V roce 1999 Lene Vestergaard Hau použila Boseův-Einsteinův kondenzát jako zvláštní nelineární optické médium pro zpomalení světla z rychlosti 3.10⁸ m/s ve vakuu na rychlost 38 mph (17 m/s). Ke zpomalení světla v Boseově-Einsteinově kondenzátu dochází díky silné změně indexu lomu a díky absorbci světla, které se zabraňuje použitím dvou paprsků laseru, které způsobí průhlednost prostředí pro danou frekvenci světla. Na zasedání Americké asociace pro rozvoj vědy AAAS (the American Association for the Advancement of Science) [N1] ve Washingtonu v únoru 2000 Hau a její kolegyně z Harvardovy univerzity uvedly, že zpomalily rychlost světla až na rychlost 1 mph. Hau uvedla, že rychlost světla bude schopna zpomalit až na hodnotu 1 cm/s. Tato rychlost je srovnatelná s rychlostí zvuku v kondenzátu a proto bude možno pozorovat rázovou vlnu atomů, které se budou pohybovat v čele vlny světelného pulsu. Hau doufá, že se jí technologii zpomalení světla podaří zjednodušit, aby bylo možno vyrobit vysoce citlivé světelné přepínače a přístroje nelineární optiky s velmi nízkým příkonem (dnes nelineární optika vyžaduje světelné pulsy vysoké energie).
 

Výzkumný tým Davida Awschaloma na Kalifornské univerzitě v Santa Barbaře dosáhl plně optické jaderné magnetické rezonance. Předchozí technologie jaderné magnetické rezonance používala silná radiofrekvenční elektromagnetická pole pro měření jaderných magnetických momentů. Tento objev brzy oslaví 50 let od prvního úspěšného využití v medicíně a chemii. Výzkumný tým Kalifornské univerzity nyní využil laser pro excitaci spinů elektronů. Tyto elektrony se pohybují kolem jádra atomu a jejich počet a směr lze řídit laserovým paprskem způsobem, který ovlivňuje jaderné spiny. Jádra jsou sledována během tohoto procesu druhým paprskem laseru, tedy plně optickým mechanismem. Výzkumníci tuto metodu provedli v polovodiči GaAs a ukázali, že jde o zcela odlišný princip od běžné jaderné magnetické rezonance s výrazně lepším rozlišením, protože světlo lze soustředit přesněji než radiofrekvenční pole. Protože tato metoda využívá elektrony jako nosič, jednotlivé dráhy elektronů lze využít pro fokusaci v atomovém měřítku. (viz Kikkawa a Awschalom, Science, 21. ledna 2000). Tato metoda také vede k myšlence "spintronických" prvků, v nichž by spin elektronu nahrazoval náboj elektronu jako nosič informace.
 

Temná hmota je hypotetická nesvítící substance, která se nachází mezi galaxiemi ve vesmíru a ovlivňuje jejich rotaci. Jedním z problémů současné kosmologie je rozhodnout mezi otevřeným a uzavřeným modelem vesmíru. Proto se studují rozsáhlé struktury ve vesmíru, jako jsou galaxie, hvězdokupy a kupy galaxií. Aby bylo možno mezi oběma modely rozhodnout, zjišťuje se, jaká je průměrná hustota hmoty ve vesmíru a zda je menší nebo větší než kritická hustota.

Problém temné hmoty je stále otevřen. Existuje několik různých hypotéz, co je temná hmota, ale žádná z nich dosud není dostatečně potvrzena. Zatím existuje několik nepotvrzených možností:

1. Normální hmota, která je skryta našemu pozorování, jako
- neviditelné (rádiové) galaxie,
- hnědí (infračervení) trpaslíci,
- černí trpaslíci, neutronové hvězdy, černé díry,.
- planetární materiál (kameny, prach, plyn atd.)

2. Neutrina s nenulovou klidovou hmotností. Pokud mají neutrina nenulovou klidovou hmotnost, pak by přítomnost neutrin objasnila skryté hmotu vesmíru. Na druhé straně nenulová klidová hmotnost neutrin přináší nové teoretické problémy.

3. Exotické částice. Exotické částice s nenulovou klidovou hmotností by úspěšně mohly řešit problém skryté hmoty vesmíru. Exotické částice lze rozdělit do dvou skupin: na skupinu částic, které jsou předpovězeny z jiných teoretických důvodů, ale mohou současně řešit problém skryté hmoty, a na skupinu určenou pouze pro řešení problému skryté hmoty.

