Fyzikální výročí související s kosmickým výzkumem

[VitezslavSkorpik]

6. května 2016 by měl své 100 narozeniny významný americký astrofyzik a kosmolog Robert Dicke, jeden ze spoluautorů předpovědi reliktního záření:

Narodil se v roce 1916 v St. Louis ve státě Missouri. Studovat začal na Princeton University, kde získal titul bakaláře. K dalšímu studiu přešel na University of Rochester, kde v roce 1939 získal doktorát z jaderné fyziky.
Po dokončení doktorátu pracoval na armádním výzkumu v Massachusetts Institute of Technology's Radiation Laboratory. Podílel se zde na vývoji radaru a navrhl radiometr a mikrovlnný přijímač.

Po skončení II. světové války v roce 1946 se vrátil na Princeton, kde setrval až do důchodu. Ve druhé polovině 40. let se zabýval především atomovou fyzikou, například měřením vlastností elektronů. Jeho nejdůležitějším příspěvkem fyzice z té doby je ale objev takzvaného Dickeho efektu, též známého jako Dickeho zúžení. Tento jev Jestliže je střední volná dráha atomu výrazně menší než vlnová délka jeho přechodu záření, dochází k časté změně rychlosti a směru pohybu atomu při současném vyzařování a pohlcování fotonu. To vede k vyzařování velmi úzkých spektrálních čar. Dickeho zúžení při nízkých tlacích ve spektru mikrovln s milimetrovou vlnovou délkou. Tento jev je analogický Mössbauerovu efektu, který platí pro gama záření, a užívá se v atomových hodinách pro zvýšení jejich přesnosti.

V roce 1956 Dickeho napadla možnost výroby infračerveného laseru na kterou si vzápětí podal patent. Ten mu byl uznán v roce 1958, tedy ve stejné době, kdy patent dostali i Charles H. Townes a Arthur L. Schawlow, oba dva pozdější nositelé Nobelovy ceny za laserovou fyziku.

Další část kariéry věnoval problematice testování obecné teorie relativity. V roce 1957 navrhl vlastní teorii gravitace inspirovanou Machův princip a Diracovou prací o gravitační konstantě. Paul Dirac si všiml, že hodnota Gravitační konstanta je přibližně shodná s věkem vesmíru v určitých jednotkách. A domníval se, že se její hodnota musí tedy měnit. Dicke si uvědomil, že jde o výběrový efekt, v době kdy tato rovnost neplatí nemůže ve vesmíru existovat život. Jedná se o první použití slabého antropického principu ve fyzice.
Tyto myšlenky o 4 roky později vedly k dokonalejší teorii gravitace, kterou předložili s Carlem H. Bransem a dnes se nazývá Brans-Dickeho. Tato modifikuje princip ekvivalence platný v Obecné teorii relativity. Zkoumal rovněž jeden z klasických důkazů obecné teorie relativity, tedy posun perihelia Merkuru.

V roce 1965 odvodili Dicke a James Peebles při práci na obecné relativitě, nezávisle na polozapomenuté dřívější předpovědi z roku 1948 Alphera a George Gamowa, existenci reliktního záření.
Dicke, Peter Roll a David T. Wilkinson začali budovat radiometr, aby toto záření našli, byli však předstiženi náhodným objevem z Bellovy laboratoře, který uskutečnili Arno Allan Penzias a Robert Woodrow Wilson. Nicméně práce Dickeho a Peeblese byla velmi podstatná pro pochopení důsledků objevu z Bellových laboratoří.

V 70. letech se podílel na výzkumu celkové energetické bilance vesmíru. Tvrdil, že vesmír musí mít hustotu velmi blízkou hustotě kritické, čímž míníme hustotu potřebnou pro zastavení expanze vesmíru. Občas toto bylo nazýváno Dickeho náhoda. Nicméně posléze tyto jeho myšlenky byly vyvráceny dalším pokrokem ve fyzice.

Dicke byl ženatý, měl dva syny a dceru. Jeho práce byla oceněna například v roce 1970, když získal National Medal of Science nebo o 3 roky později, kdy se stal laureátem Comstockovy ceny od National Academy of Sciences.
Zemřel 4. března 1997 ve věku 80 let.

