Jaké zásadní objevy na poli fyziky přinesl uplynulý rok? Přinášíme souhrn deseti nejdůležitějších prací roku 2017, které do svého žebříčku zařadil časopis Physics World.

Pro odborníky z Physics World, ale také pro převážnou většinu vědecké komunity z celého světa, je hlavním fyzikálním výsledkem loňského roku práce, za níž stojí početný mezinárodní tým astronomů a astrofyziků a která dala vzniknout novému odvětví astronomie, tzv. multimessenger astronomy. Vědcům se vůbec poprvé podařilo koordinovaně pozorovat (multimessenger observation) několik různorodých signálů, včetně gravitačních vln, pocházejících ze splynutí dvou neutronových hvězd.

Ostatních devět zásadních prací roku 2017 zasahuje širokou škálu (nejen) fyzikálních oborů, např. kvantovou mechaniku, materiálové vědy, a dokonce egyptologii.

Nová éra astronomie

Rok 2017 byl jednoznačně „rokem gravitačních vln“. Jejich signály zaznamenaly 17. srpna 2017 prakticky současně detektory LIGO-VIRGO, Fermi Gamma-ray Space Telescope (NASA) a INTEGRAL (ESA). Gravitační vlny pocházely ze spojení dvou neutronových hvězd, objektu, který posléze dostal označení GW 170817.

Šlo o vůbec první pozorování spojení dvou neutronových hvězd na soustavě detektorů LIGO-VIRGO. Ale co víc, vědci už po pěti hodinách od prvního signálu dokázali určit polohu zdroje gravitačních vln na obloze. V následujících hodinách a dnech se na objekt GW 170817 zaměřilo více než sedm desítek teleskopů. Řada pozorování byla provedena v oblasti gama paprsků, rentgenových paprsků, a dokonce i ve viditelné, infračervené a radiové části elektromagnetického spektra. Astrofyzici pátrali i po neutrinech, která však zatím nenašli.

Koordinovaná pozorování přinesla vědcům řadu zásadních informací, například o tzv. kilonově, jevu, který je vlastně optickým protějškem zdroje gravitačních vln, nebo o tom, jak se do vesmíru dostávají těžké prvky, jako je zlato nebo platina. Schopnost měřit současně gravitační vlny a viditelné světlo ze spojení dvou neutronových hvězd poskytla také nový, nezávislý způsob měření rychlosti rozpínání vesmíru. Pozorování navíc vyřešila dlouhotrvající diskuse o původu krátkých, vysokoenergetických záblesků záření gama.

První „topologický“ laser

Fyzici z univerzity v kalifornském San Diegu vytvořili první „topologický“ laser. Zařízení umožňuje, aby se světlo šířilo podél optické dutiny jakéhokoliv tvaru, a to bez rozptylu. Jde o podobný proces, jako když se elektrony pohybují po povrchu topologického izolátoru. Topologický laser pracuje na telekomunikačních vlnových délkách a mohl by vést k dokonalejším fotonickým obvodům a chránit kvantové informace před rozptylem.

Topologické izolátory jsou materiály, které nevedou elektrický proud v objemu, ale jen po okrajích pomocí hranových stavů. Tyto stavy se pohybují vždy v jednom směru, drží se bez rozptylu přesně rohů a poruch na povrchu. Takový „topologicky chráněný“ elektrický proud může být indukován v tenkém plátku jakéhokoliv vodiče indukováním elektrického pole napříč vrstvou a na něj kolmého magnetického pole. V objemu se elektrony pohybují v kruzích, ale na hranách v polokruzích.

Přestože fotony nemají magnetický moment, a nereagují tak přímo na magnetické pole, analogického efektu lze dosáhnout použitím elektronů excitovaných dopadajícím světlem. Takové elektrony reagují na magnetické pole odlišně od stavu, kdy nebyly excitovány, a proto odlišně ovlivňují světlo.

Blesk vytváří v atmosféře radioaktivní izotopy

Japonští fyzici z univerzity v Kjótu poskytli první podrobný a přesvědčivý důkaz toho, že úder blesku může vést k syntéze radioaktivních prvků v atmosféře.

Fyzikům už bylo známo, že blesky mohou vytvářet záření gama a neutrony, a předpokládali, že interakcí mezi tímto zářením a jádry dusíku ve vzduchu by mohla vznikat radioaktivní jádra. Japonští fyzici tento předpoklad potvrdili. Měřili signál paprsků gama, svědčící o radioaktivním rozpadu, který má maximum minutu po úderu blesku. Podle nich to je důkaz, že v atmosféře vznikají radioaktivní jádra, jako je dusík-13.

