Studium pěti zdravých dobrovolníků v desetidenních obdobích přispělo ke konečné odpovědi na otázku, proč se srdeční záchvaty vyskytují nejčastěji mezi 9 až 11 hodinou. Společný tým fyziků z Bostonské univerzity a fyziologů z Harvardské univerzity nalezl důkaz, že cyklické hodiny organismu vyšších savců (součást mozku, která reguluje denní biologické aktivity) ovlivňují délku intervalů mezi jednotlivými srdečními stahy. Kolem 10 hodiny dopoledne se u všech zdravých jedinců objevují větší příznaky náhodnosti po sobě následujících srdečních stahů, které byly již dříve pozorovány u lidí s onemocněním srdce. Ve své studii výzkumníci věnovali zvláštní pozornost chování vnitřních biologických hodin (které mají 24,2 hodinový rytmus vyznačený pravidelným vzestupem a poklesem teploty těla) v závislosti na chování člověka (fyzická aktivita a spánek) a na vnějším působení (jako je východ a západ Slunce). Výzkumníci však zjistili, že "desynchronizace" vnitřních biologických hodin má jiné příčiny. Ponechali dobrovolníky ve slabě osvícené místnosti a denně měnili dobu jejich spánku a vstávání, zatímco úroveň jejich aktivity ponechali relativně konstantní.

Výzkumníci nyní plánují prozkoumat, jak chování člověka může interagovat s biologickými hodinami, aby ovlivnilo korelaci těchto hodin s intervaly srdečních stahů. Výzkumníci zatím ještě nestudovali pacienty se srdečním onemocněním, takže nemohou poskytnout žádná klinická doporučení. Avšak další výzkum by mohl napomoci zjistit příčiny vzrůstu rizika srdečního záchvatu a mohl by vést k úpravě terapie, jako je podávání léků v závislosti na fázích biologických hodin. (Hu et al., Proceedings of the National Academy of Sciences, 28. prosince 2004; kontakt: Plamen Ch. Ivanov, Boston University, [M1]; Steven Shea, Harvard Medical School, [M2]).
 

Magnetometr velikosti hrachu je schopen zastat práci mnohem větších přístrojů s citlivostí až 50 picoTesla. Výzkumníci z NIST využili skutečnosti, že atomy rubidia mají kvantové úrovně, jejichž energie závisejí na vnějším magnetickém poli. Uzavřením nepatrného množství atomů rubidia ve zvláštní nádobě a přesným měřením pohybu těchto atomů laserovým paprskem lze zjistit intenzitu působícího magnetického pole. Celý přístroj má velikost jen 12 krychlových milimetrů. Přístroj lze hromadně vyrábět litografickou metodou. Zařízení má nepatrnou spotřebu energie, nepatrnou velikost a nízkou cenu. Očekává se proto, že během několika let nahradí dosud existující magnetometry při detekci podzemní vody nebo kovových předmětů, jako jsou potrubí nebo kovové kontejnery. (Schwindt et al., Applied Physics Letters, 27. prosince 2004; kontakt: Peter Schwindt, [M3]; webové stránky laboratoře [X1]).
 

Nový experiment ukazuje, že ve speciálně upraveném toku kapaliny, který je typický pro proces pokovování, se jednotlivé molekuly DNA mohou dostat do nestabilního stavu, kdy se orientují kolmo k rovině toku kapaliny. Tento experiment, který provedl Matteo Pasquali a Rajat Duggal z Rice University, je součástí širšího studia chování molekul polymerů v proudících kapalinách. Tento problém se objevuje v řadě biologických a technologických výzkumných oblastech, jako je tryskový tisk, barvení papíru, pohyb vzduchu v plicních alveolách (sklípcích) a pohyb polí molekul DNA.