[indian22]

To Dickovo zúžení (osobně mám ale radši označení Dickův jev nebo efekt) je IMHO popsáno poněkud zavádějícím způsobem.
Přesněji jde o to, že pokud atom ovšem i molekula stihne během vyslání jedné elektromagnetické vlny změnit směr svého pohybu mnohokrát po sobě, tak dojde ke zprůměrování vysílané nebo přijímané energie (a tím samozřejmě vlnové délky), důsledkem je že energie jednotlivých fotonů si jsou bližší než za běžných (pro nás) okolností. To celé se pak projeví jako ono zúžení spektrální čáry.

https://en.wikipedia.org/wiki/Dicke_effect

Pokud jde o tu analogii s Mössbauerovým jevem, byl bych také opatrný. Je sice pravda, že i tady jde o zúžení spektrální čáry, při velmi nízkých teplotách, ale vnitřní mechanizmus je jiný.

http://www.aldebaran.cz/glossary/print.php?id=222

Jinak ale dobrý vlákno. Jelikož se kosmologie a astrofyzika (tam je to jasné už z názvu) právě z fyzikou často prolínají, tak si myslím, že bude prospěšné.

[VitezslavSkorpik]

To Dickovo zúžení (osobně mám ale radši označení Dickův jev nebo efekt) je IMHO popsáno poněkud zavádějícím způsobem.
Přesněji jde o to, že pokud atom ovšem i molekula stihne během vyslání jedné elektromagnetické vlny změnit směr svého pohybu mnohokrát po sobě, tak dojde ke zprůměrování vysílané nebo přijímané energie (a tím samozřejmě vlnové délky), důsledkem je že energie jednotlivých fotonů si jsou bližší než za běžných (pro nás) okolností. To celé se pak projeví jako ono zúžení spektrální čáry.
Pokud jde o tu analogii s Mössbauerovým jevem, byl bych také opatrný. Je sice pravda, že i tady jde o zúžení spektrální čáry, při velmi nízkých teplotách, ale vnitřní mechanizmus je jiný.

Máte samozřejmě pravdu. Uvědomuji si tyto nedostatky a je mi známo jak je to správně. Problém je v tom, že jsem fyzik a mám docela problém vysvětlovat složité věci lidem, kteří o tom moc nevědí. A tento příspěvek byl psán primárně pro ty, kteří o problematice nevědí nic, proto obsahuje tyto nepřesnosti a zjednodušení za což se omlouvám. Měl jsem příspěvek samozřejmě upravit.

Podobný problém mám kupříkladu i na svých přednáškách. Nedávno jsem například přednášel pro astrobiology v Praze, kde moje přednáška byla pro organizátory moc jednoduchá a nudili se tam, zatímco pro studenty naopak moc složitá... Zatím mám, vzhledem ke svému věku, trochu problém v tom poznat co zjednodušit a co ne, ale snad se to zlepšuje.

Každopádně díky za upozornění.

[indian22]

A jéje tak to padla kosa na kámen. Omlouvám se, taky jsem si mohl přečíst tvůj podpis. Ono pokud mohu soudit tak udělat zajímavou přednášku pro libovolné nesourodé publikum je tvrdší oříšek něž dokázat totéž s psaným slovem. V článku nezajímavou pasáž snadno přeskočím nebo na druhé straně neznámou záležitost dohledám, osobně preferuji spíš když mám před sebou náročnější text, který mě přinutí i k nějaké další aktivitě a tak mě někam posune, tak k tomu podobě přistupuji když něco píšu. Na druhou stranu nejsem fyzik, tak považuji za úspěch když se do mě neobuje někdo znalý věci.

[VitezslavSkorpik]

A jéje tak to padla kosa na kámen. Omlouvám se, taky jsem si mohl přečíst tvůj podpis. Ono pokud mohu soudit tak udělat zajímavou přednášku pro libovolné nesourodé publikum je tvrdší oříšek něž dokázat totéž s psaným slovem. V článku nezajímavou pasáž snadno přeskočím nebo na druhé straně neznámou záležitost dohledám, osobně preferuji spíš když mám před sebou náročnější text, který mě přinutí i k nějaké další aktivitě a tak mě někam posune, tak k tomu podobě přistupuji když něco píšu. Na druhou stranu nejsem fyzik, tak považuji za úspěch když se do mě neobuje někdo znalý věci.

