21. 4. 2026

Fyzika

Fermilab přepisuje fyziku magnetické anomálie v „prázdném“ prostoru

FyzikaNovéTOP 10Vědecké objevyVesmírVýzkum
galaxy, black hole, universe, fractal, stars, milkyway, cosmos, black hole, black hole, black hole, black hole, black hole, milkyway, milkywayFoto: Ilustrační_SkieTheAce/Pixabay

Tento dlouho očekávaný výsledek s ohromujícím dosažením přesnosti zůstane po mnoho dalších let nejpřesnějším měřením magnetické anomálie mionu na světě.

Vědci vědí, že ani ve vakuu není prostor nikdy prázdný. Místo toho je naplněný neviditelným mořem virtuálních částic, které se v souladu se zákony kvantové fyziky objevují a mizí na neuvěřitelně krátké časové okamžiky.

Miony jsou částice se silným magnetickým polem, které se nacházejí v „prázdném“ prostoru. Jde o těžšího bratrance elektronu. Miony jsou podobné elektronům, ale jsou asi 200krát hmotnější. A stejně jako elektrony mají miony kvantově mechanickou vlastnost zvanou spin, kterou lze interpretovat jako malý vnitřní magnet. V přítomnosti vnějšího magnetického pole se vnitřní magnet bude kolísat podobně jako osa u káči (dětské hračky). Experiment na kterém vědci pracovali dlouhých 20 let tak doslova přepisuje fyziku.

Foto: Fermilab g-2 (E989) ring/Openverse
Fermilab

Virtuální častice

Vědci můžou testovat přítomnost a povahu těchto virtuálních částic pomocí paprsků částic putujících v magnetickém poli. Experiment, který probíhal pomocí mionu g-2 zkoumali precesi mionů vystavených magnetickému poli. Hlavním cílem bylo ověřit předpovědi Standardního modelu týkající se této hodnoty experimentálním měřením rychlosti precese s přesností 0,14 ppm. Pokud existuje nesrovnalost, mohlo by to znamenat, že Standardní model je neúplný a vyžaduje revizi.

Třetí a poslední výsledek, založený na datech z posledních tří let, je v dokonalé shodě s předchozími výsledky experimentu, což dále upevňuje experimentální světový průměr. Tato dlouho očekávaná hodnota bude po mnoho dalších let nejpřesnějším měřením magnetické anomálie mionů na světě.

Foto: Black Hole Dark GIF by ESA/Hubble Space Telescope

Navzdory nedávným výzvám, které se týkaly teoretických předpovědí, které snižovaly důkazy o nové fyzice z mionu g-2, tento výsledek poskytuje přísný standard pro navrhovaná rozšíření Standardního modelu částicové fyziky.

Miony rotují v magnetickém poli a další subatomární částice ovlivňují jejich pohyb. Čím silnější je magnetické pole, tím rychleji se mion kymácí. Pozorováním rotace mohou vědci měřit, jak rychle se miony kymácejí. Když však vědci provedli experiment, zjistili, že miony můžou být o něco magnetičtější, než předpovídala teorie.

Anomálii je potřeba vysvětlit

Anomálie je malá, pouhých 2,5 dílů z 1 miliardy. To ale může stačit k tomu, aby bylo nutné vysvětlit, co způsobuje rychlejší kymácení, v podobě zcela nových elementárních částic. Pokud by se to stalo, zpochybnilo by to Standardní model částicové fyziky, soubor pravidel pro fungování vesmíru. Dokonce je to možná nová fyzika, která má důsledky pro budoucí experimenty a pro možné souvislosti s temnou hmotou.

Pokud experiment neodpovídá teorii, mohlo by to naznačovat novou fyziku. Fyzici se konkrétně zamýšleli nad tím, zda by tento rozpor mohl být způsobený dosud neobjevenými částicemi, které přitahují precesi mionu.

Na rozdíl od jiných experimentů v oblasti fyziky potřeboval projekt Muon g-2 více než jen fyziky zabývající se částicovou fyzikou, ale potřebovala kolaboraci, která se skládala také z fyziků pracujících na urychlovačích, atomových fyziků a jaderných fyziků. Bylo velmi cenné sledovat, že když se sešli všichni tito různí odborníci, dokázali společně vyřešit věci, které by jedna skupina pravděpodobně sama nezvládla.

Objev mionu

Ve 30. letech 20. století si vědci mysleli, že hmotu zcela pochopili. Bylo jasné, že hmota se skládá z atomů, atomy z protonů, neutronů a elektronů a tím to skončilo.

Pak ale objevili mion, překvapivě těžkého bratrance elektronu, který neměl žádný zjevný účel kromě toho, aby mátl vědce. Mion byl tak nečekaný, že nositel Nobelovy ceny Isidor Isaac Rabi v souvislosti s jeho objevem doslova vtipkoval: „Kdo si to objednal?“

O sedmdesát pět let později se velká část záhady obklopující mion rozplynula. Vědci určili jeho hmotnost s přesností na osm desetinných míst, znají jeho poločas rozpadu na pikosekundu a dokonce našli způsoby, jak ho manipulovat pro využití ve vědě a průmyslu. Přesto mnoho vědců věří, že mion je víc, než se na první pohled zdá.

Nakonec se z 16 částic ve Standardním modelu mion stává středem výzkumu stále více fyziků, kteří se snaží porozumět jeho jedinečným vlastnostem a zároveň ho využít jako sondu pro zbytek subatomárního světa.


Zdroj: Fermilab; https://news.fnal.gov/2025/06/muon-g-2-most-precise-measurement-of-muon-magnetic-anomaly/

Pro život nezbytná, ale nepředvídatelná. Vědci objevili kritický bod ve vodě

FyzikaNovéTOP 10Vědecké objevy
Vodní skloFoto: Univerzita POSTECH, Tiskový zdroj Jižní Korea

Voda, která je nezbytnou součástí pro život na Zemi, se ve srovnání s jinými látkami umí chovat velmi podivně.

Ve světě vědy existuje mnoho teorií, které ale bez důkazů nemají žádnou váhu. Proto je svět experimentální fyziky tolik důležitý. Dokázat, že se látky v určitém bodě chovají jinak je důležitým krokem nejen pro budoucí osídlování vesmíru. Představte si jiné vědce, kteří pátrají po vodě na jiných planetách. Co když tam je, ale právě prošla kritickým bodem?

Jak vědci ze Stockholmské univerzity z Jižní Koreji zjistili, chování vody je za určitých podmínek zcela opačné než u jiných kapalin, které známe. Hustota, měrná tepelná kapacita, viskozita a stlačitelnost vody reagují na změny tlaku a teploty podivným způsobem.

Veškerá hmota, kterou kdy vědci testovali, se při ochlazování smršťuje, což vede ke zvýšení její hustoty. Dalo by se tedy očekávat, že voda bude mít v bodě mrazu vysokou hustotu. Když se ale podíváte na sklenici, ve které je zmrzlá voda, vše je vzhůru nohama. Jak všichni víme, když voda zmrzne led plave na hladině. Voda je překvapivě v kapalném stavu nejhustší při 4 °Celsia. Teprve za těchto podmínek zůstává na dně, ať už je ve sklenici nebo volně v oceánu.

Pokud vodu začneme ochlazovat pod 4 stupně C, teprve pak se začne znovu rozpínat. Pokud čistou vodu, kde je rychlost krystalizace nízká, dále ochlazujete pod 0 stupňů, dále se rozpíná. A co je ještě zajímavější, rozpínání se s nižší teplotou dokonce zrychluje.

Podivné chování vody a kritický bod

S ochlazováním vody se mnoho dalších jejich vlastností, jako je stlačitelnost a tepelná kapacita, stává stále podivnějšími. Vědci pomocí rentgenových laserů byli schopni určit existenci kritického bodu v podchlazené vodě při teplotě okolo -63 °C a tlaku 1000 atmosfér.

Zvláštní bylo, že kritický bod byli vědci schopni prokázat nepředstavitelně rychle. Stačilo provést rentgenové vyšetření předtím, než se voda přeměnila na led. V tu chvíli mohli pozorovat, jak přechod kapalina-kapalina mizí a vzniká nový kritický stav. Po celá desetiletí vědci spekulovali o existenci různých teorií, které měly tyto pozoruhodné vlastnosti vysvětlit. Jednou z nich byla existence kritického bodu. Nyní vědci zjistili, že takový bod opravdu existuje.
 
Voda je jedinečná, protože může existovat ve dvou kapalných makroskopických fázích, které mají různé způsoby vazby molekul vody při nízké teplotě a vysokém tlaku. Když teplota stoupá a tlak klesá, vzniká stav, kdy rozdíl mezi dvěma kapalnými fázemi mizí a je přítomna pouze jedna fáze. Je to bod velké nestability, který způsobuje fluktuace ve velké teplotní a tlakové oblasti až do okolních podmínek. Voda kolísá mezi dvěma kapalnými skupenstvími a jejich směsmi, jako by se nemohla rozhodnout. Právě tyto fluktuace dávají vodě její neobvyklé vlastnosti. Stav za kritickým bodem se nazývá superkritický a v tomto stavu se nachází okolní voda.

Kritickému bodu nelze uniknout

Dalším pozoruhodným zjištěním je, že jakmile voda vstoupí do kritického bodu, dynamika systému se zpomaluje. Vypadá to, že kritickému bodu nelze uniknou. Pokud do něj jednou vstoupíte, ocitnete se v bodě, který lze téměř srovnat se způsobem jako vstup do černé díry .

Je úžasné, jak se tak rozsáhle studovaný stav vody jako je amorfní led, stal vstupní bránou do kritické oblasti.

Je fascinující, že voda je za normálních podmínek jedinou kapalinou, bez níž by neexistoval život a zároveň je kapalinou, která má svůj kritický bod. Je to čistá náhoda, nebo existují nějaké zásadní vlastnosti, které bychom mohli v budoucnu díky vody získat?

Vědci studující fyziku vody se nyní můžou shodnout na modelu, že voda má kritický bod v podchlazeném režimu. Další fází bude najít důsledky těchto zjištění pro význam vody ve fyzikálních, chemických, biologických, geologických a klimatických procesech.


Zdroj: autor vědecké studie Anders Nilsson; Stockholmská univerzita v Jižní Koreji; https://www.su.se/english/divisions/department-of-physics/news/articles/2026-03-27-experimental-discovery-of-a-new-critical-point-in-water; vědecká studie DOI 10.1126/science.aec0018

Ukázalo se, že se Bůh celou dobu zdržuje ve vesmíru, tvrdí bývalý harvardský fyzik

FyzikaNovéTOP 10VědaVesmír
universe, galaxies, fog, space, cosmos, stars, starry sky, night sky, orion, orion nebula, helix nebula, eye of god, creation, imagination, astronomy, fantasy, abstract, orion, orion nebula, helix nebula, helix nebula, creation, creation, creation, creation, creationFoto: Galaxie_spirit111/Pixabay
Popis: Mlhovina, která vypadá jako Boží oko. Uctívejte ji, pokud chcete, ale není to Bůh. Alespoň ne takový, jak ho popisuje křesťanská Bible.

Bývalý harvardský fyzik Michael Guillén argumentoval, že Bůh by mohl mít fyzické místo, které se nachází v dalekém vesmíru. Bohužel pro každého, kdo doufá, že si s ním promluví, je podle fyzika nemožné, protože se nachází ve vzdálenosti přibližně 439 miliard bilionů kilometrů. Mno, to je sakra daleko…

Michael Guillén dříve podával zprávy z celého světa. Od severního a jižního pólu přes gejzíry severního Nového Zélandu a vrcholu hory Sakurajima až po dno Atlantského oceánu, přes oko hurikánu Hugo. Nyní podává zprávy z nejvíce fascinujícího místa ve vesmíru: z průniku vědy a křesťanství.