Od roku 2006 vědci sledovali radiace v jedné japonské jaderné elektrárně. Snažili se detekovat záření gama v těžkých nízkých bouřkových mracích, které se v oblasti, kde elektrárna stojí, často vyskytují. 6. února 2017 se na ně usmálo štěstí. Čtyři ze zapojených detektorů zaznamenaly silné výboje ze dvou současných blesků vzdálených méně než dva kilometry. V bezprostředních dozvucích blesků vědci detekovali záření gama, které trvalo několik stovek milisekund. Tento jev přičítají gama fotonům generovaným v původním blesku, kde došlo k vyražení neutronů ze stabilních atomů ve vzduchu, jako je třeba dusík-14. Některé z těchto neutronů byly následně zachyceny jinými jádry, a tím se vytvářely excitované stavy, které následně vedly k rozpadu. To vysvětluje zpožděné fotony gama v dozvucích blesků.

Výsledky pozorování japonských fyziků tak jednoznačně prokázaly přímou detekci neutronů ze záblesků záření gama, které směřují směrem k zemskému povrchu.

Mikroskop se super rozlišovací schopností

Skupina vědců sdružená okolo německého fyzika Stefana Hella z Max Planck Institute for Biophysical Chemistry vyvinula nový typ mikroskopu se super rozlišovací schopností. Ten je schopen v reálném čase sledovat biologické molekuly v živých tkáních. Nová technika, zvaná MINFLUX (Maximally Informative Luminiscence Excitation Probing), kombinuje dva principy, které si v oblasti chemie vysloužily Nobelovou cenu. Autorem jednoho z nich je zmiňovaný Stefan Hell.

Tým vědců z Max Planck Institute for Biophysical Chemistry vedený Stefanem Hellem (vlevo) během prezentace nového zařízení (foto: Irene Böttcher-Gajewski / Max Planck Institute for Biophysical Chemistry)

Mikroskop MINFLUX dosahuje rozlišení v řádu nanometrů daleko rychleji a pomocí menšího množství emitovaných fotonů, než bylo kdykoliv předtím možné. Optické mikroskopy mohly více než 100 let zobrazovat předměty do velikosti zhruba 200 nanometrů, což je polovina vlnové délky viditelného světla. Tzv. difrakční limit se zdál dlouho nepřekonatelný. Až koncem 20. století se na něj fyzikům podařilo vyzrát pomocí speciálního triku.

Stefan Hell přišel v osmdesátých letech na to, že difrakční limit by bylo možné překonat soustředěním obrazu do jednoho místa pomocí dvou různých objektivů. Na začátku devadesátých let slavil první úspěch s 4Pi mikroskopem. Ten má dva stejné objektivy proti sobě a vzorek je mezi nimi. Rozlišení se tímto mikroskopem dostalo na hranici 100 mikrometrů, výkon mikroskopu se zvětšil zhruba dvakrát.

Jenže to bylo pořád málo. V roce 1994 přišel Hell s myšlenkou využít fluoreskující molekuly. Ty se mohly přilepit na sledované objekty, třeba DNA v buňce, aby osvětlily jejich kontury. Hell navrhl, aby se snímky pořizovaly kombinací rozsvěcení a zhasínání fluoreskujících molekul ve vzorku pomocí speciálně složeného laserového paprsku. Jeden z paprsků má tvar trubice a zhasíná fluorescenční záření vybuzené druhým paprskem. Při správném nastavení laseru může být osvětlený prostor mnohem menší než difrakční limit. A rozlišovací schopnost mikroskopu příslušně vzroste.

Kvantová komunikace bez přenosu částic

Až donedávna se fyzikální obec stavěla více méně skepticky k teorii o kvantové komunikaci bez přenosu částic. Změna přišla až nedávno díky čínským fyzikům, kteří tuto teorii experimentálně ověřili.

Nový systém kvantové komunikace, která nevyžaduje přenos fyzikálních částic, navrhl fyzik Hatim Salih z univerzity v Bristolu ve spolupráci s čínskými vědci už před čtyřmi lety. Až v loňském roce však Číňané takový systém v laboratoři skutečně vytvořili a použili jej k přenosu jednoduchého obrázku, kdy se procesu nezúčastnily (téměř) žádné fotony.

Proces je založen na principu částicově-vlnové duality. Využívá přitom skutečnosti, že na přítomnost určitého objektu se dá usuzovat na základě kolapsu vlnové funkce pozorovaného fotonu, i když mezi nimi není fyzikální kontakt. Práce je založena také na něčem, čemu se říká kvantový Zenónův jev. Ten je známý také jako Turingův paradox a řadí se k nejpozoruhodnějším předpovědím kvantové fyziky.

