Novinky: Fyzikální ústav

Přihlásit se k odběru zdroj Novinky: Fyzikální ústav
Aktualizace: 1 hodina 12 min zpět

Od Lemaîtra k reliktnímu záření a Jamesi Peeblesovi

Ne, 12/29/2019 - 11:30
ol.lr { counter-reset: list; } ol.lr > li { list-style: none; position: relative; left: 1em; } ol.lr > li:before { counter-increment: list; content: counter(list, lower-roman) ") "; position: absolute; left: -1.4em; } ol.cit { counter-reset: list; } ol.cit > li { list-style: none; position: relative; } ol.cit > li:before { counter-increment: list; content: "[" counter(list, decimal) "] "; position: absolute; left: -2.5em; } table.materials thead th { font-weight: bold; text-align: center; color: #fff; background-color: #2890c1; } table.materials tbody td { text-align: center; background-color: #d6e7f5; }

Tento článek vyšel v čísle 6/2019 Československého časopisu pro fyziku, vydávaného Fyzikálním ústavem Akademie věd ČR. Autorem je Jiří Chýla z FZU AV ČR.

Polovina Nobelovy ceny za fyziku pro rok 2019 byla udělena americkému kosmologovi Jamesu Peeblesovi za „teoretické objevy ve fyzikální kosmologii“. Aby přelomový význam tohoto objevu byl pochopitelný a abychom docenili, jak těžko se rodila myšlenka, že vesmír má počátek v čase, musíme začít před sto lety a připomenout dva klíčové objevy, které objevu reliktního záření předcházely, a několik osobností, které při tom hrály klíčové role.

Polovina Nobelovy ceny za fyziku pro rok 2019 byla udělena americkému kosmologovi Jamesu Peeblesovi za „teoretické objevy ve fyzikální kosmologii“. V tiskové zprávě je tato charakteristika rozvedena slovy:

„Peeblesův vhled do fyzikální kosmologie obohatil celý tento obor a během posledních padesáti let položil základy pro transformaci kosmologie ze spekulací na vědu. Teoretický rámec, který vyvinul od poloviny šedesátých let, představuje základ našeho současného chápání vesmíru.

Model velkého třesku popisuje vesmír od jeho prvních okamžiků před téměř 14 miliardami let, kdy byl velmi horký a hustý. Od té doby se vesmír rozpíná a chladne. Necelých 400 000 let po velkém třesku se vesmír stal pro hmotu průhledným a světelné paprsky mohly cestovat prostorem. I dnes je toto pradávné záření všude kolem nás a zakódováno v něm se skrývá mnoho tajemství vesmíru. S využitím svých teoretických nástrojů a výpočtů James Peebles dokázal interpretovat tyto stopy z doby mládí vesmíru a objevit nové fyzikální procesy.“

Letošní Nobelova cena za fyziku pro Jamese Peeblese (1935) je již třetí Nobelovou cenou spojenou s objevem a vlastnostmi reliktního záření. Po roce 1978, kdy ji získali Robert Wilson a Arno Penzias „za objev kosmického mikrovlnného reliktního záření“ ji v roce 2006 získali John Mather a George Smoot „za objev charakteru a anisotropie kosmického reliktního záření“.

Obr. 1 James Peebles.

Smyslem tohoto textu je připomenout, jak model velkého třesku vznikal, kdo a jak se na jeho formulaci podílel, proč právě objev reliktního záření v roce 1965 byl pro jeho přijetí zcela zásadní a jak k němu letošní laureát přispěl. Aby přelomový význam tohoto objevu byl pochopitelný a abychom docenili, jak těžko se rodila myšlenka, že vesmír má počátek v čase, musíme začít před sto lety a připomenout dva klíčové objevy, které objevu reliktního záření předcházely, a několik osobnosti, které při tom hrály klíčové role.

Vesmír je přece stálý

V roce 1917 aplikoval Einstein svou novou obecnou teo­rii relativity na idealizovaný případ vesmíru, v němž je hmota rozložena v prostoru homogenně. Předpokládal, že ze svých rovnic dostane stacionární řešení, které by odpovídalo tehdejším znalostem o stavu vesmíru. Protože hmota na sebe působí přitažlivou silou, musel do svých rovnic přidat tzv. kosmologickou konstantu, která přitažlivost hmoty kompenzuje a efektivně působí jako antigravitace. Jeho řešení odpovídalo trojrozměrnému povrchu čtyřrozměrné koule s konečným poloměrem. S tím byl na čas spokojen.

Ale tak to být nemusí

V roce 1922 leningradský matematik Alexandr Fridman (1888–1925) přepsal Einsteinovy rovnice pro homogenní a izotropní vesmír do tvaru, který měl názorný fyzikální význam [1]. V něm vystupuje veličina R(t), která popisuje, jak závisejí na čase vzdálenosti kterékoliv dvojice bodů v trojrozměrném prostoru. Jeho krok lze pro případ kladné křivosti prostoru přiblížit jednoduchou analogií s nafukováním míče na obrázku 3. Metriku na povrchu koule, tj. předpis, jak spočítat vzdálenosti dvou bodů, lze napsat různým způsobem, například pomocí úhlů takto


kde R(t) je poloměr koule, který může záviset na čase a 0 ≤ θ ≤ π, 0 ≤ φ ≤ 2π. Souřadnice θ, φ se nazývají „spolupohybující“ (anglicky comoving) protože objekty s těmito souřadnicemi na nich zůstávají i při nafukování míče, zatímco vzdálenost dvou bodů na povrchu koule při nafukování roste. Podobný výraz napsal Fridman pro metriku trojrozměrného povrchu čtyřrozměrné koule


a pro metriku čtyřrozměrného prostoročasu v rámci obecné teorie relativity


Bez ztráty na obecnosti lze položit = = 0 a pro vzdálenost dvou bodů pevně svázaných s povrchem koule dostaneme z (2) výraz dσ = R(t) a integrací vztah mezi fyzikální vzdáleností (proper distance v angličtině) D(t) a bezrozměrnou, na čase nezávislou veličinou χ, která se nazývá „spolupohybující“ vzdálenost.


Pro škálovací faktor R(t) Fridman odvodil z Einsteinových rovnic dvě rovnice, které nesou jeho jméno a které jsou dodnes základním nástrojem pro popis vývoje vesmíru:


kde tečky nad R znamenají časové derivace, ρ je prostorová hustota energie, p je tlak, G je Newtonova gravitační konstanta, λ je Einsteinova kosmologická konstanta a k = (1, 0, –1) odpovídají trojrozměrnému prostoru s konstantní kladnou křivostí, plochému prostoru a prostoru se zápornou křivostí. Druhá rovnice je analog druhého Newtonova zákona pro pohyb hmotného bodu v gravitačním poli. Zatímco normální hmota působí přitažlivě, tj. způsobuje zpomalování rozpínání, kosmologická konstanta má opačný vliv a rozpínání zrychluje. Einstein ji zavedl právě proto, aby dosáhla rovnováhy mezi těmito dvěma vlivy, protože byl přesvědčen, že vesmír je ve stacionárním stavu. V práci [1] Fridman diskutoval různé možnosti nestacio­nárního vesmíru, mimo jiné i případ uzavřeného vesmíru plného hmoty, jehož poloměr se po počátečním růstu od nuly zastaví a po konečné době se smrští zpět až do nuly. Fridman byl ovšem především matematik a jeho práce sice ukázala, že Einsteinovy rovnice připouštějí řešení závisející na čase, ale dosavadní znalosti podle něj neumožňovaly určit, jakému řešení Einsteinových rovnic náš vesmír odpovídá. Fridman zjevně neznal již tehdy existující výsledky měření rudého posuvu světla od vzdálených galaxií, které sehrály v dalším vývoji kosmologie klíčovou roli.

Obr. 2 Alexander Fridman.

Reakce Einsteina na Fridmanův článek na sebe nenechala dlouho čekat a v krátké Poznámce k práci A. Fridmana [2] Einstein tvrdil, že Fridmanovo řešení není ve skutečnosti s rovnicemi obecné relativity slučitelné. O osm měsíců později Einstein v další krátké noticce [3] přiznal, že početní chybu udělal on sám, a, byť nerad, uznal, že jeho rovnice připouštějí kromě statických i dynamická řešení. Představa, že sám prostor se rozpíná nebo smršťuje, byla ovšem pro Einsteina (a nejen pro něj) až do počátku 30. let nepřijatelná a práce Fridmana neměly téměř žádný ohlas.

