Na zasedání Americké fyzikální společnosti v březnu 2002 v Indianapolis Robert McDermott, pracovník skupiny Johna Clarka z Kalifornské university v Berkeley, popsal metodu zobrazování magnetickou resonancí (MRI, Magnetic Resonance Imaging) s magnetickou indukcí několika mikroTesla. Principem zobrazování magnetickou resonancí je jaderná magnetická resonance, proces, v němž obvykle silné magnetické pole orientuje spiny atomových jader v prostoru a při ozařování radiovými vlnami dochází k absorbci příslušných resonančních frekvencí atomovými jádry. Při zjišťování chemického složení jadernou magnetickou resonancí lze využít zobrazovací metodu, kdy určité místo je opakovaně ozařováno radiovými vlnami. Zhoubný nádor má například nepatrně odlišnou hustotu vody od okolní tkáně a proto obsahuje odlišný počet protonů. Počítačové zpracování umožňuje přesněji určit polohu nádoru. Pro vytváření snímků magnetickou jadernou resonancí jsou obvykle nutná silná magnetická pole. Proto vývoj zobrazovacích metod s použitím slabých magnetických polí je předmětem jak vědeckého tak lékařského zájmu. McDermott oznámil, že se jeho týmu podařilo snímkovat čtyři sloupce kapaliny po dobu několika hodin s použitím magnetických polí o intenzitě jen 10 mikroTesla. (McDermott et al., Science, 22. března 2002)

Na stejném zasedání Americké fyzikální společnosti Mark Haacke[M1] z MRI Institute for Biomedical Imaging v St. Louis hovořil o nové metodě susceptibilitou váženého zobrazování SWI (susceptibility weighted imaging). Tato metoda měří rozdíly magnetické susceptibility tkáně v lidském mozku, která reaguje na vnější magnetické pole produkované zařízením pro zobrazování magnetickou resonancí. Metoda poskytuje jedinečné informace o krevní oběhové soustavě a je používána pro podrobné snímky krevních tepen a žil v mozku, pomocí nichž lze vyhledávat malé krevní sraženiny. Metoda SWI může detekovat také změny krevní oběhové soustavy způsobené rakovinou a případně pomoci lépe diagnostikovat např. Parkinsonovu nebo Alzheimerovu chorobu díky rozložení kovů v mozkové tkáni.

Elektrická měření jednotlivých živých buněk mohou poskytovat důležité informace bez použití optických metod, které často vyžadují označování tkáně fluorescentními látkami. Buňky nejsou pouze samostatnými jednotkami, ale složitou sítí navzájem různě interagujících makromolekul, jejichž hlubší studium vyžaduje nové nástroje. Lydia Sohn z Princetonu [M2] popsala na zasedání Americké fyzikální společnosti několik elektrických biosenzorů, které umožňují měřit například množství desoxyribonukleové kyseliny v jednotlivých živých buňkách. Průchodem malou komorou mezi dvěma kovovými elektrodami živá buňka mění elektrickou kapacitanci elektrod (která charakterizuje množství elektrického náboje). Tato kapacitance přímo odpovídá množství DNA v buňce, protože DNA nese záporný elektrický náboj. Pomocí této metody by bylo možno určovat jednotlivé fáze vývoje buňky, protože buňka v jednotlivých fázích svého vývoje obsahuje různé množství DNA. Tímto způsobem by bylo možno odlišit rakovinné buňky od zdravých. Sohn dále představila biosenzor, který umožňuje detekovat určitý protein v živých buňkách bakterie Escherichia coli. Jedním z cílů laboratoře Lydie Sohn je studovat množství různých proteinů v živých buňkách. Současné metody pro zjišťování množství různých proteinů jsou pro buňky destruktivní.

Omar Saleh, člen skupiny Lydie Sohn v Princetonu, představil umělý pór, mikročipové zařízení, které umožňuje určit velikost malých objektů, jako jsou buňky, detekcí změn elektrického proudu těchto objektů procházejících póry v kapalinové komoře, která obsahuje dvojici elektrod. (O.A. Saleh and L.L. Sohn, Review of Scientific Instruments, prosinec 2001; viz také [X1])

Navzdory svému názvu mikroskopie atomových sil (AFM, atomic force microscopy) není schopna vytvářet snímky proteinů nebo jiných velkých molekul s rozlišením jednotlivých atomů. Při snímkování makromolekul přichází do kontaktu s hrotem sondy mikroskopu AFM oblast molekuly o velikosti asi 100 nanometrů čtverečných. Tato oblast je srovnatelná s velikostí celé molekuly a výsledky jsou ovlivněny samotným hrotem sondy. Pro získání podrobnějších informací o zkoumaných makromolekulách je nutné vliv hrotu sondy mikroskopu AFM nějak eliminovat, ale výsledky jsou dosud většinou nepřesné.

