a jazyků:

• Výpočty a teorie jazyků. [cmp-lg]

Odkazy:

[X1] e-Print Archive. Los Alamos National Laboratory. US National Science Foundation. [M1]

Supravodivost těžkých fermionů je zřejmě zprostředkována magnetickými interakcemi mezi nosiči náboje. V klasických supravodičích při nízkých teplotách se elektrony párují přenosem vibrací v okolním tělese (záporně nabité elektrony procházejí mezi kladně nabitými ionty mřížky tělesa, které elektrony přitahují). Tělesem se šíří vibrace v podobě kolektivních excitací. Pevnou fázi lze formálně považovat za soubor kvantových oscilátorů s různými kmitočty a módy. Jeden z těchto kolektivních módů se označuje jako fonon.

Základní stav makroskopické kvantové soustavy neobsahuje žádné kvazičástice, jako je fonon. Při kladné Kelvinově teplotě mohou v kondenzované soustavě vznikat různé klasické kmitavé procesy. Kvantová teorie pak tento proces kvantuje pomocí kvazičástic. Takové kolektivní kvazičástice jsou bosony, které existují pouze v soustavě, která je tvoří. Kvazičástice nemají zákony zachování jako klasické částice a mohou v soustavě vznikat, zanikat, měnit svůj počet při srážkách atd. Jejich počet obvykle roste s teplotou. Aby je bylo možno použít pro popis vlastností pevné fáze, musí jejich doba života být dostatečně dlouhá. Interakce mezi nimi nesmí narušit jejich nezávislost. Proto se dále požaduje, aby soustava byla v blízkosti svého základního stavu, tedy při velmi nízkých teplotách, kdy je počet kvazičástic malý.

Krystalovou mřížku složenou z kladných iontů lze chápat jako polarizovatelné prostředí. Elektrony, které se pohybují v této mřížce, nebo nábojové fluktuace elektronové hustoty, mohou lokálně polarizovat mřížku tak, že k sobě přitáhnou malou oblast kladných iontů. Tyto ionty díky své malé pohyblivosti v době, kdy se polarizující oblak elektronů již přemístil, vytvářejí v daném místě přebytek kladných iontů a lokálně narušují neutrální stav krystalu. Další elektron nebo skupina elektronů může pak být k této oblasti přitahována. Jde o dynamický proces interakce. Kvantová mechanika si každou interakci představuje jako výměnu virtuálních bosonů, které existují po dobu dt, která je vázána s jejich energií Heisenbergovým principem neurčitosti dE.dt > h. V našem případě jsou těmito bosony fonony jako kolektivní excitace krystalové mřížky. [E1]

Na rozdíl od klasického supravodiče v materiálech složených z těžkých fermionů se elektrony v materiálu pohybují tak, jako by byly mnohem těžší (stokrát nebo více) než normální elektrony. Fyzikové z Univerzity v Cambridge ukázali, že supravodivost v materiálech Ce-Pd-Si a Ce-In pochází z magnetických interakcí elektronových spinů. Na rozdíl od fononů, které jsou v podstatě vzruchy a poruchy krystalické mřížky, v těchto materiálech se projevují fluktuace hustoty spinů, což způsobuje jejich párování. V těchto materiálech proto magnetismus a supravodivost může mít svůj původ v hustotních spinových vlnách. Tento mechanismus může být také hrát roli ve vysokoteplotní supravodivosti. (Nature, 2 July 1998.)

Literatura a odkazy:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 381 July 9, 1998 by Phillip F. Schewe and Ben Stein

[1] Odehnal, Milan: Supravodivost a jiné kvantové jevy. Academia, Praha 1992. ISSN: 0528-7103

[E1] Cooperovy páry.

Boseovu-Einsteinovu kondenzaci atomů vodíku provedli Daniel Kleppner, Tom Greytak [M1] a jejich kolegové z MIT. Atomy jsou při této kondenzaci ochlazeny tak, že se nacházejí ve stejném kvantovém stavu. [E1], [E2] V posledních letech se vědcům podařilo dosáhnout Boseovy-Einsteinovy kondenzace atomů alkalických kovů, nikoliv však atomů vodíku. Hladiny energie atomů vodíku jsou rozprostřeny tak, že přechody mezi nimi odpovídají vyzáření nebo pohlcení fotonu ultrafialového záření. Vědci vytvořili novou odpařovací metodu ochlazování, při níž teplejší atomy jsou z atomové pasti vytlačovány pomocí rázů radiových vln. Z atomů vodíku jsou takto emitovány dva fotony najednou a atomy přejdou do stavu Boseovy-Einsteinovy kondenzace.

