Techblog - Fyzika

První zpochybnění Einsteinovy relativity

(Aktualizováno 20. 4. viz dolů) Tak jsme se konečně dočkali. Poprvé se serióznímu vědeckému týmu povedlo provést experiment, který doslova bourá Einsteinovu obecnou relativitu. Jeho výsledek se od předpovědí liší o dvacet řádů.

Záhadné gravitomagnetické pole

Několik týmů vědců sdružených při ESA studovalo gravitomagnetické pole v blízkosti kroužku supravodiče, který roztáčeli z klidu až na 6500 ot./min. Rotující supravodič vytváří slabé magnetické pole nazývané Londonův moment. Výzkumníci chtěli otestovat, zda jejich nová teorie korigující drobné odchylky hmotnosti Cooperových párů (Dvojice elektronů, která je nositelkou proudu v nízkoteplotních supravodičích.) předpovězených kvantovou teorií je správná. Zahrnuli tedy do výpočtů vliv rotujícího gravitomagnetického pole a tento jev nazvali gravitomagnetický Londonův moment, protože je to obdoba magnetického Londonova momentu zmíněného výše. Ke kroužku připevnili několik akcelerometrů, začali jej roztáčet a s napětím očekávali výsledky.

Šokující výsledky

Credit:ESA

Experiment je obdobou tvorby magnetického pole průchodem elektrického proudu cívkou. Vědci skutečně zjistili, že rotující supravodivý kroužek generuje silné gravitomagnetické pole. Vyhodnocení měření bylo překvapující. Přestože naměřené zrychlení bylo pouhou sto milióntinou gravitačního zrychlení, bylo sto miliónů biliónů (10²⁰) krát větší, než pole předpovězené Einsteinovou teorií obecné relativity. Výzkumníci nemohli svým výsledkům ani uvěřit.

Během tří let bylo provedeno 250 experimentů, vylepšovalo se měřící zařízení a dalších osm měsíců byla probírána správnost výsledků. Až poté se vědci odhodlali k publikaci šokující zprávy. Souběžně s tím pracovali na teoretickém vysvětlení jevu. Předpokládají, že vysvětlení naleznou v analogii s supravodivostí.

Potvrdí se experiment?

Nyní už si pouze počkáme, zda se povede potvrdit experiment nezávisle v jiné laboratoři. Pokud ano, bude to první krok k nahrazení obecné relativity přesnější teorií. Když jsem nedávno psal článek o testování kvantové gravitace, netušil jsem, že vědci budou mít tak brzy příležitost napasovat své různé "super" a "M" teorie na nějaký experiment. Je poněkud zvláštní, že ačkoliv od publikace tiskové zprávy z 23. března 2006 Kompletní vědecká zpráva (PDF 390 kB) uplynul již téměř měsíc, v masových ani populárně vědeckých mediích jsem žádný ohlas nezaznamenal.

Schéma testovacího zařízení použitého k testování a následnému vyvrácení předpovědí Einsteinovy obecné relativity (Credit: ESA)
Zvětšit

Také by mě zajímalo, jak reagují ostatní gravitační teoretici. Bude zpráva odsouzena, nadšeně přijata, nebo bude dlouhé ticho po pěšině, nikdo nebude moci teorii zpochybnit, ale bude se bát dát to najevo podobně jako v případě publikace zprávy popisující možnosti cestování v čase pomocí červích děr?

Antigravitační pohon na obzoru

Jelikož o této fyzice nic nevím, netroufám si tvrdit, že právě tento zaznamenaný jev bude mít široké uplatnění. Neodpustím si však poznámku o tom, že na obzoru vidím skvělý antigravitační pohon vesmírných lodí, skoncování s podvozky všech dopravních prostředků (Na co podvozek, když se budeme moci pohodlně a nekodrcavě pohybovat libovolným terénem – na našich silnicích se to hodilo již dnes.) nebo přinejmenším antigravitační zvedák těžkých břemen.

Update 20. 4. 2006 Doporučuji k přečtení, co si o tomto výzkumu myslí ti, kteří fyzice dobře rozumí, na fóru Aldebaranu.

