Australští výzkumníci experimentálně ukázali, že určité mikroskopické systémy se mohou po určitou krátkou dobu stát uspořádanější a porušovat tak druhý zákon termodynamiky, podle něhož entropie uzavřeného termodynamického systému musí vzrůstat. Toto omezení druhého zákona termodynamiky mohou využít zejména konstruktéři nanoskopických strojů.

Nový experiment může mít zásadní důsledky pro pochopení fyziky živé hmoty na mikroskopické úrovni jednotlivých buněk a zejména pro samotný vznik života.

Existuje řada různých formulací druhého zákona termodynamiky. Jedna z formulací tvrdí, že nelze jednoduše odebrat tepelnou energii z nějakého zásobníku tak, aby konala práci. Pokud by tomu tak bylo, stroje by mohly odebírat teplo například ze sklenice vody, až by vznikl led. Chladničky a mrazničky by produkovaly elektrický proud místo to, aby ho spotřebovávaly. Druhý zákon termodynamiky se většinou týká velkých souborů mnoha miliard částic, jako jsou molekuly plynu nebo kapaliny. Tento zákon v principu statisticky popisuje kolektivní chování velkého počtu částic, které nejsme schopni sledovat jednotlivě. Pokud systém obsahuje jen několik částic, statistický popis je hrubší a mohou nastat podmínky a situace, které jsou ve velkých systémech značně nepravděpodobné. Proto druhý zákon termodynamiky nelze obecně používat na malé soubor částic.

Experiment fyziků z Australské národní univerzity v Cannbeře a Griffithovy univerzity v Brisbane (Edith Sevick, [M1]) odhaluje některé aspekty termodynamiky zhruba na hranici mezi velmi malými a velmi velkými systémy.

Výzkumníci použili optickou "pinzetu" pro uchopení a vlečení zrnek o velikosti několika mikronů v kapalině. Měřili vlastnosti pohybu zrnek a vypočetli mikroskopické síly působící na zrnka. Výzkumníci zjistili, že zrnka byla často vychýlena z dráhy nárazy molekul vody, při nichž docházelo k přenosu energie z kapaliny do zrnek. Tento přenos energie odnímá tepelnou energii kapaliny (která se projevuje jako Brownův pohyb molekul kapaliny) a tato tepelná energie vykonává práci (ovlivňuje pohyb zrnek). Tento fakt je v rozporu s druhou větou termodynamiky.

Pokud pohyb zrnek probíhal pouze na krátké vzdálenosti, docházelo k přenosu energie z kapaliny do zrnek a konala se práce. Pokud však pohyb zrnek trvá více než asi 2 sekundy, druhý zákon termodynamiky přenos energie s konáním práce neumožňuje. Proto mikroskopické perpetuum mobile může fungovat nejvýše jen několik sekund.

Výzkumníci jsou přesto překvapeni skutečností, že druhý zákon termodynamiky neplatí ani pro systémy velikosti zrnek a po dobu až několika sekund. Krychlový mikron vody totiž obsahuje asi 30 miliard molekul, což je statisticky významný vzorek. Přestože nelze konat užitečnou práci přeměnou vody v led, experiment naznačuje, že nanoskopické stroje se budou setkávat s velmi překvapivými fyzikálními jevy, o nichž jejich konstruktéři dnes ještě nic neví. Nanoskopické stroje mohou na určitou krátkou dobu zvrátit tok energie při konání práce.

Zmíněný výzkum má značný význam také pro mikrobiologii, neboť většina buněk organismů má velikost srovnatelnou s velikostí zrnek v experimentu. Zde lze možná hledat odpověď na námitku řady věřících, jak bez Božího zásahu mohly vzniknout první buňky navzdory neúprosnému druhému zákonu termodynamiky. (G. M. Wang et al., Physical Review Letters, 29. července 2002)

Fyzikové z Univerzity v Tübingenu v Německu jako první vytvořili Boseův-Einsteinův kondenzát v mikroskopické magnetické povrchové pasti. V této pasti jsou umístěny kondenzované atomy při teplotě několika nanoKelvinů, zatímco ve vzdálenosti jen 100 mikronů na povrchu pasti je pokojová teplota. Tato past se skládá z několika polí sedmi vláken (s tloušťkou jen několika mikronů ale s délkou jen několika milimetrů), což je dosud vůbec nejmenší struktura, v níž se podařilo udržovat atomy v určité stabilní konfiguraci. Měděnými vlákny mohou pro řízení neutrálních atomů Boseova-Einsteinova kondenzátu procházet proudy až 0,5.10⁶ A/cm². Podle výzkumníků z Tübingenu (kontakt: David Wharam [M2] nebo Claus Zimmermann [M3]) lze kondenzát podél vláken posouvat (vlákna se chovají jako magnetický vlnovod) podobně jako se posílají fotony optickým vláknem. Další výzkum se soustředí na problém, jak past může rozdělit kondenzát na několik menších kondenzátů, aby bylo možno studovat jejich interferenci. (Fortagh et al., Applied Physics Letters, 29. července 2002)

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 598. July 17, 2002 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.

Kapalinu s hustotou asi 10¹³ krát nižší než je hustota vody bude zřejmě možno vytvořit uvnitř Boseova-Einsteinova kondenzátu působením tzv. "Efimovova jevu", kvantového jevu, při němž se dvojice atomů v oblaku navzájem přitahují ale trojice se navzájem odpuzují. V tomto Efimovově oblaku budou atomy od sebe průměrně vzdáleny asi 20 krát více než v Boseově-Einsteinově kondenzátu, který je asi miliónkrát řidší než vzduch. Navíc tento nový typ kondenzátu není plynem ale kapalinou. Podle Aurela Bulgaca z Univerzity ve Washingtonu zvláštní uspořádání atomů v Efimovově kondenzátu svým magnetickým polem brání rozptylu kondenzátu a současně brání jeho stlačení. Neobyčejná kvantová kapalina bude kondenzovanou látkou s vůbec nejmenší možnou hustotou a bude zřejmě vznikat ještě při nižších teplotách, než se používají v experimentech s Boseovy-Einsteinovy kondenzáty. Bulgac navrhl, aby se Efimovovy kapky z bosonových atomů nazývaly "boselets" a z fermionových atomů "fermilets". ([M1], Physical Review Letters, 29. července 2002)

Nový výzkum naznačuje, že jednotlivé doby ledové (glaciály) na Zemi by mohly souviset s pohybem Sluneční soustavy spirálními rameny Galaxie. Nir Shaviv [M2] z Univerzity v Torontu v Kanadě a z Hebrejské univerzity v Jeruzalému v Izraeli založil svoji hypotézu na korelacích, které nalezl mezi zjevnými změnami toku kosmického záření dopadajícího na Zemi a geologickými důkazy velkých glaciálů za poslední miliardu let. Spirální ramena Galaxie nejsou stabilními pevnými strukturami, ale jsou důsledkem hustotních vln, které se pohybují Galaxií. Velmi hmotné hvězdy vznikají z hustotních vln a později explodují jako supernovy, které jsou primárním zdrojem kosmického záření v Galaxii. Na povrch Země dopadalo v geologické minulosti větší množství kosmického záření při erupcích blízkých supernov ve velkých spirálních ramenech. Pokud existuje souvislost mezi tokem kosmického záření a globálním klimatem, pak výskyt glaciálů musí korelovat s polohou Sluneční soustavy vzhledem ke spirálním ramenům Galaxie.

Jedním z problémů při zkoumání souvislostí globálního klimatu Země a pohybu spirálních ramen je zjištění změn toku kosmického záření v geologické minulosti. Nir Shaviv určil velikost toku kosmického záření z množství tohoto záření zjištěného ve 42 železných meteoritech. Analýza těchto meteoritů ukázala, že tok kosmického záření v období asi 143 miliónů let kolísal a jeho intenzita dobře koreluje jak s geologickými záznamy glaciálů tak s polohou Sluneční soustavy vzhledem ke spirálním ramenům. Intenzita kosmického záření při naší současné poloze v malém spirálním ramenu Orionu je asi poloviční než intenzita záření, která byla v některém velkém spirálním ramenu. Shavivův model dostatečně dobře odhaduje dobu velkých glaciálů a je konzistentní se současnými globálními teplotami. Shaviv tvrdí, že nejslabším článkem jeho hypotézy jsou nejistoty v rozsahu a trvání glaciálů a interglaciálů (dob meziledových). Potvrzení souvislosti polohy Sluneční soustavy vzhledem ke spirálním ramenům Galaxie proto bude vyžadovat další geologický výzkum. (Nir J. Shaviv, Physical Review Letters, 29. července 2002)

Sonoluminiscence má chemickou povahu a nikoliv jadernou, jak se někteří výzkumníci domnívali. Nový experiment na Illinoiské univerzitě objasnil jednu ze záhad sonoluminiscence, přeměně ultrazvukových vln ve světelné pulsy o délce několika pikosekund prostřednictvím rychlých oscilací bublin v kapalině. Jurij Didenko a Kenneth Suslick tvrdí, že intenzivní zvukové vlny stlačují bubliny v kapalině, přičemž jejich teplota vzroste na asi 10 až 20 tisíc Kelvinů. Většina molekul plynu v bublinách je při této teplotě ionizována a dochází ke zvláštním chemickým reakcím za vzniku ultrakrátkých světelných pulsů. Výzkumníci studovali ultrazvukové jevy působící na jednotlivé bubliny vzduchu v nádobě s vodou a bezpečně určili výsledné produkty, jimiž byly ionty oxidu dusičitého (NO₂), hydroxylového radikálu (OH) a světlo. Větší část zvukové energie se spotřebuje během chemických reakcí a menší část se přemění ve světlo, jehož intenzita je příliš malá na to, aby mohlo jít o jadernou fúzi, jak se v roce 2001 domnívali výzkumníci z Oak Ridge. (Didenko a Suslick, Nature, 25. července 2002.)

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 599. July 24, 2002 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.

Koncem července 2002 byly oznámeny výsledky některých velmi přesných testů standardního modelu elementárních částic. Tyto testy se týkaly narušení symetrie CP mesony B (experimenty laboratoře KEK v Japonsku a SLAC v Kalifornii) a magnetického momentu mionu (experiment v laboratoři v Brookhavenu).

Standardní model, který se pokouší vysvětlit silové interakce pomocí výměny bosonů, se skládá z teorie elektroslabé interakce (sjednocení slabé interakce, jejímiž nositeli jsou bosony Z a W, a elektromagnetické interakce, jejímž nositelem je foton) a z kvantové chromodynamiky (silná jaderná interakce, jejímiž nositeli jsou gluony). Tento model velmi úspěšně vysvětluje chování elektronů v atomech (v případě některých přechodových frekvencí teorie a experiment souhlasí s přesností 10¹² a vyšší) a také vysvětluje další jevy, jako je narušení symetrie CP. Model neobsahuje, ale je schopen zahrnout oscilace neutrin. Některá rozšíření standardního modelu, jako je teorie superstrun, podle níž se veškerá hmota skládá z malých strun nebo membrán, se snaží zahrnout také gravitaci, uvažují existenci dalších prostorových rozměrů a na základě supersymetrie tvrdí, že ke každému fermionu existuje boson a naopak. Supersymetrii sice dnes přijímá většina fyziků, ale tato hypotéza překonává standardní model, protože požaduje existenci superčástic a zcela nové interakce, jejímž prostřednictvím se mohou přeměňovat fermiony na bosony a naopak. Tato interakce by měla být zprostředkována leptokvarkem.

Nové výsledky testů narušení symetrie CP byly oznámeny na Mezinárodní konferenci o fyzice vysokých energií v Amsterdamu. Skupina detektoru Belle z laboratoře KEK a skupina detektoru BaBar z laboratoře SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) pozorovaly určité jemnosti rozpadů mesonů B a měřily parametr označovaný jako sin 2\beta. Hodnota tohoto parametru, kterou obě skupiny změřily přesněji než kdykoliv předtím, odpovídá předpovědi standardního modelu. [X1]

Skupina g-2 z Brookhavenu hledá odchylku magnetického momentu mionu (souvisejícího se spinem mionu parametrem g) od hodnoty 2. Tato hodnota odpovídá nepřítomnosti interakcí mezi mionem a virtuálními částicemi ve vakuu, včetně případných exotických částic za hranicemi platnosti standardního modelu, jako jsou supersymetrické částice. Ačkoliv supersymetrické částice by se měly vyskytovat velmi vzácně a měly by být nestabilní, jejich existence ve vakuu by se měla měřitelně projevovat jako v případě magnetického momentu mionu. Proto měření magnetického momentu mionu při rozpadu mionu v silném magnetickém poli by mohla vést k nepřímému důkazu exotických částic. Určité důkazy g-2 tým oznámil již dříve a nové výsledky s vyšší přesností oznámil také na zasedání v Amsterdamu [X2]

