První "levostranný" materiál byl vyvinut vědci z Kalifornské univerzity v San Diegu. Očekává se, že v tomto prostředí se při průchodu světelných vln poprvé objeví obrácený Dopplerův jev. Dopplerův jev způsobuje, že při vzdalování zdroje světla se emisní a absorbční čáry posouvají k červené části spektra, tedy vlnová délka světla se prodlužuje. Pokud se zdroj světla naopak přibližuje, emisní a absorbční čáry se posouvají k modré části spektra a vlnová délka světla se zkracuje. Výzkumníci vytvořili kompozitní materiál, který se skládá z měděných kroužků a vláken (viz obrázek [X1]) uspořádaných tak, že osa kroužků je kolmá na vlákna.

Abychom porozuměli obrácenému Dopplerovu posuvu a dalším zvláštním optickým jevům, představme si, že světelná vlna je složena ze vzájemně se zesilujících oscilujících elektrických a magnetických polí. Vztah mezi těmito poli a pohybem světla lze popsat "pravidlem tří prstů pravé ruky". Ukazovák ve směru paže popisuje směr pole magnetické indukce, pokrčené prsty kolmo na ukazovák popisují směr elektrického pole a vztyčený palec pak popisuje směr šíření světelné energie. [1] Obvykle se světelná vlna při pohybu prostředím zobrazuje jako postupující rovina záření. Tato rovina odpovídá součtu řady vlnek, které se pohybují ve stejném směru jako tok energie. Kompozitní materiál vědců z Kalifornské univerzity v San Diegu se ale chová jinak. Vektor rychlosti vlnek směřuje opačně než tok energie. (viz obr. [X2]) a díky tomu je tento materiál "levostranným prostředím", prvním tohoto druhu.

Existenci takového prostředí poprvé předpověděl v 60. letech 20. století ruský fyzik Victor Veselago z Lebeděvova fyzikálního institutu (publikováno v lednu až únoru 1968). Veselago tvrdil, že prostředí se zápornou elektrickou permitivitou a zápornou magnetickou permeabilitou bude mít neobvyklé optické vlastnosti, včetně opačného Dopplerova jevu, opačného Snellova jevu (optická iluze zlomené tužky ponořené v kapalině) a opačného Čerenkovova záření. Permitivita \epsilon je mírou odezvy materiálu na vnější elektrické pole, permeabilita \mu je mírou odezvy materiálu na vnější magnetické pole. V době, kdy Veselago publikoval svoji práci, žádný materiál s požadovanými vlastnostmi neexistoval a řada vědců se domnívala, že ani existovat nemůže.

Teprve nedávno John Pendry z Imperial College ukázal, že materiál se zápornou permitivitou lze vytvořit použitím sloupců vláken (Pendry et al., Physical Review Letters, 17. června, 1996) a materiál se zápornou permeabilitou lze vytvořit použitím tenkých resonančních kroužků (Pendry et al., IEEE, Trans. MTT 47, 2075, 1999).

V březnu 2000 na zasedání Americké fyzikální společnosti v Minneapolis Shaldon Schultz a David Smith z Kalifornské univerzity v San Diegu oznámili, že použili Pendryho návod a uspěli při výrobě materiálu se zápornou permitivitou a zápornou permeabilitou přinejmenším v pásmu frekvencí mikrovln. Použitý materiál, obsahující měděná vlákna a kroužky, sám nemá neobvyklé vlastnosti. Ale když mikrovlny dopadaly na střídající se sloupce kroužků a vláken, které byly umístěny na podkladu velikosti pohlednice a uzavřeny do dutiny, rezonance mezi světlem a polem kroužků a vláken způsobila vznik indukovaných proudů, které se sčítaly s procházejícími poli. Výsledkem bylo, že pole se začala pohyboval vlevo, ačkoliv elektromagnetická energie se pohybovala doprava. Takové prostředí je příkladem "metamateriálu". Jiným příkladem je fotonický krystal, který se skládá z tenkých tyčinek nebo je pevným materiálem, v němž jsou laserem vyvrtány otvory. Fotonický krystal z procházejícího světla odstraňuje určité frekvence.