Ale to právě naopak Já velmi ocením a oceňuji kritiku od lidí, kteří sice nejsou fyzikové, ale o problematiku se zajímají, jelikož takováto kritika (je-li konstruktivní a k věci samozřejmě) mi pomáhá se zlepšovat. Sice jsem fyzik a zrovna astrofyzika a kosmologie jsou "moje" témata, ale také nevím zdaleka všechno, někdo jiný může danou věc znát lépe. A komentář výše byl právě dobře zdůvodněný a já svou chybu uznávám.

V tomto případě sice mohu myslím s klidným svědomím říci, že problematice docela dobře rozumím, na druhou stranu, jak jsem už říkal mám občas docela problém věci srozumitelně vysvětlit, příliš nezjednodušovat tam, kde to není na místě a naopak. Od svých profesorů na fakultě se mám v tomhle opravdu ještě hodně co učit. i povídají o složitějších tématech než já a přitom to vykládají jednodušeji a nezanedbají nic opravdu podstatného. Mojí omluvou snad může být můj věk, ve 24 moc vynikajících přednášejících není a i co jsem se ptal profesorů, tak říkali, že v mém věku moc dobře nepřednášeli, takže snad mám potenciál se ještě zlepšovat.

Ono je občas problém to, že jak se pohybuji mezi fyziky, tak máme jistou fyzikální intuici a jazyk, prostě v moderní fyzice mnohé věci znamenají něco jiného než v klasické fyzice nebo v běžném životě (z čehož pak vznikají různá nedorozumění). A je někdy problém se přeorientovat zpět, když člověk povídá pro neznalé publikum. Proto si konstruktivní kritiky velmi vážím a cením, pokládám ji za nutnou pro své zlepšování Nejde o to, že bych tomu nerozuměl, ale potřebuji vědět zda, tak jak o tom hovořím, tomu rozumějí i ostatní, kteří tolik neznají moderní fyziku nebo zda jsem podle jejich názoru něco příliš nezjednodušil, zda naopak něco není vysvětleno příliš složitě a kostrbatě nebo zda tam něco důležitého nechybí doplnit.

[VitezslavSkorpik]

21. května by se 95 let dožil slavný ruský fyzik a politický aktivista Andrej Sacharov. Často, když se o jeho osobě mluví, hovoří se především o jeho aktivitách politických. Já ho dnes však představím především jako jednoho z nejvýznamnějších ruských fyziků 20. století.

Andrej Dmitrijevič Sacharov se narodil v roce 1921 v Moskvě. Jeho otec Dmitrij byl učitelem fyziky a pianistou, později vyučoval na Moskevské Státní Pedagogické Universitě. Dědeček Ivan byl významným právníkem, obhajoval například zrušení trestu smrti, čímž Andreje později ovlivnil. Jeho pradědeček byl významným vojenským velitelem a druhý byl knězem pravoslavné církve. I přesto se z Andreje stal ateista.

Andrej se dostal na Lomonosovovu univerzitu (Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова) v roce 1938. Po evakuaci Moskvy o tři roky později dokončil vzdělání v turkménském Ašchabadu. Poté začal pracovat v laboratoři v Uljanovsku. V roce 1945 se vrátil ke studiu na Fyzikálním ústavu Sovětské akademie věd a zde také získal o dva roky později doktorský titul.

Po skončení doktorátu se věnoval zkoumání kosmického záření, brzy ho však zaujal projekt jiný. Jak asi víte, v roce 1945 získali Američané v Projekt Manhattan, který vedl Robert Oppenheimer atomovou bombu a pracovali pod vedením Edward Teller na výrobě bomby vodíkové. Oba tyto vědce měl Sacharov ve velké úctě. V Sovětském svazu byl velký tlak náskok USA dohnat. Proto byli Igor Kurčatov a Igor Jevgeněvič Tamm pověřeni řízením sovětského jaderného projektu, do nějž byl v roce 1948 přizván i Sacharov.

V září tohoto roku přišel s novým konceptem návrhu konstrukce bomby. Chtěl přidat kolem jádra deuteria (těžký vodík) slupku neobohaceného přírodního uranu. To mělo vést ke zvýšení koncentrace deuteria a hranici mezi uranem a deuteriem a současně zvýšit účinek bomby, jelikož uran zachycuje neutrony z reakce a navíc sám slouží jako štěpný materiál. Tuto konstrukci Sacharov nazval slojka. K první sovětské atomové explozi došlo v srpnu 1949.

O rok později se tým odborníků přestěhoval k městu Sarov a dále pokračoval ve vývoji vodíkové bomby. Sacharov v její konstrukci sehrál klíčovou roli. Nejprve navrhl konstrukci složenou z opakujících se vrstev štěpného a fúzního materiálu, avšak výsledky nebyly uspokojivé. V návrhu se nejdříve pokračovalo, protože sověti neznali sílu amerických vodíkových zbraní. Když se dozvěděli jak silné americké zbraně jsou, byl Sacharov překvapen, uvědomil si však, že používají štepnou explozi k vyvolání fúzní reakce. Navrhl tedy první sovětskou megatunovou bombu na principu Teller-Ulam designu (v SSSR znám jako Sacharova třetí myšlenka). Jeho nová konstrukce byla poprvé otestována v roce 1955, o 6 let později pak byla odpálena Tsar Bomba o síle 57 megatun, nejsilnější termojaderná exploze historie.

Sacharov však nepracoval pouze na jaderných zbraních, významně přispěl i k mírovému využití jaderné energie. Roku 1950 navrhli spolu s Igorem Tammem, pod vlivem návrhu Olega Lavrentěva, zařízení na řízenou termojadernou fúzi nazvané Tokamak, který se používá dodnes.

O rok později vynalezl výbušné kompresní generátory, které explozivně stlačovaly magnetické pole. Velkým úspěchem bylo vyrobení magnetického pole o intenzitě 2 500 Tesla. Později testoval plazmové dělo a ve svém generátoru navrhoval nahradit měděné cívky supravodivými magnety pro dosažení lepších výsledků.

Od poloviny 60. let se výzkum Sacharova zaměřil na částicovou fyziku a kosmologii. Snažil se vysvětlit baryonovou asymetrii vesmíru (nepoměr mezi hmotou a antihmotou). Předpokládal existenci druhého paralelního vesmíru, který se od našeho oddělil na počátku existence času a který by měl opačnou chiralitu (P symetrii), opačný směr toku času (T symetrii) a byl by složen z antihmoty (C symetrii). Tak by byla zachována složená CPT symetrie.
Tyto vesmíry by spolu vzájemně neinteragovaly až na vzácnou výměnu hmoty, což by vedlo k vyvolání singularit černých a bílých děr.

V roce 1967 pak předpověděl takzvané Sacharovovy podmínky, tedy podmínky, které musí být splněny, aby byla narušena symetrie mezi hmotou a antihmotou v raném vesmíru i za předpokladu, že existuje pouze tento náš vesmír. První z podmínek je narušení baryonového čísla, tedy například pozorování rozpadu protonu, což se zatím i přes intenzivní úsilí mnoha vědeckých skupin po celém světe nestalo. Druhou podmínkou je narušení C a CP-symetrie. Toto bylo pozorováno několikrát, velikost narušení však není dostatečná. Třetí podmínkou je odchýlení vesmíru od stavu tepelné rovnováhy, čemuž odpovídá pravděpodobná avšak zatím přímo nepotvrzená inflační fáze.

Od konce 50. let si Sacharov začíná uvědomovat morální a politické důsledky práce na jaderných zbraních. Začal vyvíjet nátlak na podepsání dohody o konci atmosférických jaderných testů a vystupuje proti obraně území balistickými raketami. V roce 1970 spoluzakládá Výbor pro lidská práva v SSSR a je vykázán z vojenského výzkumu. O 5 let později se stává laureátem Nobelovy ceny míru. Ale více o jeho aktivitách politických se píše jinde.
V roce 1943 se oženil Klavdií Vicherevovou, s níž měl syna a dvě dcery. Jeho první manželka zemřela roku 1969. Podruhé se oženil v roce 1972 s politickou aktivistkou Jelenou Bonnerovou.

Andrej Sacharov zemřel 14. prosince 1989 ve věku 68 let.

"Bylo to jako v pohádce. Spojily se dvě polovičky duše. Byla to absolutní shoda. Ve všem, od nejintimnějších až po celosvětové záležitosti." Jelena Bonnerova o vztahu se Sacharovem.

[VitezslavSkorpik]

13. června by se 105 let dožil významný americký experimentální fyzik Luis W. Alvarez, nositel Nobelova cena za fyziku pro rok 1968. Proslavil se ovšem i jako autor teorie o dopadu asteroidu na Zemi před 65 miliony lety:



Alvarez se narodil 13. června 1911 v San Franciscu jako druhý nejstarší ze čtyř dětí, měl dvě sestry a bratra. Jeho otec i dědeček byli významnými lékaři, teta byla malířkou.

V letech 1918 ař 1924 navštěvoval Madison School v San Franciscu, posléze San Francisco Polytechnic High School. V roce 1926 se ovšem s rodinou přestěhoval do Rochesteru, kde poté navštěvoval Rochester High School. Po dokončení střední školy nastoupil na The University of Chicago, kde v roce 1932 získal bakalářský titul, v roce 1934 titul magistrský a konečně o 2 roky později doktorát.

Fyziku začal studovat po dokončení bakalářského studia. Dostalo se mu zvláštní příležitosti pracovat na zařízení prvního amerického nositele Nobelovy ceny za fyziku, krátce předtím zemřelého Albert Abraham Michelson. V této době pod vedením významného fyzika jímž byl Arthur Holly Compton začal s výzkumem Kosmické záření, o němž za pomoci vlastně sestrojeného Geiger–Müller tube zjistil, že více záření přichází ze západu, z čehož usoudil, že kosmické záření je pozitivně nabité.

Po dokončení studia v Chicagu byl na doporučení své sestry přijat na UC Berkeley k uznávanému fyzikovi Ernest Orlando Lawrence. Spolupracoval ovšem i se skupinou teoretiků již vedl Robert Oppenheimer. Konkrétně se zde věnoval pozorování radioaktivní beta přeměny, sám Alvarez byl autorem řady experimentů. Dále se věnoval výzkumu izotopů vodíku a helia, prokázal, že helium 3 je stabilní, zatímco tritium (supertěžký vodík) nestabilní a nikoli naopak, jak se dříve myslelo. Později ve spolupráci s Felix Bloch změřil magnetický moment neutronu.

Když začala Druhá světová válka byla na Massachusetts Institute of Technology (MIT) založena vojenská laboratoř se zaměřením na výzkum radarů, kam byli přijati Alvarez i Lawrence. Zde přispěl k řadě projektů, napříkald zlepšil radary na hledání nepřátelských ponorek. Především však přišel na nový typ mikrovlnného radaru a současně na nový typ antény. Tento vynález umožnil američanům poměrně přesně bombardovat území nepřítele i ve špatném počasí. Později se uplatnil jako radar umožňující bezpečné přistávání i za zhoršených podmínek. V roce 1943 tento systém osobně testoval v Anglii, kde se seznámil s Arthur C. Clarke, s nímž se později stali dobrými přáteli.

Ke konci roku 1943 pozval Oppenheimer Alvareze k účasti na Projekt Manhattan, bylo ovšem rozhodnuto, že Alvarez několik měsíců stráví v Chicagu, tamní tým vedl Enrico Fermi. Alvarez byl vojenským vedoucím projektu Leslie Grovesem požádán o zjištění způsobu detekce potenciálních německých jaderných ponorek. Alvarez navrhl využití detekčního letounu, který by hledal stopy radioaktivních prvků, zejména xenonu 133. Toto bylo uskutečněno, ale žádné stopy xenonu nebyly nalezeny.

Na počátku roku 1944 se konečně přesunul do Los Alamos, kde začal pracovat na plutoniové bombě Fat Man, která ovšem pracovala na jiném principu než déle vyvíjená uranová bomba Little Boy. Pro plutoniovou bombu bylo potřeba téměř kritické množství plutonia, které se stlačovalo konvenčním výbuchem. Alvarez tento problém řešil technicky, když vyráběl rozbušky. Posléze vytvořil soubor kalibrovaných mirkofonů a vysílačů a měřil jimi síli jaderných výbuchů, včetně explozí v Hirošimě a Nagasaki.