Vesmír se opravdu rozpíná

V roce 1927 Fridmanovy rovnice nezávisle znovu objevil belgický kněz a skvělý matematik a fyzik Georges Lemaître (1894–1966) v úžasné práci „Homogenní vesmír s konstantní hmotou a rostoucím poloměrem, který bere v úvahu radiální rychlost extragalaktických mlhovin“ [4]. Lemaître znal řešení Einsteinových rovnic, které nalezl v roce 1917 holandský astronom de Sitter a které odpovídalo stacionárnímu vesmíru bez hmoty jen s kosmologickou konstantou. Při vhodné volbě souřadnic, které objevil Cornelius Lanczos, lze ovšem toto řešení přepsat do tvaru (3) s jednoduchým škálovacím faktorem


který popisuje uzavřený vesmír s kladnou křivostí, jehož poloměr klesá od nekonečna v čase minus nekonečno do R(0) = l a poté opět roste exponenciálně až do nekonečna v čase plus nekonečno. Lemaître propojil Einsteinovo a de Sitterovo řešení v Lanczosových souřadnicích a nalezl řešení, které v čase minus nekonečno odpovídalo Einsteinovu stacionárnímu vesmíru, ale s časem jeho poloměr rostl tak, jako ve vesmíru de Sitttera. Byl zjevně motivován výsledky měření tzv. rudého posuvu elektromagnetického záření pocházejícího z extragalaktických mlhovin, objevených v roce 1924 americkým astronomem Edwinem Hubblem. Tento posuv lze nejjednodušším způsobem interpretovat jako důsledek toho, že objekt se od nás vzdaluje rychlostí, kterou lze z posuvu snadno spočítat. Tento efekt má přímou analogii v akustice: výška tónu vzdalujícího se vlaku je nižší než stojícího. Lemaître si všiml, že velká většina galaxií se od nás vzdaluje, a to rychlostí, která je velmi zhruba úměrná vzdálenosti, tedy tak, jak plynulo ze vztahu (4)


kde konstanta H závisí na čase, ale nikoliv na prostorových souřadnicích. To bylo pro Lemaîtra jasným důkazem, že rudý posuv nebyl důsledkem pohybu galaxií v prostoru, ale právě rozpínání prostoru. Protože tuto lineární závislost vzal vážně, ze známých údajů o rudém posuvu a měření vzdáleností spočítal střední hodnotu rychlosti vzdalování galaxií, podělil ji střední hodnotou vzdáleností a dostal o dva roky před Hubblem to, co se do října roku 2018 nazývalo Hubbleova konstanta, ale podle doporučení Mezinárodní astronomické unie se nyní zcela oprávněně nazývá Hubbleova-Lemaîtrova konstanta a lineární vztah (7) Hubbleův-Lemaîtrův zákon. Jeho práce je skutečný skvost, ale protože byla publikována ve francouzském časopise, trvalo čtyři roky, než si slavný britský astronom a Lemaîtrův učitel Arthur Eddington uvědomil, jakou klíčovou myšlenku obsahuje a zařídil její přeložení do angličtiny. Mezitím Hubble v roce 1929 na základě téměř stejných dat o rudých posuvech vydal práci [5], v níž je graf na obrázku 5 naznačující přibližně lineární závislost rudého posuvu na vzdálenosti. Čtenář si jistě všimne chyby v označení veličiny na ose y. Hubble ovšem tuto závislost neinterpretoval jako projev rozpínání prostoru, ale v rámci původní stacionární interpretace de Sitterova řešení.

Obr. 3 Nafukování míče jako analogie rozpínání prostoru.

Také Einstein stále odmítal přijmout myšlenku, že fyzikální vesmír se rozpíná, i když již uznával, že jeho rovnice připouštějí řešení závisející na čase. Lemaître ve svých vzpomínkách uvádí, že se Einstein o jeho práci z roku 1927 vyjádřil slovy: „Vaše výpočty jsou v pořádku, ale vaše fyzika je ohavná.“ Lemaîtrovo řešení stejně jako de Sitterovo v Lanczosových souřadnicích mělo tu vlastnost, že v ní neměl vesmír počátek v čase. Je zajímavé, že ještě v jiných souřadnicích má škálovací faktor de Sitterova řešení tvar popisující exponenciální rozpínání plochého prostoru


a splňuje tedy rovnici (5) pro ρ = k = 0. Toto řešení lze v jistém smyslu interpretovat jako vznik de Sitterova vesmíru z „ničeho“ v minus nekonečnu.

Lemaîtrova hypotéza „prvotního atomu“

O čtyři roky později Lemaître přišel s ještě revolučnější hypotézou, když formuloval základní myšlenku modelu velkého třesku. V jednostránkovém článku „Počátek světa z hlediska kvantové teorie“ v časopise Nature [6], v němž není jediný vzorec, reagoval na slova slavného astronoma a svého učitele Arthura Eddingtona. Ten v článku z roku 1931 formuloval svůj postoj k otázce, zda má smysl mluvit o počátku vesmíru, slovy: „Z hlediska filosofie je pro mne pojem počátek ,současného řádu‘ odpudivý.“ Lemaître naopak vyslovil domněnku, že svět měl počátek, kdy byla veškerá hmota koncentrována v jednom „prvotním kvantu“. Z hlediska matematiky k tomuto závěru vede řešení Fridmanových rovnic pro vesmír s hmotou, jejíž hustota závisí na velikosti rozpínajícího se prostoru jako 1/R3 nebo 1/R4 podle toho, zda jde o nerelativistické či relativistické částice. Pro malé časy je člen s hustotou dominantní a řešení (5) je ve tvaru R(t) ~ tα, α = 2/3, 1/2. Lemaître uvažoval i jako fyzik:

Jestliže svět vznikl v jednom kvantu, pojmy prostor a čas neměly na samém počátku žádný smysl. Ten mohly nabýt, až když se původní kvantum rozdělilo na dostatečný počet kvant. Je-li tato hypotéza správná, svět vznikl krátce před počátkem prostoru a času. Domnívám se, že takový počátek světa je dost rozdílný od současného přírodního řádu, že vůbec nemusí být odpudivý.

Tato jeho slova byla více než jasnozřivá a daleko předběhla dobu. Pro zajímavost, Lemaîtrův „prvotní atom“, v němž by byla naskládána těsně vedle sebe všechna atomová jádra dnešního vesmíru, by zaplnil naši Sluneční soustavu až po Jupiter. Myšlenka prvotního atomu byla ovšem natolik revoluční, že ji téměř nikdo nepřijal. Je až neuvěřitelné, jak i po kvantitativní stránce byl Lemaîtrův model vývoje vesmíru blízký našim dnešním představám včetně éry inflace. Zajímavá byla reakce Einsteina, s nímž se Lemaître sešel v roce 1934 v Kalifornii. Po Lemaîtrově semináři o prvotním atomu mu Einstein řekl, že tuto hypotézu nemá rád, protože „příliš naznačuje teologickou myšlenku kreace“. A potom, pravděpodobně trochu ironicky, dodal: „Tohle je nejkrásnější a nejuspokojivější vysvětlení stvoření světa, jež jsem kdy slyšel.“

Hloubku Lemaîtrova chápání nejen kosmologie, ale také teprve se rodící kvantové teorie ilustruje skutečnost, že v práci [7] jako první interpretoval fyzikální význam kosmologické konstanty jako hustoty energie vakua ρc2 v kvantové teorii pole, které má záporný tlak p = −ρc2 a chová se v důsledku toho jako antigravitující médium.

Model ustáleného vesmíru

Koncem 40. let minulého století se do módy na čas dostal model „ustáleného vesmíru“ (steady state universe) [8], který do jisté míry resuscitoval Einsteinův stacionární vesmír. Jeho hlavním advokátem byl významný britský astronom Fred Hoyle, který práce Lemaîtra zjevně znal, ale považoval jeho popis vesmíru za nepřijatelný. Myšlenku „prvotního vesmíru“ ze stejných důvodů jako Eddington či Einstein a Lemaîtrův model z roku 1927 odmítal, protože obsahoval kosmologickou konstantu, kterou v té době Einstein zavrhl. Hoyle nepopíral rozpínání vesmíru a tedy vzdalování galaxií, ale v jeho modelu je rozpínání vesmíru kompenzováno předpokladem, že se přitom v prostoru mezi vzdalujícími se galaxiemi kontinuálně rodí hmota, takže vesmír vypadá pořád stejně. To bylo podle Hoyleho realizací základního kosmologického principu, tj. že vesmír vypadá všude a v každý časový okamžik stejně. Do Einsteinových rovnic zavedl místo kosmologické konstanty člen, který tento efekt popisuje a vede, stejně jako kosmologická konstanta, na exponenciální tvar škálovacího faktoru.

Obr. 4 Georges E. Lemaître (1894−1966) a Albert Einstein.

Zde je vhodné připomenout důležitý pojem plynoucí ze vztahu (7). Vezmeme-li za rychlost rozpínání prostoru rychlost světla, dostaneme pro odpovídající vzdálenost, která se nazývá Hubbleův poloměr, výraz DH = c/H. Jeho význam spočívá v tom, že od vzdálenějších objektů k nám nemůže doletět nic, ani světlo, protože rozpínání prostoru mu „unáší prostor pod nohama“. Pro mocninné závislosti škálovacího faktoru tα na čase R(t) ~ tα, α = 2/3, 1/2 se Hubbleův poloměr DH = c t/α > ct vzdaluje s rychlostí větší, než je rychlost světla, a v důsledku toho s námi může komunikovat stále větší objem prostoru. Pro exponenciální závislost škálovacího faktoru je ovšem Hubbleův poloměr v čase konstantní, takže vzdalující se galaxie spojitě mizí nenávratně za horizontem. Místo nich se ovšem v prostoru mezi nimi rodí hmota, z níž podle Hoyleho vznikají nové galaxie, a díky tomu vesmír vypadá pořád stejně. Tato myšlenka nebyla sice absurdní, ale konkrétní mechanismus, jak k tomu dochází, však Hoyle nedokázal specifikovat.