Území Kosmického horizontu, tak někde tam by se měl nacházet. Dr. Michael Guilléna v článku pro Fox News napsal, že teoreticky by se galaxie, která je od Země vzdálena 439 miliard bilionů (439 000 000 000 000 000 000 000) km, pohybovala rychlostí cca 299 000 km za sekundu, což je rychlost světla. Tato vzdálenost, tam „nahoře“ ve vesmíru, v oblasti kosmického horizontu.

Nejprve bychom si samozřejmě měli vysvětlit, že se jedná o čistě spekulativní pojetí a ne o vědecký důkaz, natož o uznávanou vědu. Guillén ve svém argumentu kombinuje pasáže o Bohu z křesťanské Bible s fyzikálním konceptem známým jako „kosmický horizont“.

Pokud by byl vesmír statický, neboli neměnil svou velikost, jedinou věcí, která by nám bránila v pozorování těchto vzdálených objektů (stejně jako Dopplerův jev), by byla doba, kterou světlo potřebuje, aby se k nám dostalo. Ve statickém vesmíru bychom s postupem času detekovali stále více světla ze vzdálených objektů a náš Hubbleův horizont – množství vesmíru, které můžeme pozorovat, by se zvětšovalo. V určitém okamžiku v daleké budoucnosti by se zbytek vesmíru stal pro nás pozorovatelným. 

Bohužel nežijeme ve statickém vesmíru, ale v takovém, který se rozpíná. A toto rozpínání má důsledky pro náš pohled na vesmír. Rozpínání vesmíru neznamená jen to, že nám „dává více věcí k lásce“, ale to, že s postupem času uvidíme jeho stále menší část a další objekty zůstanou z našeho pohledu navždy mimo dosah.

Hubbleův zákon je, že vzdálenější objekty se vzdalují rychleji než objekty, které jsou k nám blíže, a to v důsledku rozpínání prostoru mezi námi a vzdálenými objekty. 

Světlo zpoza tohoto „kosmického horizontu“ bychom nikdy nemohli vidět, protože vesmír mezi námi se rozpíná rychleji, než se dokáže šířit samotné světlo. 

Guillén dodává, že Bible uvádí, že nebe je pro lidi nepřístupné, dokud jsme naživu a že nebe údajně obývají nesmrtelné, nehmotné bytosti. To pak spojuje s kosmickým horizontem.

Astronomická pozorování a Einsteinovy ​​teorie

Naše nejlepší astronomická pozorování a Einsteinovy ​​teorie speciální a obecné relativity naznačují, že čas se zastavuje na Kosmickém horizontu. V této zvláštní vzdálenosti, vysoko „nahoře“ v hlubokém, hlubokém a ještě jednou hlubokém… vesmíru, neexistuje minulost, přítomnost a dokonce ani budoucnost. Existuje pouze nadčasovost. Na rozdíl od času však prostor existuje na Kosmickém horizontu i za ním. Což znamená, že skrytý vesmír za Kosmickým horizontem je obyvatelný, i když pouze světlem a světlu podobnými entitami.

I když to může znít poeticky, vědci takhle ani zdaleka kosmický horizont nevnímají. Nepředpokládají, že by čas na kosmickém horizontu zamrzl. Ve skutečnosti je to v současných vesmírných modelech dost nesmyslné tvrzení. 

Člověk mezi Zemí a kosmickým horizontem

Představte si sami sebe na Zemi. To je docela snadné. Je to místo, kde se právě nacházíte. Nyní si představte kosmický horizont a všechny ty miliardy světelných let daleko. Jak dlouho by trvalo světlu dostat se na Zemi, než by se dostalo z nitra tohoto horizontu. A i když by se sem nakonec nakonec dostalo, s rudým posunem by šlo nakonec do pekel. Kvůli rozpínání vesmíru se tato událost, ať už je jakákoli, z našeho pohledu jeví mnohem pomalejší, protože světlo se v době, kdy k nám dosáhne, natáhne.

To neznamená, že jsou události pomalejší, nebo se zastavují na kosmickém horizontu. Znamená to jen to, že z našeho pohledu se tyto události jeví pomalejší, protože rozpínání vesmíru prodlužuje světlo, které jím prochází. Představte si, že jste na kosmickém horizontu Země a díváte se zpátky. Země by vypadala zpomalená nebo zastavená a přesto se tu stále procházíme, vaříme si kávu a sledujeme události v TV.

Kosmické horizonty jsou závislé na pozorovateli, spíše než na fyzickém místě ve vesmíru. Jsme kosmickým horizontem něčeho (nebo možná nějakého druhu) a přesto pokračujeme. A když se na to někdo naposledy podíval, nezdálo se, že bychom byli potomky božstev nějaké vzdálené civilizace. 

Ačkoliv Guillénova tvrzení o Bohu uvedená v Bibli přesahují rámec vědeckých stránek, kosmologie, kterou používá na podporu své myšlenky je nesprávná, protože s hranicí pozorování zachází, jako by se jednalo o fyzické místo. Kromě toho, že je „opravdu daleko od Země“ (kdo by ho mohl vinit?), není jasné, proč by se Bůh chtěl zdržovat právě tam.

Zdroje: https://michaelguillen.com/; youtube.com – https://www.youtube.com/watch?v=eVoh27gJgME; https://www.foxnews.com/opinion/is-heaven-real-science-may-reveal-where-gods-eternal-kingdom-exists

Pohádka z CERNu, která lidstvo zavede až ke konci vesmíru aneb Jak hadronový urychlovač vylekal svět

FyzikaNovéObjevyTOP 10
big bang, armageddon, explosion, pop, atomic, quantum physics, particle accelerator, impact, experiment, fireball, fire, end time, destruction, force of nature, natural disaster, devastation, catastrophe, destroy, destroyed, apocalypse, collapse, end of the world, flame, bumm, big bang, big bang, quantum physics, quantum physics, quantum physics, impact, impact, impact, impact, impactFoto: Ilustrační_geralt/Pixabay
Foto: Obrovské srážky, ale jen velmi malé nebezpečí?….

Umělé černé díry, podivné částice a falešný rozpad vakua. Proč si lidé mysleli, že Velký hadronový urychlovač může zničit svět?

Ve fantasy filmech mnohdy „šílení“ vědci zničí svět. Jak daleko musí takový vědec zajít, aby své teorie předvedl v praxi? Když americký teoretický fyzik J. Robert Oppenheimer (1904–1967) v rámci projektu Manhattan provedl 16. července 1945 první úspěšný pokusný výbuch v Novém Mexiku, samotný vědec měl obavy, že zapálí atmosféru, což by pro lidstvo znamenalo fatální konec. 

Něco podobného vylekalo širokou i vědeckou společnost, když v CERNu přišli s nápadem pro výzkum v částicové fyzice. Jde o tzv. velký hadronový urychlovač. Netrvalo to dlouho, když v roce 2012, rovnou dva ze čtyř experimentů objevily Higgsův boson. Částici, která dává všem částicím hmotnost. Tedy i těm nehmotným.

Nehmotným? Tak přišla chvíle, kdy si malá skupina hlasitých lidí vštípila do hlavy, že LHC zničí svět. Netrvalo dlouho, co se tyto obavy dostaly do novin.

Nástup konspiračních teorií

LHC, který se nachází v podzemí na hranici mezi Francií a Švýcarskem a Relativistický urychlovač těžkých iontů (RHIC), se téměř přes noc staly předmětem těchto konspiračních teorií. Oba urychlovače urychlují částice na rychlost blízkou rychlosti světla, než je nechají narazit do sebe. A právě tato srážka vytváří nové částice. Zároveň také ukazuje silové interakce, podobné tomu, jak se choval vesmír v okamžiku Velkého třesku a a krátce po něm.

Odvážná tvrzení, která mění svět

Tvrzení, která v té či oné podobě stále existuje dodnes, je, že LHC a RHIC „něco“ vytvoří. Nejznámější myšlenkou bylo, že urychlovače částic vytvoří černou díru, která pohltí naši Zemi.

Další konspirací bylo, že spustí falešný vakuový rozpad, což povede ke konci samotného vesmíru. Třetí myšlenka zahrnuje vznik stabilních strangeletů, což jsou zvláštní částice, které obsahují podivný kvark. A právě kvark se z nějakého blíže neurčeného důvodu pro nás problémem.

Záhady bez záhad

Nejdříve si vyvrátíme záhadu s černými dírami. LHC dává částicím spoustu energie, ale ani zdaleka to pořád nestačí k vytvoření černé díry. Černá díra je objekt s neuvěřitelně vysokou hustotou, takže je potřeba do velmi malého prostoru vměstnat spoustu hmoty (nebo energie). LHC to ale nedokáže.

Některá rozšíření/alternativy ke Standardnímu modelu fyziky částic (podle našich současných nejlepších poznatků) naznačují, že urychlovač jako LHC by mohl produkovat jednu mikročernou díru za sekundu. Předpokládejme, že tomu tak skutečně je. Čím menší je černá díra, tím rychleji se vypařuje v důsledku ztráty Hawkingova záření. V podstatě by tyto hypotetické černé díry zmizely rychleji, než se objevily.

Teorie rozpadu falešného vakua je o něco zajímavější. Je to fascinující hypotéza, že vesmír se nenachází ve svém nejnižším možném energetickém stavu. To znamená, že vesmír v dnešní podobě je pouze metastabilní a existuje i jeho stabilnější verze. Pokud by jakákoli část vesmíru dosáhla této skutečně stabilní konfigurace (skutečného vakua), byl by celý vesmír odsouzen ke změně, čímž by skončila existence celého kosmu, tak jak ho známe.

Jak je na tom skutečná fyzika

RHIC i CERN se těmito tvrzeními zabývaly a brali je velmi vážně. CERN si nechal vypracovat dvě zprávy o bezpečnosti urychlovačů částic, z nichž obě shledaly, že ohledně těchto urychlovačů částic doslova neexistují žádné obavy. To však nezabránilo propagátorům „tvrzení o nebezpečnosti“ v podání právních námitek a v pořádání protestů proti aktivaci LHC.

Mohli bychom se podrobně zabývat každým tvrzením a vyvrátit ho, ale existuje jednoduchá pravda, která by měla být přesvědčivá. A to, že tato tvrzení jsou nesmyslná. Příroda je schopná produkovat mnohem energetičtější částice než vědci a přitom je neustále vrhá na Zemi. Mluvíme tady o kosmickém záření s ultravysooui energií, která způsobuje, že zrychlení, kterého jsou vědci schopni dosáhnout v CERNu, vypadá jako dětská hračka.

Vezměme si KM3-230213A, nejenergetičtější neutrino, jaké kdy bylo detekováno a o kterém se předpokládá, že souvisí s nejaktivnější supermasivní černou dírou. Jeho energie byla 100 000krát vyšší než energie částic, se kterými se srážíme v LHC. Pokud by samotné zrychlení částic mohlo způsobit konec světa, měly by se naše obavy zaměřit na vesmír, nikoli na podzemí ve Švýcarsku.

Jak funguje Velký hadronový urychlovač?

„Velký hadronový urychlovač je stroj o délce 27 kilometrů. Nachází se asi 100 metrů pod zemí a je naplněn protony pocházejícími z řetězce injektorů,“ říká Rende Steerenberg, muž, který mačká tlačítko, aby spistil LHC.

Než se tyto protony dostanou do LHC, musí být zrychlené jinými menšími urychlovači. Silné magnety tlačí rychlost těchto částic blíže a blíže k rychlosti světla, než vstoupí do hlavního prstence LHC, kde urazí oněch 27 kilometrů rychlostí 99,9999991 procenta rychlosti světla.

Protony následně cirkulují ve dvou opačných směrech prstence a pak se tyto protony srazí ve čtyřech bodech prstence. Umístění těchto čtyř bodů představuje čtyři experimenty. ATLAS a CMS jsou víceúčelové. Mají zjistit, jaké částice vznikají při srážkách. ALICE funguje podobně jako RHIC a studuje srážky mezi ionty olova, které napodobují podmínky blízké Velkému třesku a také vyvolávají téměř alchymistickou přeměnu olova na zlato. V neposlední řadě je tu LHCb, který se snaží pochopit, proč je vesmír tvořen hmotou a ne antihmotou, a to hledáním anomálií mezi těmito dvěma proměnnými.