Na tiskové konferenci v Minneapolis Schultz [M1] a Smith [M2] uvedli, že nově vyvinutý materiál jim umožní výzkum nových optických jevů, které předpověděl Veselago. Dále uvedli, že se budou snažit svůj materiál uzpůsobit tak, aby jej bylo možno použít pro kratší vlnové délky. Jednou z možných aplikací nového materiálu v mikrovlnné bezdrátové technologii bude prostředí, které bude schopno mikrovlny soustřeďovat, pokud je jiný materiál rozptýlí a naopak. Tím bude možno upravit již existující zpožďovací členy, antény a filtry.

Mezi účastníky tiskové konference nový objev vzbudil značný ohlas. Marvin Cohen z Kalifornské univerzity v Berkeley uvedl, že dokud si nepřečetl Smithův článek (Smith et al., Physical Review Letters), v existenci materiálu se zápornou permeabilitou příliš nevěřil. Walter Kohn z Kalifornské univerzity v Santa Barbara, nositel Nobelovy ceny za chemii v roce 1998, uvedl, že jde o velmi zajímavý výsledek a že by byl překvapen, pokud by se brzy neobjevily zajímavé aplikace.

Literatura a odkazy:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 476. March 24, 2000 by Phillip F. Schewe and Ben Stein

[1] Mayer, Daniel: Teorie elektromagnetického pole, II. Fakulta elektrotechnická, Západočeská univerzita Plzeň, 1998, str. 255

Výzkumníci MIT (the Massachusetts Institute of Technology) na tiskové konferenci zasedání Americké fyzikální společnosti 23. března 2000 oznámili, že vyvinuli nový typ přístroje, který umožňuje detekovat a zobrazovat určité typy rakoviny ještě před tím, než jsou viditelné. Nová metoda je neinvazivní a spočívá v použití krátkých záblesků na tkáň pacienta.

Rajan S. Gurjar, který spolupracuje z profesorem fyziky v MIT Michaelem S. Feldem, popsal nový přístroj ve své přednášce. Přístroj lze snadno přenášet. Používá záblesky bílého světla z tenké optické sondy, umístěné v endoskopu, který je zaveden do pacientovy tkáně. Přístroj analyzuje tkáň o průměru jen 1 mm a tloušťce vlákna papíru. Očekávají se slibné výsledky během klinického testování. Přístroj je schopen detekovat opticky neviditelné předrakovinné změny tlustého střeva. Druhé zařízení, které dosud nebylo na pacientech testováno, by mělo mapovat předrakovinné změny v oblastech o velikosti několika centimetrů a tloušťce několika listů papíru. Gurjar uvedl, že nová metoda poskytuje výsledky během zlomku sekundy a zcela může nahradit biopsii tlustého střeva při diagnóze určitých typů rakoviny.

Michael S. Feld předpokládá, že během několika let se nová zařízení stanou součástí nového typu endoskopů a jiných zařízení pro diagnózu, protože umožňuje získávat snímky tkáně s vysokým rozlišením. Tyto snadno čitelné snímky mohou mapovat normální, předrakovinnou a rakovinnou tkáň metodou obrysové mapy, kde stupeň napadení tkáně je zobrazen barevně.

Nová metoda diagnostiky rakoviny je založena na technologii nazývané světlo rozptylující spektroskopie (LSS, light-scattering spectroscopy). Tuto technologii vyvinuli v roce 1998 výzkumníci Výzkumného střediska laserové biomedicíny MIT a Spektroskopické laboratoře George R. Harrisona, které vede Michael S. Feld. Výzkumné středisko laserové biomedicíny slouží Národnímu úřadu zdraví pro lékařský výzkum s použitím laserů. Dnes stojí v čele výzkumu aplikací laserů a spektroskopie pro analýzu biologické tkáně. [G1], [G2]

Sondu LSS lze použít při snímkování epitelu tkáně v dutinách lidského těla, jako jsou ústa, žíly a tepny, plíce nebo tlusté střevo. Rakovina vznikající v epitelu, který často stojí v první linii při obraně před útočícími rakovinnými buňkami, napadá plicní laloky, žaludek, prsní bradavky a krční dýchací trubici. Tyto typy epitelové rakoviny lze sice úspěšně léčit, ale obtížně detekovat, protože rakovinné buňky jsou často neviditelné dokonce i pro endoskop.

