Jako každoročně i teď na přelomu roku hodnotili vědci výsledky, dosažené v roce 2014. Jednoznačně se shodli na tom, že za průlomový objev roku 2014 ve fyzice lze považovat kosmickou misi Rosetta a přistání modulu Philae na kometě 675P/Churyumov-Gerasimenko.
Do historie se zapíše čas 15.35 středoevropského času dne 12. listopadu 2014. V ten okamžik totiž na povrchu komety přistála kosmická sonda Philae. Kometa byla vzdálena 511 milionů kilometrů od Země a pohybovala se rychlostí 55 000 km za hodinu. Sonda nejdříve dvakrát poskočila a pak začala sbírat data a posílat je zpět vědcům ke zpracování.
Přistání sondy Philae na vzdálené kometě otevřelo novou kapitolu výzkumu formování a vývoje sluneční soustavy. Úzce souvisí i s tou nejzákladnější otázkou, jak se na Zemi dostal život. Mise sice neproběhla úplně hladce, sonda přistála v nesprávné poloze, takže sluneční baterie nemohly nepřetržitě dodávat přístrojům energii. Podařilo se nicméně získat vzorky pro zkoumání.
Předběžná analýza dat vyslaných sondou Philae napovídá, že se na kometě vyskytují organické molekuly na bázi uhlíku. Pokud se tento fakt nezvratně prokáže, bude to velice důležitá informace pro studium podmínek na velmi mladé planetě Zemi, o níž se předpokládá, že byla bombardována právě kometami. Zařízení na sondě bylo schopno dostat se pod povrch komety, takže teď se ví, že je pokryta vrstvou prachu 10 – 20 cm tlustou, která leží na neočekávaně tvrdém materiálu, kterým je pravděpodobně zmrzlá voda ve formě ledu.
Data z Rosetty poskytla i důležité poznatky pro pochopení zákonů sluneční soustavy. Z údajů hmotového spektrometru se zjistilo, že poměr deuteria k vodíku je na kometě daleko větší než na Zemi. To podporuje domněnku, že voda se na Zemi nedostala z komet, jak se doteď předpokládalo, ale z asteroidů.
Dalších devět objevů, které byly zařazeny do „top ten“, bylo hodnoceno podle významu pro základní vědu, významného pokroku pro poznání, vazby mezi teorií a experimentem a zájmu celé fyzikální obce.
Kvasary osvětlují strukturu kosmického prostoru
Fyzici z kalifornské univerzity a z Max-Planck institutu využili záření kvasaru k tomu, aby se poprvé podívali na vláknitou strukturu kosmického prostoru.
Hmota ve vesmíru není rozložena rovnoměrně, ale připomíná vlákna, která vytvářejí síť. Tato síť podle současných znalostí a teoretických výpočtů vznikala 380 000 let po Velkém třesku a je tvořena vlákny chladného plynu. Doteď ji astronomové neviděli, protože byla zastíněna hmotou, která aglomerovala do hustých objektů, jako jsou galaxie. Cantalupo a kolegové zaznamenali záření vysílané tímto plynem v momentě, kdy absorbuje ultrafialové záření kvasaru. Astronomové doufají, že záření dalších kvasarů poskytnou podrobnější informace o struktuře raného vesmíru.
Podařilo se detekovat neutrina z nukleární reakce, která dodává energii Slunci
Prakticky všechna energie generovaná Sluncem vzniká v důsledku jaderných reakcí začínajících dvěma protony, které se sloučí a vytvoří spolu deuterium, positron a nízkoenergetické neutrino. Z výpočtů vyplývá, že na Zemi dopadá 60 miliard takových neutrin na každý čtvereční centimetr každou sekundu. Jenže až teď se týmu Borexino podařilo některá z těchto neutrin konečně detekovat. Stalo se to hluboko v horách Gran Sasso v Itálii zachycením záblesků světla vznikajících při kolizi neutrin s elektrony v obrovském tanku naplněném kapalinou. Fyzici byli schopni měřit tok 66 (±7) miliard neutrin na čtvereční centimetr, což je hodnota odpovídající teorii sluneční jaderné fúze.