LHC brzy projde rozsáhlou modernizací, protože se připravuje na fázi Hi-Lumi, kde bude schopny produkovat mnohem více srážek a dále rozšiřovat to, co je již vědcům známé. Takže „nesmyslná“ tvrzení se jistě vrátí. LHC ale funguje už téměř dvacet let a lidstvo je stále tady. takže, stojí to opravdu za to ochuzovat se o spánek kvůli „nebezpečí“ částicové fyziky?

Zdroje: Bezpečnost srážek na Velkém hadronovém urychlovači (LHC) https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0954-3899/35/11/115004/pdf, Wikipedia – viz. odkazy v textu

Vědci ověří Einsteinovy ​​předpovědi obecné relativity času na vrcholu Mount Blue Sky

FyzikaNovéTOP 10Vědecké objevy
Popis: Pohled z vrcholu hory Mount Blue Sky na konec silnice Mount Blue Sky, Crest House a
observatoř Meyer-Womble, 2010.

Během tří letních období budou vědci pomocí optických atomových hodin testovat předpověď obecné teorie relativity Alberta Einsteina. Zachytí dosud možná nejpřesnější měření toho, jak se čas zrychluje, čím dále se člověk vzdaluje od středu Země.

Průzkum na vrcholu hory Mount Blue Sky otestuje atomové hodiny nové generace způsobem, jaký dosud nebyl proveden. Tato zařízení sledují čas s pozoruhodnou přesností a správností měřením energetických hladin atomů. Díky menším rozměrům a vyšší spolehlivosti těchto hodin by technologie mohla způsobit revoluci ve všem od předpovídání blížících se sopečných erupcí až po navigaci kosmických lodí k jiným planetám.

Ohýbání prostoru a času

Vědecký tým se potýká s jednou z největších výzev současnosti v oboru fyziky. Mohou vědci po letech vědeckého pokroku přenést kvantovou technologii z laboratoře do reálného a neúprosného světa?

Tato přesnost umožňuje týmu sledovat jev, který Einstein navrhl před více než 100 lety.

Zdroj: https://www.colorado.edu/today/14er-science-quantum-physicists-measure-whether-time-moves-faster-mountaintop

Fyzici vytvořili přelomový časový krystal viditelný pouhým okem

FyzikaNovéObjevyTechnologie
background, guilloche, pattern, watermark, coupon, banknote, voucher, check, design, vector, lines, paper, graphic, beautiful wallpaper, wave, ornament, abstract, texture, scrapbook, decoration, print, decorative, optical, wrapping, wallpaper, decor, shape, repetitionFoto: Ilustrační obrázek / Pixabay

Krystaly by se mohly přidávat například do bankovek, aby se ztížilo jejich padělání. Pokud byste chtěli vědět, zda je daná bankovka pravá, stačilo by posvítit na „časový vodoznak“ a sledovat vzor, ​​který se objeví.

Nejde o první časový krystal, který byl vytvořen, ale je prvním, který můžeme skutečně vidět. Přelomový vzorek vytvořili fyzici z Coloradské univerzity Boulder. K výrobě použili tekuté krystaly, stejné, jako jsou v displejích telefonů.

„Časový krystal“ je název pro zvláštní fázi hmoty, ve které se částice, jako jsou například atomy nebo i jiné částice, nacházejí v neustálém pohybu. Fascinující na celé věci je, že je lze pozorovat nejen přímo pod mikroskopem, ale za určitých podmínek dokonce i pouhým okem.

Vědci navrhli skleněné články, které naplnili tekutými krystaly – v tomto případě „tyčinkovitými molekulami“, které se chovají trochu jako pevná látka a trochu jako kapalina.

Za zvláštních okolností, pokud na ně posvítíte, tekuté krystaly začnou vířit a pohybovat se podle vzorů, které se v průběhu času opakují. Pod mikroskopem se tyto vzorky tekutých krystalů podobají psychedelickým tygřím pruhům a mohou se pohybovat celé hodiny, podobně jako hodiny, které se otáčejí celou věčnost.

Existující krystaly v prostoru a čase

Krystaly času možná zní jako něco ze sci-fi. Ve skutečnosti se vědci inspirovali z přírodních krystalů, jako jsou diamanty, nebo obyčejná kuchyňská sůl. Tradiční krystaly si skutečně můžeme představit jako ty „vesmírné“. Například atomy uhlíku, které tvoří diamant. Ve skutečnosti tvoří v prostoru mřížkový vzor, ​​který je velmi těžké rozdělit.

Základní myšlenkou se tedy stal záměr, zda by bylo možné vytvořit krystal, který by byl podobně dobře organizovaný. Ovšem ne v prostoru, ale v čase. Ani v klidovém stavu by atomy v takovém stavu netvořily mřížkový vzor, ​​ale pohybovaly by se, nebo transformovaly v nekonečném cyklu, jako GIF, který se opakuje stále dokola a pokud ho něco nezastaví, koná tak donekonečna.

Původní koncept, kterým přišel nositel Nobelovy ceny Frank Wilczek už v roce 2012, se ukázal jako nerealizovatelný, ale v průběhu let vědci vytvořili fáze hmoty, které se k sobě poměrně přibližují. Fyzici Zhao a Smalyukh testovali, zda by mohli dosáhnout podobného výkonu s tekutými krystaly.

Foto: Zhao a Smalyukh, 2025, Univerzita Colorado / CC BY-NC-ND 4.0

Smaljukh vysvětlil, že pokud tyto molekuly stisknete správným způsobem, shluknou se tak pevně, že vytvoří smyčky. Je pozoruhodné, že se tyto smyčky pohybují a za určitých podmínek se mohou chovat i jako atomy. Smalyukh a Zhao pak vložili roztok tekutých krystalů mezi dva kusy skla potažené molekulami barviva. Samy o sobě tyto vzorky většinou zůstaly v klidu. Když je ale zasáhli určitým druhem světla, molekuly barviva změnily svou orientaci a stlačily tekuté krystaly. Během toho se náhle vytvořily tisíce nových zlomů. Tyto uzly také začaly vzájemně interagovat po neuvěřitelně složité sérii kroků. Představte si místnost plnou tanečníků. Dvojice se rozdělí, točí se po místnosti, zase se spojí a všechno to dělají znovu a znovu.

Vzory, které vytvořili, bylo v čase také neobvykle těžké prolomit. Vědci mohli zvýšit nebo snížit teplotu svých vzorků, aniž by narušili pohyb tekutých krystalů.

Zdroje: https://www.colorado.edu/today/2025/09/05/physicists-have-created-new-time-crystal-it-wont-power-time-machine-could-have-many

Jaká je síla jedné megatesly? Vědci testovali energii mini neutronové hvězdy přímo v laboratoři

FyzikaNovéVědaVědecké objevy
Jaká je síla jedné megatesly? Vědci testovali energii mini neutronové hvězdy přímo v laboratoři.Foto: Pixabay

Když se nad tímto fyzikálním pokusem zamyslím, vzpomenu si na Spider Mana a vynález doktora Otty Octavia (Doc Ock), který díky tritiu, radioaktivnímu izotopu vodíku (3H), vyrobil energetickou kouli srovnatelnou se silou slunce. Co následovalo potom?

Tritium se vyskytuje ve vrchních vrstvách atmosféry díky ionizujícího záření z vesmíru a v malé míře je také součástí emisí z jaderných elektráren. Významné množství vznikalo při explozích jaderných zbraní. Z uvedených důvodů se tritium ve stopovém množství vyskytuje i v běžné vodě. Ale jaký prvek pro svou plazmu použili vědci z Ósaky tisková zpráva neuvádí. Testy probíhaly v mikrotrubičkách a vědci tuto reakci vyvolanou lasery měli plně pod kontrolou.

Konceptuální ilustrace imploze mikrotrubiček s lopatkami (BMI)
Vnitřní lopatky ve tvaru pilovitých zubů na válcovém terči indukují mimoosové nabité toky pod ultraintenzivním laserovým zářením, čímž pohánějí silné smyčkové proudy a generují submegateslová magnetická pole. Foto: Masakatsu Murakami/Tiskový zdroj EurekAlert
Konceptuální ilustrace imploze mikrotrubiček s lopatkami (BMI)
Vnitřní lopatky ve tvaru pilovitých zubů na válcovém terči indukují mimoosové nabité toky pod ultraintenzivním laserovým zářením, čímž pohánějí silné smyčkové proudy a generují submegateslová magnetická pole. 

Laserem řízené exploze

Vědci z Ósacké univerzity vyvinuli novou metodu pro generování ultravysokých magnetických polí pomocí laserově řízených implozí mikrotrubiček s lopatkovou strukturou. Tato metoda dosahuje intenzity pole blížící se jedné megatesle, což je průlom ve vědě o kompaktním plazmatu s vysokým magnetickým polem.

Ultrasilná magnetická pole blížící se megateslovému režimu jsou srovnatelná s těmi, která se nacházejí v blízkosti silně zmagnetizovaných neutronových hvězd nebo astrofyzikálních výtrysků. Nyní ji vědci demonstrovali pomocí kompaktního laserového zařízení.

Tato technika nazývaná imploze mikrotrubiček s lopatkami (BMI), spočívá v nasměrování ultraintenzivních femtosekundových laserových pulzů na válcový terč s vnitřními lopatkami ve tvaru pilovitých zubů. Tyto lopatky způsobují asymetrické víření implodující plazmy, čímž generují cirkulující proudy v blízkosti středu. Výsledný smyčkový proud samokonzistentně vytváří intenzivní axiální magnetické pole přesahující 500 kilotesl, které se blíží megateslovému režimu. Není vyžadováno žádné externě aplikované zárodečné pole.

BMI je pole generováno od nuly a je poháněné čistě interakcemi laseru a plazmatu. Navíc, pokud cíl obsahuje struktury, které narušují válcovou symetrii, i tak lze stále generovat vysoká magnetická pole. Proces vytváří zpětnovazební smyčku, ve které toky nabitých částic složených z iontů a elektronů zesilují magnetické pole, které tyto toky omezuje a pole dále zesiluje.

Tento vědecký přístup nabízí nový a účinný způsob, jak vytvářet a studovat extrémní magnetická pole v kompaktním formátu. Poskytuje experimentální most mezi laboratorním plazmatem a astrofyzikálním vesmírem.

Zdroje: https://www.eurekalert.org/news-releases/1091187; https://pubs.aip.org/aip/pop/article/32/7/072107/3352417/Gigagauss-magnetic-field-generation-by-bladed; https://cs.wikipedia.org/wiki/Spider-Man_2; https://cs.wikipedia.org/wiki/Tritium

Vědci vytvořili přesný model fotonu

FyzikaVěda
physics, quantum physics, earthFoto: geralt/Pixabay

Povaha vzájemného působení vede k nekonečným možnostem světla existovat, šířit se a také cestovat okolním prostředím.

Tato neomezená možnost světla však ztěžovala modelování těchto interakcí. Pro kvantové fyziky to byla výzva, kterou řeší už několik desetiletí. 

Seskupením možností do odlišných souborů byl tým z Birminghamu schopen vytvořit model, který popisuje nejen interakce mezi fotonem a emitorem, ale také to, jak energie z této interakce putuje do vzdáleného „vzdáleného pole“. Díky tomu byli schopni použít své výpočty k vytvoření vizualizace samotného fotonu. 

„Naše výpočty nám umožnily převést zdánlivě neřešitelný problém na něco, co lze spočítat. A téměř jako vedlejší produkt modelu jsme byli schopni vytvořit tento obrázek fotonu, něco, co ve fyzice dosud nebylo vidět. 

Foto: doktor Benjamin Yuen/ Tiskový zdroj EurekAlert
Nová teorie, která vysvětluje, jak světlo a hmota interagují na kvantové úrovni, umožnila výzkumníkům poprvé definovat přesný tvar jediného fotonu.