Dr. Jacques Van Dam, který se zabývá chorobami trávicího ústrojí v Brighamské a Ženské nemocnici v Bostonu, spolupracoval s profesorem Feldem na klinickém testování sondy LSS. Uvedl, že předrakovinné změny nelze pouhým okem prakticky nalézt. Jde totiž o jemné změny, jejichž detekce by umožnila zabránit rakovině ještě před jejím vznikem.

Rakovina se vyvíjí buněčnými změnami označovanými jako dysplasie, kterou lze detekovat pouze biopsií, kdy se získají tenké vzorky napadané tkáně. Dokud lékař neprovede biopsii, nemá o těchto změnách žádné informace Schopnost detekovat displasii bude mít zásadní dopad na boj proti rakovině, uvedl Dr. Van Dam.

Optická metoda světlo rozptylující spektroskopie LSS se již dlouho používá pro studium velikosti a tvaru malých kulovitých objektů, jako jsou kapky vody. Nyní je tato metoda použita na kulovité jádro buněk. Fyzikální teorie tvrdí, že rozptýlené světlo, které se odráží od zakřiveného kulového povrchu určité velikosti a indexu lomu má malé, ale významné variace ve spektru.

Světlo ze sondy přístroje dopadá na epitelovou tkáň. Sonda zachycuje odražené světlo a analyzuje jeho spektrum. Barevný snímek slouží k diagnostickým účelům. Gurjar uvedl, že klinické testy prokázaly schopnost přístroje objevit předrakovinné změny tkáně tlustého střeva.

Složitější typ přístroje LSS zkoumá větší oblasti tkáně pomocí řady různých světelných paprsků, které jsou vytvářeny z bílého světla barevnými filtry a polarizátorem. Pro každou barvu světla elektronická kamera zaznamenává dvojici různě polarizovaného odraženého světla. Tyto dva snímky jsou pak počítačem odečteny, aby se odstranilo pozadí a ponechal se pouze snímek buněčného jádra.

Počítačová analýza získaných snímků se provede během zlomku sekundy a snímky jsou zobrazeny na obrazovce počítače, z níž je lékař může interpretovat. Pomocí změn intenzity světla v různých barvách lze zjistit velikost a hustotu buněčného jádra. Těsně shromážděné buňky s větším než normálním jádrem, které obsahuje více genetického materiálu, jsou příznakem předrakovinných změn. Na rozdíl od běžných mikroskopických snímků buněk tyto snímky poskytují okamžité informace o vlastnostech buněčného jádra.

Výzkumníci věří, že tento důležitý krok povede k vývoji nových zařízení, která budou nejen detekovat rakovinu, ale povedou k lepšímu pochopení změn v genetickém materiálu.

Na onkologickém výzkumu v současné době spolupracuje tým fyziků, inženýrů, patologů a klinických onkologů. Vadim Backman, absolvent programu Technologie zdravotnických věd MIT-Harvard, se zabývá uspořádáním experimentů a teoretickou analýzou. Dalšími výzkumnými pracovníky jsou Lev Perelman a Ramachandra Dasari z MIT. Klinické testy probíhají v Brighamské a Ženské nemocnici v Bostonu a v Nemocnici pro veterány ve West Roxbury. Rakovinou trávicí soustavy se zabývají Dr. Van Dam, Dr. Steven Shields a Dr. Wallace, nyní na Lékařské univerzitě v Jižní Karolíně. Na projektu se dále účastní patologové Dr. James Crawford, Dr. Maurice Seiler a Dr. Maryann Fitzmaurice.

Publikovaná práce má název "Early Detection of Cancer Using Light Scattering Spectroscopy" a jejími autory jsou Rajan Gurjan, Vadim Backman, Jacques Van Dam, Lev T. Perelman a Michael S. Fend z MIT Laser Biomedical Research Center Massachusetts Institute of Technology.