Studium polymerů ve složitých tocích kapaliny je obtížné, protože jednotlivé polymery lze obtížně pozorovat (jejich typická velikost je pouze 100 až 10 nm), polymery v kapalině se navzájem ovlivňují a jsou ovlivněny tokem kapaliny dokonce již při velmi nízkých koncentracích (několik jednotek v miliónu). Proto byla pro výzkum zvolena molekula DNA (desoxyribonukleová kyselina, která je nositelkou dědičné informace v organismech). Molekula DNA má délku až 10 mikronů. Lze pozorovat jednotlivé molekuly a tyto molekuly nejsou tokem kapaliny příliš ovlivňovány. Vědci z Rice University zředěný roztok molekul DNA ve vodě s glukosou umístili do rotujícího bubnu, který se pohyboval proti hraně skleněného nože. Tímto způsobem se podařilo nanést tenké řezy roztoku na optické čočky. Tyto čočky soustřeďovaly modrozelené světlo na molekuly DNA a odrážely zelenožluté světlo emitované těmito molekulami fluorescencí. Výsledný film s 30 snímky za sekundu umožnil zobrazit jednotlivé molekuly DNA s prostorovým rozlišením 250 nm (tloušťku molekul ovlivnit nelze, avšak lze ovlivnit jejich délku). Výzkumníci očekávali, že ve složitém toku kapaliny (v němž se rychlost kapaliny mění v závislosti na šířce kanálu) se molekuly DNA rozmístí rovnoběžně a nikoliv kolmo k toku kapaliny. K tomuto jevu došlo při nejnižších rychlostech otáčení bubnu. Směr stlačení molekul se měnil s rostoucí rychlostí otáčení bubnu. (Journal of Rheology, červenec, srpen 2004).

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 713. December 27, 2004 by Phillip F. Schewe, Ben Stein.

Neutrinové supratekutiny v dohledné budoucnosti nebudou pozorovány. Avšak matematický důkaz, že mohou existovat, pomáhá doplnit mezery v našich dosavadních znalostech fyzikální reality. Supratekutiny těsně souvisejí se supravodiči. V obou jevech velké skupiny částic (buď bosony, jako jsou atomy hélia-4, nebo dvojice fermionů, jako jsou elektrony nebo atomy hélia-3) mohou přejít do společného kvantového stavu, kdy se jejich kvantové chování řídí jedinou vlnovou funkcí. Příkladem takových látek v jediném kvantovém stavu jsou supravodiče, supratekutiny a Boseovy-Einsteinovy kondenzáty (BEC).

Joe Kapusta, fyzik z Univerzity v Minnesotě, ukázal, že také neutrina mohou vytvářet supratekutinu. Nejprve se neutrina musí spárovat, podobně jako elektrony v supravodičích. Dva elektrony s opačným spinem mohou vytvářet páry vzájemnou výměnou malých poruch v příslušné matici atomů vzorku pevné látky. Podobně neutrina s opačnou helicitou ("levostranná" neutrina mají svůj spin orientovaný opačně ke směru pohybu, "pravostranná neutrina mají spin orientovaný ve směru pohybu) si mohou vyměňovat malé poruchy ve všudypřítomném moři Higgsových bosonů ve vesmíru. Higgsův boson je jednou z dosud neobjevených, avšak klíčových částic standardního modelu, protože zajišťuje hmotnost mnoha jiným známým částicím. Po spárování mohou neutrony vytvářet supratekutý kondenzát. Joe Kapusta tvrdí, že šance pozorovat tuto supratekutinu je dosud velmi malá, mimo jiné také proto, že pravostranná neutrina dosud nebyla pozorována (a mohou být mnohem vzácnější než jejich levostranní partneři). Tato supratekutina navíc může existovat při teplotách nižších než je 2,7 Kelvinu, což je průměrná teplota reliktního záření vesmíru. Kapusta dále uvádí, že supratekutina těžkých neutrin (mionových a tauonových) může být vhodným prostředím pro posílání zpráv vyspělých civilizací na mezigalaktické vzdálenosti. Rozptylová délka neutrinových pulsů (průměrná vzdálenost, kterou neutrina urazí, než dojde k rozptylu) je mnohem větší než je tomu například u elektromagnetických pulsů. (Physical Review Letters, 17. prosince 2004; [M1])
 