Vědci z MIT zatím shromažďují další data, dříve než budou svůj článek publikovat. Jejich dosavadní výsledky ale ukazují, že přechodu do stavu Boseovy-Einsteinovy kondenzace dochází při teplotě kolem 40 mikrokelvinů. Do stavu kondenzace přešlo asi 100 miliónů atomů, což je asi desetkrát více, než v předchozích experimentech. Studium kondenzátu atomů vodíku by mohlo být užitečné pro realizaci určitého budoucího atomového laseru. Zřejmě se také podaří prostudovat některé dosud nezkoumané vlastnosti Boseových-Einsteinových kondenzátů. (viz také [X1])

Vědcům se poprvé podařilo pozorovat výtrysk částic plasmy ze sluneční korony od okamžiku jeho vzniku až po jeho účinky na zemskou ionosféru, ve které došlo k elektromagnetickým poruchám a ke vzniku polárních září. Mezinárodní observatoř pro studium vlivů Slunce na Zemi The International Solar-Terrestrial Physics Observatory, která používá síť pozemních a satelitních detektorů, pozorovala celý jev v období od 6 do 11 ledna 1997. Pozorování naznačila, že pro studium vlivů Slunce na atmosféru Země má větší význam studium sluneční koróny, než studium slunečního povrchu. (několik článků časopisu Geophysical Research Letters z července 1998).

Mezinárodní fyzikální olympiáda nejlepších studentů středních škol na světě proběhla letos na Islandu. Island je země ohně a ledu a proto snad některá témata se týkala problémů tlaku pod ledovým příkrovem, působení lávy na ledová pole nebo pohybu nadsvětelných radiových výtrysků, které lze chápat jako určitý astrofyzikální ekvivalent toku lávy. Nejvíce zlatých medailí získala Čína (5), Rusko (3), Vietnam (1) a Írán (1).

Literatura a odkazy:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 382 July 17, 1998 by Phillip F. Schewe and Ben Stein

[E1] Cooperovy páry.

[E2] Fermiony a bosony.

Ačkoliv se zdá, že není nic nespolehlivějšího, než jsou předpovědi počasí, někteří vědci se tímto problémem zabývají. Armin Bunde [M1] z Univerzity v Giessenu a jeho kolegové z Milána, Potsdamu a univerzity BarLan v Izraeli studují korelace mezi denními záznamy teploty za období několika let. V podstatě si položili otázku, jaká je pravděpodobnost, že za předpokladu dnešního slunečného a teplého počasí bude slunečné počasí zítra, pozítří nebo za x dní. Náhodně vybrali 14 meteorologických stanic ve světě od Pendletonu v Coloradu (který má záznamy staré 57 let) až po Prahu (která má vůbec nejdelší záznamy denní teploty za dobu 218 let). Odstranily periodické sezónní vlivy porovnáváním nikoliv teplot, ale průměrů z denních teplot. Jak očekávali, po x dnech je počasí stále méně a méně podobné prvnímu dni. Navíc ale zjistili, že korelace denních teplot neklesá exponenciálně, jak většina odborníků očekávala, ale jako jistá záporná mocnina x. Dále zjistili, že exponent s hodnotou -0,65 zhruba odpovídá všem meteorologickým stanicím. Konečně ukázali, že tomuto chování odpovídá období nejméně jednoho desetiletí, možná století nebo více. (Koscielny - Bunde et al., Physical Review Letters, 20 July; viz také [X1]).

Vliv nízkofrekvenčních elektrických polí na lidské buňky je předmětem velkého zájmu, protože v takových elektrických polích se denně pohybujeme. Pečlivá analýza epidemiologických datových souborů ukázala, že neexistuje žádná prokazatelná souvislost mezi dlouhodobým pobytem v prostředí nízkofrekvenčních elektrických polí a výskytem rakoviny (Physics Today, duben 1994). Přesto vědecká debata pokračuje (Physics Today, leden a červenec 1995). Nové výzkumy Harvarských vědců (Ronold King, 617-495-7844, [M2]) ukazují, že elektrická pole neovlivňují sférické buňky (které se zdají být před elektrickými poli dobře chráněny), ale ovlivňují cylindrické buňky. Harvardská teoretická práce naznačuje, že pole kolmá na membránu buňky touto membránou neprocházejí, avšak pole rovnoběžná s mebránou buňky touto membránou procházejí snadno. Neurony jsou chráněny před paralelními elektrickými poli pouze v blízkosti svých konců. Vědci nyní zkoumají vliv elektrických polí na činnost neuronů, tedy na šíření elektrických signálů. (Ronold King and Tai Tsun Wu, Physical Review E, August 1998.)

Literatura a odkazy:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 383 July 24, 1998 by Phillip F. Schewe and Ben Stein

(c) 1998 Intellectronics
poslední úprava: 28. 7. 1998

časopis o přírodě, vědě a civilizaci