Hra Michaela Frayna z roku 1941 "Kodaň", jejímiž postavami jsou Niels Bohr a Werner Heisenberg, se stala počátkem dubna 2000 předmětem debaty na symposiu v City University v New Yorku. Fyzikové, historikové a divadelní umělci se zabývali přípravou představení této hry, která by měla být uvedena na Broadwayi po úspěšném uvedení v Londýně. Hlavní zápletkou představení je návštěva předního německého atomového fyzika Wernera Heisenberga v okupované Kodani. Pokusil se Heisenberg zjistit něco o plánech Spojenců? Chtěl hovořit s Bohrem o etických otázkách vývoje nejničivější zbraně? Byl Heisenberg skutečně hrdinou, který sabotoval a zpomaloval nacistický vývoj atomové bomby nebo byl jen neodborníkem, který nechápal rozdíl mezi jaderným reaktorem a atomovou bombou? Symposia v City University se účastnili také přední současní fyzikové Hans Bethe a John Archibald Wheeler, kteří se podíleli na vývoji atomové bomby v Los Alamos a znali Bohra a Heisenberga osobně. Bethe tvrdí, že Heisenberg se o vývoj atomové bomby nikdy nezajímal a odkazoval se na tajné záznamy rozhovorů Heisenberga s ostatními německými atomovými vědci. Tyto záznamy se po válce dostali do britské správy. Zprávy o Hirošimě byli pro Němce velkým šokem, protože se vždy domnívali, že nijak ve vývoji atomové zbraně nezaostali. Heisenbergův počáteční pokus zlehčovat úspěchy Spojenců při vývoji atomové bomby naznačují, že neměl o vývoji této zbraně prakticky žádnou představu. Wheeler se s Heisenbergem několikrát osobně setkal. V roce 1939 se s ním setkal na Univerzitě v Michicagu, předtím než Heisenberg dostal příkaz vrátit se do Německa kvůli vojenskému výcviku. Vztah většiny fyziků k Heisenbergovi byl po válce většinou chladný. Není překvapením, že se Heisenberg pokoušel později obhájit své zásluhy na znemožnění vývoje atomové bomby v Německu. Několikrát se také pokoušel objasnit účel své návštěvy v Kodani v roce 1941. Podle jedné verze se Heisenberg pokoušel Bohra přesvědčit, že vyrobit atomovou bombu je příliš obtížné a proto Němci nemají šanci na úspěch a Spojenci by se měli těchto pokusů také vzdát. Historik Gerald Holton nedávno objevil dopis, který napsal Niels Bohr Werneru Heisenbergovi, ale nikdy jej neodeslal. Holton tento dopis viděl, ale dopis zůstává dalších 12 let v Bohrově majetku. Holton se domnívá, že by mohl obsahovat podrobnosti, s nimiž chtěl Niels Bohr seznámit veřejnost o skutečném účelu návštěvy Wernera Heisenberga v Kodani. Bude možno s konečnou platností posoudit Heisenbergův přínos? Zřejmě ne. Metaforickým podtextem Fraynovy hry je přenesení kvantového principu neurčitosti do lidského jednání a umožňuje divákovi posoudit stejnou událost z různých pohledů a tím snad porozumět Werneru Heisenbergovi porozumět. [X2]

Literatura a odkazy:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 477. March 31, 2000 by Phillip F. Schewe and Ben Stein

[X1]  MIT researchers create noninvasive new methods for early cancer diagnosis. Ability to detect invisible, early-stage disease could save lives. March 23, 2000. Deborah Halber, MIT News Office, (617) 258-9276, [M1]

Studium náhodných fluktuací měnového kursu patří mezi nejstarší studované příklady ekonofyziky. Hideki Takayasu [M1] a jeho kolegové z vědeckých počítačových laboratoří firmy Sony v Japonsku sestavili elektrický obvod s napěťovými fluktuacemi, které se chovají velmi podobně jako fluktuace kursu amerického dolaru k japonskému jenu. Cílem společnosti Sony je sestrojit rychlý kalkulátor pro výpočet cen závisejících na změnách kursu. Ve finančním světě lze nakupovat devizové prostředky dopředu za předem dohodnutou cenu i v případě, že v daný okamžik není kurs výhodný. Na zasedání Americké fyzikální společnosti v Minneapolis koncem března 2000 Takayasu ukázal, že graf fluktuací kursu amerického dolaru vůči japonskému jenu se v různých časových měřítcích podobá fraktálnímu chování. Výzkumníci sestrojili levný elektrický obvod, který vytváří velmi podobné fluktuace, přičemž využívá přirozený náhodný elektrický šum. Jejich obvod stojí asi 5 dolarů a umožňuje odhadovat budoucí fluktuace kursu rychleji než deset tisíc pracovních stanic, které matematicky simulují změny kursu.