Představte si, že někdo napne luk a vypustí šíp. Letící šíp je v každém okamžiku v určitém bodě prostoru. A v bezrozměrném bodě není žádný pohyb možný. Šíp je tedy po celou dobu v klidu, ale pozorovateli se zdá, že letí. To je Zenónův paradox letícího šípu. V roce 1977 si fyzici všimli podobnosti kvantového Zenónova jevu s paradoxem letícího šípu. Spočívá v tom, že když někdo pozoruje kvantový systém, a dojde tak k jeho dekoherenci a kolapsu vlnové funkce měřením nebo interakcí s prostředím, systém by se neměl měnit. Jinak řečeno, podle kvantového Zenónova principu série slabých měření potlačí kvantově mechanický rozvoj částice a téměř jistě způsobí, že zůstane v počátečním stavu.

Toto zdánlivě „protismyslné zobrazování“ by mohlo být dokonce i prakticky využitelné, například při zobrazování choulostivých částí starých uměleckých děl, které není možné vystavit přímému světlu.

Kosmické záření s velmi vysokou energií má mimogalaktický původ

Observatoř Piera Augera v Argentině dokázala, že kosmické záření s velmi vysokou energií přichází z oblastí mimo Mléčnou dráhu.

Astrofyzici už desetiletí vycházeli z předpokladu, že se zdroje kosmického záření s energiemi vyššími než 1 EeV (10¹⁸ eV) dají lokalizovat ze směru, odkud tyto částice přicházejí. Na rozdíl od záření s nižšími energiemi, u kterého se zdá, že přichází ze všech směrů (což je způsobeno tím, že je rozptýleno magnetickými poli Mléčné dráhy).

Více než tisícovka Čerenkovových detektorů observatoře Piera Augera odhalila, že rychlost kosmických paprsků s velmi vysokou energií je v jedné polovině oblohy vyšší. A co víc, zdroje tohoto vysokoenergetického záření leží mimo střed Mléčné dráhy. To napovídá, že tyto kosmické paprsky mají skutečně mimogalaktický původ.

Mezinárodní tým studoval dopad více než 30 000 kosmických paprsků s energiemi vyššími než 8 EeV. Když taková částice kosmického záření koliduje s jádry v atmosféře, vytváří se sprška miliard částic, které dopadají na zem. Součástí observatoře Pierra Augera je 1600 Čerenkovových detektorů částic, které jsou rozprostřeny na ploše 3 000 km² v argentinské pampě. Spršku může zachytit více detektorů a přesné měření doby dopadu na jednotlivé detektory udává směr kosmického paprsku. Jeho energie je určena intenzitou signálu na detektorech. Observatoř Pierra Augera obsahuje také 27 fluorescenčních teleskopů, které jsou umístěny na čtyřech separovaných místech observatoře. Ty zachycují fluorescenční záření, které je emitováno, když sprška částic interaguje s dusíkem v atmosféře. Tyto údaje vědci použili ke zpřesnění údajů o směru a energiích částic, které poskytují Čerenkovovy detektory.

Přesná měření udávají, že rychlost dopadu kosmického záření s velmi vysokou energií je v jedné polovině oblohy přibližně o 6 % vyšší. Tento nadbytek rychlosti se navíc dá změřit v oblasti 120° mimo střed Mléčné dráhy. Právě to svědčí pro mimogalaktický původ záření.

Vědci provedli korekci údajů na očekávaný ohyb paprsků magnetickým polem Mléčné dráhy a došli k závěru, že částice přicházejí z oblasti s vysokou hustotou sousedních galaxií. Navíc je pravděpodobné, že mají původ v galaxiích, které se té naší nepodobají. Astronomové navrhují galaxie jako je Centaurus A, která obsahuje supermasivní černou díru a dodává energii relativistickým výtryskům paprsků. Šokové vlny v takových výtryscích by mohly urychlovat jádra tak, že vytvoří kosmické paprsky s velmi vysokou energií.

Časové krystaly z laboratoře

Fyzikům z univerzity v Marylandu a z Harvardu se podařilo nezávisle na sobě vytvořit časové krystaly, zvláštní fyzikální struktury, které jsou periodické nejen vzhledem k prostorovým souřadnicím, ale i v čase. Časové krystaly v podstatě představují rozšíření do čtvrtého rozměru časoprostoru.

