V úžasném světě fyziky je nemožné, i když ne okamžitě, ale stále je to možné. A v poslední době se vědcům podařilo dosáhnout opravdu super nemožných věcí. Věda postupuje. Pouze jedno těstovinové monstrum ví, co nás čeká ve svých nejtajnějších střevech. Dnes budeme analyzovat tucet neskutečných věcí, stavů a objektů, které se díky moderní fyzice staly možnými.
Neuvěřitelně nízké teploty
Vědci v minulosti nebyli schopni ochladit objekty pod takzvanou prahovou hodnotou „kvantového limitu“. K tomu, aby se něco takového ochladilo, je nutné použít laser s velmi pomalu se pohybujícími atomy a potlačit vibrace, které generují teplo.
Fyzici však našli správné řešení. Vytvořili velmi malý hliníkový vibrační buben a byli schopni ho ochladit na 360 µK, což je 10 000krát vyšší teplota ve velmi hlubokých prostorech.
Průměr bubnu je pouze 20 mikrometrů (průměr lidských vlasů je 40 - 50 mikrometrů). Bylo možné jej ochladit na tak nízké ultrafialové teploty díky nové technologii takzvaného „stlačeného světla“, ve kterém všechny částice mají stejný směr. To eliminuje vibrace vytvářející teplo v laseru. Přestože byl buben ochlazen na nejnižší možnou teplotu, nejedná se o nejchladnější typ hmoty. Tento titul patří ke kondenzátu Bose - Einstein. Přesto hraje důležitou roli úspěch. Od jednoho dne může podobná metoda a technologie najít uplatnění při vytváření ultrarychlé elektroniky a také při porozumění podivnému chování materiálů v kvantovém světě, které se svými vlastnostmi přibližuje k fyzikálním limitům.
Propagační video:
Nejjasnější světlo
Světlo Slunce je oslnivě jasné. Teď si představte světlo miliardy sluncí. Byl to on, kdo byl nedávno vytvořen fyziky v laboratoři, ve skutečnosti vytvořil nejjasnější umělé světlo na Zemi, které se také chová velmi nepředvídatelným způsobem. Mění vzhled objektů. To však není dostupné pro lidské vidění, takže zbývá vzít fyziky za jejich slovo.
Molekulární černá díra
Skupina fyziků nedávno vytvořila něco, co se chová jako černá díra. Za tímto účelem vzali nejvýkonnější rentgenový laser Linac Coherent Light Source (LCLS) a použili jej ke srážení molekul jodmethanu a jodbenzenu. Zpočátku se očekávalo, že laserový puls vyřadí většinu elektronů z orbity atomů jodu a zanechá na svém místě vakuum. Při pokusech se slabšími lasery byla tato dutina zpravidla okamžitě zaplněna elektrony z vnějších hranic atomové dráhy. Když laserový zásah LCLS zasáhl, očekávaný proces skutečně začal, ale potom následoval skutečně úžasný jev. Poté, co dostal takovou úroveň vzrušení, atom jodu začal doslova pohlcovat elektrony od blízkých atomů vodíku a uhlíku. Z vnější strany to vypadalo jako malá černá díra uvnitř molekuly.
Následné laserové pulzy vyrazily přitahované elektrony, ale prázdnota se stále více přitahovala. Cyklus se opakoval, dokud nevybuchla celá molekula. Je zajímavé, že atom jodové molekuly byl jediný, který takové chování vykazoval. Protože je v průměru větší než ostatní, je schopen absorbovat obrovské množství rentgenové energie a ztratit své původní elektrony. Tato ztráta opouští atom s dostatečně silným kladným nábojem, kterým přitahuje elektrony z jiných menších atomů.
Kovový vodík
Nazývalo se to „Svatým grálem vysokotlaké fyziky“, ale donedávna se jí nepodařilo dosáhnout. Možnost přeměny vodíku na kov byla poprvé oznámena v roce 1935. Fyzici v té době navrhovali, že taková transformace by mohla být vyvolána velmi silným tlakem. Problém byl v tom, že tehdejší technologie nemohly takový tlak vytvořit.
