Nový scénář, který se snaží vysvětlit pozorované zrychlování rozpínání vesmíru, vypracoval fyzik Robert Caldwell z Darthmouthu a jeho kolegové Marc Kamionkowski a Newin Weinberg z Caltech. Autoři nové hypotézy se domnívají, že pokud se ve vesmíru nachází dostatečné množství temné energie, která urychluje rozpínání vesmíru, pak tato energie může způsobovat také rozpínání galaxií, hvězd, planet a dokonce atomů a jader. Myšlenku zrychlování rozpínání vesmíru navrhli před několika lety astronomové, aby byli schopni vysvětlit výsledky pozorování vzdálených supernov. Na základě pozorování astronomové odhadují, že energie ve vesmíru se nachází z 5% ve formě baryonní a leptonové hmoty (z níž jsou složeny atomy), z 25% ve formě temné hmoty a ze 70% ve formě temné energie. O podstatě temné hmoty víme málo a ještě méně víme o podstatě temné energie.

Kosmologové nyní studují záhadné vlastnosti temné energie pomocí nového parametru w, který představuje poměr jejího průměrného tlaku a hustoty energie. Parametrem w lze popsat také rozpínání vesmíru. Jaká však je podstata temné energie a jak je schopna překonat gravitační přitahování hmoty, že dokonce způsobuje zrychlování rozpínání? Jaká je hodnota parametru w? V dosud nejlepším známém modelu, "kosmologická konstanta" v Einsteinových rovnicích obecné teorie relativity odpovídá energii a tlaku univerzálního kvantového vakua a v prostoročasu je konstantní. V tomto modelu je hodnota w = -1. Ve druhém populárním modelu, tzv. "kvintesenčním" modelu, temná energie souvisí s určitým univerzálním kvantovým polem, které směřuje k nějakému konečnému stavu. Hustota energie a tlak temné energie pomalu v čase klesají a hodnota w leží v intervalu -1/3 až -1 (w musí být menší než -1/3, aby docházelo ke zrychlování rozpínání vesmíru).

V Caldwellově modelu s "fantómovou energií" neexistuje žádný stabilní vakuový kvantový stav a hustota energie a tlak působící rozpínání vesmíru dokonce vzrůstají (v běžných plynech tlak s rozpínáním plynu klesá). V tomto scénáři je w < -1. V důsledku tohoto nového typu kosmologie se všechny vazby udržující systémy pohromadě v určitém období před koncem vesmíru zpřetrhají. Asi 60 miliónů let před koncem vesmíru se rozpadne naše Galaxie. Asi 3 měsíce před koncem vesmíru exploduje Země. Asi 10¹⁹ sekund před tímto osudovým koncem vesmíru se rozpadnou atomy. Caldwell [M1] tvrdí, že rozhodnout mezi různými kosmologickými modely bude možno za několik let na základě mapování mikrovlnného pozadí, pozorování supernov a měření galaxií. (Caldwell et al., Physical Review Letters, 15. srpna 2003).

Velmi ochlazené molekulární Boseovy-Einsteinovy plyny, které obsahují dvouatomové molekuly fermionových atomů (s celkovým poločíselným spinem), nabízejí dvě důležité možnosti: možnost vysoce přesné spektroskopie molekul a možnost studovat procesy, jak fermiony (které normálně nemohou přecházet do koherentních kvantových kondenzátů) vytvářejí páry. Tyto páry jsou bosony (s celkovým celočíselným spinem) a proto mohou vytvářet kvantové kondenzáty. Randy Hulet a jeho kolegové z Rice University jako první připravil Boseův-Einsteinův kondenzát z atomů lithia-7. Nyní se mu podařilo párovat atomy lithia-6 (nejméně polovinu z nich) při teplotách několika mikroKelvinů a působením vnějšího magnetického pole. Přestože výzkumná skupina dosud nepodala důkaz, že páry nebo molekuly nakonec vytvoří Boseův-Einsteinův kondenzát, podařilo se v optické pasti atomy udržet v párovaném stavu po dobu asi jedné sekundy (na rozdíl od několika milisekund v předchozích experimentech tohoto typu). Hulet doufá, že se mu molekulární plyn podaří udržet dostatečně dlouho, aby ho mohl procesem odpařování dostatečně ochladit na teplotu, při níž vznikne Boseův-Einsteinův kondenzát. Pokud by se podařilo vytvořit molekulární Boseův-Einsteinův kondenzát, bude možno studovat mechanismus Cooperova párování v kapalném héliu-3, kde způsobuje supravodivost a supratekutost.

V běžných molekulách (vázaných chemickými vazbami) jsou atomy blízko u sebe. V Cooperových párech, jimiž je charakterizována supravodivost, jsou elektrony navzájem vázány slabě a jsou od sebe vzdáleny. Hulet a jeho tým doufá, že se mu podaří molekulární kondenzát rozrušit, aby vznikaly Cooperovy páry, které by byly od sebe vzdáleny a byly navzájem jen slabě vázány. Výzkumníci očekávají, že se jim podaří simulovat vysokoteplotní supravodivost vypuštěním velmi ochlazeného fermionového plynu do "optické mřížky", složené z překřížených paprsků laseru. (Strecker et al., Physical Review Letters, 22. srpna 2003).[X1]

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 651. August 28, 2003 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.

Výzkumníci japonské Univerzity v Kyoto vytvořili Boseův- Einsteinův kondenzát s nulovým spinem, na který nepůsobí vnější magnetické pole (kontakt: Yosuke Takasu, [M1]). Tento výsledek zřejmě povede k přesnějším atomovým hodinám, k přesnější atomové interferometrii a k přesně řízeným způsobům umisťování atomů na povrchu substrátů. Dosud všechny předchozí Boseovy-Einsteinovy kondenzáty obsahovaly buď alkalické kovy (jako je rubidium a cesium) nebo hélium a proto na ně působila vnější magnetická pole.

Výzkumníci se proto rozhodli vytvořit Boseův-Einsteinův kondenzát atomů yterbia (Yb), vzácného prvku, který má dva vnější (valenční) elektrony, jejichž "spiny" určují reakci atomů na vnější magnetické pole. Pokud jsou spiny těchto dvou elektronů atomu yterbia opačného směru, výsledný spin je nulový a atom se nachází v "singletovém" stavu, kdy na něj nepůsobí magnetické pole. Výzkumníci proto zachytili asi milión atomů yterbia v singletovém stavu pomocí paprsků laseru. Teplejší atomy tuto past opustily a v ochlazeném oblaku plynu zůstalo asi 5000 atomů, které vytvořily Boseův-Einsteinův kondenzát při teplotě méně než 790 nanoKelvinů. Protože Boseův-Einsteinův kondenzát atomů yterbia nereaguje na vnější magnetická pole, umožňuje přesnější umisťování atomů a přesnější atomovou interferometrii. Atomy yterbia mají v porovnání s jinými atomy Boseových-Einsteinových kondenzátů značnou hmotnost. Proto lze studovat některé zásadní fyzikální jevy, jako je porušení parity atomů a porušení časové symetrie. Navíc lasery interagující s atomy yterbia lze ladit ve velmi úzkém frekvenčním rozsahu. Proto se Boseův-Einsteinův kondenzát atomů yterbia může stát základem atomových hodin s velmi vysokou přesností. Yterbium navíc má několik stabilních isotopů (pět z nich jsou bosony a dva jsou fermiony). Proto bude možné vytvořit Boseův-Einsteinův kondenzát a Fermiho degenerovaný plyn v jediném oblaku plynu. (Takasu et al., Physical Review Letters, 25. července 2003)

Fosfor se nachází v zubech a kostech, je součástí DNA a používá se v umělých hnojivech na podporu růstu a výnosů. Při pokojové teplotě je elektrickým nevodičem. Při velkém tlaku však stabilní vzorek fosforu mění svoji krystalickou strukturu, takže se stává supravodičem při teplotách kolem 10 Kelvinů. Při ještě vyšších tlacích (2,5 Mbar, což je tlak asi 30000 krát vyšší, než jsme schopni vyvolat stiskem zubů) se fosfor znovu mění a získává kubicky centrovanou krystalickou strukturu (Akahama et al., Phys Rev B, 1. února 2000).

Sergej Ostanin [M2] a jeho kolegové na Univerzitě ve Warwicku ve Velké Británii ukázali, že kubicky centrované krystaly fosforu mohou dosáhnout supravodivosti při vyšších teplotách 14 až 22 Kelvinů. Fosforové supravodiče mohou být velmi užitečné v oboru označovaném jako spintronika (spintronika místo náboje elektronu využívá jeho spin). Například mohou pomoci při konstrukci supravodivého spinového přepínače, v němž by vrstva fosforu byla umístěna mezi dvojici feromagnetů. Takové uspořádání by mohlo přecházet ze stavu supravodiče do stavu vodiče (L. R. Tagirov, Physical Review Letters, 6. září 1999). Pro výrobu kubicky centrovaných krystalů fosforu nejsou nutné vysoké tlaky. Tyto krystaly totiž mohou vznikat nanesením atomů na kovový podklad, kde pak samovolně rostou do struktury kubicky centrovaných krystalů. (Ostanin et al., Physical Review Letters, 22. srpna 2003)

Bezkontaktní tření lze uměle zesílit. Obvykle u dvou těles, která se vůči sobě pohybují, vzniká tření, pokud se jejich povrchy dotýkají. Tření však může vznikat také mezi povrchy, které se navzájem nedotýkají. Takové tření vzniká působením slabých přitažlivých van der Waalsových sil. Tyto síly jsou důsledkem spontánního vzniku dipólového momentu v atomech nebo molekulách. Atomy a molekuly jsou elektricky neutrální, avšak teplotními fluktuacemi (náhodným pohybem elektronů a iontů) nebo kvantovými fluktuacemi (okamžitá poloha se mění v závislosti na hybnosti podle Heisenbergova principu neurčitosti) mohou vznikat malé záporně nabité oblasti nepatrně posunuté od kladně nabitých oblastí. Tato krátce existující polarita může indukovat dipólový moment v blízkém atomu nebo molekule.

Nová studie van der Waalsova tření, jíž vypracovali Alexander Volokitin a Bo Persson z Institut für Festkorperforschung v Julichu, vychází z nedávných experimentů zabývajících se třením, v nichž se využily sondy rastrovacího mikroskopu. Podle teorie lze van der Waalsovo třetí výrazně zesílit (až 10⁷ krát při vzdálenosti 10^-9 metru) absorbcí určitých molekul jedním nebo oběma povrchy. Dochází přitom k zesílení resonanční elektromagnetické síly (jíž lze pozorovat jako tunelování fotonů) mezi zkoumanými objekty, zejména pokud jsou zhotoveny ze stejného materiálu. Absorbované atomy si lze představit jako malé antény, kdy jedna funguje jako vysílač a druhá jako přijímač. Tyto antény výrazně zesilují elektromagnetickou interakci mezi povrchy.

Hlubší znalost tohoto typu bezkontaktního tření na jeho základní úrovni pomůže fyzikům studovat kvantové chování atomu na povrchu předmětů a inženýrům umožní vyvinout nové mikrostroje, kdy velké tření není žádoucí. (Volokitin and Persson, Physical Review Letters, 5. září 2003, [M3])

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 652. September 4, 2003 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.

Spojení dvou a více nanočipů nebo nano-elektromechanických systémů (NEMS) lze dosáhnout svařením, slepením nebo pomocí malých matic a svorníků. Nebylo by však možné takových spojení dosáhnout mnohem rychleji pomocí suchého zipu? Běžný suchý zip se skládá z povrchu mnoha drobných háčků a z povrchu mnoha drobných smyček. Mikroskopická verze suchého zipu se skládá ze dvou povrchů s uhlíkovými nanotrubičkami, které vytvářejí drobné háčky na svých koncích. David Tomanek a jeho kolegové ze Státní univerzity v Michiganu [M1] nyní studují, jak vytvořit funkční nanoskopický suchý zip. Jejich výpočty ukazují, že nanotrubičky zůstanou na místě na každém odděleném substrátu (kde mohou růst na vybraných částech povrchové geometrie použitím litografii podobných technologií) a dokonce zůstanou vzájemně spojeny, přestože budou obě části přeneseny na jiný substrát. Typickou aplikací nanoskopického suchého zipu může být rychlejší nanášení mikroskopických diamantů na určité části kovového povrchu. (Berber et al., Physical Review Letters, září 2003; spoluautoři: Savas Berber, [M2] a Young-Kyun Kwon [M3])

V jižní Africe žije žába rodu [Xenopus], která chytá hmyz vnímáním vibrací kořisti na vodním povrchu. Žába ve vodním prostředí nemá dobrý zrak a proto získává informace z vln na vodní hladině, které hmyz kolem sebe vytváří. Vnímané vlny umožňují určit, ve kterém směru se hmyz nachází. Žába dokonce může získat určitou představu o jaký typ hmyzu se jedná. Pro vnímání vln na vodní hladině žába používá asi 180 receptorů na kůži podél obou bočních stran jejího těla, kolem očí a také na hlavě a na krku. Nyní němečtí výzkumníci (Leo van Hemmen, Technická univerzita v Mnichově, [M4]) vyvinuli jednoduchá model, který vysvětluje, jak žába rodu [Xenopus] je schopna určit polohu a typ hmyzu.

Model tvrdí, že žába může rekonstruovat tvar vodní vlny (její "vlnovou formu") z omezené informace, zejména z pohybu vody, který je zaznamenáván 180 jednoduchými smyslovými orgány. Voda se navíc odchyluje od 4 až 8 praporkům podobných struktur (nazývané jako "cupulae") ve zmíněných smyslových orgánech. Každá odchylka stimuluje okolní chlupové buňky. Tyto buňky produkují elektrické signály, které jsou po dobu trvání odchylky synchronizovány. Časované elektrické signály ze 180 smyslových orgánů podávají dostatečnou informaci k tomu, aby žába mohla s dostatečnou přesností "odhadnout" tvar vodní vlny. Dostatečná informace se získá dokonce v případě, kdy některé smyslové orgány nefungují správně. Model dále vysvětluje, jak žába může rozlišit dvě různé vodní vlny přicházející od dvou různých kořistí z různých směrů. Zmíněný model lze také využít na mechano-sensorické systémy dalších živočichů, jako jsou krokodýli (Soares, Nature, 16. května 2002), kteří mají podobné smyslové orgány. (Franosch et al., Physical Review Letters, září 2003)

Nový způsob protřepávání brazilských ořechů může být dobrou technologií, jak získat větší částice ze zrnité směsi. Dokazují to nedávné experimenty a simulace provedené na Texaské univerzitě v Austinu. Protřepávání brazilských ořechů je zvláštní, avšak dobře známý jev, který se objevuje v promíchávaných zrnitých směsích. V závislosti na podmínkách se v protřepávané nádobě naplněné zrnky různé velikosti mohou větší zrnka dostat na povrh směsi nebo se naopak potopit až ke dnu. Výzkumníci (kontakt: Sung Joon Moon, [M5]) však ukázali, že lze také ovládat vodorovné rozložení větších zrnek, pokud se použijí smyčky, které se volně pohybují v zrnitých vrstvách s dostatečně velkým zrychlením. Smyčka odděluje dvě oblasti oscilující s opačnou fází. Zrnitá vrstva na jedné straně smyčky se pohybuje nahoru, zatímco vrstva na druhé straně se pohybuje dolů. Větší částice tečou z obou oscilujících oblastí a shromažďují se ve smyčce. Výzkumníci mohou ovládat polohu smyček nastavením řídícího signálu a proto mohou přemístit větší zrnka na jednu stranu nádoby.

Výzkumníci ukázali, že v lavinách vznikají smyčky padajících oblastí podobných kapalině. V lavině vzniká vnitřní konvekce, která vtlačuje větší částice do smyčky.

Jev horizontálního protřepávání brazilských ořechů může vést k novým průmyslovým metodám oddělování zrnitého materiálu podle velikosti zrn. (S. J. Moon et al., Physical Review Letters, září 2003)

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 653. September 12, 2003 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.

Jednoatomový laser využívá jeden atom v atomové pasti, který resonančně emituje světlo odrazem od dvou zrcadel. Toto zařízení vyvinul Jeffrey Kimble z Kalifornského technického institutu (Caltech). Ačkoliv jednoatomové lasery byly vyvinuty již dříve, Kimble jako první použil jediný atom téměř v klidu a nikoliv skupinu atomů v zeslabeném paprsku, který se v určitém okamžiku dostává do resonanční dutiny.

Výlučnost tohoto zdroje záření spočívá v tom, že počet fotonů emitovaných tímto laserem za určitý interval lze téměř přesně (až na neurčitost způsobenou Heisenbergovým principem neurčitosti) předpovědět a je pravidelnější než z mnohoatomových laserů. Emise záření v porovnání se současnými standardy laserů je velmi slabá, jen asi 100 tisíc fotonů za sekundu. Tento zdroj fotonů však lze využít v budoucích systémech zpracování kvantové informace. (McKeever et al., Nature, 18. srpna 2003.)