Testování kvantové gravitace

Standardní model kvantové fyziky je nejlépe otestovanou vědní teorií současnosti. Další teorie, které se jej snaží sjednotit s Einsteinovou obecnou relativitou zatím nebylo jak testovat. Vědci ale přišli na to, že je otestovat lze při explozi masivní hvězdy.

Souboj smyčkové teorie gravitace, superstrun a dalších

Na finální teorii kvantové gravitace existuje několik kandidátů. Jsou to především M-teorie jejiž součástí je teorie superstrun, smyčková teorie gravitace, teorie supergravitace a další. Teorie jsou to komplexní, problém je s jejich testováním. Od začátku jsou vymýšleny se záměrem, aby v dosažitelných podmínkách dávaly stejné výsledky jako obecná relativita a extrémních podmínek, kde se předpovědi liší, nejsme schopni dosáhnout. Přesto se pomalu snažíme překročit stín Einsteina a dokázat, že jeho dnes téměř sto let stará teorie, nedává vždy správné předpovědi. Zkoušíme to různými způsoby. Zatím pouze tak, že v dostupných "gravitačních podmínkách" extrémně zvyšujeme přesnost měření. Nyní vědci chtějí otestovat smyčkovou teorii gravitace na vzdálenost mnoha tisíc světelných let. Jak?

Explodující a kolabující hvězda testuje teorii

Teoretici na základě smyčkové teorie gravitace předpověděli, že krátce před explozí velmi masivní hvězdy (více než 4 krát těžší než Slunce), jejíž kolabující jádro vytvoří černou díru, dojde ke krátkému zastínění hvězdy, které Einsteinova teorie nepředpokládá. Vědci doufají, že program na sledování vysokoenergetických částic EUSO Evropské kosmické agentury by po roce 2010 jejich výpočty potvrdil.

Každopádně na teorii kvantovou teorii gravitace případně teorii všeho si ještě dlouho počkáme.

Jak létá hmyz – proč čmelák může létat

Od doby, kdy někdo prohlásil, že čmelák ani včela nemohou létat, rádi říkáme, že to dotyčný hmyz určitě neví, a proto létá. Nyní nastal čas, abychom řekli včelkám a čmelákům: Už můžete létat.

Klasická aerodynamika let čmeláka nevysvětlí

Domněnka o nemožnosti letu čmeláka a včely pramení z toho, že kdosi použil aerodynamiku, která se osvědčila u všech současných letadel a vrtulníků, na malý hmyz. Je to něco podobného, jako byste šli s klasickou fyzikou na kvantové jevy – vycházely by úplné nesmysly. Jak jsme na začátku dvacátého století objevovali kvantovou mechaniku, tak teprve nyní pronikáme do záhad letu hmyzu. Dnes umíme zjistit chování letadel s komplikovaným tvarem křídla při různých rychlostech a úhlech náběhu. Výpočty dobře souhlasí s praxí. Co se stane, když totéž použijeme pro křídla včely? Proč to nefunguje? Teorie aplikované na velká letadla pracují zejména se statickým obtékáním profilu křídla. Nabíhající proud vzduchu má konstantní rychlost a nanejvýš zahrnujeme změnu úhlu náběhu v jednotkách stupňů. Ale obyčejná včela mávne křidélky asi dvěstěkrát za sekundu. Dokážete si jistě představit, jaké vzdušné víry, i když miniaturní, vznikají. A to je důvod, proč klasická aerodynamika selhává a zároveň v tom spočívá kouzlo čmeláčího letu.

Tři kouzla udrží čmeláka ve vzduchu

Teprve na konci dvacátého století jsme začali pomalu pronikat do tajů hmyzího letu. Objevili jsme tři základní druhy vzniku vztlaku, které běžné teorie nezahrnují, ale pro včely a čmeláky jsou klíčové. Tyto tři jevy popisují síly vznikající za letu hmyzu s velmi malými odchylkami.