Lasery iniciují „supernovy“ v laboratoři
Fyzici z Oxfordu spolu s mezinárodním týmem vytvořili miniaturní napodobeninu exploze supernovy v laboratoři. Supernova je masivní hvězdná exploze, která zanechává horké, husté mraky prachu a plynů. Jedna zvláštní supernova, Cassiopea A, byla pro astronomy dlouho hádankou kvůli nepravidelné struktuře magnetického pole. Ta totiž ukazuje na přítomnost velmi silného magnetického pole. Proto Gregori, Meinecke a kolegové soustředili paprsky tří výkonných laserů na uhlíkovou tyčinku v argonem naplněné komůrce. Explozí vznikla asymetrická šoková vlna, která se šířila podobně jako v případě supernovy ve vesmíru. Šokové vlně do cesty byla umístěna mřížka, která simulovala nepravidelné rozložení magnetického pole. Vzniklo silné magnetické pole, stejné, jaké pozorujeme v případě Cassiopey A.
Milník v laserové fúzi
Fyzici z National Ignition Laboratory (NIF) a Los Alamos Laboratory jako první získali zisk větší než jedna při laserem řízené jaderné fúzi. Jaderná fúze tvořila před časem velikou nadějí energetiků jako budoucí zdroj energie. Jenže experimenty pokračovaly velice pomalu a tak se zájem pomalu přesunoval do jiných oborů. Teď ale svitla jiskřička naděje. Hurricane a kolegové využili velmi výkonný laser v NIF a miniaturní palivové granule z deuteria a tritia k vyprodukování většího množství energie z fúzní reakce, než do ní bylo vloženo ve formě laserového záření. Je to poprvé po pěti letech usilovného bádání. I když koeficient 2,5 je velmi daleko od očekávaných hodnot a nadějí, vkládaných do procesu jaderné fůze, výsledek přece jenom znamená významný krok dopředu směrem k jejímu praktickému využívání.
Magnetická interakce mezi elektrony
Fyzici z Weizmanova ústavu v Izraeli jako první změřili extrémně slabou magnetickou interakci mezi dvěma izolovanými elektrony. Už od roku 1920 fyzici ví, že elektron má vlastní spinový úhlový moment a příslušný magnetický moment. Změřit magnetickou interakci mezi dvěma elektrony je ale velice obtížné. Interakce je totiž nejsilnější, když jsou elektrony velmi blízko sebe, jenže v takovém případě ji přehlušují jiné síly. Se zvětšováním vzdálenosti mezi elektrony se magnetické interakce zcela ztratí v šumu. Kotler s kolegy obešel tuto nesnáz tím, že dva elektrony uvedl do stavu kvantového provázání. Tím zajistil nízký šum a sílu mezi elektrony bylo možno změřit.
Stav neuspořádání zvyšuje ostrost obrazu přenášeného optickými vlákny
Američtí fyzici využili jevu „Andersonovy lokalizace“ a vytvořili optická vlákna pro kvalitnější přenos obrazu. Neuspořádaný stav v optickém vláknu obvykle přenášený obraz rozmazává. Mafi a kolegové ale ukázali, že zavedení určitého druhu neuspořádaného stavu na správném místě může naopak zvýšit schopnost optického vlákna přenášet ostřejší obraz. Prototyp jejich vlákna, které skutečně kvalitou obrazu předčí všechna dostupná vlákna, je vytvořen z 80 000 pramínků dvou odlišných materiálů, které jsou umístěny vedle sebe zcela náhodně. Výsledkem je neuspořádaný stav ve směru kolmém k délce vlákna a uspořádání ve směru šíření světla.
Ukládání dat v magnetickém hologramu
Američtí a ruští fyzici vytvořili nový typ holografické paměti založené na interferenci spinových vln. Princip holografie je v zaznamenání interferenčních obrazců vytvořených světelným paprskem, který se odráží od 3D objektu, a identickým paprskem, který objekt nezasahuje. To nabízí velmi efektivní způsob ukládání a čtení velkého množství informací. Hustota uložených dat ale závisí na vlnové délce použitého světla. Spinové vlny použité při magnetické holografii mají daleko kratší vlnovou délku než viditelné světlo, a jsou tedy použitelné při ukládání dat s větší hustotou. Prototyp zařízení obsahuje dva malé magnety, spojené magnetickými vodiči. Data jsou ukládána tak, že spinové vlny o velké amplitudě procházejí vodiči a převracejí polaritu magnetů. Čtení dat se provádí průchodem vln o menší amplitudě a měřením jejich interakce s magnety.
Poprvé se podařila komprese kvantových dat
Fyzici z univerzity v Torontu poprvé demonstrovali kvantovou analogii komprese dat v laboratoři. Konvenční způsob komprese dat se nedá použít v případě kvantových informací, protože vyžaduje měření velikosti datových bitů, které se mají komprimovat, a to je proces, který kvantové bity zničí. V roce 2010 čeští fyzici zjistili, že řetězec identicky připravených kvantových bitů je možno komprimovat, i když ne tak těsně jako u konvenčních dat. Teď to Steinberg a kolegové provedli v laboratoři a stlačili informaci, nesenou třemi kvantovými bity, do dvou. Nová technika připravuje cestu pro efektivnější využívání kvantových pamětí.