V roce 2017 se americký tým fyziků rozhodl vrátit se ke staré myšlence, ale zvolil jiný přístup. Experiment byl proveden uvnitř speciálního zařízení zvaného diamantový svěrák. Tlak generovaný tímto svěrákem je vytvářen dvěma syntetickými diamanty umístěnými na obou stranách lisu. Díky tomuto zařízení byl dosažen neuvěřitelný tlak: více než 71,7 milionu psi. I ve středu Země je tlak nižší.
Počítačový čip s mozkovými buňkami
Vdechování života elektronice, světlo mohlo jednoho dne nahradit elektřinu. Fyzici si uvědomili úžasný potenciál světla před desítkami let, když vyšlo najevo, že světelné vlny se mohou pohybovat paralelně k sobě a provádět tak mnoho simultánních úkolů. Naše elektronika spoléhá na tranzistory při otevírání a zavírání cest pro přenos elektřiny. Tento systém ukládá mnoho omezení. V poslední době však vědci vytvořili úžasný vynález - počítačový čip, který napodobuje práci lidského mozku. Díky použití interagujících paprsků světla, které fungují jako neurony v živém mozku, je tento čip schopen opravdu „myslet“velmi rychle.
Dříve mohli vědci vytvářet jednoduché umělé neuronové sítě, ale takové vybavení trvalo několik laboratorních stolů. Bylo považováno za nemožné vytvořit něco se stejnou účinností, ale v mnohem menší velikosti. A přesto se to podařilo. Čip na bázi křemíku má velikost jen několik milimetrů. A provádí výpočetní operace pomocí 16 integrovaných neuronů. Stává se to takto. K čipu je dodáváno laserové světlo, které je rozděleno do několika paprsků, z nichž každý obsahuje číslo signálu nebo informaci, která se mění v úrovni jasu. Výstupní intenzita laserů poskytuje odpověď na numerický problém nebo na jakoukoli informaci, pro kterou bylo vyžadováno řešení.
Nemožná forma hmoty
Existuje určitý druh hmoty zvané „superfluidní pevná látka“. A ve skutečnosti tato záležitost není tak hrozná, jak by se mohlo zdát ze jména. Faktem je, že tato velmi bizarní forma hmoty má krystalickou strukturu charakteristickou pro pevné látky, ale zároveň je to kapalina. Tento paradox zůstal po dlouhou dobu nerealizovaný. V roce 2016 však dvě nezávislé skupiny vědců (americký a švýcarský) vytvořily hmotu, kterou lze právem připsat vlastnostem superfluidní pevné látky. Je zajímavé, že oba týmy při jeho tvorbě používaly různé přístupy.
Švýcar vytvořil kondenzát Bose-Einstein (nejchladnější známá látka) ochlazením rubidia na extrémně nízké teploty. Potom byl kondenzát umístěn do dvoukomorového zařízení, do kterého byla instalována malá zrcadla namířená proti sobě. Laserové paprsky byly nasměrovány do kamer, které vyvolaly transformaci. Částice plynu v reakci na působení laseru vytvořily krystalickou strukturu pevné látky, ale obecně si látka zachovala své tekutinové vlastnosti.
Američané získali podobnou hybridní hmotu založenou na kondenzátu atomů sodíku, který byl také silně ochlazen a vystaven laseru. Ty byly použity k posunu hustoty atomů před výskytem krystalické struktury v kapalné formě.
Záporná tekutina
V roce 2017 vytvořili fyzici opravdu skvělou věc: novou formu hmoty, která se pohybuje směrem k síle, která ji odpuzuje. I když to ve skutečnosti není bumerang, má tato záležitost to, co byste mohli nazvat zápornou hmotou. S pozitivní hmotou je vše jasné: dáte zrychlení některému objektu a začne se pohybovat ve směru, ve kterém bylo toto zrychlení přeneseno. Vědci však vytvořili tekutinu, která funguje velmi odlišně než cokoli jiného ve fyzickém světě. Při tlačení zrychluje na zdroj vyvíjeného zrychlení.