Výzkumníci z laboratoře CERN v Ženevě (Geneva) ve Švýcarsku dosáhli výroby atomů vodíku řízené laserem. Ochlazené atomy antivodíku jsou antihmotou k atomům vodíku. Místo protonu se v atomovém jádru nachází antiproton a místo elektronu se v elektronovém obalu nachází positron. Atomy antivodíku se dosud vytvářely manipulací s ochlazenými antiprotony a positrony elektrickými a magnetickými poli ve vnořované Penningově pasti. Podařilo se sice dokázat, že skutečně atomy antivodíku vznikly, avšak nebyl dostatek času na manipulaci s nimi. Konečným cílem je vytvořit dobrý zdroj atomů antivodíku, které by bylo možno udržovat po libovolně dlouhou dobu. Pomocí paprsků laseru by se mohla prozkoumat vnitřní struktura těchto antiatomů a mohla by se vyřešit závažná otázka, zda kvantové chování atomů antivodíku je zcela stejné jako kvantové chování atomů vodíku.

Dalším krokem proto není pouhé vytvoření atomů antivodíku, ale vytvoření atomů antivodíku s přesně určitými vnitřními stavy energie. O tento krok usiluje například tým ATRAP [X1]. Aby se podařilo získat dostatečnou kontrolu nad produkcí těchto atomů, výzkumníci proces jejich vzniku poněkud zkomplikovali. Paprsek laseru spouští proces o třech krocích. Nejprve paprsek laseru výběrově excituje atomy cesia do zvláštních "Rydbergových" stavů. Pak dochází ke srážkám positronů s atomy cesia s cílem vytvořit positron-elektronové páry (positronium, Ps), které vznikají díky excitacím atomů cesia. Mimochodem, excitované páry positronia jsou tisíckrát větší, než neexcitované páry. Konečně positrony z positronia jsou občas zachycovány antiprotony pohybujícími se ve stejném směru. V tomto procesu atomy antivodíku mají stejnou vazebnou energii jako původní páry positronia. Intenzita vzniku atomů antivodíku je dosud nižší než u starších metod, avšak proces s excitovanými atomy cesia a laserové excitace nabízejí lepší možnosti kontroly nad podmínkami uvnitř pasti, což bude užitečné v dalších experimentech. Vzniklé atomy antivodíku mají navíc dosud nejnižší teplotu vytvořenou v laboratoři. (Storry et al., Physical Review Letters, 31. prosince 2004; kontakt: Gerald Gabrielse, [M2])

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 714. January 3, 2005 by Phillip F. Schewe, Ben Stein.

Protein RecA má v buňkách baktérií některé důležité funkce. Dva publikované články objasňují, jak tento bakteriální protein umožňuje identifikovat a nahradit poškozenou DNA, kdy dochází k chybám během její replikace. Mechanismus opravy chyb zajišťuje přesnost replikace s průměrným výskytem jedné chyby v miliardě dvojic bází (adenin, guanin, cytosin, thymin). Výzkumníci se nyní pokoušejí objasnit, jak může být DNA v živých organismech, poškozená například ultrafialovým zářením, detekována a opravena. Evolučně vyvinuté proteiny podobné proteinu RecA se nacházejí také v buňkách všech savců a člověka. Polymerizací (vazbou) na molekulu DNA je protein RecA schopen nalézt poškozenou DNA a vyslat "nouzový signál" do prostředí buňky. Když je dvojitá šroubovice DNA vážně poškozena, na jednotlivý pramen DNA se naváže protein RecA, který aktivuje biochemický signál. Tsvi Tlusty a jeho kolegové z Weizmannova institutu a z Rockefellerovy univerzity [M1] se domnívají, že protein RecA provádí "kinetické ověřování". Poškozená část pramene DNA a její délka se zjišťuje pomocí adenosintrifosfátu (ATP), který přenáší energii v živých buňkách. Adenosintrifosfát slouží pro ověření vazebné energii DNA. Protein (jeho "kinetická část") se po určité době se od molekuly DNA odpojuje, pokud je její vazebná energie "špatná". Výzkumníci tvrdí, že protein RecA provádí přesné akce vzniku a zániku vazby, které jsou nezbytné pro kinetické ověření pomocí "skládání fluktuací", kdy dochází ke strukturním změnám uvnitř molekuly proteinu RecA během vzniku a zániku vazby. Podle autorů jde o první známý biologický proces, v němž jsou kombinovány procesy kinetického ověřování a skládání fluktuací. (Tlusty et al., Physical Review Letters, 17. prosince 2004).