V roce 2012 publikoval nositel Nobelovy ceny za fyziku Frank Wilczek z MIT převratnou práci, nad kterou většina fyziků povážlivě pokyvovala hlavou. Předložil v ní totiž myšlenku o existenci struktur, v nichž probíhají periodické oscilace ve stavu s nulovou energií. V roce 2016 se objevily dvě teoretické studie fyziků z Pricetonu a ze Santa Barbary, které potvrdily, že by takové časové možnosti bylo možné opravdu vytvořit. Hned vzápětí, v loňském roce, se to skutečně podařilo rovnou dvěma vědeckým skupinám.

Fyzici z Marylandu vytvořili časové krystaly z řetězce deseti iontů ytterbia, jejichž spiny elektronů mezi sebou interagují podobně jako systémy qubitů v kvantových počítačích.

Na Harvardově univerzitě vytvořili časové krystaly z husté sítě center dusík-vakance, které vznikají nahrazením dvou atomů uhlíku z krystalové mřížky diamantu atomem dusíku a vakancí. Potvrdilo se, že tak jako konvenční krystaly spontánně narušují translační symetrii, časové krystaly spontánně narušují diskrétní časovou symetrii systému.

Díky tomu, že jde časové krystaly relativně snadno vytvořit, je velmi pravděpodobné, že nezůstanou jen fyzikální hříčkou, ale najdou řadu praktických uplatnění.

Metamateriál zlepšuje chlazení

Fyzici z univerzity v Coloradu vytvořili nový metamateriál, který usnadňuje chlazení a přitom nevyžaduje přídavný zdroj energie. Metamateriál je vyroben ze skleněných mikrokuliček z polymeru a stříbra. Využívá pasivní radiační chlazení, aby rozptýlil teplo z objektu, který pokrývá. Energii vysílá ve formě infračerveného záření, takže se může pohybovat v atmosféře, a dokonce i ve vesmíru. Materiál také odráží sluneční záření, což znamená, že může pracovat ve dne i v noci. A co víc, jeho výroba není drahá.

Radiační chlazení je přirozený proces, při kterém objekt ztrácí teplo ve formě infračerveného záření. Všechny materiály emitují při pokojové teplotě infračervené záření na frekvencích 5 – 15 mikrometrů. Sám o sobě však tento proces není příliš účinný, protože proti němu působí vnější vlivy, jako je sluneční záření nebo proudění vzduchu, které objekt ohřívají. Vzduch však absorbuje a emituje velmi málo záření s vlnovou délkou 8 – 16 mikrometrů. Země sama v noci tímto „atmosférickým oknem“ vyzařuje infračervené záření, a tak se v noci chladí.

Zatímco noční radiační chlazení je poměrně jednoduché, s denním je to složitější. Problém spočívá v tom, že materiály absorbují sluneční záření, které povrchy rychle ohřívá. Dosud nikdo nevytvořil materiál, který by odrážel sluneční záření a zároveň dovoloval emisi infračerveného záření. Fyzici z Colorada tento problém vyřešili. Vytvořili tenký, flexibilní materiál, který byl složený ze dvou vrstev – vrstvy polymeru s náhodně rozptýlenými kuličkami z kysličníku křemičitého (SiO₂) o průměru osm mikrometrů a vrstvy stříbra o tloušťce 200 nanometrů. Ukázalo se, že sklo-polymerový film je něco jako fyzikální zázrak.

Při zkouškách byl průměrný chladicí výkon této vrstvy za 72 hodin 110 W/m². Dokonce i za poledního slunce vědci naměřili 93 W/m², což je přibližně stejně, kolik elektrické energie vygeneruje běžný solární panel obdobných rozměrů. Pochopitelně, že tento nový metamateriál slibuje celou řadu praktických aplikací.

Interference tří fotonů byla po dlouhém čekání přece jen změřena

Fyzici z kanadské University of Waterloo a z Oxfordu nezávisle na sobě změřili kvantovou interferenci zahrnující tři fotony.

Kvantová interference představuje vlastnost kvantového systému existovat v superpozici více stavů. Pozorovat interferenci tří fotonů je velmi obtížné, protože to vyžaduje schopnost dopravit tři nerozeznatelné fotony na stejné místo ve stejném čase. Navíc je třeba vyloučit možnost jedno- a dvoufotonové interference. Třífotonová interference by mohla být použita například v kvantové kryptografii nebo jako kvantové simulátory. To jsou systémy, které jsou schopny simulovat chování kvantových systémů, a nejsou pro naše měření dostupné.