Akustický vlečný paprsek
Američtí a britští fyzici vytvořili akustický vlečný paprsek, který je schopen táhnout objekty působením akustického vlnění. K vytvoření nového vlečného paprsku použili Démone, Dahl a kolegové ultrazvukový systém, který se běžně používá například k rozrušování nádorů. Technika využívá ostřelování specielně tvarovaného cíle dvěma paprsky ultrazvukových vln pod určitým úhlem. Ideální pro tuto techniku je použití dvou Besselových paprsků s kruhovým čelem vlny, které se stáčí kolem směru šíření a nesou tak úhlový moment. Jakmile čelo vlny zasáhne cíl, úhlový moment je přesměrován, a to dává vznik síle, která působí na cíl směrem k rovině a obsahuje oba zdroje ultrazvuku. Besselovy paprsky aproximovali použitím pole komerčních zdrojů ultrazvuku o frekvenci 550 kHz. Vertikální tažná síla vlečného paprsku byla naměřena kolem 1 mN. Technika bude mít široké uplatnění v medicíně, a to včetně manipulace s různými objekty, kapalinami a tkáněmi uvnitř těla. Vlečný paprsek by se dal například použít k dopravě léků v kapslích na přesné místo v těle. Akustický vlečný paprsek může pohybovat daleko většími předměty než jeho optický ekvivalent a může být použit i pro vzdálené objekty. Mohou to být třeba vzorky prachu a jiných malých částic z nebezpečných a těžko dostupných míst pro monitorování prostředí, v geofyzice v sopečných kráterech, pro atmosferické testování a mnoho dalších.
A co čeká fyziky v roce 2015?
Ani ty nejlépe vybavené laboratoře nevlastní skleněnou věšteckou kouli a velké objevy se často přihodí zcela nečekaně. Nicméně něco je přece jen známo.
Rok 2015 je oficiálně stanoven „Mezinárodním rokem světla“. Na různých akcích se bude podílet 100 partnerů z 85 zemí. Příští rok totiž uplyne 1 000 let od publikování knihy o optice od Ibn al-Haythama, 200 let od Fresnelovy publikace o vlnové povaze světla, 150 let od Maxwellovy práce o elektromagnetismu a 100 let od publikování Einsteinových rovnic obecné teorie relativity. Rok světla má tedy určitě na co navázat.
Fyzici znovu uvedou do provozu Large Hadron Collider v CERN a budou pokračovat v základních experimentech ALICE, ATLAS, CMS a LHCb. Na vylepšeném LHC budou moci studovat Higgsův boson, který byl v laboratoři objeven v roce 2012. Pokusí se vrhnout alespoň trochu světla na záhadu temné hmoty a hádanku, proč je ve vesmíru daleko víc hmoty než antihmoty.
Astronomové se jistě budou předhánět v nových kosmických misích a hlavně v získávání výsledků z těch již uskutečněných.
Pomocí citačních indexů bylo stanoveno 10 nejžhavějších kandidátů na „top obory“ příštího roku. Vede pochopitelně studium Higgsova bosonu následované analýzou dat týkajících se neutrin a otázkami kolem gravitace. Dalších sedm témat je věnováno fyzice kondenzovaných látek, které nejvíce ovlivňují náš život. A nakonec něco tak trochu trpce ironického. I když je fyzika nesporně královnou věd, obletovanou princeznou se stává biologie. Asi je přece jen trochu jednodušší a méně náročná. Nejcitovanější prací za minulý rok se stala práce o psech citlivých na malé změny zemského magnetického pole. Takže pokud chcete, aby se o vaší práci hodně mluvilo, vpašujte do ní jakýmkoliv způsobem nějaké zvíře.
Další díly:
Aktuality z fyziky XVII
Aktuality z fyziky XVI
Aktuality z fyziky XV
Aktuality z fyziky XIV
Aktuality z fyziky XIII
Aktuality z fyziky XII
Aktuality z fyziky XI
Aktuality z fyziky X
Aktuality z fyziky IX
Aktuality z fyziky VIII
„Top
ten“ fyziky v roce 2014
Aktuality z fyziky VII
Aktuality z fyziky VI
Aktuality z fyziky V
Aktuality z fyziky IV
Aktuality z fyziky III
Aktuality z fyziky II
Aktuality z fyziky I