Výzkumníci z L'Institut Curie ve Francii (Kevin Dorfman, [M2], Jean-Louis Viovy, [M3]) studovali, jak protein RecA nahrazuje poškozený pramen DNA správnou kopií. V buňce baktérií protein RecA katalyzuje tento proces vazbou ke zdravému pramenu DNA a vytváří filament, který "hledá" poškozenou dvojpramennou DNA. V rozporu s běžným názorem výzkumníci tvrdí, že dvojpramenná DNA je aktivnějším partnerem při hledání svého poškození. Ještě před vznikem vazby se nejprve přibližuje k nepružnému a tím méně pohyblivějšímu filamentu. Lokální fluktuace ve struktuře dvojpramenné DNA způsobené pouze tepelným pohybem umožňují, aby se páry purinových a pyrimidinových bází filamentu dorovnaly s bázemi pramene nahrazované části DNA. (Dorfman et al, Phys. Rev. Lett., 31. prosince 2004)
 

Vědci Univerzity v Arizoně spojili některé myšlenky a metody pozorování z oboru fyziky a geofyziky. Podařilo se jim vytvořit matematickou teorii pro vysvětlení morfologie utváření jeskyní, jako jsou stalaktity (krápníky, které visí ze stropu jeskyní) a stalagmity (krápníky, které rostou z podlahy jeskyně).

Růst speleothermů (společný název pro krápníky) odkapáváním je velmi důležitý, protože umožňuje určit vývoj klimatu před tisíci lety pomocí ukládání jednotlivých vrstev krápníků v podobě prstenců nebo ledových jader, které na krápnících vznikají. Stalaktity jsou chemicky složeny z uhličitanu vápenatého CaCO₃ rozpuštěného ve vodě, která prosakuje půdou a horninou bohatou na oxid uhličitý. Růst stalaktitu lze považovat za "problém bez okrajových podmínek" (nejsou činěny žádné apriorní předpoklady o tvaru speleothermu). Výzkumníci spojili dynamiku kapalin a růst odkapáváním a získali matematický vztah pro růst povrchu. Tento vztah vede k jedinečnému "atraktoru" v abstraktním prostoru tvarů (růst je reprezentován v tomto abstraktním prostoru trajektorií mezi možnými tvary, které se sobě podobají). Raymond Goldstein [M4] tvrdí, že tuto novou teorii lze použít na jiné formování speleothermů a může také objasnit podobné problémy, jako je růst hydrothermálních zřídel nebo dokonce vzniku bobřích hrází. (Short et al., Physical Review Letters, 14. ledna 2005).

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 715. January 11, 2005 by Phillip F. Schewe, Ben Stein.

Kosmická sonda Huygens, která byla dopravena k Saturnu na palubě výzkumné kosmické lodi Cassini, úspěšně přistála na padáku na povrch měsíce Titan, jediného měsíce s atmosférou. Snímky pořízené během přistání a pořízené po přistání na povrchu dokazují přítomnost ledových balvanů nebo kusů ledu a jistého druhu pobřeží hydrokarbonového jezera nebo moře. Během přistání byly získány také akustické vzorky atmosféry a některé barevné fotografie. Sonda, která přistála na povrchu měsíce Titan, byla pojmenována podle dánského astronoma Christiaana Huygense, který první pozoroval Titan a jako první správně popsal prstence planety Saturn. Bližší informace o projektu Cassini viz [X1], [N1]
 

Nově publikované studie vzdálených galaxií jsou v souladu se závěry standardní kosmologie velkého třesku. Přesná měření kosmického mikrovlnného pozadí poskytují obraz vesmíru v době, kdy vznikaly první atomy, tedy asi 400 tisíc let po velkém třesku. Rozložení mikrovlnného pozadí souvisí s klíčovou rolí gravitace při vzniku prvních hmotných struktur ve vesmíru. Statistické studie rozdělení malých odchylek intenzity mikrovlnného pozadí od střední hodnoty ukazují, že v mladém vesmíru (jehož stáří odpovídá rudému posuvu spektra o 1000) se šířily mohutné zvukové vlny prvotní horkou plasmou. Důkaz těchto akustických rázů šířících se hmotou mladého vesmíru potvrdil statistickou analýzu rozdělení galaxií o miliardy let později. Dva velké astronomické výzkumné týmy, 2dF (the Two Degree Field Galaxy Redshift Survey) a SDSS (the Sloan Digital Sky Survey), které používají pro měření rudých posuvů vzdálených galaxií automatické dalekohledy, na zasedání Americké astronomické společnosti v San Diegu v lednu 2005 oznámily, že jejich soubory dat o pozorovaných vzdálených galaxií jsou v souladu s rozložením kosmického mikrovlnného pozadí. Katalog 2dF dosud obsahuje 221 tisíc galaxií a katalog SDSS dosud obsahuje téměř 47 tisíc galaxií. [X2], [X3], [X4], [X5]
 

Elektronové oblaky mohou být při nízkých teplotách zmrazeny do "orbitalového skla". Podle kvantové mechaniky elektrony v atomech vytvářejí "oblaky" (elektronové orbitaly), v nichž se pak v různých místech s různou pravděpodobností vyskytují. Elektronové orbitaly mají různé tvary, Například orbital typu "s" má tvar koule, tři orbitaly "p_x", "p_y" a "p_z" mají tvar činky. Každý elektron v atomu se nachází v některém elektronovém orbitalu a v daném okamžiku se nachází s určitou pravděpodobností v části objemu vymezeného tímto orbitalem. V každém elektronovém orbitalu se mohou vyskytovat pouze dva elektrony s opačným spinem (protože jsou fermiony). Proces vývoje elektronových orbitalů je neobyčejně rychlý. Například během femtosekund (10^-15 s) elektronový orbital může přejít z jednoho degenerovaného stavu do jiného (stavy se stejnou energií, jako jsou orbitaly "p_x", "p_y" a "p_z"), takže jeho tvar se může změnit z činky ve směru jedné souřadnicové osy v činku ve směru jiné souřadnicové osy.

Nyní vědci nalezli důkaz, že tento a podobné orbitalové procesy se mohou výrazně zpomalit až na 0,1 sekundy, tedy o 14 řádů. Studovali vlastnosti elektronů při nízké teplotě v minerálu FeCr₂S₄ (spinel), který má relativně jednoduchou krystalickou strukturu. Výzkumníci ze Střediska pro elektronové korelace a magnetismus Univerzity v Augsburgu v Německu (kontakt: Peter Lunkenheimer, [M1]) a z Akademie věd Moldavské republiky, považují tyto zmrazené elektronové orbitaly ve spinelu za novou třídu materiálu, jíž nazvali orbitalovým sklem. Měřením reakcí tohoto materiálu na elektrická pole střídavého proudu s frekvencí zvukových až radiových vln zjistili, že procesy tvořící nekulové orbitaly se při nízkých teplotách velmi výrazně zpomalují a vytvářejí stav, který se podobá pohybu molekul ve skle. Nezpomaluje se však pouze rychlost přechodu z jednoho orbitalu do druhého. Také blízká atomová jádra, která jsou těmito elektronovými orbitaly obklopena, reagují pomaleji. Na rozdíl od konvenčních skel při nízkých teplotách nedochází k úplnému "zmrazení" elektronových orbitalů. Úplně zmrazené elektronové orbitaly totiž nemohou existovat kvůli kvantově mechanickému tunelování. K přechodům mezi orbitaly může docházet s nižší pravděpodobností také při energiích nižších, než jsou normálně potřebné. (Fichtl et al., Physical Review Letters, 21.ledna 2005)

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 716. January 19, 2005 by Phillip F. Schewe, Ben Stein.

[N1]  Sonda Cassini doletěla k Saturnu. Podle materiálů NASA. Natura 8/2004