Sluneční skvrny na odvrácené straně Slunce lze studovat pomocí heliosesmické holografie. Tento proces využívá zvukových vln procházejících tělesem Slunce, které se slabě narušují při odrazu od magneticky aktivních oblastí kolem slunečních skvrn. V březnu 1998 byla zpracována data z kosmické observatoře SOHO (Solar Heliospheric Observatory) pomocí algoritmu, který umožňuje nalézt polohu slunečních skvrn na odvrácené straně Slunce. Charles Lindsey a Douglas Braun z výzkumné společnosti Solar Physics Research Corp. oznámili, že jejich výpočty polohy slunečních skvrn na odvrácené straně Slunce korelují s výskytem slunečních skvrn, které byly pozorovány díky rotaci Slunce. Slunce se otočí kolem své osy za 27 dní. Výzkumníci očekávají, že jejich metoda bude schopna dopředu varovat před slunečními bouřemi, které vznikají výtryskem látky ve sluneční koróně. Předpověď "slunečního počasí" má význam pro život astronautů, kteří se pohybují ve volném kosmickém prostoru a pro činnost některých satelitů, kterou ohrožují nebo znehodnocují částice s vysokou energií. (Lindsey and Braun, Science, 10. března 2000.)

Dosud nejvýkonnější elektronový mikroskop TEM (transmission electron microscope) sestrojil výzkumný tým, který vede Akira Tonomura z laboratoře Advanced Research Lab. společnosti Hitachi ve spolupráci s japonskou společností vědy a technologie. Jejich typ "pole emitujícího" elektronového mikroskopu TEM generuje elektrony na katodě a urychluje je použitím velmi vysokého napětí směrem ke zkoumanému vzorku. Používá se napětí miliónu voltů a vzniká tak paprsek elektronových vln s jasností čtyřikrát vyšší než dosahovaly dřívější mikroskopy TEM nebo s tisíckrát vyšší jasnost než běžné termoemisní mikroskopy TEM. Mikroskop dnes představuje špičkovou technologii. Napětí miliónu voltů je udržováno s přesností půl voltu a zdroj elektronů je udržován ve své poloze s přesností 0,5 nm. Nové zařízení je konkurentem mikroskopů s rastrovací sondou. Je schopno vytvářet snímky rychlostí 60 snímků za sekundu, stejně jako v televizi. Proto lze vytvářet filmové sekvence. Takeshi Kawasaki ([M2], 011-81- 492-96-6111) tvrdí, že mikroskop bude možno použít pro zkoumání dynamických vlastností systému pevných látek, jako je pohyb vírů ve vysokoteplotních supravodičích. (Kawasaki et al., Applied Physics Letters, 6. března 2000).

Literatura a odkazy:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 478. April 6, 2000 by Phillip F. Schewe and Ben Stein

Podle obecné teorie relativity je prostoročas přítomností hmoty zakřiven. Hvězdy, galaxie, černé díry a ostatní hmotné objekty zakřivují prostoročas lokálně. Kosmologické rozpínání vesmíru naznačuje, že celý prostoročas je zakřiven. Statický vesmír bez přítomnosti hmoty by měl nulovou křivost. Pokud by se ale prázdný vesmír rozpínal, musel by mít zápornou křivost. Čím větší by byla hustota hmoty ve vesmíru, tím méně záporná by byla jeho křivost. Při určité hustotě hmoty by celková křivost vesmíru byla nulová. Poměr hmotnosti ke kritické hmotnosti, při níž by bylo dosaženo nulové křivosti vesmíru, se označuje jako omega. Jedna z dnes populárních verzí velkého třesku tvrdí, že během velmi rychlé expanze v "inflační fázi" by omega mohlo dosahovat hodnoty rovné 1.