Obr. 5 Závislost rychlosti vzdalování galaxií na jejich vzdálenosti z původní práce E. Hubblea [5].

Hoyle je také autorem názvu „velký třesk“ (Big Bang). V pořadu BBC 28. 3. 1949 Hoyle popsal podstatu svého modelu ustáleného vesmíru a konfrontoval ho s „hypotézou, že všechna hmota ve vesmíru vznikla v jednom velkém třesku ve vzdálené minulosti“, kterou považoval za „nepřijatelnou z fyzikálních i filosofických důvodů“.

Jak (ne)vznikaly prvky

Jeden z mála, kdo bral myšlenky Fridmana a Lemaîtra o rozpínání vesmíru vážně, byl rusko-americký teoretický jaderný fyzik George Gamow (1904–1968), který byl krátkou dobu i Fridmanovým žákem. Společně se svým doktorandem Ralphem Alpherem a Robertem Hermanem se v letech 1946–1950 zabývali otázkou, jak ve vesmíru vznikly prvky, z nichž se časem vyvinuly celé galaxie. Nezajímalo je, jak konkrétně vesmír vznikl, ale přijali základní rámec Lemaîtrova modelu a předpokládali, že vesmír byl v prvních okamžicích své existence zaplněn „polévkou“ (vysoce stlačeným a horkým plynem) složenou z neutronů, které se rozpadaly na protony a elektrony, a ta v důsledku rozpínání prostoru chladla [9]. Kromě hmoty bylo přítomno i záření (fotony), které interagovalo s elektrony a protony. Je zajímavé, že používali Fridmanovy rovnice, ale ve všech svých pracích se odkazovali na pozoruhodnou monografii amerického fyzikálního chemika a matematika Richarda Tolmana Relativita, termodynamika a kosmologie z roku 1934 [10], jejíž část je věnována velmi podrobnému popisu Lemaîtrových prací.

Gamow se původně domníval, že během tohoto procesu postupným záchytem neutronů na protonech vzniknou všechny prvky ve vesmíru, ale později se ukázalo, že tímto způsobem mohlo vzniknout jen několik nejlehčích prvků, především deuterium a helium, zatímco těžší jádra vznikala až ve hvězdách. V práci [11] Alpher s Hermanem vyšetřovali v rámci modelu rozpínajícího se vesmíru časový vývoj systému hmoty a záření od počátku až po současnou dobu a došli k závěru, že záření, tedy světlo pocházející z té doby, by dnes mělo mít teplotu kolem 5 kelvinů. Odhad byl správný, ale argumenty nikoliv. Tato éra vývoje vesmíru je popsána ve skvělé knížce Stevena Weinberga První tři minuty [12], kde je také vysvětleno, proč v husté polévce první etapy vývoje vesmíru nemohla vzniknout těžší jádra, proč a kdy se z této polévky oddělilo reliktní záření a jak tyto skutečnosti citlivě závisejí na vlastnostech jader a atomu vodíku a pravděpodobnosti srážek protonů a neutronů při nízkých energiích.

Štěstí přeje připraveným

Počátkem 60. let minulého století existovaly minimálně dva konkurenční modely vesmíru, ale prakticky žádná data, která by rozhodla o tom, zda některý, resp. který je blíže skutečnosti. A do této situace přišel objev záření, které svou anténou v roce 1964 pozorovali dva američtí radioastronomové Robert Wilson a Arno Penzias z Bellových laboratoří a jehož původu nerozuměli. Jejich anténa byla vyladěna na detekci elektromagnetických vln s vlnovou délkou 7 cm a šum, který zaznamenávali, i když odstranili všechny známé možné zdroje pozadí, odpovídal intenzitou teplotě 3,5±1 K. Po roce marného hledání příčiny šumu se obrátili na skupiny fyziků na nedaleké Princetonské univerzitě, kterou vedl Robert Dicke a jejímž členem byl i mladý teoretik James Peebles. Podobně jako Alpher s Hermanem i Peebles s Dickem uvažovali rozpínající se horkou polévku, které říkali „prvotní ohnivá koule (fireball)“, a nezávisle na nich došli k závěru, že by po této etapě ve vesmíru mělo zůstat svědectví ve formě elektromagnetického záření s vlastnostmi záření absolutně černého tělesa o teplotě maximálně 40 K. Dickeho skupina proto připravovala anténu pro měření takového záření při vlnové délce 3 cm. Po informaci o výsledku měřeni Wilsona a Penziase Dicke s Peeblesem okamžitě pochopili, že detekovali to, co hledali i oni. Výsledkem diskuze obou skupin byly dva články, které vyšly hned za sebou. Je zajímavé, že nejdříve vyšel článek Dickeho skupiny o teoretické interpretaci [13], a teprve po něm Wilsonův a Penziasův o výsledcích jejich měření [14]. Objev reliktního záření zasadil smrtelnou ránu konkurenčnímu modelu ustáleného vesmíru a znamenal také konec pochybností o realitě rozpínání vesmíru. Na druhé straně tento objev byl jen začátkem cesty k podrobnému zkoumání vlastností reliktního záření a jejich využití pro pochopení vzniku a vývoje vesmíru.

Předně bylo třeba prokázat, že reliktní záření má opravdu charakter záření absolutně černého tělesa, jehož hustota u(υ) závisí na frekvenci υ podle Planckovy formule


Penzias a Wilson detegovali reliktní záření při jediné vlnové délce 7 cm, a proto bylo velmi důležité, že měření Dickeho skupiny při vlnové délce 3 cm již v roce 1966 leželo na stejné křivce, odpovídající teplotě 3,5 K jako měření Wilsona a Penziase. Všechna měření, která od té doby proběhla v širokém rozsahu frekvencí, tuto klíčovou vlastnost reliktního záření potvrdila.

Návrat éteru

Měření Wilsona a Penziase pokrývalo jen část nebeské sféry a při uvedené přesnosti nevykazovalo žádnou závislost na směru, odkud záření přicházelo. Na tomto místě je třeba připomenout jednu důležitou vlastnost modelu rozpínajícího se vesmíru: Fyzikální procesy můžeme popisovat v libovolném referenčním systému, ale vztahy (2–7) platí v jediném, který do jisté míry připomíná absolutní prostor Newtona. Na pozadí rozpínajícího se prostoru (například povrchu nafukovaného míče na obr. 3) se mohou pohybovat objekty, ale v referenčních soustavách spojených s nimi nebude platit Hubbleův-Lemaîtrův zákon, například některé blízké galaxie se k nám mohou přibližovat. Tak je tomu i ostatně i na obrázku 5. Stanovit rychlost pohybu naší Země, resp. Sluneční soustavy vůči této referenční soustavě měřením rudého posuvu je prakticky nemožné, protože galaxie se vůči němu pohybují. Potřebné stabilní okolí však poskytuje právě reliktní záření, které se šířilo rozpínajícím se prostorem téměř volně od okamžiku, kdy se oddělilo od nabitých částic, a mělo by mít ve všech směrech přesně stejné vlastnosti, tedy teplotu. Referenční systém, v němž je reliktní záření přesně izotropní (dále „reliktní pozadí“) je analog éteru 19. století, v němž se podle představ fyziků 19. století mělo šířit světlo, tak jako se zvuk šíří vzduchem. Nalézt projevy pohybu objektů vůči éteru se Michelsonovi a dalším fyzikům nepodařilo a Einstein na základě toho vytvořil speciální teorii relativity. James Peebles jako jeden z prvních pochopil, že je-li představa o první etapě vývoje vesmíru správná, mělo by být možné detegovat projevy pohybu naší Země vůči reliktnímu pozadí, a proto by neměla být teplota reliktního záření úplně stejná ve všech směrech. V práci z roku 1968 [15] odvodil vztah pro závislost teploty reliktního záření na směru v důsledku pohybu Země vůči reliktnímu pozadí, která měla charakter dipólu, tj. vyšší teplota v jednom směru a nižší v opačném. Změření této závislosti bylo pro potvrzení modelu klíčové. Je dobré připomenout, že rychlost oběhu Země kolem Slunce je 30 km za vteřinu a rychlost oběhu Slunce kolem středu Mléčné dráhy je asi 300 km za vteřinu. Trvalo ovšem zhruba deset let, než se přesnost měření teploty reliktního záření dostala na úroveň milikelvinů a efekt byl potvrzen: naše Sluneční soustava se pohybuje vůči reliktnímu pozadí rychlostí cca 370 km/s zhruba ve směru souhvězdí Lva a celá naše Galaxie rychlostí cca 600 km/s ve směru souhvězdí Hydry. Moderní vizualizace tohoto efektu, jak ho změřila sonda COBE v roce 1992, je na obr. 6, kde je zachycena teplota mikrovlnného záření přicházející z celé nebeské sféry v tzv. Mollweidově projekci, v niž pravý a levý okraj elipsy na sebe navazují.