Po válce se vrátil do Berkeley s mnoha nápady jak válečné vynálezy využít ke zlepšení urychlovačů částic. Největší přelom zaznamenal Edwin McMillan, který vytvořil první synchrocyklotron. Společně pak zkonstruovali v té době největší urychlovač světa Bevatron. V té době bylo ovšem provézt analýzu výsledků, proto se chytil nového vynálezu bublinkové komory, s nímž přišel Donald Arthur Glaser. V glaserově detektoru byl jako kapalina v níž se objevovaly stopy částic ether. Alvarez místo toho použil kapalný vodík, což mu umožnilo stopy fotografovat. Byla postavena komora velká 2 metry, v níž docházelo k milionům událostí. Alvarez tak objevil řadu rezonančních stavů částic a molekul, za což byl v roce 1968 odměněn Nobelovou cenou za fyziku. Vyninul také nové systémy pro detekci a analýzu dat.

V roce 1964 vyrobil balónový experiment HAPPE ke zkoumání vysokoenergeticého kosmického záření a jeho srážek se zemskou atmosférou. Později změnil zaměření experimentu na studium kosmologie, přesněji částic z raného vesmíru.

O rok později navrhoval hledání neznámých prostor v egyptských pyramidách za pomocí kosmického záření. Měření jeho rychlosti a směru částic tohoto záření by bylo možné odhalit potenciální komory v pyramidách. Výzkum pokračoval do roku 1969, kdy bylo prozkoumáno 20% velké pyramidy a žádné neznámé komory nebyly nalezeny.

V roce 1970 Alvarezův syn Walter, který je geologem, zkoumal v Itálii vrstvy mezi křídou a třetihorami. A oznámil otci, že v této době došlo z neznámých důvodů k velkému vymírání a že by rád tuto záhadu vyřešil. Alvarez začal na této otázce pracovat s chemiky z Lawrence Berkeley National Laboratory a dospěli k závěru, že vymírání má mimozemský původ. Z rozboru jílu bylo zjištěno, že obsahují saze, šokové krystaly křemene, mikroskopické diamanty a vzácné minerály, které se tvoří pouze za vysokých teplot a tlaků. Toto zjištění publikoval v roce 1980 a setkalo se s výrazným ohlasem v geologické komunitě. Objevu kráteru Chicxulub v roce 1990 se ovšem Alvarez již nedožil. Dnes je tato teorie obvykle udávaným vysvětlením vymírání na konci druhohor.

V roce 1983 přišli paleontologové Raup a Sepkoski na základě domnělé periodicity velkých vymírání s myšlenkou, že existuje hvězda Nemesis obíhající kolem Slunce. Alvarez spočítal, že by muselo jít o hnědého nebo červeného trpaslíka ve vzdálenosti 1,5 - 3 světelné roky od Slunce. Dodnes ovšem žádná taková hvězda nalezena nebyla a její existence je často a výrazně zpochybňována. Stejně jako s eukazuje, že domnělá periodicita vymírání je zřejmě jen důsledkem statistické chyby.

Kromě vědy se Alvarez věnoval i letectví. Létat se naučil v roce 1933, měl nalétáno více než 1000 hodin a často působil i v pozici velícího pilota. V letectví je rovněž autorem řady vynálezů. Později sloužil jako člen mnoha výborů pro vojenské i civilní letectví, například působil u Federal Aviation Administration a President's Science Advisory Committee. Účastnil se i mnoha letů ve vojenských letounech, proletěl se v Boeing B-29 Superfortress nebo Lockheed F-104 Starfighter.

Luis Alvarez byl dvakrát ženatý. První manželku Geraldine Smithwick si vzal v roce 1936, rozvedeni byli roku 1957 a měli spolu syna a dceru. Druhou manželku Janet Landis si vzal o rok později a měl s ní rovněž syna a dceru. Jeho syn Walter Alvarez z rpvního manželství je významným geologem.

Luis Alvarez zemřel 1. září 1988 ve věku 77 na komplikace po operaci rakoviny.