Nedříve vědci přišli na to, že hmyzí křídla nejsou obtékána laminárně ani turbulentně, nýbrž převážně vírově. Vírové proudění bylo poprvé popsáno až začátkem devadesátých let. Narozdíl od laminárního a turbulentního proudění zde nesledují proudnice ani přibližně tvar obtékaného profilu, ale na podtlakové (v běžné poloze horní) části se vytvoří vír. To nastane při velkém úhlu náběhu křídla vůči vzduchu. Při vírovém proudění je vztlak výrazně vyšší než u jiných druhů, ale dopředný odpor je také velký, tudíž křídla velkých letadel takto obtékaná nikdy nebudou.

Proudnice kolem vírově obtékané desky

Později výzkumníci objevili, že pouhé vírové proudění by stále včelu/čmeláka neuneslo a vypočtené hodnoty vztlaku se stále neshodovali s experimentálními naměřenými na modelu mávajících muších křídel. Pátrali dále a přišli na to, že se křidélka při rychlém pohybu nahoru a dolů dostávají do oblasti, kde je vzduch rozvířen od předchozího mávnutí – takzvaného úplavu. Když to zahrnuli do výpočtů, výrazně se přiblížili naměřeným hodnotám. Včely už skoro mohly létat. Scházelo vysvětlit maxima sil v horní a dolní poloze křídel, kde rychlost mávání mění směr.

Tento jev je asi nejsložitější. Je způsoben tím, že včelka, čmelák nebo jakýkoliv "hmyzák" v horní a dolní "úvrati" natáčí křídlo kolem jeho nejdelší osy o poměrně velký úhel. Potom u křídla nastane obdoba Magnusova efektu, který například způsobuje falše u vhodně nakopnutých fotbalových míčů či správně odehraných ping-pongových míčků. Na jedné straně rotujícího tělesa je rychlost pohybu vůči okolí vyšší než na druhé a to způsobí rozdíl tlaků na protilehlých stranách , a tím zatáčení ve směru kolmém na osu rotace. Válec rovnoběžný se zemí roztočený na velké otáčky (Flettnerův rotor) s nějakou počáteční dopřednou rychlostí by mohl nést i letadlo místo křídla. Takové pokusy probíhaly jak na letadlech, tak na lodích (válec umístěný svisle místo plachet). Mezi kulatým tvarem válce či koule a plochým hmyzím křídlem je zásadní rozdíl, ale princip vzniku síly je obdobný.

Magnusův efekt znázorněný na obtékání rotujícího válce se zobrazením výsledné síly. Obtékání křídla hmyzu je podstatně složitější.
Credit: Ruprecht Nennstiel

Po odhalení těchto tří jevů, jsme schopni vysvětlit let malého hmyzu s rychle mávajícími křídly. Vážky se dvěmi páry velkých křídel jsou něco jiného, i když výše uvedené se u nich projevuje také.

Jak létá včela

Nedávno se vědci zaměřili přímo na let včely. Natáčeli její let kamerou rychlostí 2 tisíce snímků za sekundu. Záběry poté analyzovali a zjistili, že včela mává křídly v rozpětí pouhých 90° s frekvencí přibližně 230 mávnutí za sekundu. Mouchy a podobný hmyz mává v rozpětí přesahujícím 100°, někdy se přiblíží 180° s frekvencí v závislostí na velikosti. Čím menší "muška", tím rychleji mává. Moskyt zvládne v jedné sekundě 400 mávnutí. Vzhledem ke své velikosti mává včelka velmi rychle. Osmdesátkrát lehčí pestřenka v jedné sekundě stihne o 30 kmitů méně.

Co se stane, když včelka nabere zásobu nektaru a pylu a stane se skoro dvakrát těžší? Na první pohled by se zdálo, že začne křídly kmitat rychleji. Pravdou je, že pouze zvětší oblouk, ve kterém křidélky mává. Energeticky efektivnější by při tom skutečně bylo zvýšení frekvence. To však včelka neumí, protože ji v tom brání konstrukce svalů, která je přizpůsobena kmitaní na 230 Hz. Ostatně právě svaly mají včely odlišné od jiných druhů hmyzu, takže si létají po svém.