Pokud se svazek jednotlivých fotonů pohybuje dvojitou štěrbinou, na detektoru za štěrbinami vzniknou interferenční obrazce – dochází k jednofotonové interferenci. Příkladem dvoufotonové interference je jev, který v roce 1987 demonstrovali fyzici z University of Rochester: Chung Ki Hong, Zhe Yu Ou a Leonard Mandel. V tzv. HOM efektu (Hong-Ou-Mandel) dopadají dva fotony na dělič svazku se dvěma výstupy. Pokud jsou fotony identické a přicházejí ve stejném okamžiku, budou interferovat a objeví se na stejném výstupu děliče. Pokud nejsou tato dvě kritéria splněna, je z 50 % pravděpodobné, že kterýkoliv foton vystoupí na kterémkoli výstupu.

Třífotonovou verzi „HOM jevu“ realizoval tým z Oxfordu. Jejich experiment začínal vytvořením tří nezávislých fotonů ve třech nezávislých zdrojích. Ty jsou vyslány na vláknový interferometr (tritter), který má tři vstupy a výstupy. Tým pak sledoval pravděpodobnost, že se všechny tři fotony objeví na jednom výstupu.

Kanadský tým postupoval jinak. Fyzici použili zdroj fotonů, který emituje tři fotony v kvantově provázaném stavu. Taková trojice se vytvoří vysláním jednoho fotonu do série nelineárních krystalů. Každý z těchto krystalů je schopen konvertovat jeden foton na pár provázaných fotonů. Velmi zřídka se objeví i trojice provázaných fotonů. Ta se pak pošle na interferometr se dvěma výstupy. Další postup je podobný jako v Oxfordu.

Jednou z aplikací třífotonové interference je sdílení tří fotonů. Znamená to, že tajný kvantový klíč sdílí tři strany, může být však použit pouze všemi třemi stranami dohromady. Třífotonová interference může najít použití i v technice kvantového počítání a v řadě dalších odvětví.

Miony odkryly dosud neznámý prostor Cheopsovy pyramidy

Tým fyziků nedávno objevil prázdný prostor v Cheopsově pyramidě (zvané také Chufuova nebo Velká pyramida), o jehož existenci dosud odborníci neměli žádné tušení. První zobrazení záhadné struktury bylo možné díky mionům, miniaturním částicím, které vznikají při interakci kosmického záření s atmosférou a nepřetržitě dopadají na zemský povrch. Měření provedl mezinárodní tým vědců v rámci projektu ScanPyramids.

Technika, která se nazývá miografie, se podobá radiografii, ve které jsou využívány rentgenové paprsky. Materiály s vysokou hustotou, jako jsou kameny, mají tendenci zachycovat miony, které atmosférou procházejí prakticky bez překážky. Pokud na detektor v pyramidě dopadne více mionů, než se očekává, znamená to, že musely po cestě potkat prostor vyplněný vzduchem.

V roce 2016 vyvinuly vědci z nagojské univerzity detektor mionů, který umístili do tzv. královniny komory, nejníže položené známé komory v Cheopsově pyramidě. Pokud je chemická emulze v detektoru vystavena působení mionů, prodělává chemickou reakci podobně jako fotografický film. Tím se získává permanentní 3D obraz, který fyzikům ukazuje směr, odkud částice přicházejí. Emulzní detektor přinesl první důkaz o existenci dosud neznámé dutiny dlouhé kolem 30 metrů.

Počítačová rekonstrukce ukázala, že se nový prostor podobá velké galerii pyramidy, což je necelých 50 metrů dlouhá, osm metrů vysoká a dva metry široká skloněná chodba. Nově objevený prostor se nachází 50 až 70 metrů nad úrovní okolního terénu. Je na stejné úrovni jako série komor nad královskou komorou, která leží blízko středu pyramidy. Zatím není jasné, jestli jej tvoří jedna komora nebo více menších, a jestli je prostor vodorovný nebo nakloněný.

S existencí takového prostoru nepočítala žádná teorie pyramid. Vědci doufají, že díky mionovým datům a spolupráci s odborníky na starověkou egyptskou architekturu bude nakonec možné určit, k čemu objevený prostor sloužil.

Mohlo by vás zajímat:

Jak zvážit buňku
Miony odkrývají útroby největší egyptské pyramidy
Pomůže supratekuté helium objevit částice temné hmoty?
Existují v oceánech topologické vlny?

Kompletní archiv Aktualit z fyziky

Autor: Jana Štrajblová
Úvodní foto: Koordinovaná pozorování spojení dvou neutronových hvězd vědcům v loňském roce přinesla řadu zásadní poznatků, například klíč k poznání, jak se ve vesmíru vytvářejí prvky těžší než železo (obrázek: NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet)