Na konci roku bývá zvykem ohlédnout se za uplynulým obdobím. Bilancování se nevyhýbá ani vědeckému světu.
Odborníci i tentokrát sestavili několik žebříčků zásadních vědeckých objevů roku 2016. Ve fyzice se letos prameny trochu liší, ale v jednom se všichni naprosto shodují. Objevem roku se stalo experimentální potvrzení gravitačních vln. Dalších devět vědeckých výsledků, které byly rovněž s uznáním mnohokrát citovány, pokrývá širokou škálu fyzikálních oborů od jaderné fyziky, kvantové mechaniky až po materiálové vědy.
V našem fyzikálním „Top Ten“ se přidržíme spolehlivého výběru, který na sklonku roku zveřejnil časopis Physics World.
„Top Ten“ z fyziky roku 2016:
- Gravitační vlny prokázány
- Nové čočky s vysokou rozlišovací schopností a velkým zorným polem
- Stále přesnější časový normál, thorium-229
- Miniaturní, ale velmi citlivý gravimetr
- Záporný index lomu elektronů v grafenu
- Další skalnatá planeta v obyvatelné zóně Slunce
- Fyzici vytvořili kvantové provázání mezi stejnými ionty
- Schrödingerova kočka živá i mrtvá ve dvou boxech najednou
- Kvantový počítač simuluje interakce elementárních částic
- Tepelný stroj z jediného atomu
Gravitační vlny prokázány
Téměř přesně 100 let po tom, co je Albert Einstein postuloval ve své obecné teorii relativity, podařilo se vědcům gravitační vlny poprvé reálně detekovat. Stalo se tak na zařízení Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (aLIGO).
Gravitační vlny představují podle Einsteinovy teorie zvlnění prostoročasu. Jejich detekce ukončila několik desetiletí trvající éru hledání. Měření současně znamenají i počátek astronomie gravitačních vln. Ta bude pozorování gravitačních vln kombinovat s měřeními optických teleskopů, radioteleskopů a všech ostatních detektorů, které sledují dění ve vesmíru. Detektory LIGO budou navíc brzy propojeny do globální sítě detektorů gravitačních vln.
Gravitační vlny byly v roce 2016 zachyceny dokonce dvakrát po sobě. V obou případech šlo o kataklyzmatické události ve vzdáleném vesmíru, konkrétně o kolize a spojení dvou černých děr. V prvním případě, k němuž došlo 14. září, byly gravitační vlny vyzářeny při spojení dvou černých děr o hmotnostech 36 a 29násobku hmotností Slunce. Ty se spojily do jedné rotující černé díry, která měla hmotnost 62 Sluncí a byla od Země vzdálená 1,3 miliardy světelných let. Událost byla astronomy označena jako GW150914
Podruhé se vlny podařilo zachytit o Vánocích na svátek sv. Štěpána. Také v tomto případě šlo o kolizi černých děr. Jejich hmotnost však byla menší než v prvním případě, a to „jen“ 14 a 8 hmotností Slunce. Spojením vznikla ve vzdálenosti 1,4 miliardy světelných let, to je 440 Mpc, rotující černá díry o hmotnosti 21 hmotností Slunce. Při srážce označené jako GW151226 byla ve formě gravitačních vln vyzářena hmotnost přibližně jednoho Slunce.
V říjnu 2015 aLIGO zaznamenalo třetí pravděpodobný signál LVT151012. I když statistická váha této události nebyla dostatečná k tomu, aby byla označena za objev, astronomové věří, že i v tomto případě šlo o spojení dvou černých děr.
Počítačová simulace splynutí dvou černých děr (Zdroj: SXS)
Gravitační vlny byly detekovány zařízením aLIGO. Jeden detektor byl v Hanfordu ve Washingtonu, druhý v Livingstonu v Louisianě. I když byly oba ještě ve stadiu kalibrace, signál GW150914 byl velmi silný a byl měřen se statistickou vahou 5,1 σ.
Zařízení aLIGO zachytilo tři události během čtyř měsíců sledování, což je mimořádný výsledek. Je natolik citlivé, že dokáže detekovat změnu délky mezi rameny interferometru, která je menší než tisícina velikosti protonu. To je neuvěřitelný výsledek, o který se velkou měrou zasadili inženýři, kteří detektor navrhovali.
Výsledky z detektoru aLIGO změnily pohled vědců na vesmír. Astronomové totiž očekávali, že první událostí, při které by se mohly objevit gravitační vlny, bude spojování binárních neutronových hvězd, zatímco spojování černých děr bude velmi vzácné. Jak se však zatím ukazuje, je tomu právě naopak. Všechna dosavadní pozorování se navíc týkají černých děr hvězdné velikosti. To je překvapující, protože teorie prozatím předpokládala, že se takové dvojice nemohou tvořit, a pokud ano, tak jen v takové vzdálenosti, která přesahuje stáří našeho vesmíru. Jenže četnost slučování binárních černých děr je ve skutečnosti daleko vyšší, mezi šesti a 400 událostmi na kubický gigaparsec za rok.
Už od první události teoretici zkoumají možnosti, jak se takové binární soustavy mohou slučovat. Podle některých názorů by například mohlo jít o masivní binární hvězdy, které se obě změní na černé díry, a pak se eventuálně sloučí. Podle jiných jsou černé díry, které se nacházejí v hustém hvězdném prostředí, jako jsou kulovité klastry, přitahovány do centra klastru a mohou tam splynout s jinými černými dírami.
Druhý signál zachycený detektorem aLIGO se skládal z 55 cyklů gravitačních vln produkovaných během spirálového přibližování obou černých děr. Protože orbitální frekvence systému je polovina frekvence vlny, aLIGO pozoroval posledních 27 oběhů před splynutím obou objektů. Porovnáním všech registrovaných případů se zjistilo, že poměrná část hmotnosti proměněná na záření je vždy stejná a činí přibližně 5 % celkové hmotnosti systému. Přišlo se také na to, že všechny finální černé díry vzniklé spojením byly rotující (Kerrovy) černé díry. Spin finální černé díry GW150914 byl kolem 0,7.
Přestože detektor aLIGO dokáže rozluštit tak zapeklité hádanky, pořád to nestačí. Zařízení se však neustále zdokonaluje a zvyšuje se jeho citlivost, tedy i schopnost určit, odkud gravitační vlny přicházejí. V Itálii se navíc buduje detektor Advanced Virgo, který se k LIGO připojí. Podrobnější informace o zdroji gravitačních vln i jeho přesné poloze snad tedy na sebe nenechají dlouho čekat.
Nové čočky s vysokou rozlišovací schopností a velkým zorným polem
Fyzici z britské University of Strathclyde vytvořili nové mikroskopické čočky, které poskytují jedinečnou kombinaci velkého zorného pole a vysoké rozlišovací schopnosti. Čočky, které dostaly název „mesolens“, umožňují konfokálnímu mikroskopu vytvářet 3D obraz daleko větších biologických vzorků, než bylo možné v minulosti. Konfokální mikroskop je druh optického mikroskopu, jehož vyšší rozlišovací schopnost je dána detekcí světla pouze z ohniskové roviny mikroskopu. Mikroskop s novými čočkami umožňuje vidět detaily menší, než je samotná buňka. Schopnost vidět celý vzorek v jednom obrázku může pomoct při studiu řady biologických procesů a zajistit, že nebudou přehlédnuty žádné podstatné detaily.
Laserový skenovací konfokální mikroskop vybavený novými čočkami použili vědci ke sledování embrya myši, které bylo staré pouhých 12,5 dne. Pod mikroskopem bylo možné pozorovat jednotlivé buňky, vlákna srdečního svalu a jiné detaily, jež byly menší než buňka. Detaily přitom nebyly blízko povrchu, ale v hloubce vzorku.
Mikroskopický snímek myšího embrya s detailem oka (zdroj:
Gail McConnell/University of Strathclyde)
Stále přesnější časový normál, thorium-229
Díky německým fyzikům budou v blízké budoucnosti dostupné jaderné hodiny, které budou daleko přesnější než ty dosavadní. Německý fyzikální tým jako první zjistil klíčový nízkoenergetický přechod v jádru thoria 229, který by se dal použít k vytvoření nového frekvenčního standardu.
Současné nejpřesnější atomové hodiny dokáží udržet časový údaj 13 miliard let, což je dnešní stáří vesmíru. Hodiny pracují na základě rezonance laseru s elektronovými přechody mezi energetickými hladinami v atomech nebo iontech. Jejich největším omezením je citlivost na okolní elektromagnetická pole. Protože jádra jsou sto až tisíckrát menší než atomy, a vazby uvnitř jader jsou daleko silnější, jsou přechody v jádře na tato vnější pole daleko méně citlivé.
Už dlouho je snem metrologů vytvořit „jaderné hodiny“ uvedením laseru do rezonance s jaderným přechodem. Problém ovšem je, že se tyto přechody vyskytují při energiích, které jsou tisíckrát až milionkrát vyšší, než mají fotony produkované současnými lasery. Naštěstí přechod mezi základním stavem jádra thoria 229 a jeho excitovaným stavem, Th 229m, byl předpovězen v oblasti energií kolem 7,8 eV. To odpovídá energii ultrafialových fotonů, které mohou být současnými lasery generovány. Tento přechod se však dlouho nedařilo experimentálně prokázat, až letos se to německým fyzikům podařilo.
Miniaturní, ale velmi citlivý gravimetr
Fyzikům z Glasgow se podařilo sestrojit miniaturní a přitom velmi přesné zařízení, které měří zemskou gravitaci. I když nejde o úplně nejcitlivější měřič gravitace, který je v současnosti dostupný, nové zařízení najde uplatnění v mnoha praktických oborech. Je totiž tisíckrát levnější a podstatně menší a lehčí než všechny současné gravimetry. Takový gravimetr by bylo možné například umístit na dron nebo jej použít do multifunkčního zařízení pro řešení velkého rozsahu úloh včetně geologického průzkumu, v oblasti stavebnictví nebo při průzkumu činnosti sopek.
Většina komerčních gravimetrů je velmi těžko ovladatelná, a hlavně drahá. Jejich cena obvykle přesahuje 100 000 dolarů. Fyzici z Glasgow nabídli jednoduchý, kompaktní a levný způsob měření gravitace. Na čipu je mikroelektromechanický systém MEMS podobající se tomu, který se používá třeba v měřičích zrychlení nebo chytrých telefonech. Nový přístroj je ale 1000krát citlivější na zrychlení než ty, které jsou používané ve spotřební elektronice.
Základem gravimetru je „zkušební hmotnost“ tvořená 10 mm dlouhou tyčinkou křemíku, která je umístěna na dvou pružných podpěrách. Vše je zhotoveno z 200 mikrometrů silné křemíkové destičky pomocí standardní polovodičové technologie. Gravitace táhne hmotnost dolů, zatímco podpěry ji tlačí nahoru, až nastane rovnovážná poloha definovaná třemi veličinami: hmotností, konstantou pružnosti podpěr a zrychlením, které způsobuje gravitace. První dvě jsou známé konstanty, takže poloha křemíku je dána pouze změnou lokální hodnoty gravitace.
Záporný index lomu elektronů v grafenu
Američtí fyzici z Columbia university, University of Virginia, Cornell University spolu s japonskými kolegy změřili negativní index lomu elektronů v grafenu. Už v roce 2007 se objevovaly tehdy vizionářské práce na téma grafen a materiály s negativním indexem lomu elektronů. Američtí a britští fyzici se pokoušeli využít grafen ve funkci superčoček, které by fokusovaly elektrony právě pomocí záporného indexu lomu. Už tehdy se vědělo, že zvláštní chování grafenu je způsobeno jeho specifickou pásovou strukturou, která připomíná plást medu.
Až v loňském roce američtí fyzici uveřejnili výsledky, podle kterých skutečně prokázali v grafenu existenci záporného indexu lomu elektronů. Znamená to důležitý krok z hlediska výroby grafenových elektronických prvků. Negativní lom je vlastností některých umělých metamateriálů a lze jej použít k výrobě nových optických prvků, jako jsou superčočky.
Elektrony se mohou v materiálu chovat jako vlny a negativní lom se může vyskytnout také na přechodu P-N. Tento efekt není možno pozorovat v konvenčních polovodičích, protože většina elektronů se od přechodu P-N odráží.
Američtí fyzici vytvořili přechod P-N v grafenu a protože rozhraní bylo velmi hladké a rovné, elektrony se od přechodu odrážely velmi málo. To umožnilo měřit negativní lom.
Přechod elektronů v grafenu (ilustrace: Cory Dean)
Negativní lom umožňuje přivést rozbíhavý elektronový svazek zpět do ohniska, a vytváří tak základ elektronického přepínače s minimální spotřebou energie. Některé obdoby optických aplikací záporného lomu by bylo možné použít při vývoji zařízení, která se mohou na první pohled zdát jako vytržená ze světa science fiction. Příkladem je magický plášť neviditelnosti.
Objev má význam zejména proto, že otevírá možnosti vytvořit velmi tenké a velmi strmé přechody P-N. To samo o sobě může mít dalekosáhlé důsledky, protože přechod P-N je v elektronice téměř všudypřítomný.
Mohlo by vás zajímat:
Barvy
inspirované přírodou
Papírová
páska překvapuje vědce
Světlo
lokalizované v dosud nejmenším objemu
Nová
křídla pro letadla