Robotická včela

Cílem výzkumu je poznat plně aerodynamiku a mechaniku letu hmyzu nejen z čisté zvědavosti, ale zvláště proto, abychom mohli v budoucnu vyrobit létajícího mikrorobota – robotickou včelu nebo mouchu. Ty by sice mohly sloužit pro zábavu, vybavené kamerou k vyhledávání lidí v nepřístupných prostorách nebo také pravděpodobněji k vojenským účelům. Malá dálkově ovládaná muška s kamerou a mikrofonem je ideální pro odposlech a špionáž. Velmi nepříjemné by bylo, kdyby místo kamery nesla chemické nebo biologické zbraně. Několik much by snadno zlikvidovalo přesně vybrané oběti.

Ať už se z robotického hmyzu vyvine cokoliv, už nikdo nemůže říct, že by čmelák nebo včela neměla létat. Už víme, že létat mohou a žádná teorie jim v tom nebrání.

Další informace

• Wing Rotation and the Aerodynamic Basis of Insect Fligh (18. 6. 1999) – Rotace křídla a základy aerodynamiky letu hmyzu. Článek je přístupný po registraci zdarma.
• Unsteady aerodynamic performance of model wings at low Reynolds numbers (pdf 239 kB) (17. 8.1992) – Nestabilně aerodynamická výkonnost modelů křídel při nízkých Reynoldsových číslech
• Measuring wing kinematics, flight trajectory and body attitude during forward flight and turning maneuvers in dragonflies (29. 11. 2002) – Měření kinematiky křídel, trajektorie letu a tělesných poměru během dopředného letu a otáčení vážek
• The Flight of the Bumblebee – Let čmeláka – stručné shrnutí vývoje kolem "záhady" letu čmeláka
• Scientists Finally Figure Out How Bees Fly (9. 1.2005) – Jeden z mnoha článků, který ohlašuje vyřešení "záhady" letu včely
• Dickinson Lab – Laboratoř snažící se vyrobit robotický hmyz

Je studená fúze realita nebo podvod?

První informace o uskutečnění studené bublinkové fúze pocházejí z roku 2002. Od té doby se jí nepodařilo nezávisle zopakovat, a tak vědci stále zůstávají skeptičtí ohledně toho, je-li vůbec možná. Co ukázaly poslední experimenty?

Problémový experiment

Bublinky svítící sonoluminiscencí ve tmě. To, že svítí, neznamená, že probíhá fúze.
Credit: University of Illinois

Princip experimentu, při kterém vznikají při implozi bublinek v kapalině světelné záblesky iniciované vnějším zdrojem neutronů, jsem popsal před půl rokem v článku Bublinková fúze. Tehdy měla být studená fúze potvrzena vznikem tritia a zachycením neutronů s tou pravou energií, která by odpovídala jejich vzniku při jaderné fúzi. Oponenti, ale stále nevěří, že kontroverzní Rusi Taleyarkhan zachytil neutrony pocházející z experimentu. Argumentují tím, že nebyly odstíněny přírodní zdroje neutronů a že dokonce nebyly vůbec monitorovány. Také tvrdí, že zachycené neutrony spíše vznikají dopadem kosmického záření, než studenou fúzí. Na to se dočkali odpovědi, že v větší vzdálenosti od "fúzní nádoby" byla koncentrace menší. Aby vyvrátil pochyby, Taleyarkhan nyní pokus upravil tak, že nepoužívá vnější zdroj neutronů, ale uranové soli přímo uvnitř roztoku. To však znemožní detekci tritia.

Přijďte se podívat na studenou fúzi

Problém se studenou fúzí je ten, že se ji povede realizovat jen někdy. Na to narazili ti, kteří se jí pokusili reprodukovat. Sám Taleyarkhan ve svých zprávách neuvádí, v kolika případech se mu jí podařilo nastartovat. Aby přesvědčil o serióznosti svého bádání pozval Taleyarkhan své největší dva oponenty pány Suslicka a Puttermana do své laboratoře, aby si fúzi prohlédli na vlastní oči. Uvidíme, jestli to jejich pochyby rozptýlí. Napadlo mě, že různí panovníci se chlubili svým perpetum mobile, které za zdí někdo poháněl. Lepší vypovídací schopnost by mělo, kdyby Taleyarkhan přišel do laboratoře oponentů a funkci experimentu předvedl tam.

Ať už je bublinková jaderná fúze zfalšovaná nebo ne, teoreticky je studená fúze možná a záleží jen na nás, zda přijdeme na nějakou metodu, jak ji realizovat. I kdyby byl experiment v pořádku, tak se při něm vytvoří výrazně menší množství energie, než se spotřebuje na jeho nastartování. Tokamaky mají sice stejný problém, ale zásadní rozdíl je v tom, postavit tokamak stojí miliardy dolarů, zatímco bublinkovou fúzi uskutečníte na stole se zařízením za maximálně tisíce dolarů. Která varianta fúze má blíže k praktickému využití se jen tak nedovíme.

Čerpal jsem zejména z článku Desktop fusion is back on the table (10. 1. 2006), který však je nebo brzy bude dostupný pouze po zaplacení, nějaké informace naleznete v tiskové zprávě. Detailnější popis historie vývoje problémů kolem bublinkové fúze najdete na Wikipedii pod termínem Bubble fusion.

Studené plazma proti biologickým zbraním

Studené plazma se poměrně běžně využívá ke sterilizaci. Pro široké použití je vhodné, aby zdroj plazmy byl jednoduchý malý a levný. Takové zařízení by mohlo znamenat účinnou obranu proti biologickým zbraním.

Plazmová tužka

Studené plazma z nového zařízení v kontektu s pletí
Credit: Applied Phys. Lett.

Vědci sestrojili zařízení na výrobu studené plazmy, které se vejde do dlaně. Studená plazma se vyrábí tak, že mezi dvě kruhové elektrody o průměru 2,5 cm s malým otvorem uprostřed se vstřikuje proud hélia. V prostoru mezi elektrodami se ionizuje a promění na nízkoteplotní plazma mikrosekundovými pulsy elektrického napětí a vystupuje otvorem v druhé elektrodě jak je vidět na obrázku níže. Délka plamenu je až 5 centimetrů a může být regulována změnou vzdálenosti elektrod, změnou rychlostí vstřikovaného plynu nebo změnou napětí. Zásadní výhodou této koncepce je, že se plyn nezahřívá a nedochází ke vzniku elektrického oblouku. Takže se plazmy můžete dotknout i holou rukou.

Použití studené plazmy není nové. Používá se zejména ke sterilizaci – tedy zabíjení bakterií v potravinářství nebo také u medicíského příslušenství a nástrojů. Nová konstrukce zjednoduší a zlevní jeho použití. Zdroj elektrického napětí je u všech zařízení obdobný, takže to zcela přelomový objev není – spíše jednoduché vylepšení.

Co je studené plazma

Schéma funkce nového zařízení na výrobu studeného plazma
Credit: Applied Phys. Lett.

Jakékoliv plazma je v podstatě ionizovaný plyn, který se navenek jeví elektricky neutrálně. V plazmovém objektu se nosiče náboje (ionty atomů a elektrony) pohybují nezávisle na sobě, takový útvar je elektricky vodivý a jako celek reaguje na vnější elektrická či magnetická pole. Se "skoro plazmou" se setkáváme zcela běžně v podobě plamene, kterým je velmi slabě ionizované plazma, ale nereaguje na vnější elektromagnetická pole.

Studené plazma má také podíl ionizovaných částic malý – asi jedno procento. Teplota iontů je blízká okolní teplotě, ale rychlost pohybu elektronů odpovídá teplotám několik tisíc stupňů. Jelikož jsou málo hmotné, je vliv jejich teploty na navenek projevovanou teplotu plazmatu jako celku nízký.

Obrana proti biologickým zbraním

Plazma likviduje bakterie tím, že nabité částice a vysokorychlostí elektrony naruší jejich buňečný obal. Už dnes se plazmou čistí voda i vzduch, ale při zjednodušení její výroby, by snadno taková zařízení v případě hrozby biologického útoku, mohla hromadně nasadit a zabránit velkým ztrátám na životech. Je třeba zvážit, zda neexistují efektivnější způsoby ochrany, ale každá varianta je dobrá. Použití v potravinářství a medicíně je užitečné již dnes.