Zlatý důl

Otázka, jak se z prvotní husté polévky zrodila dnešní struktura vesmíru, tedy hvězdy, galaxie a jejich shluky, sice stále zůstala nezodpovězena, ale bylo zřejmé, že odpověď spočívá v tom, že se již v prvotní husté polévce v raném stadiu vývoje vesmíru nějakým mechanismem vytvořily nehomogenity hustoty hmoty, které se staly zárodky pro vznik struktur v dnešním, na první pohled velmi nehomogenním vesmíru.

Obr. 6 Dipólová anizotropie reliktního záření, jak ji změřila sonda COBE. Červená barva představuje směry, odkud přichází záření s vyšší teplotou, než je průměrná, modrá s nižší.

Zlatým dolem při hledání odpovědi na tuto otázku se ukázalo být ještě přesnější měření teplotních anizotropií reliktního záření, které provedly tři sondy: COBE v roce 1992, WMAP v roce 2003 a PLANCK v roce 2013. Obrázky zachycující mapy těchto anizotropií ve zmíněné projekci jsou na obr. 7. Je zjevné, že mapy jsou s postupem doby podrobnější a přesnější: uvnitř spojitě červených nebo modrých oblastí na mapě COBE rozeznaly WMAP a PLANCH jemnější struktury, které se od střední hodnoty 2,725 K liší zhruba o desetitisícinu, tj. jsou asi desetkrát citlivější než mapa COBE. Na všech třech mapách byla dipólová anizotropie odečtena.

Předpoklad, že vesmír byl na začátku homogenní a izotropní, se zdá přirozený, ale ve skutečnosti to v případě rozpínajícího se vesmíru předpokládá velmi speciální počáteční podmínky. Problém lze ilustrovat právě na téměř přesné izotropii reliktního záření. Ve vesmíru je asi miliarda fotonů na jeden proton (toto číslo je velmi důležité, ale jeho vysvětlení je mimo rámec tohoto článku) a při tomto poměru ztratily fotony schopnost rozbíjet atomy vodíku, které vznikaly spojením elektronů a protonů při teplotě cca 3 000 K a dál se mohly šířit téměř volně. Teplota dnešních reliktních fotonů znamená, že se vesmír zvětšil od okamžiku, kdy se fotony oddělily od neutrálních atomů asi 1000krát. Standardní výpočty chladnutí prvotní polévky složené z hmoty a záření dávají pro tento okamžik čas cca 400 tisíc let od počátku, aniž specifikujeme, co konkrétně jím bylo. Oblasti prostoru, které mohly v té době spolu komunikovat, tzn. byly uvnitř Hubbleova poloměru a mohly tedy mít stejnou teplotu, by dnes na nebeské sféře zabíraly maximálně 2 prostorové stupně. Skutečnost, že reliktní záření je tak izotropní ve všech směrech, bylo proto tehdy nepochopitelné a vyžadovalo tzv. jemné naladění počátečních podmínek. To nemají fyzikové rádi.

Obr. 7 Mapy anizotropie reliktního záření změřené sondami COBE, WMAP a Planck.

Návrh řešení tohoto a dalších problémů tehdejší standardní kosmologie (založené na Fridmanových rovnicích pro vesmír s hmotou a zářením) přinesla myšlenka z přelomu 70. a 80. let minulého století, že v počáteční fázi prostor prošel velmi krátkou dobou extrémně rychlého rozpínání, během níž se nafoukl o několik desítek řádů. V důsledku toho oblasti, které podle standardních představ o vývoji vesmíru spolu při vzniku reliktního záření komunikovat nemohly a jejichž vlastnosti by tedy neměly být stejné, byly před inflací uvnitř Hubbleova poloměru a komunikovat spolu mohly. Toto prudké nafouknutí, kterému se říká kosmologická inflace a které lze označit za „velký třesk“ velkého třesku, také „narovnalo“ prostor, takže dnes se jeví jako plochý. A také vygenerovalo z kvantových fluktuací nehomogenity hustoty hmoty. Všechny tyto skutečnosti se obtiskly do vlastností reliktního záření, především jeho jemné anizotropie.

Podrobná a netriviální analýza map anizotropií změřených sondami COBE, WMAP a Planck svědčí o tom, že současný vesmír má tyto vlastnosti:

  • prostor je plochý;
  • známé baryony (protony a neutrony) představují asi 4 % celkové hustoty energie;
  • kromě těchto baryonů musí být přítomna i tzv. temná hmota, tj. částice, které zatím neznáme a jež činí cca 23 % hustoty energie;
  • zbytek, tj. cca 73 % současné hustoty energie, nese tzv. temná energie, jejíž působení odpovídá kosmologické konstantě, ale o jejíž podstatě nevíme nic;
  • dnešní struktura vesmíru na velkých vzdálenostech je důsledkem nehomogenit hustoty hmoty, které vznikly v prvních cca 400 tisících letech po inflačním stadiu vývoje vesmíru.

James Peebles a současná kosmologie

Po více než padesáti letech můžeme říci, že reliktní záření hraje pro pochopení vývoje a současného stavu vesmíru podobnou roli, jako měla Rosettská deska pro rozluštění egyptských hieroglyfů. Rozluštění tajemství skrytého v reliktním záření bylo výsledkem kombinace přesných měření a výrazného pokroku v teoretickém popisu vývoje prvotní polévky, která připravila podmínky a stavební kameny pro tvorbu hvězd a galaxií. James Peebles k tomu přispěl v téměř všech klíčových aspektech a svými pracemi během uplynulých více než padesáti let zásadním způsobem přispěl k transformaci kosmologie z oblasti spekulací na skutečnou vědu. Jeho monografie Physical Cosmology z roku 1972 a výrazně doplněné Principles of Physical Cosmology z roku 1993 se staly biblí moderní kosmologie. O dipólové anizotropii reliktního záření jsem se již zmínil, o dalších jen krátce.

  • Peebles jako první kvantitativně ukázal, že v prvotní polévce mohly vzniknout jen lehké prvky. Jeho výpočet z roku 1966, že 26–30 % procent hmotnosti vesmíru je tvořeno héliem, je až překvapivě blízko dnešním hodnotám.
  • Zabýval se vlivem reliktního záření na formaci galaxií.
  • Přispěl zásadním způsobem ke kvantitativnímu pochopení šíření nehomogenit hustoty hmoty v prvotní polévce a ukázal, jak by se měly tyto nehomogenity projevit v anizotropii reliktního záření.
  • Zabýval se možnou dominancí temné hmoty na teplotní anizotropie reliktního záření a nehomogenit „normální“ hmoty, z níž vznikaly galaxie.
  • Jako jeden z prvních uvažoval scénář, v němž je současný vesmír dominován vlivem kosmologické konstanty. Je zajímavé, že v jedné své práci na toto téma citoval práci Lemaîtra z roku 1933.

Podrobnější komentář k zásadním pracím Jamese Peeblese je v materiálu Scientific Background on the Nobel Prize in Physics 2019 [16], vydaném Švédskou akademií věd k uděleným cenám.

Díky Peeblesovi toho o vzniku a vývoji vesmíru víme hodně, ale dvě klíčové otázky zůstávají stále nezodpovězené: co tvoří temnou hmotu a co je podstatou temné energie? James Peebles má stále o čem přemýšlet.

Literatura
  1. A. Friedman: „Über die Krümmung des Raumes“, Z. Phys. 10, 377 (1922).
  2. A. Einstein: „Bemerkungen zu der Arbeit von A. Friedman ,Über die Krümmung des Raumes‘“, Z. Phys.11, 326 (1922).
  3. A. Einstein: „Notiz zu der Arbeit von A. Friedman ,Über die Krümmung des Raumes‘“, Z. Phys. 16, 228 (1922).
  4. G. Lemaître: „Un Univers homogène de masse constant et de rayon croissant, rendant compte de la vitesse radiale des nébuleuse extra-galactiques“, Ann. Soc. Sci. Bruxelles 47A, 49 (1927), anglický překlad: G. Lemaitre: „A homogeneous universe of constant mass and increasing radius accounting for the radial velocity of extra-galactic nebulae“, M.N.R.A.S. 41, 483 (1931).
  5. E. A. Hubble: „A relation between distance and radial velocity among extra-galactic nebulae“, PNAS 15, 168–173 (1929).
  6. G. Lemaître: „The beginning of the world from the point of view of quantum theory“, Nature 127, 706 (1931).
  7. G. Lemaître: „Evolution of the expanding universe“, M.N.R.A.S. 20, 12 (1934).
  8. F. Hoyle: „A new model for the expanding universe“, M.N.R.A.S. 108, 372 (1948)
  9. R. Alpher, H. Bethe, G. Gamow: „The Origin of Chemical Elements“, Phys. Rev. 73, 803 (1948).
  10. R. Tolman: Relativity, Thermodynamics and Cosmology. Clarendon Press, Oxford 1934.
  11. R. Alpher, R. Herman: „Remarks on the Evolution of the Expanding Universe“, Phys. Rev. 74, 1089 (1949).
  12. S. Weinberg: První tři minuty. Mladá fronta, Edice Kolumbus, Praha 1998.
  13. R. H. Dicke, P. J. E. Peebles, P. G. Roll a D. T. Wilkinson: „Cos­mic black-body radiation“, Astrophys. J. 142, 414 (1965).
  14. A. A. Penzias a R. W. Wilson: „A measurement of excess antenna temperature at 4080 Mc/s“, Astrophys. J. 142, 419 (1965).
  15. P. J. E. Peebles, D. Wilkinson: „Comment on the Anisotropy of the Primeval Fireball“, Phys. Rev. 174, 174 (1968).
  16. https://www.nobelprize.org/uploads/2019/10/advanced-physicsprize2019-3.pdf
Kategorie: Novinky z AV a FZÚ