V první skupině mohou být částice jako axiony, další neutrina (mionová, tauonová a vyšší), supersymetrické částice a další. Jejich vlastnosti plynou z teorie, která je předpovídá, ale díky očekávání jejich nenulové klidové hmotnosti by mohly řešit problém skryté hmoty.

Ve druhé skupině jsou částice teoreticky předpovězené, jejichž vlastnosti dosud nejsou specifikovány, ale předpokládá se, že by mohly mít nenulovou klidovou hmotnost. Mezi takové částice patří např. WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), CHAMPs a další. [N2]

Možného kandidáta ze skupiny částic WIMPs nepřímo potvrdila skupina z italské národní laboratoře v Gran Sasso, jak vyplývá ze článku, který publikoval Pierluigi Belli z Univerzity v Římě na zasedání o detekci temné hmoty v Marina del Rey v Kalifornii počátkem března 2000 (informace z [M1]). Protože se Země pohybuje kolem Slunce během jeho pohybu kolem jádra Galaxie, vědci se domnívají, že množství detekovaných částic WIMPs by mělo být vyšší v červnu než v prosinci. Vědecký tým experimentu DAMA oznámil pozorování tohoto sezónního jevu s četností záznamů, které odpovídají předpokládanému množství částic WIMPs (jejichž hmotnost je asi 50 krát vyšší než hmotnost protonu). Částice jsou zachytávány ve stíněném scintilačním materiálu jodidu sodného, kde způsobují krátké záblesky uvnitř detektoru (preprint INFN AE-00/01, [X1]). K interakcím částic WIMPs v detektoru s médiem dochází velmi zřídka a proto interpretace výsledků experimentu DAMA bude předmětem podrobné analýzy na zasedání v Kalifornii, kde zprávy o výzkumu částic WIMPs zveřejní také další týmy.

Skupina deseti amerických vědeckých institucí the Cryogenic Dark Matter Search použila jinou metodu detekce částic WIMPS a oznámila, že existenci částic WIMPS nelze na základě jejich výsledků potvrdit. Jejich výsledky jsou proto v rozporu s výsledky týmu italské národní laboratoře v Gran Sasso. (tisková zpráva Univerzity ve Stanfordu 2/24, článek "Exclusion Limits on the WIMP-Nucleon Cross-Section from the Cryogenic Dark Matter Search" [X2], [X3]) [I2]

Literatura a odkazy:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 472. February 24, 2000 by Phillip F. Schewe and Ben Stein

[I2] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 473. March 3, 2000 by Phillip F. Schewe and Ben Stein

[N1] Americká asociace pro rozvoj vědy. Natura 12/1998.

[N2] Některé problémy současné fyziky, 2. Skrytá hmota ve vesmíru. Natura 12/1996.

Laser s volnými elektrony FEL (the free electron laser) zhotovili výzkumníci z laboratoře DESY v Hamburgu za mezinárodní spolupráce TESLA. Tento laser vyzařuje paprsky s vlnovou délkou jen 93 nm. Laser FEL pracuje obvykle následujícím způsobem: paprsek elektronů s vysokou energií prochází řadou S-křivek, kde díky změně vektoru hybnosti vyzařují fotony, které se udržují uvnitř zrcadlové dutiny. Fotony odrážející se v dutině stimulují další elektrony vyzařovat stále více dalších fotonů. Takto vzniká paprsek o vysoké energii. Výsledné světlo laseru lze ladit a je koherentní. Vlnová délka laseru je kolem 150 nm, ale zrcadla nejsou pro tuto vlnovou délku vhodná a nejsou schopna světlo akumulovat. Pracovníci vědeckého týmu TESLA nyní v laboratoři v DESY využili principu starého 20 let. Pokusili se akumulovat světlo ve světelné dutině a zajistili, aby se záření samo zesilovalo elektrony, které procházejí dlouhou dráhou, na níž postupně interagovaly se zářením. Výsledné záření je v podstatě koherentním synchrotronovým zářením. Výzkumný tým TESLA se skládá ze 38 vědeckých institucí z 9 zemí. Technickou částí se zabývají především výzkumníci ze Spojených států amerických (ANL, Cornell, Fermilab, UCLA). Cílem je kolem roku 2003 sestrojit rentgenový laser s vlnovou délkou 6 nm. Očekává se, že tento výzkum přispěje k vývoji lineárního elektronového urychlovače nové generace, který bude produkovat elektrony s energií 500 GeV a bude integrován s rentgenovými lasery TESLA (Joerg Rossbach, [M1], [X1], obrázky viz [X2]).
 

Většina jedinečných a neobvyklých vlastností kapalné vody za normálních podmínek souvisí se schopností molekul vody vytvářet vodíkové můstky mezi atomy, které způsobují trojrozměrné diamantu podobné uspořádání. Za vysokých tlaků se vlastnosti vody zásadním způsobem mění. Ačkoliv voda za normálních podmínek při teplotě 0 stupňů Celsia mrzne v led, při tlaku 10 GPa voda mrzne až při teplotě 320 stupňů Celsia. Nové počítačové simulace z laboratoře Lawrence Livermore National Laboratory (Eric Schwengler, 925-424- 3098, [M2]) objasňují mikroskopickou strukturu stlačené vody v částech fázového diagramu vody, k němuž dosud neexistují žádné experimenty. Simulace naznačují, že ve stlačené vodě při tlaku kolem 10 GPa dojde ke změnám vodíkových vazeb a tím ke změně sítě atomů kyslíku. Při tomto vysokém tlaku jsou molekuly těsněji a jiným způsobem poskládány a každá molekula je obklopena 12,9 jinými molekulami místo 4,5 molekulami v kapalné vodě za běžných podmínek. (E.Schwegler, G.Galli, F.Gygi, Phys. Rev. Lett., 13. března 2000; obrázek viz [X2]).
 

Ukládání částic do přepravních beden je důležité již od starověku, kdy byly přepravovány nebo počítány plné koše zrní. Ukládání částic má význam nejen pro obilná zrna, ale také pro živé buňky nebo pro rozmístění atomů a molekul v pevných látkách a kapalinách. Proto se ukládání částic stalo předmětem vědeckého studia. Odhaduje se, že kuličky mohou určitý objem vyplnit nejvýše ze 74 procent. Nezáleží přitom na tom, zda jde o dělové koule nebo o pomeranče. Johannes Kepler k tomuto odhadu dospěl již před více než 400 lety. Matematika pro odhadování maximálního poměru naplnění objemu náhodně uspořádanými částicemi je dosud v počátcích. Salvatore Torquato a jeho kolegové v Princetonu se domnívají, že celý problém náhodného těsného ukládání je chybně pojat a navrhli nový koncept, který nazývají maximálně náhodné stlačení. Počítačové simulace ukazují, že náhodným způsobem lze dosáhnout vyplnění určitého objemu nejvýše ze 64 procent. Torquato [M3] věří, že nový model pomůže při obecném studiu náhodnosti v systémech více těles. (Torquato, Truskett, Debenedetti, Physical Review Letters, 6. března 2000; obr. viz [X2]).

Literatura a odkazy:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 473. March 3, 2000 by Phillip F. Schewe and Ben Stein

Většina přírodních a člověkem vyrobených systémů se chová podle statistického mocninného zákona. Jestliže uvažujeme pravděpodobnost určitého jevu (tj. velikost lesního požáru, velikost přenosů webovských souborů, rozsah škod při hurikánu, zemětřeseních nebo při živelných katastrofách) jako funkci velikosti, pak tato funkce bude klesat úměrně této velikosti umocněné určitým exponentem. Interakce nebo jevy ve všech měřítcích od velmi malých až po velmi velké přispívají k výslednému stavu systému. Jedna z nových teorií, která se pokouší tyto vztahy vysvětlit, se nazývá "samoorganizovaná rozhodnutelnost". Jean Carlson z Kalifornské univerzity v Santa Barbara [M1] a John Doyle z Caltech [M2] nyní navrhli jinou teorii, kterou nazvali vysoce optimalizovaná tolerace. Věří, že jejich teorie lépe vysvětlí tendence zajistit odolnost systému vůči neurčitostem v jedné oblasti zvětšením citlivosti v jiných oblastech. Kvůli zákonu zachování energie a neúprosnému růstu entropie snahy narušit princip odolnosti systému nejsou úspěšné. Zejména v biologické evoluci tento fakt znamená, že systém může být odolný vůči určitým náhodným jevům a současně může zůstat velmi citlivý vůči jiným řídce se vyskytujícím jevům. Například organismy a ekosystémy jsou značně odolné vůči velkým výkyvům teploty, vlhkosti, množství potravy nebo vůči predátorům, ale současně jsou katastroficky citlivé vůči malým poruchám, jako jsou genetické mutace nebo nové viry. Konstruktéři navrhují takové systémy, které jsou odolné vůči většině náhodných jevů. Cena a náročnost konstrukce ale nutí přijmout určitou míru rizika vůči některým (jak doufáme) řídce se vyskytujícím jevům. Takové systémy jsou současně "odolné a křehké". Tato vlastnost složitých systémů je jedním z důsledků statistického mocninného zákona.

Doyle a Carlson použili svoji teorii na řadu problémů biologie a technologie a domnívají se, že jejich teorie přispěje odborníkům v obou těchto oblastech. (Physical Review Letters, 13. března 2000; Physical Review E, srpen 1999.)
 

Šestnáct po sobě jdoucích měsíců s vyšší průměrnou globální teplotou Země v období od roku 1997 do roku 1998 podle ředitele Národního střediska klimatických dat (NCDC, the National Climate Data Center) Thomase Karla znamená, že lidstvem způsobené globální oteplení Země je faktem a nikoliv jen přírodní fluktuací způsobenou náhodnými vlivy v atmosféře a zářením Slunce. Podle Karla v poslední čtvrtině 20. století došlo k růstu globální průměrné teploty o 2 stupně za 100 let. Šestnáct po sobě jdoucích měsíců s rostoucí globální teplotou neodpovídá žádným záznamům za celé 19. století. (Thomas Karl, Geophysical Research Letters, 1. března 2000; [M3], 828-271-4476.)
 

Anamorfní obrazy jsou obrazy, na nichž jsou objekty pokřiveny takovým způsobem, že je lze pozorovat jen z určitého úhlu nebo v určitém zakřiveném zrcadle. Každý, kdo navštívil Národní galerii v Londýně, mohl vidět obraz "The Ambassadors" Hanse Holbeina, kde v nerovném tvaru v horní části plátna je při určitém úhlu vidět lidská lebka. Anamorfické obrazy se poprvé objevily v renesanci. Leonardo a Durer tuto techniku využili při svém studiu perspektivy. V 18. století vznikly anamorfické malby několika významných umělců. Jean-Francois Niceron v 17. století napsal knihu o geometrických algoritmech, které využívá anamorfní umění (roviny a kužele lze převést poměrně snadno, daleko větší problém představují válce). Během století se ale matematické souvislosti vytratily. Nyní vědci v Guelph University (Ontario, Kanada) odvodili transformační rovnice pro vytváření anamorfních obrazů. (Hunt, Nickel, Gigault, American Journal of Physics, březen 2000; James Hunt, [M4], 519-824-4120, x3993; Bernie Nickel, [M5]; obrázky na [X1])
 

Lidé vnímají zvuky o kmitočtech od 20 Hz do 20 kHz. Zvuky o kmitočtech vyšších než 20 kHz se používají například v medicíně a vnímají je také některá zvířata, jako netopýři nebo psi. Jak jsou vnímány zvuky o kmitočtech nižších než 20 Hz? Lidé někdy vnímají (aniž je dobře slyší) infrazvuky ze zvukových systémů. Monitorování infrazvuků má praktický význam v řadě oblastí, protože umožňuje určit polohu a povahu lavin, tornád, dopadů meteoritů, sopek nebo testů jaderných zbraní. (Physics Today, březen 2000.)

Literatura a odkazy:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 474. March 10, 2000 by Phillip F. Schewe and Ben Stein

Uvažujme částice na oběžné dráze kolem planety. Pokud tyto částice nejsou elektricky nabité nebo pokud mají velmi malý poměr náboje k hmotnosti, pohybují se po běžné "keplerovské" dráze se středem kolem osy planety v rovníku. Příkladem jsou prstence kolem planety Saturn. Pokud ale částice nesou velký elektrický náboj, jejich pohyb je ovlivněn elektromagnetickou interakcí s magnetickým dipólem planety (v případě Země van Allenovy pásy). Pokud je náboj částic někde mezi těmito dvěma případy, působení gravitační a elektromagnetické interakce jsou srovnatelná. Takto mohou vzniknout podivné dráhy částic. Vědci z Univerzity v Coloradu (Mihaly Horanyi a Jim Howard, 303-492-6903) a z Univerzity v Loughborough (Holger Dullin) ve Velké Británii odhadují, že za správných podmínek se částice mohou pohybovat po metastabilních drahách (stabilní po dobu až 10 let), které nikdy nepřekříží rovníkovou rovinu (viz obr. [X1]). Analyzátor prachu kosmické sondy Cassini, který je nyní namířen k Saturnu, by mohl takové částice objevit. (Howard et al., článek ve Physical Review Letters).
 