Článek Scota Dodelsona z laboratoře Fermilab a Lloyda Knoxe z Univerzity v Chicagu (773-834-3287) v časopise Physical Review Letters obsahuje teoretické základy pro přesné mapování kosmického mikrovlnného pozadí. Článek vznikl v době, kdy v létě roku 1999 byly dostupné první výsledky pozorování. Tým využil data z Cerro Toco v Chile. Ve svém článku [X1] autoři publikovali graf velikosti pozorovaných fluktuací kosmického mikrovlnného pozadí v závislosti na úhlové velikosti oblasti fluktuací. Tato měření a data získaná skupinami "Boomerang" ([X2], [X3]) a "Viper" [X4] odpovídají Dodelsonovu a Knoxovu teoretickému výsledku, že v inflační fázi vývoje vesmíru byla hodnota omega rovna jedné a celková křivost vesmíru byla nulová. Celkový příspěvek hmoty (svítící a temné) k hustotě vesmíru ale představuje jen 1/3 kritické hodnoty omega = 1. To vede k závěru, že existuje ještě jiná forma energie, označovaná jako "temná energie", která představuje zbývající 2/3 kritické hodnoty omega. Tato temná energie by měla také způsobovat "záporný tlak" nebo smršťování, které muselo rozpínání vesmíru v minulosti brzdit, aby teoretické výsledky rozpínání vesmíru odpovídaly výsledkům na základě studia vzdálených supernov. (Dodelson and Knox, Physical Review Letters, 17. dubna 2000).

Uchování tvrdého rentgenova záření v krystalovém rezonátoru po dobu nejméně čtrnácti cyklů se podařilo fyzikům evropského vědeckého pracoviště ESRF (the European Synchrotron Radiation Facility) v Grenoblu ve Francii. Rezonátor se skládá z dvojice vertikálních stěn s odrazivostí 70 procent vzdálených 150 mm od sebe, které jsou vyříznuty z jediného krystalu křemíku. Tím je zajištěno přesné zarovnání atomů v obou stěnách. Rentgenovo záření o energii 15,8 keV ze zařízení ESRF dopadá na rezonátor ve výtryscích o délce jen 10^-10 sekundy s vlnovou délkou 7,8.10^-11 metru. Rentgenovy paprsky jsou udržovány několika Braggovy odrazy mezi stěnami. Již dříve bylo možno v rezonátoru uchovávat "měkké" rentgenovo záření. Nyní se poprvé podařilo uchovávat rentgenovo záření s vysokou energií. Nový rezonátor je schopen také zmenšit rozptyl energií dopadajícího rentgenova záření. Vědci očekávají, že díky tomuto zařízení dojde k rozvoji rentgenové optiky. (Liss et al., Nature, 23. března 2000.)

Dosud nejdelší ohon komety o délce více než 570 miliónů km byl objeven sondou Ulysses 1. května 1996 pomocí fluktuací magnetických polí a pomocí množství a typů nabitých částic. Záhada magnetických fluktuací byla tak vysvětlena pomocí působení komety Hyakutake. Ohon této komety je delší než do té doby nejdelší ohon komety z roku 1843. Pokud by kometa Hyakutake někdy v budoucnu byla viditelná ze Země, která by protínala její dráhu, pak by ohon měl na obloze délku více než 80 stupňů. (Jones et al. and Gloeckler et al., Nature, 6. dubna 2000.)

Někteří vášniví sportovci možná uvažují o vodním lyžování nebo jízdu na motorovém člunu po jezeře Tahoe. Je však třeba tyto nadšence varovat. Soustava trhlin v hornině poblíž jezera vede k závěru, že v okolí jezera mohou vznikat otřesy o magnitudě až 7 stupňů. Simulace výzkumníků z Univerzity v Nevadě ukazují, že na jezeře by vznikly mohutné vlny tsunami o výšce asi 10 metrů. (Ichinose et al., Geophysical Research Letters, 15. dubna 2000.)

Literatura a odkazy:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 479. April 13, 2000 by Phillip F. Schewe and Ben Stein
 

časopis o přírodě, vědě a civilizaci