A opět se v této záležitosti zachránil kondenzát Bose - Einstein, v jehož roli byly atomy rubidia ochlazeny na ultralehké teploty. Vědci tak získali superfluidní tekutinu s normální hmotností. Pak atomy silně komprimovaly lasery. Poté pomocí druhé sady laserů silně vzrušili atomy, natolik, že změnili své otáčení. Když byly atomy osvobozeny od laserového sevření, reakce obyčejné kapaliny by byla touhou pohybovat se ze středu fixace, což lze ve skutečnosti interpretovat jako tlačení. Superfluidní kapalina vyrobená z rubidia, jejíž atomy dostaly dostatečné zrychlení, však zůstala na svém místě, když byla uvolněna z laserové rukojeti, čímž se prokázala záporná hmotnost.
Krystaly času
Když Frank Wilczek, nositel Nobelovy ceny, poprvé navrhl myšlenku časových krystalů, znělo to šíleně. Zejména v části, ve které bylo vysvětleno, že tyto krystaly mohou mít pohyb, zatímco zůstávají ve stavu klidu, to znamená, že demonstrují nejnižší úroveň energie hmoty. Vypadalo to jako nemožné, protože k pohybu je potřeba energie a teorie zase říkala, že v takových krystalech prakticky neexistuje energie. Wilczek věřil, že neustálého pohybu lze dosáhnout změnou základního stavu atomu krystalu ze stacionárního na periodický. To bylo v rozporu s fyzikálními zákony, které jsou nám známy, ale v roce 2017, 5 let poté, co to navrhl Wilczek, našli fyzici způsob, jak to udělat. Jako výsledek, krystal času byl vytvořen na Harvard univerzitě, kde dusíkaté nečistoty “rotovaly” v diamantech.
Braggova zrcátka
Braggovo zrcadlo není vysoce reflexní a skládá se z 1 000 až 2 000 atomů. Je však schopen odrážet světlo, díky čemuž je užitečná všude tam, kde jsou potřeba drobná zrcátka, například v pokročilé elektronice. Tvar takového zrcadla je také neobvyklý. Jeho atomy jsou suspendovány ve vakuu a připomínají řetěz korálků. V roce 2011 byla německá skupina vědců schopna vytvořit Braggovo zrcadlo, které v té době mělo nejvyšší úroveň reflexe (asi 80 procent). K tomu vědci kombinovali 10 milionů atomů do jedné mřížkové struktury.
Později však výzkumné týmy z Dánska a Francie našli způsob, jak výrazně snížit počet potřebných atomů při zachování vysoké reflexní účinnosti. Místo těsného svazování kolem sebe byly atomy umístěny podél mikroskopického optického vlákna. Při správném umístění vznikají nezbytné podmínky - světelná vlna se odráží přímo zpět do výchozího bodu. Když je propuštěno světlo, některé fotony vypadnou z vlákna a srazí se s atomy. Reflexní účinnost prokázaná dánskými a francouzskými týmy je velmi odlišná a pohybuje se kolem 10 a 75 procent. V obou případech se však světlo vrací (tj. Odráží) do svého původního bodu.
Kromě slibných výhod ve vývoji technologií mohou být tato zrcadla užitečná i v kvantových zařízeních, protože atomy navíc využívají k vzájemné interakci světelné pole.
2D magnet
Fyzici se pokusili vytvořit dvourozměrný magnet od 70. let, ale vždy selhali. Skutečný 2D magnet si musí zachovat své magnetické vlastnosti, i když se oddělí do stavu, kdy se stane dvojrozměrným nebo jen jedním atomem silným. Vědci dokonce začali pochybovat, že taková věc je vůbec možná.
V červnu 2017 však fyzikové používající trijodid chromu konečně dokázali vytvořit dvourozměrný magnet. Spojení se ukázalo být velmi zajímavé z několika stran najednou. Její vrstvená krystalová struktura je vynikající pro zužování a její elektrony mají navíc požadovaný směr otáčení. Tyto důležité vlastnosti umožňují, aby si jodid chromitý uchoval své magnetické vlastnosti i poté, co byla jeho krystalová struktura snížena na tloušťku posledních atomových vrstev.
První 2D magnet na světě mohl být vyroben při relativně vysoké teplotě -228 ° C. Její magnetické vlastnosti přestávají fungovat při pokojové teplotě, protože kyslík je ničí. Experimenty však pokračují.
NIKOLAY KHIZHNYAK