Vesmírná anténa laserové interferometrie (LISA, the Laser Interferometry Space Antenna) nebude vypuštěna před rokem 2012, avšak již dnes probíhají testy některých komponent. Sonda LISA bude detekovat gravitační vlny procházející v blízkosti Slunce sledováním změn vzdálenosti dvou testovacích hmotných těles. Gravitační vlna způsobuje slabé poruchy časoprostoru a proto může zvětšit nebo zmenšit geodetickou vzdálenost testovacích těles. V případě sondy LISA budou testovací tělesa od sebe vzdálena 5 miliónů kilometrů a jejich vzdálenost bude trvale sledována vysíláním laserového paprsku mezi nimi. Tři dvojice testovaných hmotností budou umístěny na třech satelitech, které budou rozmístěny ve vrcholech rovnostranného trojúhelníku o straně 5 miliónů kilometrů v rovníkové rovině. Každý z těchto satelitů bude obíhat nezávisle kolem Slunce. [X1], [X2]. Sonda LISA bude detekovat gravitační vlny o velmi nízkých frekvencích 0,001 až 1 Hz. Pozemní detektor gravitačních vln LIGO detekuje gravitační vlny o frekvencích 100 až 1000 Hz.

Před vypuštěním sondy LISA Evropská agentura pro vesmír ESA (the European Space Agency) plánuje v roce 2007 vypustit sondu Pathfinder, která bude miniaturní verzí sondy LISA. V experimentu budou použita dvě testovací tělesa ve vzdálenosti 35 cm od sebe (malé tlačné raketové motory přemístí sondu tak, aby s nimi nebyla v kontaktu). Tento test bude sledovat pohyb dvou hmotných těles po rovnoběžných drahách. V jistém smyslu se bude podobat známému experimentu, který provedl Galileo Galilei. Galileo nechal padat z věže v Pise padat dvě tělesa různých hmotností s cílem zjistit, za jak dlouho dopadnou na zem. V průběhu roku 2003 byly provedeny pozemní testy s cílem podpořit plánovaný test v roce 2007.

Vědci z Universita di Trento v Itálii zkoumají vlastnosti všech možných silových interakcí včetně gravitace, které by mohly ovlivnit pohyb testovaných hmotných těles. V ideálním experimentu testovací těleso (o hmotnosti 2 kg, tedy tíze 20 Newtonů) bude zavěšeno na tenkém vlákně a bude obklopeno přístroji, které ho budou následovat ve volném prostoru. Jedním z přístrojů bude také pohybový sensor, který je potřebný pro správnou orientaci sondy. Další přístroje budou měřit všechny vnější síly s přesností až 10^-15 Newtonu, které musí být do měření zahrnuty, aby bylo dosaženo požadovaných úrovní přesnosti sondy LISA. Této přesnosti nelze u pozemních detektorů dosáhnout, takže experimentátoři nevyužívají plné testovací hmotnosti, ale pouze dutého odlitku. V současnosti fyzici z Trento nalezli dostatečně "tiché" silové prostředí, avšak přesto má desetkrát nižší přesnost, než vyžaduje Pathfinder a stokrát nižší přesnost, než bude vyžadovat LISA (Carbone et al., Physical Review Letters, září 2003; Stefano Vitale, [M1])

Podíl zahraničních vysokoškolských studentů fyziky, kteří přicházejí do Spojených států amerických ze zahraničí, se v akademickém roce 2000/2001 poprvé od roku 1970 snížil. Podíl neamerických studentů vzrostl z asi 20 procent v roce 1970 na 55 procent v roce 2001. V letech 2002 a 2003 však podíl zahraničních studentů poklesl na méně než 50 procent. Dvě třetiny fakult, které poskytují doktorát PhD, potvrdilo, že někteří ke studiu přijatí zahraniční studenti studium nezahájili kvůli problémům s pobytovým vízem. Největší problémy mají studenti z Číny a ze Středního Východu. Zprávu "Physics Students from Abroad in the Post 9/11 Era" připravilo Statistické výzkumné středisko Amerického institutu fyziky (AIP, the American Institute of Physics, kontakt: Patrick J. Mulvey [M2]. Kopie zprávy: [X3])

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 654. September 17, 2003 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.