Výzkumníci zařízení Z v americké Národní laboratoři Sandia dosáhli po dobu 100 nanosekund proudu 20 miliónů ampérů použitím soustavy kondenzátorů s vysokou kapacitou. Tento proud v soustavě vodičů přeměnili na měkké roentgenovo záření o energii 1,8 megaJouleů s okamžitým výkonem 200 teraWattů. Zařízení Z je nejvýkonnějším pulsním generátorem proudu na světě (v časovém intervalu několika nanosekund) a nejmocnějším zdrojem měkkého roentgenova záření (záření v oblasti 100 až 10000 eV). Celkový podíl přeměny energie na roentgenovo záření je asi 10 až 15 procent, což je mnohem více než u ostatních roentgenových zdrojů.

Zařízení Z se tak stalo potenciálně užitečným zařízením pro studium reakcí jaderné fúze a pro studium extrémně silné radiace bezprostředně po výbuchu jaderné bomby. Fyzika jaderných zbraní nemůže přímo studovat jaderné exploze, ale musí provádět nepřímé testy, jaké jsou nyní možné v Národní laboratoři Sandia.

Další výzkum se zaměřil na možnost postupně fotografovat jev, při němž soustava vodičů vlivem ohromného proudu imploduje (vypařující se vodiče jsou vrženy dohromady vlivem mohutného magnetického pole) a vytváří horkou plasmu, která vyzařuje měkké roentgenovo záření. Prvním překvapením, když se podařilo celý jev zaznamenat pomocí zvláštních krystalů, byla doba, po níž vodiče přetrvaly náraz vysokého proudu. Série snímků s použitím dalšího slabšího roentgenového zdroje na pozadí by výzkumníkům pomohla optimalizovat uspořádání vodičů, aby se jim podařilo vyrobit ještě mohutnější zdroj roentgenova záření. (Sinars et al., Physical Review Letters, 1. října 2004; kontakt: Daniel Sinars, [M1]; [X1])
 

Experimenty ve švédském Oslo a maďarské Budapešti prokázaly, že gama záření vznikající v excitovaných atomech železa může mít různou energii od relativně nízké (3 MeV) až po očekávanou vyšší energii (10 MeV). Jinými slovy, toto jádro je "červenější" (pokud si gama spektrum představíme jako viditelné spektrum) než se původně předpokládalo. Proč však je tento výsledek překvapivý? Především znalost úrovní energie v oblasti atomových jader není tak podrobná jako v oblasti atomů. Kvantová elektrodynamika (QED), která popisuje svět atomů, může určit úrovně energie s přesností 1:10¹². Kvantová chromodynamika (QCD), která se pokouší popsat silnou jadernou interakci, je nepřesnější, protože silná jaderná interakce má velmi omezený dosah. Nejlepší odhady úrovní energie dosahují přesnosti jen asi 10 procent. Pokud je například jádro atomu železa excitováno (interakcemi částic) na "teplotu" odpovídající 1 MeV, může zaujmout tisíce vyšších úrovní energie. Když výzkumníci takové jádro "ochladí", pak nepozorují spektrum diskrétních čar, ale kvasispojité spektrum gama čar. Podle Andrease Schillera z Michiganské státní univerzity [M2] neočekávané "červené" spektrální čáry mohou odpovídat excitační energii nějaké dosud nepozorované silné kolektivní oscilaci jádra atomu železa s nízkou frekvencí.

Ve společném týmu výzkumníků jsou vědci ze Spojeného ústavu jaderného výzkumu v Rusku, z Univerzity v Oslo v Norsku, z Chemického výzkumného střediska v Maďarsku, z Univerzity Osmangazi v Turecku a z několika amerických institucí, Univerzity v Ohio, z Národní laboratoře Lawrence Livermorea, ze Státní univerzity Severní Karoliny a z Massachusettské státní univerzity (Voinov et al., Physical Review Letters, 1. října 2004)
 

Jádro atomu hélia-6 je složeno z jádra atomu hélia-4 (dva protony a dva neutrony) obklopeného oblakem složeným z dalších dvou neutronů. Poprvé se podařilo změřit poloměr tohoto jádra. Poloměr jádra He-6 je pouze 2,1.10^-15 m, zatímco poloměr jádra He-4 je 1,7.10^-15 m. Oblak neutronů v jádru He-6 způsobuje, že vnitřní část jádra se poněkud zmenší. Jádra atomů He-6 byla získána v americké Národní laboratoři Argonne ostřelováním terčíku ionty atomů lithia. Jádra atomů He-6, která vznikala rychlostí asi 1 milión jader za sekundu, se podařilo po dobu asi jedné minuty zachytit v atomové pasti. Tato doba byla dostatečná pro laserovou spektroskopii těchto atomů. Poloměr jádra byl odvozen z frekvence světla, která odpovídá vnitřnímu přechodu z jednoho kvantového stavu do druhého v jádrech atomů při rozpadu z He-6 na He-4. Zheng-Tian Lu [M3] tvrdí, že He-6 je nejlehčí známé jádro, které má oblak neutronů. Výzkumníci nyní usilují o vytvoření jádra He-8, v němž by byl poměr neutronů a protonů vůbec nejvyšší ze všech známých jader atomů. (Wang et al., Physical Review Letters, 1. října 2004; [X2])

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver)  PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 702. September 28, 2004 by Phillip F. Schewe, Ben Stein.

Nobelova cena za fyziku pro rok 2004 byla udělena Davidu J. Grossovi (Institut Kavli, Kalifornská univerzita v Santa Barbara), H. Davidu Politzerovi (Kalifornský technický institut) a Franku Wilczekovi (Massachusettský technický institut) za jejich objev asymptotické volnosti, podle níž interakce mezi kvarky uvnitř hadronů, jako jsou protony a neutrony, jsou slabší, když jsou kvarky blíže k sobě, a silnější, když se kvarky od sebe vzdálí. Tato hypotéza pomohla vzniku kvantové chromodynamiky jako základní teorie silné jaderné interakce, která je určitou analogií velmi úspěšné kvantové elektrodynamiky, teorie elektromagnetické a slabé jaderné interakce.

Práce Grosse, Politzera a Wilczeka vysvětlila, proč dosud nebyly jednotlivé kvarky pozorovány v laboratoři. Kvarky jsou uvězněny v hadronech silnou jadernou interakcí, která je zprostředkována gluony. Kvarky nesou "barevný náboj" analogicky elektrickému náboji. Proto se silná jaderná interakce mezi kvarky někdy označuje jako "barevná síla" a hovoří se o chromodynamice. Energie, jíž by bylo možno využít pro uvolnění kvarků, například ve formě rychle se pohybujících částic, by sice mohla kvarky od sebe vzdálit, avšak mohla by také vést k vytvoření nového páru kvarku a antikvarku. Tyto nové kvarky by se bezprostředně spojily s uvolněnými kvarky a vytvořily by meson (dva kvarky) nebo baryon (tři kvarky). Celý jev si můžeme představit jako pokus o oddělení magnetických pólů permanentního magnetu. Každé jeho rozdělení vede ke vzniku menších magnetů s oběma magnetickými póly. Na druhé straně kvarky blízko sebe se prakticky neovlivňují. Kvantová chromodynamika byla potvrzena řadou experimentů. Vědci však hledají případné jevy, které by mohly tuto vyvrátit.

(Některé články k tématu: Physics News Update: 533, 585, 549, 642, 600, 666, 216, 699, 554, 526, články v časopisech: Physics Today (PT), duben 1988, Georgi, barevné symetrie; Scientific American (SA), říjen 1975, Glashow, barva a vůně; SA, prosinec 1980, Wilczek, asymetrie mezi hmotou a antihmotou; PT, říjen 2004, Wilczek, článek o silách v přírodě; SA, červen 2003, za hranicemi standardního modelu; Nature, 28. ledna 1999, Wilczek, mřížková kalibrační teorie; PT Aug 2000, snadná QCD; PT Feb 2004, mřížková QCD; PT, březen 1995, Witten, uvěznění kvarků; CERN Courier, volné kvarky v jaderných srážkách; CERN Courier, testy QCD; PT, duben 2000, Wilczek; SA, březen 1981, teorie velkého sjednocení; SA, prosince 1999, Weinberg, teorie všeho; SA, duben 1985, Quigg, standardní model; SA, červen 1980, 't Hooft, pole; CERN Courier, červen 2004, Wilczek; SA, Feb 83, mřížková teorie; SA, červenec 1993, výpočet hmotností; PT, únor 2004, QCD; Physics World, květen 2003, QCD a teorie strun; SA, Nov 76, uvěznění kvarků; SA, listopad 1998, gluony.)

Webové články týkající se tématu: [X1], [X2], [X3], [X4], [X5], [X6].
 

Zobrazování jadernou magnetickou resonancí (MRI, Magnetic Resonance Imaging), za něž byla udělena Nobelova cena Paulu C. Lauterburovi z Illinoiské univerzity v Urbana-Champaign a Peteru Mansfieldovi z Univerzity v Nottinghamu za fyziologii a medicínu v roce 2003, umožňuje vytvářet velmi působivé snímky orgánů a tkání uvnitř těla. Pro sledování pohybu, jako je klinické studium toku krve v cévním systému, však dosud nebyla využívána.

Nyní kanadští výzkumníci (Benedict Newling, Univerzita v New Brunswick, [M1]) objevili novou metodu zobrazování magnetickou jadernou resonancí, která je vhodná pro sledování rychlého pohybu tekutin rychlostí až 10 krát vyšší, než je rychlost proudění krve. Jejich metoda využívá konstantní, avšak kratší interval než je běžné (asi 6 ms). Snímač zobrazování magnetickou jadernou resonancí se chová prakticky jako nový typ vzduchového tunelu. Do toku uprostřed snímače lze umístit překážku libovolného tvaru. Výsledný tok kapaliny nebo plynu kolem předmětu lze snadno měřit a studovat. Například výzkumníci změřili tok vzduchu kolem křídla při reálných rychlostech a výsledky porovnali s počítačovými simulacemi očekávaného toku. Tok, který změřili, byl velice turbulentní, což znamená, že rychlost plynu se v každém místě rychle měnila kolem určité průměrné hodnoty. Měření pomocí zobrazování magnetickou jadernou resonancí obsahuje informace jak o průměrné rychlosti tak o změnách této rychlosti. Zobrazování magnetickou jadernou resonancí je přirozeně trojrozměrné a lze ho využít pro neprůhledné i průhledné kapaliny a plyny. Navíc touto metodou lze měřit několik poloh současně na rozdíl od běžných měření ve vzduchovém tunelu. Proto se očekává, že tato metoda podstatně zkrátí čas měření. (Newling et al., Physical Review Letters, 8. října 2004)

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 703. October 5, 2004 by Phillip F. Schewe, Ben Stein.

[X1] Švédská akademie věd. Nobelovy ceny za fyziku v roce 2004.

Laserem poháněnou molekulární lokomotivu navrhl výzkumník firmy Texas A&M (Zhisong Wang, [M1]). Jedním z velkých snů konstruktérů nejmenších zařízení je konstrukce nano-lokomotiv, které by v molekulárním měřítku plnily různé úlohy, jako je přeprava stavebních bloků pro různé nanostroje. Dřívější návrhy popisovaly některé nové konstrukční prvky. Nano-lokomotivy jsou dosud ve fázi konstrukčních návrhů. Nový model však může tuto konstrukci přiblížit realitě díky využití nejnovějších poznatků o nanomateriálech. Zhisong Wang navrhl, aby hlavní část nano- lokomotivy tvořila vozidla z lineárních polymerních řetězců. Jeden konec vlaku by mohl být chemicky přizpůsoben tak, aby se mohl navázat nebo odpojit od "trati". K tomuto účelu lze zřejmě využít mikrotubulus válcového tvaru, známý z biologie. Jeden konec lokomotivy se může připojovat kovalentními vazbami k těmto zvláštním molekulárním skupinám vlaku. Laserové pulsy by mohly zajistit pohyb vlaku. Jeden laserový puls by mohl rozrušit molekulární vazbu na jednom konci vlaku a druhý laserový puls by mohl působit tak, že by každé vozidlo vlaku změnilo svoji molekulární konfiguraci a zvětšilo svoji velikost, aby dosáhlo další části trati. Teplotní fluktuace samotného motoru a prostředí by hrály důležitou roli například při hledání dalšího vazebního místa pro lokomotivu na trati. Wang navrhl vícekrokový "optomechanický pracovní cyklus", který přesně popisuje činnost laseru pro pohyb vlaku vpřed i vzad. Lokomotiva by mohla sloužit nejen jako pouhý motor, ale také jako mocný molekulární stroj, který by mohl generovat pulsy desetkrát větší, než jsou schopny přirozené biomotory. Takové síly o velikosti asi 100 picoNewtonů by umožnily nano-lokomotivě rozrušit molekulární vazby a pomáhat při konstrukci nanomateriálů během přepravy nákladu. (Wang, Physical Review E, 15. září 2004)
 

Hledání žíly pro infúzi nitrožilních roztoků bývá často problémem. Nové zařízení nazývané "zesilovač kontrastu žil" (Vein Contrast Enhancer) používá citlivý infračervený sensor pro vyhledání potřebné žíly pod kůží a zobrazí nalezenou žílu přímo na pokožku pacienta. Zdravotní sestry budou díky novému přístroji schopny rychle aplikovat nitrožilní injekci nebo infúzi. Jak přístroj pracuje? Pole diod LED v infračerveném spektru osvětluje příslušnou část těla. Červené krvinky rozptylují toto světlo jiným způsobem než okolní tkáň. Rozptýlené a odražené světlo prochází několika filtry a pak je zachyceno televizní kamerou s CCD prvky (Charged Coupled Device). Zachycený obraz je dále zpracován počítačem a zobrazován jako film s rychlostí 30 snímků za sekundu. Tyto snímky mohou být zobrazeny na pokožku těla. Díky tomu lze také pozorovat anatomii cévního systému.

Herbert Zeman a jeho kolegové ze Střediska zdravotní vědy při Univerzitě v Tennessee v Memphisu provedli rozsáhlé klinické testy nového přístroje a nyní testují všechny jeho zobrazovací schopnosti. Přístroj má prostorové rozlišení asi 0,1 mm a je schopen vyhledat cévy do hloubky až 8 mm. Přístroj byl představen na zasedání Frontiers in Optics v Rochesteru, které sponzoruje také Optická společnost Ameriky (Optical Society of America) a Americká fyzikální společnost (American Physical Society). [X1]
 

Jedním z témat zasedání Frontiers in Optics v Rochesteru byly některé překvapivé vlastnosti slunečního záření. Greg Ghur nyní z Univerzity Severní Caroliny v Charlotte [M2] a jeho kolegové přezkoumal některé odhady koherence slunečního světla založené na fyzice 19. století. Zjistil, že předpoklady použité pro tyto odhady byly technicky nepřesné, avšak výsledky jsou překvapivě správné. Obecně se většina lidí domnívá, že jediným zdrojem koherentního záření jsou lasery. Avšak veškeré světlo, včetně slunečního světla, má určitý stupeň prostorové koherence, tedy jeho fluktuace v různých bodech prostoru jsou určitým způsobem korelovány. V roce 1869 Emile Verdet odvodil hrubý odhad oblasti, v níž světlo dopadající na zemský povrch lze považovat za prostorově koherentní. Verdet však předpokládal, že Země se nachází ve "vzdálené zóně" Slunce, kdy se Slunce jeví jako bodový objekt (hvězda). Země ve vzdálenosti asi 10¹⁵ kilometrů od Slunce je však příliš blízko. Proto vyvstala otázka, zda výsledky Emila Verdeta a jejich důsledky jsou přesné. Ghur a jeho kolegové proto provedli nové simulace filtrovaného světla vyzařovaného z nekoherentního kruhového zdroje. Překvapivě zjistili, že světlo se chová tak, jako by zdroj ležel ve vzdálené zóně dokonce jen pro několik vlnových délek záření zdroje. Proto byl Verdetův předpoklad správný, avšak pouze proto, že vzdálená zóna pro nekoherentní zdroj je mnohem blíže, než se očekávalo.

Emil Wolf z Univerzity v Rochesteru, jeden z Ghurových spoluautorů studie, je klíčovým autorem moderní teorie koherence. Girish S. Agarwal ze Státní univerzity v Oklahomě, je dalším významným odborníkem v oboru koherence. Po publikování článku (Agarwal, Gbur, and Wolf, Optics Letters, 1. března, 2004) autoři objevili článek (Leader, Journal of the Optical Society of America 68, 1978), který dospěl k podobným závěrům, však nezabýval se výsledky v souvislosti se slunečním světlem.

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 704. October 13, 2004 by Phillip F. Schewe, Ben Stein.

Fyzikům z Christian-Albrechts Universität v Kielu a z Ernst- Moritz-Arndt Universität v Greifswaldu v Německu se podařilo ze shluku prachových částic vytvořit krystalickou strukturu dokonce v prostředí horkého plasmatu. Většina krystalů, pevných látek, v nichž jsou atomy uspořádány v pravidelných mřížkách, taje při teplotách stovek až tisíců Kelvinů. Nejtvrdší krystal diamant taje při teplotě 4000 Kelvinů. Teplo narušuje vazby mezi atomy v krystalické struktuře, která se postupně rozpadá. Jiným typem "krystalu" při nízkých teplotách jsou optické krystaly, kdy ochlazené atomy jsou udržovány v trojrozměrné mřížce působením elektrických polí křížících se paprsků laseru. Plasmový krystal obsahuje polymerní částice o velikosti 3,5 mikronu uvnitř horkého plynu. Na částice působí dvě protichůdné síly: vzájemná odpudivá síla částic a tlaková síla okolní plasmy. Částice jsou uspořádány do kulových ploch se společným středem. Průměr největší kulové plochy dosahuje několika milimetrů.

V roce 1904 se objevitel elektronu J. J. Thomson pokusil periodickou tabulky chemických prvků vysvětlit tak, že atomy mají strukturu podobnou cibuli, v níž jsou záporné náboje umístěny ve větším moři kladných nábojů. Tato myšlenka byla pro atomy chybná, avšak dobře popisuje uspořádání prachových částic v plasmě. V horké plasmě s elektronovou teplotou 40000 Kelvinů (kladné ionty mají teplotu méně než 1000 Kelvinů) působí síly takovým způsobem, že prachové částice jsou uspořádány ve slupkách se společným středem a takto mohou setrvávat po poměrně dlouhou dobu. Tyto kuličky mají dvě zvláštní vlastnosti (kromě existence v horké plasmě). Za prvé, představují skutečně průhledný krystal. Pomocí mikroskopu a videokamery lze zobrazit jednotlivé částice uvnitř této struktury laserovým paprskem. Za druhé mají výrazně zpomalenou dynamiku. Částice vykovávají pohyby s periodou několika milisekund na rozdíl od femtosekund u atomů v běžném krystalu.

Výzkumníci jsou přesvědčeni, že laboratorním studiem těchto plasmových krystalů získají zásadní poznatky o silně vázané látce a budou schopni jich přímo využít pro studium mezigalaktických mlhovin, ohonů komet, prstenců Saturnu a také různých výrobních kroků mikročipů výpočetní techniky. (Oliver Arp et al., Physical Review Letters, říjen 2004; kontact: Dietmar Block, [M1])
 

Podle nových experimentů atomy mohou přenášet svůj vnitřní "tlak" na jiné atomy. Na rozdíl od samostatných atomů atomy těsně vedle sebe jsou schopny velmi účinným a překvapivým způsobem se zbavit své nadbytečné vnitřní energie. Excitovaný atom může svoji vnitřní energii předat okolním atomům. Výzkumný tým Univerzity ve Frankfurtu tento jev prokázal experimentálně a provedl různá měření na synchrotronovém zařízení BESSY II v Berlíně (R. Doerner, [M2]).

V roce 1997 výzkumníci z Univerzity v Heidelbergu (Cederbaum et al., Phys Rev. Lett, 15. prosince 1997) předpověděli tento mechanismus, pokud jsou atomy nebo molekuly dostatečně blízko u sebe. Jakmile se excitovaná částice nachází v prostředí jiných částic, jako jsou shluky nebo kapaliny, dochází k deexcitačnímu mechanismu označovanému jako "meziatomový coulombovský rozpad", který vede k emisi elektronů s velmi nízkou energií z excitované částice do okolí. Výzkumníci tento jev předvedli na dvojici slabě vázaných atomů neonu. Dva atomy neonu byly přiblíženy na vzdálenost 3,4 Angstromů (asi 6 krát více než je poloměr atomů neonu), aby mezi nimi vznikla slabá van der Waalsova vazba. Odstraněním elektronu ze slabé vazby jednoho z atomů došlo k tomu, že tento atom přešel do stavu s nižší energií. Nadbytečná energie však nepostačovala k uvolnění dalšího ze zbývajících elektronů, avšak byla dostatečná k uvolnění elektronu ve druhém atomu. Tento nový fyzikálně chemický jev může mít značné dopady na chemii a biologii. Předpokládá se totiž, že tento jev se vyskytuje zejména u molekul s vodíkovými můstky, jako je například voda. Tento jev může být také zodpovědný za dosud neznámý zdroj elektronů s velmi nízkou energií, které narušují strukturu molekul DNA. (Jahnke et al., Physical Review Letters, 15. října 2004) [X1]

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 705. October 20, 2004 by Phillip F. Schewe, Ben Stein.