Na zasedání Americké fyzikální společnosti v březnu 2001 Stephen Eppell a Brian Todd z Case Western Reserve University [M3] představili novou metodu pro získání informací na submolekulární úrovni o proteinech. Studovali protein, který sehrává důležitou roli při osteoarthritidě. Použili technologii, která kombinuje možnosti mikroskopu atomových sil s informacemi o genomu a s daty z elektronového mikroskopu. Všechna tato data autoři sloučili použitím sofistikované metody zpracování obrazu, která v současné době poskytuje nejlepší snímky trojrozměrné struktury. Jejich výsledky přinesly nové informace o struktuře zkoumané molekuly, zejména různá místa zlomů a oblasti mechanické pružnosti molekuly. Výzkumníci doufají, že jejich metoda umožní hlubší studium biologických a mechanických vlastností různých biologických molekul a odhalení příčin různých onemocnění, jako je osteoarthritida, na molekulární úrovni. Výsledky takového výzkumu mohou přispět k léčení pomocí molekulárně cílených léčiv a k prevenci nebo k zamezení rozvoje těchto onemocnění.

Literatura a odkazy:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 582. March 26, 2002 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.

15. až 18. března 2002 proběhlo zasedání "Věda a základní realita" o posledních objevech teoretické a experimentální fyziky v Princetonu na počet 90. výročí narození Johna Archibalda Wheelera a jeho velkého přínosu ke kvantové mechanice, kosmologii a k informační teorii.

V posledních letech bylo v těchto oblastech dosaženo řady plodných výsledků. Nové experimenty kvantové teorie například prokázaly nelokalitu, kdy výsledky měření fyzikálního jevu v jednom místě jsou korelovány s výsledky měření fyzikálního jevu v jiném místě, přičemž tento vliv jednoho jevu na druhý se šíří rychlostí vyšší než je rychlost světla. Dále se podařilo vyvinout robustní kvantové systémy, které umožňují rozšířené "kvantové počítání" a tím hlubší studium kvantové reality. V astrofyzice například došlo k nástupu automatizovaného měření rudého posuvu galaxií a ke vzniku podrobných map kosmického mikrovlnného pozadí vesmíru, což naznačuje nástup období "přesné kosmologie".

Na zasedání v Princetonu vystoupila řada významných vědců [X1] s velmi zajímavými tématy. Wojciech Zurek z Los Alamos hovořil o kvantové dekoherenci, procesu, v němž kvantový systém (tedy systém popsaný komplexní vlnovou funkcí a pravděpodobností) se přemění na klasický systém (s pozorovatelnými souřadnicemi) malými ale četnými interakcemi s okolním prostředím. Bryce DeWitt z Texaské univerzity hovořil o Everettově interpretaci "mnoha světů" v kvantové mechanice, podle níž měřením v kvantovém systému nedochází ke kolapsu vlnové funkce, ale k rozštěpení vesmíru na řadu paralelních verzí, které odpovídají jednotlivým možným výsledkům měření. Chris Monroe z Univerzity v Michiganu hovořil o kvantovém propletení iontů v atomové pasti. Kvantové propletení je společný kvantový stav několika částic, které mají vzájemně korelované kvantové vlastnosti, jako je spin nebo hybnost. Dále hovořil o logických hradlech budoucích kvantových počítačů.