Tím, že jsou nyní vědci schopni přesně definovat, jak foton vzájemně působí s hmotou a dalšími prvky svého prostředí, mohou navrhnout nové nanofotonické technologie. Můžou detekovat patogeny, nebo například řídit chemické reakce na molekulární úrovni. 

„Tato práce nám pomáhá lépe porozumět energetické výměně mezi světlem a hmotou. Spousta těchto informací byla dříve považovaná za pouhý „šum“, ale je v nich tolik informací, které nyní dokážeme pochopit a využít. Tím, že jsme tomu porozuměli, jsme položili základy, abychom byli schopni navrhnout interakce světla a hmoty pro budoucí aplikace, jako jsou lepší senzory, vylepšené fotovoltaické energetické články, nebo kvantové výpočty.“ Dodal ke studii doktor Benjamin Yuen.

Zdroj: Tisková zpráva EurekAlert, Výzkum byl publikovaný v Physical Review Letters

Elektromagnetické vlny pomáhají řešit parciální diferenciální rovnice rychlostí světla

FyzikaFyzika-matematikaNovéTechnologie
Elektromagnetické vlny pomáhají řešit parciální diferenciální rovnice rychlostí světla.Foto: Flexuous/Openverse

Nová fotonická výpočetní metoda využívá elektromagnetické vlny k rychlému řešení parciálních diferenciálních rovnic. Jde o jeden z nejmocnějších nástrojů matematického modelování problémů reálného světa.

Tato inovativní struktura, známá jako metatronická síť, se chová jako efektivní mřížka T-obvodů. Úpravou rozměrů a permitivity (permitivita vyjadřuje schopnost materiálu odolávat elektrickému poli) dielektrických vložek vědci prokázali kontrolu nad parametry PDE. To síti umožňuje řešit různé problémy s hraničními hodnotami, jako je rozptyl EM vln a zaostřování světla.

Ve fyzice, matematice a inženýrství jsou parciální diferenciální rovnice (PDE) nezbytné pro modelování různých jevů. Od difúze tepla po pohyb částic a šíření vln.

Zatímco některé PDE lze řešit analyticky, mnohé vyžadují numerické metody, které mohou být časově a výpočetně náročné. Pro řešení těchto problémů vědci zkoumají alternativní výpočetní paradigmata, včetně fotonických výpočtů.

Foto: RG MacDonald, A. Yakovlev a V. Pacheco-Peña, doi 10.1117/1.APN.3.5.056007/Tiskový zdroj EurekAlert

Vysokorychlostní výpočty

Fotonické výpočty využívají interakce světla a hmoty k provádění vysokorychlostních výpočtů. Nedávná studie z univerzity v Newcastlu, publikovaná v časopise Advanced Photonics Nexus, představuje nový přístup využívající elektromagnetické (EM) vlny k řešení PDE. Konkrétně Helmholtzovy vlnové rovnice.

Výzkumníci vyvinuli síť propojených vlnovodů vyplněných dielektrickými vložkami, která napodobuje chování tradičních obvodových prvků.

Doktor Victor Pacheco-Peña, odpovídající autor studie, zdůrazňuje potenciál těchto zařízení jako výpočtových akcelerátorů.

„Předpokládáme, že tato zařízení můžou být použité k vytváření rychlých přibližných řešení pro různé parciální diferenciální rovnice.“

Tento výzkum představuje významný krok vpřed v oblasti analogových výpočtů jako slibný způsob rychlého a efektivního řešení složitých rovnic.

Zdroje:  EurekAlert, SPIE, Mezinárodní společnost pro optiku a fotoniku, Advanced Photonics Nexus

Průkopnický výzkum navrhuje, že se naše vědomí může spojit s celým vesmírem

FyzikaMedicínaNovéVýzkum
futuristic, brain, cyborg, mozek, komunikace, mymosmyslové vnímání, kóma, komunikace, anestezie,Foto: Scholaris/Pixabay

Názor, že kvantová fyzika musí být základním mechanismem vědomí, se poprvé objevil v 90. letech 20. století.

Když nositel Nobelovy ceny za fyziku Roger Penrose, Ph.D. a anesteziolog, MUDr. Stuart Hameroff, popularizovali myšlenku, že nervové mikrotubuly umožňují kvantové procesy v našem mozku, což vede k vědomí.

Nedávný experiment vysoké školy ve Wellesley, při kterém byla krysám aplikovaná anestezie, přesvědčil vědce, že za vědomí jsou zodpovědné drobné struktury v mozku.

V článku publikovaném v roce 1996 ve Science předpokládali, že vědomí může fungovat jako kvantová vlna procházející mozkovými mikrotubuly. Metoda je známá jako teorie Orch-OR. Odkazuje na schopnost mikrotubulů provádět kvantové výpočty prostřednictvím matematického procesu, který Penrose nazývá „objektivní redukce“.

Abychom toho dosáhli, nespoléhají na klasickou fyziku. Místo toho se odborníci domnívají, že mikrotubuly provádějí neuvěřitelné operace v kvantové říši. S odvoláním na práci dřívějších výzkumů studie vyvozuje, že stejný druh kvantových operací se pravděpodobně odehrává přímo v lidském mozku.

Během experimentů s krysím mozkem vědci z Wellesley podali hlodavcům isofluran, typ inhalačního celkového anestetika používaného k vyvolání a udržení bezvědomí při operacích. Jedna skupina krys také dostávala léky stabilizující mikrotubuly, zatímco druhá ne. Vědci zjistili, že molekuly stabilizující mikrotubuly udržely krysy při vědomí déle, než nestabilizované. Tyto krysy rychleji ztratily svůj „vzpřimovací reflex“, nebo schopnost obnovit normální držení těla. Svoje zjištění pak v srpnu 2024 publikovali v časopise eNeuro.

V současné době se předpokládá, že těkavá anestetika způsobují bezvědomí působením na jeden, nebo více molekulárních cílů včetně nervových iontových kanálů, receptorů, mitochondrií, synaptických proteinů a cytoskeletálních proteinů. Anestetické plyny se vážou na cytoskeletální mikrotubuly (MT) a tlumí jejich kvantové optické účinky, což potenciálně přispívá k bezvědomí. 

Záhada zvaná vědomí

Studie je významná, protože fyzický zdroj vědomí byl po desetiletí záhadou. Je to významný krok směrem k ověření teorie, že náš mozek provádí kvantové operace a že tato schopnost generuje naše vědomí. Myšlenka, která v posledních třech desetiletích získává na síle.

V kvantové fyzice částice neexistuje tak, jak ji pozoruje klasická fyzika. S určitým fyzickým umístěním. Místo toho existuje jako oblak pravděpodobností. Pokud se částice dostane do kontaktu se svým prostředím, jako když ji pozoruje měřicí přístroj, ztratí svou „superpozici“. Zhroutí se do určitého měřitelného stavu. Do stavu, ve kterém byl pozorovaný. Penrose předpokládal, že „pokaždé, když se kvantová vlnová funkce v mozku zhroutí tímto způsobem, vyvolá to okamžik vědomé zkušenosti“.

Revoluce v chápání vědomí

Pokud se tato kvantová teorie vědomí vázaná na mikrotubuly ukáže jako správná, mohlo by to způsobit revoluci v našem chápání vědomí a dokonce posílit průkopnickou teorii, že je vědomí na kvantové úrovni schopné být na všech místech současně. Jinými slovy, může existovat všude současně, což naznačuje, že vaše vlastní vědomí se může hypoteticky spojit s kvantovými částicemi mimo váš mozek, možná se zaplete do vědomí po celém vesmíru.

Toto pozorování poskytuje konkrétní důkaz, že neurony jsou schopné pracovat rychlostí, která umožňuje kvantové operace. Přivádí nás o další krok blíže k pochopení toho, jak přesně jsou naše mozky a možná i naše vědomí, spojené s kvantovým vesmírem.

Mysl „jako kvantový fenomén“ by „utvářela naše myšlení o široké škále souvisejících otázek, jako je ta, zda jsou pacienti v kómatu při vědomí,“ říká neurolog a profesor vysoké školy ve Wellesley Mike Wiest, Ph.D. Kromě nové práce, která nám pomáhá lépe porozumět tomu, jak léčit zdravotní problémy související s mozkem, říká „…vstoupíme do nové éry v chápání toho, co jsme.“

Zdroj: Tisková zpráva vysoké školy Welesley, Science, eNeuro,

Vědci našli účinnou alternativu k tradiční elektronice

FyzikaNovéVěda
Monopoly orbitálního momentu hybnosti (OAM) jsou pro orbitroniku lákavou vyhlídkou, protože OAM je ve všech směrech jednotná. To by znamenalo, že informační toky by mohly být generované v libovolném směru.

Monopoly orbitálního momentu hybnosti nabízejí velké výhody pro vznikající oblast orbitroniky. Potenciálně účinnou energetickou alternativu k tradiční elektronice.

Dlouho byly předmětem velkého teoretického zájmu. Nyní byla jejich existence prokázaná kombinací robustní teorie a experimentů ve švýcarském institutu světelného zdroje Paula Scherrera.

Zatímco elektronika využívá k přenosu informací náboj elektronu, technologie budoucnosti s menším dopadem na životní prostředí by mohla ke zpracování informací využívat jinou vlastnost elektronů. Až donedávna byla hlavním uchazečem o jiný typ „troniky“ spintronika. Zde je vlastností používanou k přenosu informace spin elektronu.

Výzkumníci také zkoumají možnost využití orbitálního momentu hybnosti (OAM) elektronů obíhajících kolem jejich atomového jádra: vznikající pole známé jako orbitronika. Toto pole je velkým příslibem pro paměťová zařízení. Hlavně proto, že velká magnetizace by mohla být potenciálně generovaná s relativně malými nabíjecími proudy, což vede k energeticky účinným zařízením. Otázkou za milion dolarů je nyní identifikace správných materiálů pro generování toků OAM, což je nezbytný předpoklad pro orbitroniku.

Nyní mezinárodní výzkumný tým vedený vědci z institutu PSI Paula Scherrera a institutu Maxe Plancka v Halleu a Drážďanech v Německu ukázal, že chirální topologické polokovy, nová třída materiálů objevená na PSI v roce 2019, má vlastnosti, díky nimž jsou vysoce praktickou volbou pro generování proudů OAM.

Chirální topologické polokovy: přímé řešení pro orbitroniku

Při hledání vhodných materiálů pro orbitroniku již byly učiněné kroky vpřed s použitím konvenčních materiálů, jako je titan. Tyto materiály mají helikální atomovou strukturu, která dává přirozenou „ručnost“ jako dvojitá šroubovice DNA a mohla by jim přirozeně poskytnout vzory nebo textury OAM, které umožňují její tok.

Atraktivní, ale nepolapitelná vyhlídka orbitálních monopólů momentu hybnosti

Existuje jedna konkrétní textura OAM, předpokládaná u chirálních topologických polokovů, která výzkumníky uchvátila: monopoly OAM. U těchto monopólů OAM vyzařuje ze středu ven jako hroty vystrašeného ježka stočeného do klubíčka.

Proč jsou tyto monopoly tak zajímavé? Je to tím, že OAM je jednotný ve všech směrech. To znamená, že je izotropní. „Toto je velmi užitečná vlastnost, protože to znamená, že toky OAM mohou být generované v libovolném směru,“ říká Schüler.

Navzdory přitažlivosti monopolů OAM pro orbitroniku zůstaly až do této nejnovější studie teoretickým snem.

Ježci se schovávají mezi teorií a experimentem

Na jejich experimentálním pozorování spočívá naděje v technice známé jako Circular Dichroism in Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy (Kruhový dichroismus v úhlově rozlišené fotoemisní spektroskopii), neboli CD-ARPES, využívající kruhově polarizované rentgenové záření ze synchrotronového světelného zdroje. Přesto mezera mezi teorií a experimentem v minulosti bránila výzkumníkům v interpretaci dat. „Výzkumníci možná měli data, ale důkazy o monopolech OAM v nich byly pohřbené,“ říká Schüler.