První kvantově propletený stav čtyř částic byl experimentálně připraven výzkumníky v NIST (National Institute of Standards and Technology) (Christopher Monroe, 303-497-7415). Tímto způsobem předvedli technologii, která může překonat některé problémy konstrukce kvantových počítačů. Aby bylo možno provést složité výpočty, jako je dělení velkých čísel nebo rychlé vyhledání položek v rozsáhlé databázi, kvantový počítač musí obsahovat řadu částic "kvantově propletených" navzájem. Kvantové propletení popisuje velmi zvláštní propojení, které se může vyskytovat mezi částicemi (jako jsou fotony nebo ionty) dokonce v případě, že jsou vzájemně fyzicky odděleny. Kvantová vazba způsobuje, že částice se nacházejí ve společném "rozmazaném" neoddělitelném stavu (např. jsou vázány stavy s nízkou a vysokou energií), ale přitom je přesně definován vztah mezi jednotlivými částicemi. Pokud jedna z částic "zkolabuje" do určitého stavu (dojde ke kolapsu její vlnové funkce), pak její kvantově propletený partner okamžitě zkolabuje do komplementárního stavu i v případě, že tyto částice odděluje vzdálenost celé galaxie.

Kvantové propletení je obtížné provést již u dvou částic, nebo dokonce u tří částic. Ale v roce 1999 teoretikové v Dánsku navrhli praktickou metodu pro kvantové propletení většího počtu částic. (Molmer and Sorensen, Phys. Rev. Lett., 1. března 1999; Physics News Select Articles). Jejich návrh, vycházící z dřívější myšlenky (Cirac and Zoller, Phys. Rev. Lett, 15. května 1995), umožňuje zachytit řetězec iontů v elektromagnetických polích. Kvantově propletený stav se vytváří laserovými pulsy, které jsou schopny propojit vnitřní stavy (spin) všech iontů změnou pohybu iontů. Molmerova-Sorensenova metoda umožňuje výzkumníkům vytvořit tento provázaný stav jediným pulsem. Výzkumníci z NIST tuto metodu použili pro propletení čtyř iontů (elektromagnetický šum zabraňuje proplést více částic), ale také ukázali, že propletení více částic je možné. (Sackett et al, Nature, 16. března 2000).
 

Na zasedání konference pro komunikaci optickými vlákny (Optical Fiber Communication Conference) březnu 2000 v Baltimore, kterou zorganizovala IEEE a Americká společnost pro optiku (the Optical Society of America), výzkumníci z Agilent Technologies vyvinuli technologii, která umožňuje budovat rychlejší a plně optické komunikační sítě. Dosud sítě s optickými vlákny nejsou plně optické. Tradiční přepínače pro přesměrování optického signálu jsou zařízení, která přeměňují fotony na elektrony a pak elektrony na fotony. Nové zařízení využívá speciálně konstruovaný "obvod rovinné světelné vlny", plochý obvod, jímž může procházet několik světelných signálů současně. Vlny se k sobě přibližují v "křížících bodech", které jsou vyplněny kapalinou se stejnými optickými vlastnostmi jako má okolní materiál obvodu. Průchodem kapalinou optické signály mohou procházet téměř neporušené. Přesměrování signálu je zajištěno vstříknutím aktivní látky do křížícího bodu. Vzniklá bublina rozptýlí kapalinu a změní optické vlastnosti křížícího bodu, čímž dojde ke změnu směru signálu. Bubliny mohou vznikat a zanikat stokrát za sekundu, čímž lze optický signál přesměrovat bez použití pohyblivých částí nebo zrcadel. "Fotonické přepínače" budou komerčně dostupné koncem roku 2000. (podrobnosti viz [X2])

Literatura a odkazy:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 475. March 17, 2000 by Phillip F. Schewe and Ben Stein
 
 

časopis o přírodě, vědě a civilizaci