Někteří účastníci zasedání hovořili o trvajícím problému sloučení kvantové mechaniky a obecné teorie relativity do jednotného rámce. Juan Maldacena z Ústavu pro pokročilá studia v Princetonu (Institute for Advanced Study) hovořil o ztrátě informace uvnitř černých děr. Dalším tématem bylo porovnání teorie superstrun s konkurenční gravitační teorií kvantových smyček, která nepovažuje časoprostor za pouhé pozadí interakcí, ale za dynamickou entitu. Lisa Randall z Harvardské univerzity hovořila o chování gravitace ve více rozměrech. Dále se hovořilo o metodách detekce gravitačních vln. Raymond Chiao z Kalifornské univerzity v Berkeley popsal experiment, v němž se pokusil přeměnit elektromagnetické vlny v řízené gravitační vlny uvnitř zařízení, jehož obvody přecházejí z normálního vodivostního stavu do stavu supravodivosti. Použitím druhého zařízení chce Chiao přeměnit gravitační vlny nazpět na elektromagnetické vlny. Robert Laughlin ze Stanfordské univerzity, který obdržel Nobelovu cenu za své studium obrazců v dvojrozměrných elektronových plynech pomocí kvantového Hallova jevu, hovořil o tom, jak obecná teorie relativity může "vymizet" na hranici černé díry. (viz [X2])

Jedním z cílů zasedání bylo uskutečnit volnou diskusi o všech uvedených tématech, včetně role lidského vědomí v procesu měření v kvantové mechanice. K diskusi byli přizváni zejména mladí vědci, jimž bylo poskytnuto stipendium, aby se zasedání mohli zúčastnit. Proběhla také soutěž mladých vědců, kteří publikovali články o kvantové realitě. Ze 64 článků byly oceněny článek Raphaela Boussoa z Kalifornské univerzity v Santa Barbara a článek Fotiniho Markopoulou-Kalamary z Univerzity ve Waterloo v Kanadě.

Klíčovou přednášku přednesl populární Anton Zeilinger z Vídně v Rakousku, který ocenil přínos Johna Archibalda Wheelera k řadě fyzikálních problémů. Jedním z nich byla myšlenka experimentu "zpožděného výběru". Disipaci vlnové interference, způsobené snahou experimentátora určit, kterou z možných drah se částice bude do detektoru pohybovat, se lze vyhnout zpožděním pozorování dráhy do okamžiku, než částice (nebo vlna) tuto dráhu vybere. Zeilingner uvedl, že takový experiment s kvantově propletenými fotony popsal jako "Heisenbergův mikroskop".

Zeilinger se zmínil ještě o dalších experimentech. Jedním z nich bylo pozorování molekul uhlíku-70 ve vlnové formě, které procházely soustavou blízkých štěrbin a vytvářely interferenční obrazec. Molekuly C-70 vznikají v peci při teplotě 900 Kelvinů. Vysoká teplota způsobuje různé vibrační módy této molekuly, která na své dráze měřícím přístrojem vyzařuje čtyři až pět fotonů. Proč však tato komunikace mezi molekulární vlnou a jejím okolím nevede k dekoherenci a tím k zániku interference? "Velikost" vyzařovaných fotonů musí být větší než vzdálenost štěrbin nebo de Broglieho kvantová vlnová délka samotné molekuly. Proto fotony nenesou žádnou informaci o "výběru dráhy". Dekoherence kvantového systému se neuskuteční, pokud systémem neprojde nějaká užitečná informace.

Zeilinger tvrdí, že kvantová realita se už nezdá tak záhadná, než tomu bylo v době, kdy se s ní setkal jako student. Mládež bez problémů přijímá fakt, že Země obíhá kolem Slunce, přestože jejich každodenní zkušenost ukazuje něco jiného. Zeilinger je přesvědčen, že s kvantovou teorií by se děti měly seznamovat již od základní školy formou různých her, které by předváděly kvantové jevy bez jakékoliv matematiky nebo rovnic.

Literatura a odkazy:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 583. April 1, 2002 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.

Asi 10 procent onemocnění malých dětí syndromem respirační nedostatečnosti (RDS, respiratory distress syndrome) je způsobeno nedostatkem plicního hlenu, molekulární látky, která umožňuje plicním alveolám uvolňovat oxid uhličitý z krve a vázat kyslík. Tento plicní hlen zabraňuje plicním alveolám, aby se zhroutily, a pomáhá udržovat jejich tvar omezováním povrchového napětí. Nedostatek tohoto plicního hlenu omezuje funkčnost plicních alveol. Výzkumníci Kalifornské univerzity v Santa Barbara (Joseph Zasadzinski, [M1]) provádějí laboratorní studium tohoto někdy smrtelného onemocnění. Měřili viskozitu jednomolekulárních vrstev lipidů podobných lipidům v plicním hlenu. Viskozita určuje, jak rychle se lipidy rozptylují po povrchu plicní alveoly.

Výzkumníci zjistili, že jednomolekulární vrstvy se skládají z ostrůvků dvojrozměrných lipidových krystalů, které plavou ve spojité vrstvě lipidů v téměř kapalném stavu. Relativní poměr plošných obsahů, které zaujímají krystaly a kapalina, se během dýchacího cyklu mění. Vdech a výdech mění plošný obsah, na němž se plicní hlen může rozptýlit. Výzkumníci zjistili, že viskozita jednomolekulární vrstvy silně závisí na relativním poměru krystalů a kapaliny. Pod kritickým poměrem množství krystalů se molekulární vrstva chová podobně jako kapalina. Má nízkou viskozitou a nízký odpor vůči rozptýlení. Nad kritickým poměrem krystalů se ale viskozita náhle změní a jednomolekulární vrstva je pevná a nepohyblivá.

Změnou složení lipidu lze změnit poměr krystalů v molekulové vrstvě a zajistit správnou viskozitu plicního hlenu. Výzkumníci jsou přesvědčeni, že rychlý přechod z kapalného do téměř pevného stavu je důležitý k tomu, aby se alveoly mohly při výdechu zcela otevřít, přestože povrchové napětí při jejich vyprázdnění roste. Výzkumníci doufají, že jejich výzkum přispěje k pochopení funkcí plicního hlenu, které by pomohlo léčit onemocnění dětí syndromem RDS. (Ding et al., Physical Review Letters, 22. dubna 2002; [X1])

Před několika lety dvě různé studie vzdálených supernov naznačily, že rozpínání vesmíru se nezpomaluje, ale zrychluje (viz [X2], Physics News Update 361). Jednou z příčin by mohla být existence jistého druhu antigravitace nebo "temné hmoty", která působí proti vzájemnému gravitačnímu přitahování mezi galaxiemi. Avšak nemůže existovat ještě jiné vysvětlení pozorovaného zeslabování svítivosti vzdálených galaxií? Vědci z Los Alamos a Stanfordu takové vysvětlení nabízejí. John Terning [M2], Csaba Csaki a Nemanja tvrdí, že zeslabování svítivosti může mít příčinu v přeměně fotonů ze supernov na axiony. Axiony jsou hypotetické částice, které jsou uvažovány při narušení pravo-levé symetrie elementárních částic. Občasná přeměna fotonu na axion a zpět se podobá oscilaci neutrin mezi jednotlivými typy (elektronové, mionové, tauonové). V tomto procesu oscilace nejméně jeden z typů musí mít nenulovou hmotnost. Předpokládá se, že axiony mají velmi malou hmotnost, jen 10^-16 eV. Terning je přesvědčen, že axionová hypotéza může vysvětlit pozorovanou svítivost supernov. Přímé důkazy axionů jsou hledány slunečním dalekohledem pro axiony CAST (CERN Axion Solar Telescope), [X3]. (Csaki et al., Physical Review Letters, 22. dubna 2002; viz také [X4])

Literatura a odkazy:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 584. April 9, 2002 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.

Kvarkové hvězdy mohou vznikat gravitačním kolapsem hvězd, jejichž hmotnost je menší než kritická hmotnost pro vznik černé díry, ale větší než kritická hmotnost pro vznik neutronové hvězdy. Neutrony jsou hadrony, které jsou složeny ze dvou kvarků "down" a jednoho kvarku "up". Při dostatečném tlaku se mohou rozpadnout na kvarky.

Výzkumníci v Brookhavenu se pokusili na srážkovém urychlovači relativistických těžkých iontů RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) podobný proces napodobit v mnohem menším měřítku ostřelováním jader atomů zlata. Kvarkové hvězdy mohou vznikat působením mohutných gravitačních polí, zatímco v urychlovači potřebný tlak vyvolává zrychlení iontů. Za těchto podmínek pro řadu kvarků může být energeticky výhodné existovat jako podivné kvarky "strange", místo lehčích kvarků "up" a "down". Proto se takové hvězdy někdy označují jako "podivné hvězdy". Více těchto o hvězdách viz článek Vladimíra Wagnera "Podivné hvězdy" [N1]

Důkaz existence kvarkových hvězd pochází ze studia dvou neutronových hvězd, které byly pozorovány v roentgenovém spektru roentgenovým dalekohledem Chandra a v optickém spektru Hubbleovým vesmírným dalekohledem. Jeden z těchto objektů RXJ1856 je příliš malý (značná intenzita roentgenového záření a nízká intenzita viditelného záření) na to, aby byl neutronovou hvězdou, která by byla složena převážně z neutronů. Druhý z těchto objektů 3C58 chladne příliš rychle (měření tepla a známá doba života této hvězdy) na to, aby byl běžnou neutronovou hvězdou. V obou těchto případech je vhodnějším vysvětlením, že jde o kvarkové hvězdy nebo o smíšené hvězdy z vrstvy kvarků a vrstvy neutronů. (Dva články v Astrophysical Journal; 3C48 preprint, Slane et al., [X1]; RXJ1856 preprint, Drake et al., [X2]).

Pouhý den po tiskové konferenci, na níž byly oznámeny výše uvedené výsledky, byl publikován další článek [X3], podle něhož vzdálenost objektu JXJ1856 je ve větší vzdálenosti od Slunce, než se původně odhadovalo, a proto nemusí být kvarkovou hvězdou.
 

Neutrina s velmi vysokou energií mohou vznikat řadou způsobů, např. v zakřiveném prostoru poblíž černých děr nebo rozpadem exotických hmotných částic. Tato neutrina jsou na Zemi detekována různými způsoby.

Jedním z důvodů, proč o tato neutrina roste zájem, je fakt, že mohou pomoci vyřešit záhadu vyšší intenzity kosmického záření s energiemi nad 10²⁰ eV, než je teoretický předpoklad. Při těchto energiích se očekává, že částice ztrácejí část své energie interakcemi s kosmickým mikrovlnným pozadím s předpokládaným Greisenovým-Zatsepinovým-Kuzminovým omezením. Příčinou tohoto omezení mohou být neutrina o velmi vysokých energiích, která neinteragují s fotony a přenášejí značné množství energie. Nadbytek energie kosmického záření může pocházet z náhodných srážek mezi těmito neutriny a ostatními částicemi, jako jsou protony a jiná neutrina. Neutrina lze velmi těžko v pozemských detektorech detekovat a jejich množství se určuje nepřímo. Proto výzkumníci spoléhají na nové experimentální metody, jako je pole detektorů Pierre Augera, které je nyní ve výstavbě.

Alexander Kusenko (Kalifornská univerzita v Los Angeles, UCLA a Národní laboratoř v Brookhavenu, BNL [X4]) a Thomas Weiler (Vanderbilt) navrhují porovnat proudy částic, které jsou důsledkem neutrin s vysokou energií, na různých místech ve stejné výšce atmosféry s proudy částic, které vznikly průchodem planetou Země. (Phys. Rev. Lett. 22. dubna 2002.)

Ve druhém článku se výzkumníci z Massachusettského ústavu technologie (MIT [X5]) soustředili na sledování výskytu neutrin a navrhli nové schéma detekce. Toto nové schéma vychází z přeměn neutrin na odpovídající lepton (elektron, mion nebo tauon) podle typu neutrina. Tento lepton lze detekovat, protože může zanechat fluorescentní dráhu. (Feng, Fisher, Wilczek, Yu, Physical Review Letters, 22. dubna 2002.)

Ve třetím článku Fodor, Katz a Ringwald (DESY, Hamburg a Eotwosova Univerzita v Budapešti, kontakt: Andreas Ringwald [M1]) se soustředili na jevy, při nichž se neutrina s vysokou energií rozptylují na reliktních neutrinech z velkého třesku (neutrinové kosmické pozadí jako analogie mikrovlnného kosmického pozadí) a vytvářejí bosony Z (částice zprostředkující silnou jadernou interakci). Boson Z se rozpadá na částice, mezi nimiž jsou také protony a fotony. Tyto fotony lze detekovat a odlišit od fotonů z astrofyzikálních zdrojů ("běžné" kosmické záření), jako jsou aktivní galaxie, díky tvaru jejich spektra energií. Analýzou spektra energií kosmického záření a použitím tohoto modelu výzkumníci sestavili odhad hmotnosti reliktních neutrin. Pokud pozadí běžného kosmického záření pochází z galaktického hala, pak odhad hmotnosti neutrin je 2,75 eV. Pokud běžné kosmické záření pochází z extragalaktických zdrojů, pak odhad hmotnosti neutrin je 0,26 eV (Fodor, Katz, Ringwald, Physical Review Letters, 29. dubna 2002; [X6])

Literatura a odkazy:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 585. April 16, 2002 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.

poslední úprava: 19.04.2002