V ARPES světlo svítí na materiál a vyvrhuje elektrony. Úhly a energie těchto vyvržených elektronů odhalují informace o elektronové struktuře materiálu. U CD-ARPES je dopadající světlo kruhově polarizované.

„Přirozeným předpokladem je, že pokud používáte kruhově polarizované světlo, měříte něco, co je přímo úměrné OAM,“ vysvětluje Schüler. „Problém je, jak ukazujeme v naší studii, že se to ukazuje jako poněkud naivní předpoklad. Ve skutečnosti je to mnohem složitější.“

Dveře se otevírají pro zkoumání textur orbitálního momentu hybnosti v nových materiálech

Nyní, když se teorie a experiment konečně spojily, je širší výzkumná komunita vybavena prostředky pro zkoumání textur OAM napříč různými materiály a optimalizaci jejich aplikací pro orbitroniku.

Zdroj: EurekAlert, Objev byl publikován v časopise Nature Physics s otevřeným přístupem.

Elektromagnetické vírové dělo pro komunikační a obranné systémy

FyzikaNovéTechnologie
Vzduchová děla produkují viditelné vírové prstence generováním rotačních rozdílů tlaku vzduchu, zatímco elektromagnetická děla vysílají elektromagnetické vírové pulsy pomocí koaxiálních rohových antén. Elektromagnetický systém také demonstruje vlastnosti vlastní odolnosti a topologii skyrmion, která nabízí jedinečný potenciál ve vysokokapacitní komunikaci, detekci cíle a kódování dat díky své komplexní dynamice vln a topologickým vlastnostem.

Vírové kruhy jsou záhadné a fascinující přírodní jevy. Vykazují úchvatné struktury a chování jak ve vzduchu, tak v elektromagnetických vlnách. Představte si vzduchové dělo, které dokáže vystřelovat prstence vírů a vytvářet tak dokonalý vzdušný vír. Tento jev není jen fyzikální podívanou, ale mistrovským dílem přírody.

Když vzduchové dělo vystřelí, okamžitý rozdíl tlaku způsobí, že vzduch vytvoří rotující prstencovou strukturu. Ta se plynule šíří vzduchem a předvádí jedinečný tvar a dynamiku víru. Aplikujeme-li stejný princip na elektromagnetické vlny, můžeme si představit „elektromagnetické vírové dělo“, které přímo emituje elektromagnetické vírové prstence. Díky vědeckému úsilí se tento koncept postupně stává realitou.

Docent Ren Wang z univerzity elektronických věd a technologií v Číně, odborný asistent Yijie Shen z Nanyangské technologické univerzity v Singapuru a jejich spolupracovníci z University of Southamptonu, navrhli novou metodu využívající koaxiální antény k přímému vyzařování elektromagnetického víru. Při svém výzkumu pozorovali charakteristiky pružného šíření a topologické struktury skyrmionů těchto virů.

Tito vědci shrnuli princip fungování svého elektromagnetického děla slovy: „Princip zahrnuje využití ultraširokopásmových, radiálně polarizovaných, kuželových koaxiálních rohových antén k vytvoření rotující struktury elektromagnetických vln.“

Když anténa vysílá, generuje okamžitý tlakový rozdíl, který tvoří tyto vírové prstence. Ty si udržují svůj tvar a energii na dlouhé vzdálenosti. Jedinečnost této metody spočívá v její schopnosti produkovat elektromagnetické pulsy se složitými topologickými prvky. Jako jsou skyrmiony, které během šíření vykazují pozoruhodnou odolnost a samoléčebné vlastnosti.

Potenciály, kde tuto technologii aplikovat, jsou rozsáhlé. Ve vysokokapacitních komunikačních systémech by tyto vírové pulsy mohly způsobit revoluci ve způsobu přenosu informací. Nabízejí totiž účinné a robustní metody kódování dat. Jedinečné spektrální a polarizační charakteristiky vírových prstenců jim umožňují přenášet více informací ve srovnání s tradičními vlnami. Což z nich dělá ideální kandidáty pro komunikační sítě nové generace.

Vzduchová děla a elektromagnetická děla

Vzduchová děla produkují viditelné vírové prstence generováním rotačních rozdílů tlaku vzduchu, zatímco elektromagnetická děla vysílají elektromagnetické vírové pulsy pomocí koaxiálních rohových antén. Elektromagnetický systém také demonstruje vlastnosti vlastní odolnosti a topologii skyrmion, která nabízí jedinečný potenciál ve vysokokapacitní komunikaci, detekci cíle a kódování dat díky své komplexní dynamice vln a topologickým vlastnostem.
Vzduchová děla produkují viditelné vírové prstence generováním rotačních rozdílů tlaku vzduchu. Zatímco elektromagnetická děla vysílají elektromagnetické vírové pulsy pomocí koaxiálních rohových antén. Elektromagnetický systém také demonstruje vlastnosti vlastní odolnosti a topologii skyrmion, která nabízí jedinečný potenciál ve vysokokapacitní komunikaci, detekci cíle a kódování dat. Díky své komplexní dynamice vln a topologickým vlastnostem.

„Jejich schopnost zachovat strukturální integritu i v přítomnosti narušení životního prostředí je navíc staví jako cenné nástroje v dálkovém průzkumu Země a detekci cíle. Analýzou jedinečných vzorů těchto vírových pulzů můžeme vyvinout přesnější a spolehlivější metody pro detekci a lokalizaci objektů. Ať už v obranných systémech, nebo při průzkumu vesmíru,“ říkají vědci.

„Když uvažujeme o důsledcích našich zjištění, jsme obzvláště nadšeni z toho, jak by tento výzkum mohl vést k převratným pokrokům v metrologii a zpracování informací. Časoprostorová neoddělitelnost vírových pulzů poskytuje základ pro vývoj nových technik v komplexním kódování dat a možnosti vysoce přesných měření. Textury skyrmionu vložené do vírových prstenců navíc nabízejí zajímavé možnosti pro ukládání a zpracování topologických dat. Což potenciálně vede k efektivnějším způsobům správy a analýzy velkých datových sad.

„Tato práce nejen demonstruje neuvěřitelnou všestrannost elektromagnetických vírových prstenců, ale také připravuje půdu pro budoucí inovace v bezdrátové technologii. Vytváří příležitosti k předefinování našeho chápání elektromagnetických jevů,“ dodali vědci.

Zdroj: EurekAlert, AIP Publishing, Wikipedia Commons

Povaha světla může pomoci při hledání dokonalé elektřiny při fúzi

FyzikaNové
Vědci nyní objevili světelné částice známé jako fotony, které by mohly pomoci při hledání energie z fúze. Foto: star line / freepik
Ilustrační foto.

Vědci nyní objevili světelné částice známé jako fotony, které by mohly pomoci při hledání energie z fúze. Světlo prostupuje náš svět doslova i obrazně. Zahání tmu, přenáší telekomunikační signály mezi kontinenty a zviditelňuje neviditelné. Od vzdálených galaxií po nejmenší bakterie.

Provedením řady matematických výpočtů vědci zjistili, že jedna ze základních vlastností fotonu je topologická, což znamená, že se nemění, ani když se foton pohybuje různými materiály a prostředími.

Touto vlastností je polarizace, směr doleva nebo doprava, kterým se elektrická pole pohybují kolem fotonu. Kvůli základním fyzikálním zákonům pomáhá polarizace fotonu určit směr, kterým se foton pohybuje a omezuje jeho pohyb. Proto se paprsek světla tvořený pouze fotony s jedním typem polarizace nemůže šířit do každé části daného prostoru.

Protože se vědci po celém světě snaží využít proces fúze k výrobě ekologické elektřiny, pomáhá světlo také s ohřevem plazmy v zařízeních tvaru prstence, známých jako tokamaky.

Zjednodušení složitého problému

I když vědci studovali jednotlivé fotony, dělali to jako způsob, jak vyřešit větší a obtížnější problém, jak využít paprsky intenzivního světla k vybuzení dlouhotrvajících poruch v plazmatu, které by mohly pomoci udržet vysoké teploty potřebné pro fúzi.

Tyto vlny, známé jako topologické vlny, se v tokomaku vyskytují často na hranici dvou různých oblastí, jako je plazma a vakuum na jejich vnějším okraji. Nejsou nijak zvlášť exotické. V zemské atmosféře se vyskytují přirozeně. Bohužel pomáhají produkovat El Niño, když shromažďují teplé vody v Tichém oceánu, které ovlivňuje počasí v Severní a Jižní Americe.

Aby vědci vytvořili tyto vlny v plazmě, musí mít o světle lepší znalosti. Konkrétně o stejném druhu vysokofrekvenčních vln používaných v mikrovlnných troubách, které fyzici k ohřevu plazmy již používají.

Rotující pohyb

Kromě zjištění, že polarizace fotonu je topologická, vědci zjistili, že rotující pohyb fotonů nelze rozdělit na vnitřní a vnější složky. Představte si Zemi. Ta se otáčí kolem své osy. Vytváří den a noc, obíhá kolem Slunce a vytváří roční období. Tyto dva typy pohybu se obvykle navzájem neovlivňují.

Například rotace Země kolem její osy nezávisí na její rotaci kolem Slunce. Ve skutečnosti lze tímto způsobem oddělit otáčivý pohyb všech hmotných objektů.

Foto: Kyle Palmer / PPPL Communications Department
Umělecké pojetí fotonů, částic, které tvoří světlo, rozrušující plazmu.

Fotony

Vědci si už ale nebyli tak jisti částicemi, jako jsou fotony, které nemají hmotnost.

„Přesnější porozumění základní povaze fotonů by mohlo vést k tomu, že vědci navrhnou lepší světelné paprsky pro ohřev a měření plazmatu,“ řekl Hong Qin, hlavní výzkumný fyzik z PPPL amerického ministerstva energetiky (DOE) a spoluautor článku, který uvádí výsledky v Physical Review D.

Většina experimentátorů předpokládá, že moment hybnosti světla lze rozdělit na spin a orbitální moment hybnosti. Mezi teoretiky se však vedla dlouhá debata o správném způsobu, jak toto dělení provést, nebo zda je vůbec možné toto dělení provést. Naše práce pomáhá urovnat tuto debatu a ukazuje, že moment hybnosti fotonů nelze rozdělit na spinové a orbitální složky, řekl Erik Palmerduca

Všechny tyto poznatky o fotonech dávají výzkumníkům jasnější obrázek o tom, jak se světlo chová. S větším pochopením světelných paprsků doufají, že přijdou na to, jak vytvořit topologické vlny, které by mohly být užitečné pro výzkum fúze.

Poznatky pro teoretickou fyziku

Palmerduca poznamenává, že nálezy fotonů demonstrují sílu PPPL v teoretické fyzice. Zjištění se vztahují k matematickému výsledku známému jako Věta o vlasech.

„Věta říká, že pokud máte kouli pokrytou vlasy, nemůžete si je všechny rozčesat naplocho, aniž byste vytvořili kouli. Fyzici si mysleli, že to znamená, že nemůžete mít světelný zdroj, který vysílá fotony ve všech směrech současně,“ řekl Palmerduca. On a Qin však zjistili, že to není správné, protože teorém nebere v úvahu, matematicky, že fotonová elektrická pole se mohou otáčet.

Zdroj: PPPLEurekAlert, Energy.govPhysical Review D

Vědci zkouší novou metodu jak sledovat neutrina. Dali jim příchuť

AstronomieFyzikaNovéVědaVesmír
universe, sky, starsFoto: geralt / Pixabay / Ilustrační foto
Přidání chuti pomáhá vědcům sledovat pohyb neutrin v astrofyzikálních systémech.

Složité uspořádání a velký počet neutrin ve hvězdných systémech znemožňuje jejich sledování. Jde o velký oříšek i při sledování pouhé části neutrin. Podle studie zveřejněné Úřadem pro vědecké a technické informace amerického ministerstva energetiky vědci zkoumali potenciální způsob, jak tento problém vyřešit.