Zprávy o neutrinech z posledních několika let jsou převratné. Byla prokázána oscilace neutrin mezi jednotlivými typy [X3] a byl vyřešen problém slunečních neutrin, který astrofyziky trápil několik desetiletí. Výsledky vedou k závěru, že nejméně jeden typ neutrin (elektronové, mionové, tauonové) má nenulovou hmotnost. Tato neutrina s nenulovou hmotností by měla sehrávat určitou roli při vývoji galaxií. Avšak jak významná je tato role? Experimenty částicové fyziky jsou zatím schopny určit pouze rozdíly druhých mocnin hmotností neutrin. Z experimentů rozpadu tritia vyplývá, že horní mez hmotnosti elektronového neutrina je 2,2 eV. Horní meze hmotnosti mionového a tauonového neutrina by měly být někde v rozsahu MeV.

Nové horní meze hmotnosti neutrin byly určeny z rozložení galaxií v různých směrech oblohy. Pomocí zařízení 2dF Galaxy Redshift Survey bylo provedeno měření 250 000 galaxií (z nichž asi 400 bylo pozorováno dalekohledem v Siding Spring Mountain v Austrálii). Pozorování umožnilo sestavit graf závislosti počtu galaxií na vzdálenostech mezi galaxiemi. Vzniklo tak galaktické "spektrum energie", které lze použít pro odhad hmotnosti různých typů hmoty ve vesmíru: baryonů (jako jsou protony), temné hmoty (jako jsou slabě interagující hmotné částice) a horké hmoty (jako zřejmě jsou neutrina). Výsledky týmu 2dF vedou ke dvěma důležitým závěrům:

• Neutrina nemohou tvořit více než 13% veškeré hmoty vesmíru.
• Součet hmotností všech typů neutrin nemůže být vyšší než 2,2 eV.

Nový způsob měření složitosti biologických systémů navrhli výzkumníci z Harvardské lékařské školy a Univerzity v Lisabonu (kontakt: Madalena Costa [M2], Ary L. Goldberger [M3], C.-K. Peng [M4]). Jejich metoda vede k závěru, že nemoc a stáří lze hodnotit pomocí ztráty informace. Složitost biologického organismu těsně souvisí s jeho schopností se adaptovat (přežít v nepřátelském prostředí) a s jeho funkčností. Z tohoto hlediska nemoc a stáří zmenšuje složitost organismu, který se hůře přizpůsobuje a je zranitelnější vůči katastrofickým jevům.

Avšak tradiční představy jsou někdy v rozporu s touto teorií "ztráty složitosti" nemocemi a stářím. Konvenční definice, původně vyvinutá pro informační teorii, hodnotí složitost pomocí množství nové informace, jíž systém je schopen vytvářet. Podle tradičních představ nemocné srdce s nepravidelným rytmem, jako je fibrilace, je složitější než srdce zdravé. Nemocné srdce může ve svém rytmu vytvářet zcela náhodné variace ("bílý šum"). Tyto náhodné variace trvale vytvářejí "novou" informaci, jíž nelze nijak předpovědět z předchozích hodnot chování srdce. Na druhé straně zdravé srdce obsahuje méně náhodných vzorků označovaných jako 1/f šum.

Podle výzkumníků problém konvenčního měření složitosti spočívá v tom, že ignoruje násobná časová měřítka. Pro řešení víceškálové vnitřní podstaty biologických organismů výzkumníci vyvinuli novou "víceškálovou entropii" (MSE, multi-scale entropy) pro výpočet biologické složitosti. Jejich metoda vypadá zhruba následovně. Výzkumníci zaznamenají časové řady srdečního rytmu o délce asi 30 000 úderů. Tyto řady rozdělí hrubozrnným dělením na skupiny po 20 úderech a pro každou skupinu vypočtou průměrnou rychlost úderů ve skupině. Pak určí nepředpověditelnost (tedy variaci této rychlosti mezi skupinami). Vyšší míra této variace znamená větší množství nové informace a větší složitost. Tento výpočet se zopakuje pro různé velikosti skupin od 1 do 19 úderů. Tato metoda je schopna odhalit složité uspořádání informace v různých časových měřítcích. Výzkumníci použili svoji metodu výpočtu na zdravá srdce mladých lidí, na starší nemocné pacienty s vážnými srdečními poruchami a na pacienty s atriální fibrilací. Algoritmus MSE konzistentně určuje vyšší složitost zdravého srdce než nemocného srdce. (Costa et al., Physical Review Letters, 5. srpna 2002)

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 600. August 1, 2002 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.