Vědci doufají, že jejich aplikace v astrofyzice pomůže vyřešit dynamické rovnice, které vznikají při vzniku hvězd, supernov a dalších hvězdných systémů. Nová metoda umožňuje používat nejmodernější hydrodynamické simulační kódy. Tento přístup zahrnuje rozšíření tradičních metod výpočtu pohybu neutrin tak, aby zahrnovaly kvantově mechanickou změnu chuti. Takový přístup snižuje složitý výpočet toho, jak se neutrina chovají ve složitých systémech.

Fyzika neutrin

Při sloučení supernov, nebo vzniku neutronových hvězd, dojde k vystřelení mnoha typů chemických a fyzických prvků do prostoru. Jako poslové změn pak putují vesmírem. Od fotonů po gravitační vlny. Od neutrin po těžké prvky. Všichni tito poslové poskytují vědcům nové poznatky o fyzice hvězdných objektů.

Aby vědci mohli tyto „posly“ používat, potřebují pochopit fyziku neutrin. Protože neutrina nesou podstatnou část energie těchto systémů. Kromě toho vědci potřebují porozumět interakcím s obsahem neutrin, aby dokázali předpovědět obsah těžkých prvků, produkovaných při explozí hvězd a při slučování hvězd.

Úhlové momenty zapouzdřují celkový počet a tok neutrin do malé sady pohybových rovnic. Vědci pak mohou tyto rovnice použít k výpočtu změny „chuti“ neutrin. Snížený počet rovnic v metodě úhlového momentu nabízí cestu vpřed pro řešení problémů s transformací chuti neutrin v kompaktních astrofyzikálních objektech. Jako je sloučení neutronových hvězd.



Vědecký pohled na neutrina

Podle vědců mají neutrina kvantově mechanickou vlastnost zvanou „chuť“. Tato chuť se může při pohybu vesmírem transformovat. Hlavním úkolem při sledování fyzického pohybu neutrin je změna jejich chuti v astrofyzikálních systémech, jako jsou supernovy s kolapsem jádra a sloučení neutronových hvězd.

Foto: s laskavým svolením E. Grohse / Tiskový zdroj
Trojrozměrné obrysy kvantové koherence v simulaci neutrinového momentu. Simulace začíná náhodnými počátečními podmínkami a vyvine strukturu za méně než nanosekundu.

Cíl metody transformace chuti

Výzkumníci testovali metodu na typu transformace chuti neutrin nazývané „rychlá příchuť“, pro kterou jsou úhlové informace o neutrinech známým požadavkem pro transformaci. Výsledkem bylo, že metoda velmi dobře zachytila ​​růst transformace.

Vyhlídky na použití poloklasického přístupu založeného na úhlovém momentu k zahrnutí kvantově mechanických efektů chuti při transportu neutrin ve zbytku sloučení neutronové hvězdy lze aplikovat do takové transformace.

Vědci došli k tomuto závěru díky použití zdroje z Národního vědeckého výpočetního střediska pro energetický výzkum, oddělení pro uživatele energie. Při své práci také používali stroj Payne, který jim poskytla státní univerzita v Severní Karolíně.

Vědecká studie s otevřeným přístupem doi.org/10.1016/j.physletb.2023.138210

Fyzika potvrzuje, že „nepřítel vašeho nepřítele je skutečně váš přítel“

FyzikaFyzika-matematikaTOP 10
particles, smartphone, handFoto: geralt / Pixabay

Nová studie je první, která používá statistickou fyziku k potvrzení teorie sociální rovnováhy ze 40. let 20. století. Nyní vědci z Northwesternské univerzity použili statistickou fyziku k potvrzení teorie, která je základem tohoto slavného axiomu. Většina lidí slyšela onu slavnou větu „nepřítel mého nepřítele je můj přítel“.

Studie, zveřejněná v časopise Science Advances, potvrzuje teorii, kterou zavedl ve 40. letech 20. století rakouský psycholog Fritz Heider. Jde o teorii sociální rovnováhy, která vysvětluje, jak se lidé vrozeně snaží najít harmonii ve svých sociálních kruzích.

Podle teorie čtyři pravidla — nepřítel nepřítele je přítel, přítel přítele je přítel, přítel nepřítele je nepřítel a konečně nepřítel přítele je nepřítel — vedou k vyváženosti vztahů.

Ačkoli se bezpočet studií pokusilo tuto teorii potvrdit pomocí síťových věd a matematiky, jejich úsilí selhalo, protože sítě se odchylují od dokonale vyvážených vztahů. Skutečnou otázkou tedy je, zda jsou sociální sítě vyváženější, než by se podle adekvátního síťového modelu očekávalo. Většina síťových modelů byla příliš zjednodušená na to, aby plně zachytila ​​složitosti lidských vztahů, které ovlivňují sociální rovnováhu, což přineslo nekonzistentní výsledky ohledně toho, zda odchylky pozorované od očekávání síťového modelu jsou v souladu s teorií sociální rovnováhy.

Severozápadní tým však úspěšně integroval dva klíčové prvky, díky nimž Heiderův sociální rámec funguje. V reálném životě se všichni neznají a někteří lidé jsou pozitivnější než jiní. Výzkumníci již dlouho vědí, že každý faktor ovlivňuje sociální vazby, ale existující modely, které by mohly odpovídat pouze jednomu faktoru v daném okamžiku. Současným začleněním obou omezení výsledný síťový model výzkumníků nakonec potvrdil slavnou teorii asi 80 let poté, co ji Heider poprvé navrhl.

Užitečný nový rámec by mohl pomoci výzkumníkům lépe porozumět sociální dynamice, včetně politické polarizace a mezinárodních vztahů, a také jakémukoli systému, který obsahuje směs pozitivních a negativních interakcí, jako jsou neuronové sítě nebo kombinace léků.

„Vždy jsme si mysleli, že tato sociální intuice funguje, ale nevěděli jsme, proč to funguje,“ řekl István Kovács z Northwesternu, hlavní autor studie. „Všechno, co jsme potřebovali, bylo přijít na matematiku. Když se podíváte do literatury, existuje mnoho studií o teorii, ale není mezi nimi žádná shoda. Desítky let jsme to stále pletli. Důvodem je skutečnost, že skutečný život je komplikovaný. Uvědomili jsme si, že musíme vzít v úvahu obě omezení současně: kdo ví koho a že někteří lidé jsou prostě přátelštější než jiní.“

„Konečně můžeme dojít k závěru, že sociální sítě jsou v souladu s očekáváními, která byla vytvořena před 80 lety,“ dodal Bingjie Hao, první autor studie. „Naše zjištění mají také široké uplatnění pro budoucí použití. Naše matematika nám umožňuje začlenit omezení na připojení a preference různých entit v systému. To bude užitečné pro modelování dalších systémů mimo sociální sítě.“

Kovács je odborným asistentem fyziky a astronomie na Northwesternské Weinbergově vysoké škole umění a věd. Hao je postdoktorandský výzkumník ve své laboratoři.

Co je teorie sociální rovnováhy?

Heiderova teorie sociální rovnováhy pomocí skupin tří lidí zachovává předpoklad, že lidé usilují o pohodlné, harmonické vztahy. Ve vyvážených vztazích se mají všichni lidé rádi. Nebo, když jeden člověk nemá rád dva lidi, ti dva jsou přátelé. Nevyvážené vztahy existují, když se všichni tři lidé nemají rádi, nebo jeden člověk má rád dva lidi, kteří se nemají rádi, což vede k úzkosti a napětí. Studium takto frustrovaných systémů vedlo k udělení Nobelovy ceny za fyziku v roce 2021 italskému teoretickému fyzikovi Giorgiu Parisimu, který se o cenu podělil s klimatickými modeláři Syukuro Manabe a Klausem Hasselmannem.

„Zdá se, že je velmi v souladu se sociální intuicí,“ řekl Kovács. „Můžete vidět, jak by to vedlo k extrémní polarizaci, kterou dnes vidíme z hlediska politické polarizace. Pokud každý, koho máš rád, nemá rád všechny lidi, které nemáš rád, pak to má za následek dvě strany, které se nenávidí.“

Bylo však náročné sbírat rozsáhlá data, kde jsou uvedeni nejen přátelé, ale i nepřátelé. S nástupem Big Data na počátku 21. století se výzkumníci pokusili zjistit, zda takto podepsaná data ze sociálních sítí mohou potvrdit Heiderovu teorii. Při generování sítí pro testování Heiderových pravidel slouží jednotliví lidé jako uzly. Hrany spojující uzly představují vztahy mezi jednotlivci. 

Pokud uzly nejsou přátelé, pak je hraně mezi nimi přiřazena záporná (nebo nepřátelská) hodnota. Pokud jsou uzly přátelé, pak je hrana označena kladnou (nebo přátelskou) hodnotou. V předchozích modelech byly hranám přidělovány kladné nebo záporné hodnoty náhodně, bez respektování obou omezení. Žádná z těchto studií přesně nezachytila ​​realitu sociálních sítí.

Hledání úspěchu v omezeních

Aby tento problém prozkoumali, Kovács a Hao se obrátili na čtyři rozsáhlé, veřejně dostupné podepsané síťové datové soubory, které dříve spravovali sociální vědci, včetně dat z (1.) komentářů hodnocených uživateli na sociálním zpravodajském webu Slashdot; (2.) výměny názorů mezi členy Kongresu na půdě Sněmovny; (3.) interakce mezi obchodníky s bitcoiny a (4.) recenze produktů ze spotřebitelského webu Epinions.

Kovács a Hao ve svém síťovém modelu nepřiřadili hranám skutečně náhodné záporné nebo kladné hodnoty. Aby byla každá interakce náhodná, musel by mít každý uzel stejnou šanci na vzájemné setkání. Ve skutečném životě však ne každý ve skutečnosti zná všechny ostatní v rámci sociální sítě. Člověk se například nikdy nemusí setkat s přítelem svého přítele, který žije na druhém konci světa.

Aby byl jejich model realističtější, Kovács a Hao distribuovali kladné nebo záporné hodnoty na základě statistického modelu, který popisuje pravděpodobnost přiřazení kladných nebo záporných znamének existujícím interakcím. To udržovalo hodnoty náhodné, ale náhodné v mezích daných omezeními topologie sítě. Kromě toho, vzal tým v úvahu, že někteří lidé jsou v životě prostě přátelštější než jiní. Přátelští lidé budou s větší pravděpodobností mít pozitivnější a méně nepřátelské interakce.

Zavedením těchto dvou omezení výsledný model ukázal, že rozsáhlé sociální sítě se konzistentně shodují s Heiderovou teorií sociální rovnováhy. Model také zvýraznil vzory za třemi uzly. Ukazuje, že teorie sociální rovnováhy platí pro větší graflety, které zahrnují čtyři a možná i více uzlů.

„Teď víme, že musíte vzít v úvahu tato dvě omezení,“ řekl Kovács. „Bez nich nemůžete přijít na správné mechanismy.“ Vypadá to složitě, ale ve skutečnosti je to docela jednoduchá matematika.“

Pohledy do polarizace i mimo ni

Kovács a Hao v současné době zkoumají několik budoucích směrů této práce. V jednom potenciálním směru by nový model mohl být použit k prozkoumání intervencí zaměřených na snížení politické polarizace. Vědci však tvrdí, že tento model by mohl pomoci lépe porozumět systémům mimo sociální skupiny a spojení mezi přáteli.

„Mohli bychom se podívat na excitační a inhibiční spojení mezi neurony v mozku nebo na interakce představující různé kombinace léků k léčbě nemocí,“ řekl Kovács. „Studie sociálních sítí byla ideálním hřištěm k prozkoumání, ale naším hlavním zájmem je jít nad rámec vyšetřování interakcí mezi přáteli a podívat se na další složité sítě.“

Kód a data za tímto dokumentem „Správná randomizace sítě je klíčem k posouzení sociální rovnováhy“ jsou k dispozici na Github:  https://github.com/hbj153/signed_null


Článek byl upraven z tiskové zprávy AAAS, vědecká studie byla publikovaná v časopise Science Advances.

Vědci UTA testují kvantovou povahu gravitace v Antarktidě

FyzikaTiskové zprávyTOP 10VesmírZemě
Foto: Martin Wolf, IceCube / NSF /Tiskový zdroj
Laboratoř IceCube pod hvězdami v Antarktidě.

Einsteinova teorie obecné relativity vysvětluje, že gravitace je způsobena zakřivením směrů prostoru a času. Nejznámějším projevem je zemská gravitace, která nás drží na zemi a vysvětluje, proč jablka padají na podlahu.

Podle Eureka Alert, se vědci po několika letech pokusili sjednotit tyto dvě oblasti studia, aby dosáhli kvantového popisu gravitace. To by mělo spojit fyziku zakřivení spojenou s obecnou relativitou se záhadnými náhodnými fluktuacemi spojenými s kvantovou mechanikou.

Na druhou stranu v oblasti fyziky vysokých energií vědci studují drobné neviditelné objekty, které se řídí zákony kvantové mechaniky, vyznačující se náhodnými fluktuacemi, které vytvářejí nejistotu v pozicích a energiích částic, jako jsou elektrony, protony a neutrony. Pochopení náhodnosti kvantové mechaniky je nutné k vysvětlení chování hmoty a světla v subatomárním měřítku.

Nová studie v Nature Physics, publikovaná fyziky z Texaské univerzity v Arlingtonu, uvádí novou sondu do hlubokého rozhraní mezi těmito dvěma teoriemi využívající ultravysokoenergetické neutrinové částice detekované částicovým detektorem umístěným hluboko v antarktickém ledovci na jižním pólu.

"Výzva sjednocení kvantové mechaniky s teorií gravitace zůstává jedním z nejnaléhavějších nevyřešených problémů ve fyzice," řekl spoluautor Benjamin Jones, docent fyziky. "Pokud se gravitační pole chová podobně jako ostatní pole v přírodě, jeho zakřivení by mělo vykazovat náhodné kvantové fluktuace."

Aby tým hledal známky kvantové gravitace, umístil tisíce senzorů po celém kilometru čtverečním poblíž jižního pólu v Antarktidě, které monitorovaly neutrina, neobvyklé, ale hojné subatomární částice, které mají neutrální náboj a nemají žádnou hmotnost. Tým byl schopen studovat více než 300 000 neutrin. Hledali, zda těmto ultravysokoenergetickým částicím vadí náhodné kvantové fluktuace v časoprostoru, které by se daly očekávat, pokud by gravitace byla kvantově mechanická, protože cestují na velké vzdálenosti.

„Hledali jsme tyto výkyvy studiem chutí neutrin detekovaných observatoří IceCube,“ řekl Negi. „Naše práce vyústila v měření, které bylo mnohem citlivější než předchozí (více než milionkrát více, u některých modelů), ale nenašli jsme důkazy o očekávaných kvantových gravitačních efektech.“

Foto: UT Arlington / Tiskový zdroj
Benjamin Jones, docent fyziky na Texaské univerzitě v Arlingtonu.

Toto nepozorování kvantové geometrie časoprostoru je silným prohlášením o dosud neznámé fyzice, která funguje na rozhraní kvantové fyziky a obecné teorie relativity.

„Tato analýza představuje poslední kapitolu téměř desetiletého příspěvku společnosti UTA k observatoři IceCube,“ řekl Jones. „Moje skupina nyní provádí  nové experimenty, jejichž cílem je pochopit původ a hodnotu hmoty neutrin pomocí technik atomové, molekulární a optické fyziky.“

Článek byl upraven z tiskové zprávy AAAS, vědecká studie byla publikována v Naturephysic.

Výzkumníci úspěšně simulovali novou metodu řízení fúzního plazmatu vytvořením ostrova

FyzikaTechnologieTOP 10
Foto: KYLE PALMER / Oddělení komunikace PPPL / Tiskový zdroj
UMĚLECKÉ ZTVÁRNĚNÍ MAGNETICKÝCH OSTROVŮ.

Ve svém pokračujícím úsilí vyvinout řadu metod pro řízení plazmy, aby ji bylo možné použít k výrobě elektřiny v procesu známém jako fúze, výzkumníci z Laboratoř fyziky plazmatu v Princetonu (PPPL) amerického ministerstva energetiky (DOE) ukázali, jak lze dvě staré metody zkombinovat a poskytnout tak větší flexibilitu. 

Zatímco tyto dvě metody, známé jako elektronový cyklotronový proudový pohon (ECCD) a aplikace rezonančních magnetických perturbací (RMP), byly již dlouho studovány, je to poprvé, kdy výzkumníci simulovali, jak je lze použít společně k dosažení lepší kontroly plazmatu. 

„Je to trochu nový nápad,“ řekl Qiming Hu, výzkumný fyzik ve společnosti PPPL a hlavní autor nového článku publikovaného v Nuclear Fusion o práci, která byla také experimentálně prokázána. „Kompletní možnosti se stále zjišťují, ale náš dokument odvádí skvělou práci při prohlubování našeho chápání potenciálních výhod.“

Vědci doufají, že nakonec budou fúzi využívat k výrobě elektřiny. Nejprve budou muset překonat několik překážek, včetně zdokonalení metod pro minimalizaci výbuchů částic z plazmatu, které jsou známé jako okrajové lokalizované módy (ELMs).

„Tyto výbuchy pravidelně uvolňují trochu tlaku, protože je ho příliš mnoho. Ale tyto výbuchy mohou být nebezpečné,“ řekl Hu, který pracuje pro PPPL v DIII-D National Fusion Facility, uživatelském zařízení DOE hostovaném společností General Atomics. DIII-D je tokamak, zařízení, které využívá magnetické pole k omezení fúzního plazmatu do tvaru koblihy. ELM mohou ukončit fúzní reakci a dokonce poškodit tokamak, takže výzkumníci vyvinuli mnoho způsobů, jak se jim vyhnout.

„Nejlepší způsob, jak se jim vyhnout, je použít rezonanční magnetické perturbace neboli RMP, které generují další magnetická pole,“ řekl hlavní výzkumný fyzik PPPL Alessandro Bortolon, který byl jedním ze spoluautorů článku.
 

Magnetická pole vytvářejí ostrůvky, mikrovlny je upravují

Magnetická pole, která původně působí v tokamaku, se obtáčejí kolem plazmatu ve tvaru torusu, a to jak na dlouhou stranu, kolem vnějšího okraje, tak na krátkou stranu, od vnějšího okraje a středovým otvorem. Dodatečná magnetická pole vytvořená RMP putují plazmatem a proplétají se dovnitř a ven jako kanalizační steh. Tato pole vytvářejí v plazmatu oválná nebo kruhová magnetická pole nazývaná magnetické ostrovy.

"Normálně jsou ostrovy v plazmě opravdu, opravdu špatné." Pokud jsou ostrovy příliš velké, může to narušit samotná plazma.“

Vědci však již z experimentů věděli, že za určitých podmínek mohou být ostrovy prospěšné. Nejtěžší je generovat dostatečně velké RMP na vytvoření ostrovů. Zde přichází na řadu ECCD, což je v podstatě injekce mikrovlnného paprsku. Výzkumníci zjistili, že přidání ECCD na okraj plazmy snižuje množství proudu potřebného k vytvoření RMP nezbytných k vytvoření ostrovů.

Injekce mikrovlnného paprsku také umožnila výzkumníkům zdokonalit velikost ostrůvků pro maximální stabilitu okraje plazmatu. Metaforicky, RMP fungují jako jednoduchý světelný spínač, který zapíná ostrůvky, zatímco ECCD funguje jako další stmívač, který umožňuje výzkumníkům upravit ostrůvky na ideální velikost pro zvládnutelnou plazmu.

„Naše simulace zpřesňuje naše chápání interakcí ve hře,“ řekl Hu. „Když bylo ECCD přidáno ve stejném směru jako proud v plazmě, šířka ostrova se zmenšila a tlak na podstavci se zvýšil. Aplikace ECCD v opačném směru přinesla opačné výsledky, se zvětšováním šířky ostrůvku a poklesem tlaku na podstavci nebo usnadněním otevírání ostrůvku.

ECCD na okraji, místo jádra

Výzkum je také pozoruhodný, protože ECCD byl přidán na okraj plazmy místo jádra, kde se obvykle používá.

„Obvykle si lidé myslí, že aplikace lokalizovaného ECCD na okraji plazmy je riskantní, protože mikrovlny mohou poškodit součásti uvnitř nádoby,“ řekl Hu. „Ukázali jsme, že je to proveditelné, a prokázali jsme flexibilitu tohoto přístupu. To by mohlo otevřít nové cesty pro navrhování budoucích zařízení.“

Snížením množství proudu potřebného k vytvoření RMP by tato simulační práce mohla v konečném důsledku vést ke snížení nákladů na výrobu energie z jaderné syntézy v komerčních zařízeních pro jadernou syntézu budoucnosti.

PPPL ovládá umění používat plazmu, čtvrté skupenství hmoty, k řešení některých z nejnáročnějších světových vědeckých a technologických výzev. Náš výzkum zasazený do areálu Forrestal Princetonské univerzity v Plainsboro, New Jersey, podněcuje inovace v řadě aplikací včetně energie z jaderné syntézy, výroby v nanoměřítku, kvantových materiálů a zařízení a vědy o udržitelnosti. Univerzita spravuje laboratoř pro Úřad vědy amerického ministerstva energetiky, který je největším zastáncem základního výzkumu ve fyzikálních vědách v zemi.


Článek byl upraven z tiskové zprávy AAAS, vědecká studie byla publikovaná v časopise Jaderná fůze s volným přístupem.

Poskakující ionty baterie si pamatují, kde byly

FyzikaTechnologie

Pevné baterie ukládají a uvolňují náboj posouváním iontů tam a zpět mezi dvě elektrody. Z našeho obvyklého pohledu proudí ionty pevným elektrolytem baterie jako jemný proud. Vědci zjistili, že zdánlivě hladký tok iontů elektrolytem baterie, je překvapivě komplikovaný.

Při pohledu na atomové měřítko je tento hladký tok iluzí. Jednotlivé ionty nepravidelně přeskakují z jednoho otevřeného prostoru do druhého v prostorné atomové mřížce elektrolytu, šťouchané ve směru elektrody stálým napětím. Tyto skoky je těžké předvídat a je obtížné je spustit a odhalit.

Nyní, v první studii svého druhu, vědci dali skákajícím iontům ráz napětí tím, že je zasáhli pulzem laserového světla. K jejich překvapení většina iontů nakrátko obrátila směr a vrátila se do svých předchozích pozic, než pokračovala ve svých obvyklých, náhodnějších cestách. Byl to první náznak, že si ionty v jistém smyslu pamatovaly, kde právě byly.

Elektronický kukuřičný škrob

„Můžete si představit, že se ionty chovají jako směs kukuřičného škrobu a vody,“ řekl Andrey D. Poletayev, postdoktorandský výzkumník z Oxfordu, který pomáhal vést experiment, když byl postdoktorandem v laboratoři SLAC. „Pokud tuto směs kukuřičného škrobu jemně zatlačíme, chová se jako kapalina, ale když do něj udeříme, ztuhne. Ionty v baterii jsou jako elektronický kukuřičný škrob. Odolávají silnému otřesu způsobenému otřesem laserového světla pohybem dozadu.

„Neostrá paměť“ iontů, jak říká Poletajev, trvá jen několik miliardtin sekundy. Ale vědomí, že existuje, pomůže vědcům poprvé předpovědět, co udělají putující ionty příště, což je důležitý faktor pro objevování a vývoj nových materiálů.

Laserový přístroj sestrojený vedoucím vědcem SLAC Matthiasem C. Hoffmannem pro experimenty, které otřásly ionty procházejícími elektrolytem pevné baterie s nárazem napětí. K překvapení výzkumníků většina iontů zareagovala obrácením kurzu a skokem do svých předchozích pozic, než se vrátila na své obvyklé nevyzpytatelné dráhy – první náznak, že si v jistém smyslu pamatovali, kde byli. 

Elektrolyt určený pro rychlost

Pro své experimenty v laserové laboratoři SLAC použili vědci tenké, průhledné krystaly pevného elektrolytu z rodiny materiálů nazývaných beta-aluminy. Tyto materiály byly vůbec prvními objevenými elektrolyty s vysokou vodivostí. Obsahují malé kanálky, kde se mohou skákající ionty pohybovat rychle a mají tu výhodu, že jsou bezpečnější než kapalné elektrolyty. Beta-oxidy hlinité se používají v bateriích v pevné fázi, bateriích sodíku a síry a elektrochemických článcích.

Jak ionty proskakovaly kanály beta-oxidu hlinitého, výzkumníci je zasáhli pulzy laserového světla, které byly jen biliontiny sekundy dlouhé a poté změřili světlo, které se vrátilo z elektrolytu.  

Změnou doby mezi laserovým pulzem a měřením byli schopni přesně určit, jak se změnila rychlost a preferovaný směr iontů během několika biliontin sekundy po nárazu laseru.

Zvláštní a neobvyklé

„V procesu iontového skákání se děje mnoho podivných a neobvyklých věcí,“ řekl Stanfordský profesor Aaron Lindenberg, vyšetřovatel Stanfordského institutu pro materiálové a energetické vědy (SIMES), který vedl studii.

„Když aplikujeme sílu, která otřese elektrolytem, ​​iont nereaguje okamžitě jako u většiny materiálů,“ řekl. „Ion tam může chvíli sedět, najednou vyskočit a pak tam zase nějakou dobu sedět.“ Možná budete muset nějakou dobu počkat a pak najednou dojde k obrovskému posunu. Takže v tomto procesu je prvek náhodnosti, který tyto experimenty ztěžuje.“

Až dosud se vědci domnívali, že způsob, jakým se ionty pohybují, byl klasickou „náhodnou chůzí“. Strkají se, narážejí a bouchají do sebe, jako když se opilý člověk potácí po chodníku, ale nakonec dosáhnou nějakého cíle způsobem, který pozorovateli připadají záměrné. Nebo si vzpomeňte na skunk vypouštějící páchnoucí sprej do místnosti plné lidí. Molekuly ve spreji se náhodně tlačí a srážejí, ale až příliš rychle se dostanou k vašemu nosu.

Pokud jde o poskakující ionty, „ten pohked se v atomovém měřítku ukazuje jako špatný,“ řekl Poletajev, „ale to není chyba lidí, kteří k tomuto závěru došli. Jde jen o to, že výzkumníci tak dlouho zkoumali transport iontů pomocí makroskopických nástrojů a nemohli pozorovat to, co jsme viděli v této studii.

Objevy v atomovém měřítku, které zde byly učiněny, řekl, „pomohou překlenout propast mezi atomovými pohyby, které můžeme modelovat v počítači a makroskopickým výkonem materiálu, což náš výzkum tak zkomplikovalo.

—————————————————————————————

SLAC je pulzující multiprogramová laboratoř, která zkoumá, jak funguje vesmír v největším, nejmenším a nejrychlejším měřítku, a vynalézá výkonné nástroje používané vědci po celém světě. S výzkumem zahrnujícím částicovou fyziku, astrofyziku a kosmologii, materiály, chemii, bio- a energetické vědy a vědecké výpočty pomáháme řešit problémy reálného světa a prosazovat zájmy národa.

Článek byl upraven z tiskové zprávy AAAS. Výzkumný tým z Národní laboratoře akcelerátorů SLAC Ministerstva energetiky, Stanford University, Oxford University a Newcastle University popsal svou studii v Nature.

Nová metoda měření qubitů slibuje snadnou škálovatelnost v mikroskopickém balení

FyzikaTechnologie

Honba za stále vyšším počtem qubitů v krátkodobých kvantových počítačích neustále vyžaduje nové inženýrské výkony. Mezi problematické překážky tohoto závodu na vzestupu patří vylepšování způsobu měření qubitů.

K provádění těchto měření se tradičně používají zařízení nazývaná parametrické zesilovače. Ale jak název napovídá, zařízení zesiluje slabé signály zachycené z qubitů, aby provedlo čtení, což způsobuje nežádoucí šum a může vést k dekoherenci qubitů, pokud není chráněno dalšími velkými součástmi. Ještě důležitější je, že objemná velikost zesilovacího řetězce se stává technicky náročným, protože se zvyšuje počet qubitů v chladničkách s omezenou velikostí.

Nová metoda měření

K nelibosti mnoha fyziků Heisenbergův princip neurčitosti určuje, že nelze současně přesně znát polohu a hybnost signálu nebo napětí a proud. Tak je tomu u qubitových měření prováděných s parametrickými napěťově-proudovými zesilovači. Ale bolometrické snímání energie je zásadně odlišný druh měření, sloužící jako prostředek k vyhnutí se Heisenbergově nechvalně známému pravidlu. Vzhledem k tomu, že bolometr měří výkon neboli počet fotonů, není vázán přidávat kvantový šum pramenící z Heisenbergova principu neurčitosti tak, jako to dělají parametrické zesilovače.

Na rozdíl od zesilovačů bolometry velmi jemně snímají mikrovlnné fotony emitované z qubitu prostřednictvím minimálně invazivního detekčního rozhraní. Tento tvarový faktor je zhruba 100krát menší než jeho protějšek zesilovače, díky čemuž je mimořádně atraktivní jako měřicí zařízení.

„Když uvažujeme o nejvyšší kvantové budoucnosti, je snadné si představit, že by vysoké počty qubitů v tisících nebo dokonce milionech mohly být běžné. Pečlivé vyhodnocení půdorysu každé součásti je pro toto masivní zvětšení naprosto nezbytné.

„S drobnými úpravami bychom mohli očekávat, že bolometry budou dosahovat požadované 99,9% přesnosti jednorázového záběru za 200 nanosekund. Můžeme například vyměnit materiál bolometru z kovu na grafen, který má nižší tepelnou kapacitu a dokáže rychle detekovat velmi malé změny ve své energii. A odstraněním dalších nepotřebných součástí mezi bolometrem a samotným čipem můžeme nejen dosáhnout ještě většího zlepšení věrnosti odečtu, ale můžeme dosáhnout menšího a jednoduššího měřicího zařízení, díky kterému je škálování na vyšší počty qubitů proveditelnější,“ říká András Gunyhó, první autor článku a doktorandský výzkumník ve skupině QCD.

Než výzkumná skupina QCD ve svém nejnovějším článku prokázala vysokou věrnost jednorázového čtení bolometrů, v roce 2019 nejprve ukázala, že bolometry lze použít pro ultracitlivá mikrovlnná měření v reálném čase. V roce 2020 pak zveřejnili článek ukazující jak bolometry vyrobené z grafenu dokážou zkrátit časy čtení hluboko pod mikrosekundu.

Práce byla provedena ve Finském výzkumném centru excelence pro kvantové technologie (QTF) s využitím výzkumné infrastruktury OtaNano ve spolupráci s VTT Technical Research Centre of Finland a IQM Quantum Computers.

Článek byl upraven z tiskové zprávy AAAS,  výzkum naleznete v odborném časopise Nature doi.org/10.1038/s41928-024-01147-7 (2024).

Průlom Stockholmské univerzity, laser dokáže přeměnit materiály na magnetické při pokojové teplotě

FyzikaTOP 10Věda
Foto: NADACE KNUTA A ALICE WALLENBERGOVÝCH/MAGNUS BERGSTRÖM/Volný zdroj z tiskové zprávy
STEFANO BONETTI VE SVÉ LABORATOŘI NA STOCKHOLMSKÉ UNIVERZITĚ.

Potenciál kvantové technologie je obrovský, ale dnes je z velké části omezen na extrémně chladná prostředí v laboratoři. Nyní se vědcům ze Stockholmské univerzity, Severského institutu pro teoretickou fyziku a Univerzity Ca‘ Foscari v Benátkách podařilo vůbec poprvé prokázat, jak může laserové světlo vyvolat kvantové chování při pokojové teplotě a učinit nemagnetické materiály magnetickými.

Očekává se, že tento průlom vydláždí cestu pro rychlejší a energeticky účinnější počítače, přenos informací a ukládání dat. Vědci předpokládají, že během několika desetiletí pokrok kvantové technologie způsobí revoluci v několika nejdůležitějších oblastech společnosti a připraví cestu pro zcela nové technologické možnosti v oblasti komunikace a energetiky.

Primární zájem pro výzkumníky v této oblasti jsou zvláštní a bizarní vlastnosti kvantových částic, které se zcela odchylují od zákonů klasické fyziky a mohou učinit materiály magnetickými nebo supravodivými. Zvýšením pochopení toho, jak a proč přesně tento typ kvantových stavů vzniká, je cílem být schopen řídit a manipulovat s materiály za účelem získání kvantově mechanických vlastností. 

Dosud byli vědci schopni vyvolat kvantové chování, jako je magnetismus a supravodivost, pouze při extrémně nízkých teplotách. Proto je potenciál kvantového výzkumu stále omezen na laboratorní prostředí. Nyní výzkumný tým ze Stockholmské univerzity ve spolupráci s dalšími univerzitami z dalších zemí, jsou prvními na světě, kteří v experimentu demonstrují, jak může laserové světlo vyvolat magnetismus v nemagnetickém materiálu při pokojové teplotě.

„Inovace této metody spočívá v konceptu nechat světlo pohybovat atomy a elektrony v tomto materiálu kruhovým pohybem, aby se generovaly proudy, díky nimž je materiál magnetický jako magnet lednice. Dokázali jsme to udělat vývojem nového světelného zdroje ve vzdálené infračervené oblasti s polarizací, která má tvar „vývrtky“. Je to poprvé, co se nám v experimentu podařilo navodit a jasně vidět, jak se materiál při pokojové teplotě stává magnetickým. Kromě toho náš přístup umožňuje vyrábět magnetické materiály z mnoha izolátorů, přičemž magnety jsou obvykle vyrobeny z kovů. Z dlouhodobého hlediska to otevírá zcela nové aplikace ve společnosti,“ říká vedoucí výzkumu Stefano Bonetti ze Stockholmské univerzity a z Ca‘ Foscari University of Venice.

Metoda je založena na teorii „dynamické multiferroicity“, která předpovídá, že když se atomy titanu „rozvíří“ kruhově polarizovaným světlem v oxidu na bázi titanu a stroncia, vytvoří se magnetické pole. Ale teprve nyní lze teorii potvrdit v praxi. Očekává se, že průlom bude mít široké uplatnění v několika informačních technologiích.

Severský institut pro teoretickou fyziku (NORDITA) je institut pro spolupráci mezi pěti severskými zeměmi. Od roku 2007 se Nordita nachází v univerzitním kampusu Albanova ve Stockholmu, přičemž hostitelskými univerzitami jsou Stockholmská univerzita a KTH Royal Institute of Technology.

Výzkumný tým ze Stockholmské univerzity, Nordic Institute of Theoretical Physics (NORDITA)* ve Švédsku, University of Connecticut a SLAC National Accelerator Laboratory v USA, National Institute for Materials Science v Tsukuba, Japonsko, Elettra-Sincrotrone Terst, římská univerzita „Sapenza“ a univerzita Ca‘ Foscari v Benátkách v Itálii.


Článek byl upraven podle tiskové zprávy AAAS, vědecký výzkum naleznete pod značkou DOI10.1038/s41586-024-07175-9

Přehled ochrany osobních údajů

Tyto webové stránky používají soubory cookies, abychom Vám mohli poskytnout co nejlepší uživatelský zážitek. Informace o souborech cookie se ukládají ve vašem prohlížeči a plní funkce, jako je rozpoznání, když se na naše webové stránky vrátíte a pomáhají našemu týmu pochopit, které části webových stránek považujete za nejzajímavější a nejužitečnější.


Warning: Undefined array key "sssp-ad-overlay-priority" in /data/web/virtuals/326454/virtual/www/wp-content/plugins/seznam-ads/includes/class-seznam-ssp-automatic-insert.php on line 276