Vědci z FZÚ přispěli k vývoji nového materiálu pro mobilní sítě 5. generace

Út, 12/24/2019 - 06:31

Zatímco dosavadní mobilní sítě využívají frekvencí do 2.5 GHz, budoucí mobilní sítě 5. generace (tzv. 5G) budou pracovat ve frekvenčním oboru 24 až 72 GHz. To umožní přenosovou rychlost dat až 20 gbps (gbps je zkratka miliardy bitů za sekundu). Základem 5G technologie jsou filtry vysokých frekvencí založené na materiálech s vysokou elektrickou laditelností permitivity a nízkými dielektrickými ztrátami.

Výzkumnému týmu Stanislava Kamby z Fyzikálního ústav AV ČR se podařilo ve spolupráci s americkými a německými kolegy vyvinout nový materiál právě s takovými vlastnostmi. Jedná se o materiál, kde se střídají atomové vrstvy SrTiO3, BaTiO3 a SrO (viz obrázek).

Schematické obrázky krystalových struktur (SrTiO3)n-1(BaTiO3)1SrO vrstev a jejich zobrazení ve skenovacím transmisním elektronovém mikroskopu. Nejlepších mikrovlnných a terahertzových vlastností bylo dosaženo ve vzorcích s n = 6. Žluté oktaedry zobrazují TiO6 vrstvy, větší zelené a červené body značí atomy Sr a Ba.

Vrstvy se nanášely pomocí molekulárních svazků na podložku z DyScO3, která indukuje ve vrstvách mechanické pnutí. Výsledkem růstu byly vrstvy se supermřížkovou strukturou a měnitelnou tloušťkou vrstvy SrTiO3. Nejlepších mikrovlnných parametrů bylo dosaženo ve vrstvách (SrTiO3)5(BaTiO3)SrO. Tyto vrstvy mají nejnižší dielektrické ztráty a vysokou laditelnost permitivity, jakých dosud bylo dosaženo. Tyto vlastnosti umožní zásadní snížení energetické náročnosti mobilních sítí a méně časté nabíjení mobilních telefonů.

Český tým se podílel hlavně na charakterizaci materiálů v terahertzové (1012 Hz) frekvenční oblasti a na interpretaci nízkých dielektrických ztrát i vysoké laditelnosti elektrickým polem. Výsledky byly publikované 23. 12. 2019 v časopise Nature Materials.

Podrobnosti je možné získat u:

Stanislava Kamby,

Fyzikální ústav AV ČR,

kambafzu [dot] cz,

tel. 266052957,

ORCID ID: https://orcid.org/0000-0003-4699-869X

Autoři:

N.M. Dawley, E.J.Marksz, A.M. Hagerstrom, G.H. Olsen, M.E. Holtz, V. Goian, C. Kadlec, J. Zhang, X. Lu, J.A. Drisko, R. Uecker, S. Ganschow, C.J. Long, J.C. Booth, S. Kamba, C.J. Fennie, D.A. Muller, N.D. Orloff and D.G. Schlom, Nature Materials, https://doi.org/10.1038/s41563-019-0564-4

Kategorie: Novinky z AV a FZÚ

Karel Jungwirth: věda se řídit nedá, ale musí

Pá, 12/20/2019 - 12:46

Doktor Karel Jungwirth se stal v pořadí osmým emeritním vědeckým pracovníkem Fyzikálního ústav Akademie věd. Jmenovací dekret převzal 19. prosince z rukou ředitele ústavu Michaela Prouzy. Při této příležitosti jsme se s bývalým ředitelem Fyzikálního ústavu bavili o slastech a strastech vědeckého života.

Váš život je spojen s působením na Fyzikálním ústavu. Ovlivnil jste jeho chod více jako ředitel nebo vědec?

Asi nejsem správný adresát, kdo by měl odpovídat na tuto otázku. V obou případech jsem se snažil a záleželo mi na tom, aby výsledkem byla kvalitní věda. Původně jsem vlastně odchovanec Ústavu fyziky plazmatu, kde na stěně laboratoře silnoproudých elektronových svazků bylo dlouho k přečtení moje krédo: Věda se řídit nedá, ale musí. To po mně chtěli moji kolegové, abych tam napsal a podepsal ve zlomových dnech prosince 1989. Pod pojmem řízení vědy jsem měl tehdy na mysli a mám dosud péči o takové tvůrčí vědecké prostředí, v němž by lidé, kteří umí a chtějí dělat vědu měli k tomu vytvořeny vhodné podmínky. O to jsem se snažil již během svého působení ve vedení naší Akademie věd i poté, co jsem byl „draftován“ do funkce ředitele Fyzikálního ústavu svým předchůdcem Dr. Vladimírem Dvořákem. Měl jsem to štěstí, že mi předával Ústav v dobrém stavu a jediné, co jsem musel po svém jmenování akutně řešit, byla personální situace v sekci optiky. Tam jsem jmenoval nového vedoucího sekce profesora Jana Řídkého, který mě následně vystřídal ve vedení celého Ústavu.

Jako ředitel jsem aktivně podporoval mezinárodní spolupráci na všech úrovních, včetně naší účasti v mezinárodních experimentech typu CERN, Elletra Sincrotrone Triestre, nebo Pierre Auger Observatory v Argentině a vždy jsem se snažil, abychom k těmto aktivitám nepřistupovali jako chudí příbuzní. Nejen kvalita naší práce, ale i takový férový přístup nám udělaly dobré jméno u zahraničních kolegů. Myslím, že to bylo právě v Terstu, kde jsme z původně dohodnutého trojlístku Poláci, Maďaři a my nakonec zůstali sami, kdo splnil své finanční závazky, protože Poláci a Maďaři od původně dohodnuté trojstranné účasti odstoupili. Vstřícně jsme zareagovali i na volání o pomoc od Pierre Auger Observatory v době argentinské finanční krize. Časy se mění a na rozdíl od urychlovačů částic nyní poskytujeme zahraničním kolegům přístup (access) i my, konkrétně k výkonovým laserům.

Vzpomenete si na největší úspěch a prohru své profesionální dráhy?

Vyskytovala se období, kdy česká věda bojovala o život. V této souvislosti považuji za úspěch, že se mi podařilo udržet kvalitní týmy i úroveň práce Ústavu. Domnívám se, že kromě jiného k tomu přispěla i skutečnost, že jako ředitel Ústavu jsem dbal na to, aby kvalitní práce byla po zásluze oceněna. Ke konci roku jsem na příklad posílal badatelům, kteří měli vynikající vědecké výsledky osobní děkovný dopis doprovázený samozřejmě i ředitelskou prémií. Myslím si však, že si více cenili toho, že jsem si všiml jejich práce a že si jí vážím, než té mimořádné prémie.

Snad jsem to nedělal tak špatně, když jsem byl dvakrát za sebou vybrán ředitelem. Byl jsem jím i v roce 2007, kdy se přecházelo na novou legislativu v. v. i. To byly těžké chvíle. Ředitel zastával veškeré funkce veřejné výzkumné instituce, nebyly rady a bylo nutné celou novou strukturu administrativy uvést do života. Nemyslím si, že ten zákon o v. v. i. byl úplně šťastný. Ustanovily se na příklad rady ústavu, které fungují spíše jako dozorčí a správní rady u podniků, které se řídí obchodním zákoníkem. A to jsme se už v roce 1968 prali za právo badatelů volit si vědecké rady ústavů. Nakonec jediná vědecká rada, která nám zůstala, je ta celé Akademie věd. Jsem přesvědčen, že by se ústav měl řídit občanským zákoníkem a ne obchodním. Umožnilo by to formovat radu jako vědeckou nikoli správní. Ostatně i společnost Maxe Plancka je dnes zapsaná společnost (e. V.), původně GmbH (s.r.o.). Je možná pozoruhodné, že jsme právní změny u nás dělali v protifázi s vývojem v Německu. Ředitel, pokud má mít možnost a chce pozitivně ovlivňovat vědecké směřování a budoucnost ústavu, by měl být obklopen vědeckou radou, jako odborníky především na vědu, aby slyšel názory lidí, kteří tomu rozumí a nedělal zbytečné chyby.

Jako outsider z Ústavu fyziky plazmatu jsem měl ve funkci ředitele ústavu to štěstí, že se mne staré mezilidské spory a vášně netýkaly a nechtěl jsem se do ničeho podobného nechat zatáhnout. Přesto za jistou formu prohry mohu považovat, že i za mého ředitelování přežívaly jisté třenice, ačkoli jsem se snažil, aby ze světa zmizely staré averze, které vznikly v souvislosti se spojením původně dvou nezávislých pracovišť Cukrovarnické a Slovanky v jeden ústav, a možná jsem nebyl v tomto snažení dostatečně důsledný. Třeba tak jako, když jsem dlouho a vytrvale usiloval o to získat podporu pro důstojnou oslavu 50. výročí založení ústavu. Nakonec se slavilo v Novoměstské radnici, kde jsme s Dr. Glogarovou, CSc. u vchodu všechny kolegy osobně vítali, aby získali oprávněný pocit, že si někdo jejich práce váží.

Může být Fyzikální ústav, jako největší ústav Akademie věd, pro ostatní vzorem vývoje?

Je pravda, že Fyzikální ústav je zdaleka největší ústav Akademie věd, ale netroufal bych si tvrdit, že je nutně svým vývojem vždy vzorem pro ostatní ústavy. Je sice pravda, že v některých směrech jsme postoupili výrazně dopředu - staví se nová budova SOLIDu 21, v Dolních Břežanech se už dostavělo, to je výborné, ale svět nespí. Mně chybí dvě věci, možná by tu mělo být více zahraničních badatelů, což úzce souvisí s tou druhou věcí, která mi chybí, a to je nastavení lepších pravidel financování. Přál bych si, aby ústav byl víc mezinárodním pracovištěm. Proto jsem inicioval a podporuji třeba uživatelský přístup na PALSu, nebo na projekt ELI, kam zahraniční badatelé přinášejí své znalosti a schopnosti jako vklad výměnou za přístup k našim experimentálním zařízením.

Kdysi jsem byl u zrodu Grantové agentury Akademie věd, což byl jistě správný krok, ale mám obavy, že současná praxe podpory účelového financování jde příliš na úkor institucionálního financování. Věda resp. její instituce potřebuje mít dostatečnou jistotu, že bude moci pokračovat v nějakém perspektivním směru, který se nastartuje. V Německu ve Společnosti Maxe Plancka mají zajištěno financování od spolkových zemí a vlád i od spolkové vlády na podstatně delší dobu než my a je to dobré. Naopak tady jsme různých zbytečných útoků na holou existenci vědy a bojů o její přežití zažili nemálo. To, že politici v předvolebních kláních často uvádějí vzdělání a vědu jako prioritu nemění nic na skutečnosti, že když dojde na lámání chleba, tak to nezřídka vypadá jinak.

Fyzika v poslední době prožívá rozkvět nových oborů. Vybral byste si jiné zaměření, pokud byste znovu volil?

Fakticky jsem změnil zaměření svého odborného zájmu během profesionální kariéry hned několikrát. A vždy to mělo vnitřní logiku a souvislost. Šel jsem od teorie stability magnetoaktivního plazmatu k nelineárním jevům, od výkonových svazků nabitých částic k výkonovým laserovým systémům a k laserovému plazmatu. Už jako student jsem měl pocit, že řízená termojaderná syntéza je vize, které stojí za to věnovat celý lidský život. Myslím si to i dnes, přestože pokroky směrem k dosažení tohoto cíle nejsou zdaleka takové, jak se tenkrát na počátku let šedesátých očekávalo. Rozhodně v oblasti fyziky pevných látek jsou s využitelností nových poznatků daleko dále a také lasery změnily náš každodenní život.

Poměrně brzy jsem byl přesvědčen, že teoretická fyzika je to, co mě láká i proto, že mi matematika byla velice blízká. Navíc jsme měli na střední škole skvělého učitele fyziky, jistého pana Dohnala. Ten s námi dělal klasické experimenty z doby zrodu současné fyziky a tenkrát se mi fyzika zalíbila, ale teprve ve třetím ročníku na jaderné fakultě jsem pochopil, co jsem si vybral za obor. Bylo to něco stěží uvěřitelného, ta fantastická cesta do světa kvantové fyziky a do mikrosvěta. Byl jsem tím tak očarován, že jsem se to pokoušel vysvětlit i své budoucí partnerce, která tehdy studovala na elektrotechnické fakultě ČVUT. My jsme vůbec taková bláznivá přírodovědně zaměřená rodina.

Ale teprve v pozdějším věku jsem si uvědomil, že bych býval mohl dělat také něco úplně jiného, třeba medicínu nebo psychologii, možná proto, že moje paní byla dlouhodobě nemocná, a když můžete pomoci potřebnému člověku, je praktický výsledek je vidět dříve než, když něco spočítáte. Ale v dobách mého mládí měla neživá příroda vůči společenským a humanitním vědám tu výhodu, že v ní i u nás platily stejné zákony jako na západ od našich hranic a mohlo se tady svobodně přemýšlet. Tohle byla oblast, kde kdejaký krajský tajemník hrdě říkal: “Já jsem byl vždy blbej na matiku.”, a tak se do ní tolik nepletl.

Ing. Karel Jungwirth, DrSc., absolvoval v roce 1963 s vyznamenáním FTJF ČVUT a ve stejném roce nastoupil do Ústavu fyziky plazmatu tehdejší ČSAV. Byl vícekrát zvolen do vědecké rady a později zastával post vedoucího oddělení laserového plazmatu. V letech 1990–1991 přednášel na University of Texas v Austinu a v Institute for Fusion Studies v USA.

Od roku 1991 vedl do roku 2001 oblast věd o neživé přírodě ČSAV (od roku 1993 AV ČR) a od roku 1993 byl po dvě funkční období členem předsednictva Akademické rady AV ČR. Ve druhém funkčním období, tedy od roku 1997 do roku 2001 byl místopředsedou AV ČR.

V období 2001–2006 působil jako ředitel Fyzikálního ústavu AV ČR a do května 2007 byl pověřen jeho řízením. V letech 2003-2008 byl delegátem za ČR v ESFRI při Evropské komisi.

Stál u zrodu Badatelského centra PALS (Prague Asterix Laser System) a byl jeho vedoucím v letech 1998 – 2001, a pak od roku 2008 do roku 2019.

V roce 2008 se stal členem řídicích orgánů přípravné fáze ELI a HiPER - projektů ESFRI Roadmap podporovaných 7. RP.

Karel Jungwirth je autorem nebo spoluautorem více než 120 prací publikovaných v mezinárodních recenzovaných časopisech, které získaly přibližně 1500 citací. Hirschův index Karla Jungwirtha podle WoS činí 21.

Autor: Petra Köppl, 21.12.2019

Kategorie: Novinky z AV a FZÚ

Prague laser spaceapps workshop 2019

St, 12/18/2019 - 10:39
ol.lr { counter-reset: list; } ol.lr > li { list-style: none; position: relative; left: 1em; } ol.lr > li:before { counter-increment: list; content: counter(list, lower-roman) ") "; position: absolute; left: -1.4em; } ol.cit { counter-reset: list; } ol.cit > li { list-style: none; position: relative; } ol.cit > li:before { counter-increment: list; content: "[" counter(list, decimal) "] "; position: absolute; left: -2.5em; } table.materials thead th { font-weight: bold; text-align: center; color: #fff; background-color: #2890c1; } table.materials tbody td { text-align: center; background-color: #d6e7f5; }

Tento článek vyšel v čísle 6/2019 Československého časopisu pro fyziku, vydávaného Fyzikálním ústavem Akademie věd ČR. Autorkou je Jana Žďárská z FZU AV ČR, v. v. i.

Koncem září roku 2019 proběhl v Praze mimořádný workshop, který byl zaměřen na aplikace výkonových laserů v oblasti detekce a odstraňování orbitálního smetí, mezihvězdných letů, odklánění nebezpečných blízkozemních objektů či dálkového průzkumu Sluneční soustavy.

Významní čeští a zahraniční vědci a také soukromé firmy představili při této příležitosti základní fyzikální koncepty, výzvy a také současné racionální možnosti této techniky a její přepokládaný vývoj v blízké budoucnosti.

Tato důležitá akce byla mimo jiné věnována i souvisejícím závažným politickým otázkám, týkajícím se provozu těchto důležitých zařízení. Diskuse se týkala především toho, jak lze takto supersilné lasery na globální úrovni vybudovat a následně také účinně kontrolovat. Účastníci konference hovořili rovněž o nutnosti vzniku mezinárodního vědeckého konsorcia jako o ústředním tématu zahraniční politiky ČR. Důležitým bodem diskutovaným v rámci workshopu byly také společenskovědní otázky možnosti globální spolupráce a souvisejícího mezinárodního práva.

Obr. 1. Testy působení laseru Asterix na reálné vzorky meteoritů. Cílem je extrapolace parametrů aplikace výkonových laserů pro působení na nebezpečné blízkozemní objekty. Vakuovou komoru připravuje pro interakční experiment Dr. Miroslav Krůs, vedoucí Oddělení laserového plazmatu, Ústav fyziky plazmatu AV ČR.

Hlavními hosty zmiňovaného workshopu byli známý americký fyzik Philip Lubin (UC Santa Barbara) a bývalý ředitel Amesova výzkumného centra NASA astrofyzik Pete Worder. Philip Lubin představil koncept mise malých jednogramových výzkumných vesmírných plavidel, která by byla během cca osmi minut urychlena velmi silným laserovým zdrojem až na 20 % rychlosti světla. Toto by dovolilo v horizontu několika desítek let prozkoumat alespoň nejbližší hvězdný systém – trojhvězdí Alfy Centauri A (Rigil), B (Toliman) a C (Proxima). V první fázi se však tento projekt bude soustředit zejména na měsíce Europa a Enceladus ve Sluneční soustavě. Lubin taktéž předpověděl, že avizovaná mise je dosažitelná v horizontu 20 až 50 let, přičemž by mohly být využity mohutné baterie vláknových laserů.

Obr. 2. Moderní spektrografy na Hvězdárně Valašské Meziříčí umožňují srovnat laboratorní spektra laserového ablačního plazmatu vzorků meteoritů se záznamem spekter plazmatu meteorů. Daří se tak odhalit prvkové složení meziplanetární hmoty a vytvořit základní bázi poznatků pro experimenty vymezující aplikační potenciál laserové ablace v kosmonautice.

Jedním z velkých témat blízké budoucnosti, kterým se zabývají také čeští vědci, je čištění oběžné dráhy Země od orbitálního smetí. Četnost tohoto smetí totiž díky lidské činnosti prudce narůstá. Ve vzdálenější budoucnosti bude možné velké lasery využít i k odklánění a zneškodňování potenciálně nebezpečných blízkozemních objektů nebo pro dálkové měření jejich složení.

Vědci Univerzity Karlovy a Ústavu mezinárodních vztahů vypracovali teoretický model budoucí globální spolupráce při vývoji, výstavbě a provozu extrémně výkonného laseru přímo s vědci Breakthrough Initiatives. Cílem bude diskutovat možnosti inkluzivní globální spolupráce mezi vládami, soukromými institucemi a mezinárodními organizacemi. Ideálním cílem by podle jejich slov bylo založení mezinárodního výzkumného konsorcia typu CERN či ITER s adekvátní globální legitimitou.

Kosmické a laserové technologie představují 1/3 perspektivních oblastí Inovační strategie ČR 2019–2030. Čeští politici by navíc mohli v podobné iniciativně sehrát zcela klíčovou roli, navazující na humanistickou tradici české zahraniční politiky. ČR nadto bude hostit agenturu pro vesmírný program EU, která může zásadně pomoci k prohlubování mezinárodní důvěry při budování takto bezpečné a citlivé technologie.

Jak nám sdělil RNDr. Martin Ferus, Ph.D., z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského: „Mohlo by se zdát, že široká aplikace výkonných laserových systémů je hudbou budoucnosti. Opak je však pravdou. Náš tým spolu s Dr. Krůsem z laserového pracoviště PALS v současné době pracuje na souvisejícím určení parametrů laserů využitelných pro kosmické aplikace. Do výzkumu se rovněž zapojila špičková infrastruktura HiLASE. Česká republika má v globálním měřítku zcela zásadní a výjimečné vědecké vybavení, včetně jedněch z nejsilnějších laserů na světě. Naše týmy využívají tyto lasery k výzkumu extrémních stavů hmoty a plazmatu. Kromě vývoje kosmických technologií nám české výkonové lasery doslova umožňují nemožné – ostřelováním plynů, meteoritů a kapalin napodobujeme extrémní podmínky panující např. při vstupu asteroidu či jen malého meteoroidu do atmosféry a jejich dopadu. Studujeme fyzikální a chemické účinky této události a umíme například zhodnotit, zda mohly přispět k procesům vedoucím ke vzniku života na Zemi.“

Přejeme českým i zahraničním vědcům mnoho úspěchů na cestě k tak významným vědeckým cílům, a ačkoliv v současné době zní například myšlenka urychlování malých jednogramových výzkumných vesmírných plavidel trochu jako sci-fi, jak řekl Dr. Lubin: „V současné době se jedná o jediný technologicky relativně snadno proveditelný plán mezihvězdného cestování.“

Poděkování: Děkujeme podpoře GAČR, projektu 18-27653S a TAČR, projektu TL01000181.

Obr. 3. Významní čeští a zahraniční vědci představili základní fyzikální koncepty pro využití velkých laserů. Ve výřezu vlevo je Dr. Philipp Lubin, vpravo Dr. Nikola Schmidt, vedoucí související politické studie, uprostřed jsou zprava do leva Dr. Miroslav Krůs (v pozadí), Dr. Tomáš Mocek, Dr. Martin Ferus a Bc. Anna Křivková, pracující na interakčních experimentech s velkými výkonovými lasery.

Kategorie: Novinky z AV a FZÚ

Úspěšnost projektů Fyzikálního ústavu přesahuje průměry Grantové agentury ČR

Po, 12/16/2019 - 11:03

Vědci z Fyzikálního ústavu Akademie věd (FZU) obhájili loňský mimořádný úspěch při získávání grantů EXPRO udílených Grantovou agenturou České republiky (GA ČR) a excelovali v úspěšnosti v juniorských grantech.

Průměrná úspěšnost podávaných projektů udávaná Grantovou agenturou ČR je v kategorii juniorských grantů 31,2%, zatímco vědci FZU dosáhli 50% úspěšnosti. U standardních GA ČR projektů byla průměrná úspěšnost žádostí 24,5% a naši vědci měli úspěšnost 29,9%. Projekty FZU v kategorii EXPRO dosáhly 33,3% úspěšnosti oproti 16,5% průměru Grantové agentury.

Fyzikální ústav získal v roce 2019 z celkového počtu 105 podaných žádostí 33 (viz tabulka níže). U mezinárodních projektů a LA projektů není počet dosud finálně stanoven, jelikož stále probíhá jejich schvalování. Grantová agentura České republiky ukončila hodnocení návrhů projektů k 25. listopadu 2019 a seznam všech úspěšných projektů lze nalézt zde.

Granty EXPRO

Pětiletou podporu pro základní výzkum v kategorii grantů EXPRO žádalo celkem 6 vědců Fyzikálního ústavu. I v letošní soutěži uspěly dva projekty Fyzikálního ústavu a s podporou excelence v základním výzkumu mohou počítat projekty Pavla Jelínka a Martina Schnabla.

Cílem projektu Pavla Jelínka je navrhnout, syntetizovat a charakterizovat 1D molekulární řetízky na površích s jedinečnými materiálovými vlastnostmi. Díky udělení finanční podpory se může tým Pavla Jelínka nejprve věnovat zkoumání organometalických polymerů, jejich magnetickému uspořádání a možnosti řídit redox stavy v řetězci. Následně se zaměří na možnost uzavření zakázaného pásu pi-konjugovaných polymerů blízkostí topologického fázového přechodu. Tato strategie by mu v zásadě měla umožnit překonat problém Peierlsova přechodu (dimerizace) za vzniku čistě kovových pi-konjugovaných polymerů. Pro syntézu molekulárních řetězců požadovaných vlastností s délkou desítek až stovek nanometrů použije chemii na površích za podmínek ultravysokého vakua (UHV). Jejich chemická struktura bude analyzována pomocí rastrovací mikroskopie s vysokým rozlišením s funkcionalizovanými hroty poskytující bezprecedentní prostorové rozlišení. Měření rastrovací mikroskopie budou doplněna dalšími technikami povrchové vědy, jako jsou elektronová difrakce a fotoemise, a podpořena teoretickou analýzou založenou především na teorii funkcionálu hustoty (DFT).

Martin Schnabl v projektu zkonstruuje a bude studovat teorii strunového pole popisující beznapěťovou strunu v Antide-Sitterově prostoru za pomoci holografické duality. Teorie strunných polí se rozvinula za posledních několik let do potenciálně velmi užitečného nástroje ke studiu zásadních témat teorie strun, například jak propojit klasická pozadí otevřených či uzavřených strun skrze kondenzaci tachyonů a jak odvodit existenci a studovat vlastnosti nových pozadí. Dlouhodobě se také soudí, že teorie strun se řídí obří kalibrační symetrií vyšších spinů, která by se měla plně projevit v limitě beznapěťové struny, a v nedávné době bylo v tomto směru dosaženo významného pokroku. Struktura teorie strunných polí by v této limitě měla být obzvláště jednoduchá a transparentní, neboť pole by se měla organizovat do multipletů, a kalibrační invariance by měla podstatně omezit povolené interakce.

Juniorské granty

FZU získalo v roce 2019 celkem pět juniorských grantů GA ČR.

Pavla Štěnclová uspěla s projektem zaměřeným na zkoumání interakce mezi povrchem diamantu (ve formě nanokrystalického diamantu a DLC vrstev) a biomolekulami pomocí metod FTIR a XPS spektroskopie podpořených AFM, SEM a WCA.

Petru Bednyak získal projekt zaměřený na zjišťování magnetických vlastností indukovaných různými nositeli náboje a také v nabitých doménových stěnách ve feroelektrikách, což by mělo umožnit Petru Bednyakovi dosáhnout magnetoelektrické vazby a řízení režimu.

Václava Eigner uspěl s projektem zaměřeným na experimentální výzkum metal-organických sítí, vhodných pro napouštění jinými látkami (kapaliny, amorfní a špatně krystalizující látky) a studium procesu jejich napouštění a transformací. Výzkum Václava Eignera má potenciální využití při výzkumu a vývoji nových farmaceutických substancí.

Maksym Buryi získal podporu pro projekt nanoscintilátory na bázi ultrarychlých luminiscenčních struktur tvořených násobnými kvantovými jamami a komposity.

Sabir Ramazanov uspěl s projektem, v kterém se bude věnovat studiu implikací nestandardních modelů částic a gravitačních modelů pro kosmologii.

Typ projektu Podané Schválené Standardní - navrhovatel 50 14 Standardní – spolunavrhovatel 17 6 Juniorské 10 5 Mezinárodní projekty - navrhovatelé 17 5 Mezinárodní projekty - spolunavrhovatelé 2 1 EXPRO 6 2 LA projekty 3 Celkem 105 33
Kategorie: Novinky z AV a FZÚ

Profesoři Řídký a Hrabovský laureáty čestné Kopalovy přednášky

Út, 12/03/2019 - 10:51

Česká astronomická společnost ocenila klíčový přínos pracovníků Fyzikálního ústavu na české účasti v mezinárodním projektu Observatoř Pierra Augera v Argentině. Profesoři Jan Řídký a Miroslav Hrabovský proslovili v sobotu 30. listopadu čestnou přednášku věnovanou nejvýznamnějšímu světovému centru pro výzkum ultraenergetického kosmického záření. Slavnostní akt se uskutečnil v Planetáriu Praha.

Slavnostní udělení ceny

Laudatio na obě vědce, díky nimž se český výzkum v oboru astročásticové fyziky dostal na světovou úroveň, přednesl čestný předseda České astronomické společnosti Jiří Grygar. Na mezinárodním projektu Observatoře Pierra Augera se podílí 17 zemí a česká účast hraje klíčovou roli zejména v oblasti fluorescenční detekce kosmického záření a testování elektroniky pro modernizaci pozemního detektoru observatoře. O významu přínosu českých fyziků na fungování observatoře, kde pracuje více než 500 fyziků, svědčí i jejich opakovaná volba do vedoucích pozic Observatoře. Profesor Jan Řídký zastával v období 2006–2010 funkci vedoucího jednoho ze dvou nejdůležitějších zařízení Observatoře – fluorescenčního detektoru. Po profesoru Řídkém byl na stejné místo zvolen další člen českého týmu - astrofyzik Radomír Šmída.

Observatoř zahájila plný provoz na počátku roku 2008, ale první úspěch zaznamenalo české vědecké zastoupení již během její výstavby. Jednalo se o vítězství olomouckých segmentovaných zrcadel v konkursu na výrobu optiky pro širokoúhlé kamery sledující atmosférické spršky ultraenergetického kosmického záření. Ta obstála v konkurenci s optickými prvky pro kamery z Německa, Itálie a Brazílie. Neméně důležitým výsledkem mezinárodní spolupráce je i robotický teleskop FRAM, měřící průzračnost atmosféry v daném směru bezprostředně po průletu spršky.

Argentinskou observatoří generované nejrozsáhlejší soubory dat s předtím nedosažitelnou přesností v pásmu ultraenergetického kosmického záření umožňují vědcům průlomový výzkum. Význam observatoře v posledních letech narůstá i v nastupující éře mnohopásmové astronomie (multimessenger astronomy) po zachycení mnohopásmového dosvitu po detekci gravitačních vln vyvolaných splynutím dvou neutronových hvězd.

Umělcovo zpracování obrazu spršky kosmického záření dopadající do Čerenkovova detektoru na Observatoři Pierra Augera (credit: A. Chantelauze, S. Staffi, L. Bret).

Profesor Jan Řídký se věnuje experimentální fyzice elementárních částic. Od roku 1997 se podílí na mezinárodním projektu observatoře Pierra Augera, kde v letech 2006–2010 pracoval jako koordinátor fluorescenčního detektoru. Od roku 2007 vedl deset let Fyzikální ústav a zasloužil se o vznik mezinárodního projektu ELI. Od roku 2017 je členem Akademické rady a místopředsedou AV ČR pro oblast věd o neživé přírodě.

Profesor Miroslav Hrabovský pracuje ve Společné laboratoři optiky Fyzikálního ústavu AV ČR a Univerzity Palackého v Olomouci, kterou vedl v letech 1990 – 2012. V současnosti je vedoucím Laboratoře vlnové a statické optiky. Působí jako odpovědný zástupce vydavatele časopisu Jemná mechanika a optika.

Kopalova přednáška je čestné ocenění České astronomické společnosti, které se uděluje od roku 2007 za významné vědecké výsledky.

Kategorie: Novinky z AV a FZÚ

Fotografická soutěž pro zaměstnance FZU zná vítěze

Čt, 11/28/2019 - 11:08

Mikroskopické snímky, ale i výsledky počítačových simulací: zaměstnanci Fyzikálního ústavu překvapili porotu množstvím témat. První místo udělila komise Barboře Smolkové, která při práci s konfokálním mikroskopem se super-rozlišením zachytila strašidlo v buňce karcinomu.

Druhé místo z 33 účastníků získal John Mangeri za snímek výsledku počítačové simulace polarizace v okolí nanočástice BaTiO3. Komise se dlouho nerozmýšlela a rozhodla se udělit dvě třetí místa. Bronzovou příčku si dělí polarizační světelnou mikroskopii pořízený snímek Kapalné krystaly Alexeye Bubnova a reportážní fotografie Jakuba Nováka ze zprovozňování laseru ALLEGRA v břežanském centru ELI.

Mezi členy hodnotící komise byli zástupci vedení ústavu, členové PR týmů FZU a na posuzování fotografií se podílel i profesionální fotograf Petr Jan Juračka. "Potěšil nás zájem, se kterým se první ročník soutěže mezi zaměstnanci FZU setkal. Sešlo se velké množství kvalitních snímků, které využijeme pro tvorbu kalendáře i další propagační účely," říká Jiří Červenka, vědecký tajemník FZU a jeden z hodnotitelů.

Přinášíme Vám přehled prvních deseti (sdílených) oceněných míst.

1. místo. Barbora Smolková: "Baf!" Duch se objevil v buněčné kultuře.
B. Smolková používá ve své práce konfokální mikroskop se super-rozlišením, jediný přístroj svého druhu v České republice. K zobrazení jemných struktur je vzorek ozářen laserovým svazkem skrze speciální rotující kotouč. Rozlišovací schopnost tak může být menší než 100 nm. Pomocí fluorescenčních barev jsou vědci schopni označit buňkové organely, například jádra, mitochondrie nebo buněčnou kostru a pozorovat tak různé změny v jejich struktuře nebo tvaru. Na snímku je zobrazena buňka karcinomu.

2. místo. John Mangeri: Počítačová simulace nanočástice BaTiO3: křivky konstantního toku polarizace v exotickém topologickém stavu.
J. Mangeri je postdoktorandem v oddělení dielektrik. I v tomto oboru je stále mnoho nevyřešených otázek, na které vědci hledají odpovědi v rámci základního výzkumu. Snímek je výsledkem počítačové simulace polarizace v okolí nanočástice BaTiO3.

3. - 4. místo. Alexey Bubnov: Textury kapalných krystalů.
A. Bubnov zkoumá vlastnosti nových kapalných krystalů, vytvořených v oddělení chemie FZU. K výzkumu používá polarizační světelnou mikroskopii, díky které vznikl o oceněný snímek. Kapalné krystaly jsou běžnou součástí živých systémů (proteiny, buněčné membrány, …) a využívají se např. v elektronických (LCD) displejích.

3. - 4. místo. Jakub Novák: Čtvrtá etapa OPCPA na laseru ELI ALLEGRA.
Na obrázku je zachyceno zprovozňování laseru ALLEGRA. Jde o jeden z laserových systémů na ELI Beamlines, nejsilnějším laseru na světě. Zde pomocí technologie parametrického zesilování probíhá navyšování energie impulsů.

5. místo. Marek Vronka: Magnetická doménová struktura ve slitině Ni-Mn-Ga.
Doménová struktura vykazuje efekt magnetické tvarové paměti. Barvy určují orientaci magnetického pole uvnitř vzorku. M. Vronka pracuje v oddělení materiálové analýzy, která je důležitá kvůli pochopení souvislostí mezi strukturou a vlastnostmi materiálů a také pro objasnění růstu krystalů.

6. - 12. místo. Alexey Bubnov: Skály.
A. Bubnov zkoumá vlastnosti nových kapalných krystalů, vytvořených v oddělení chemie FZU. K výzkumu používá polarizační světelnou mikroskopii, díky které vznikl i oceněný snímek. Kapalné krystaly mohou být tekuté, ale zároveň mají některé charakteristiky krystalu, např. uspořádané orientované molekuly.

6. - 12. místo. Alexey Bubnov: Tanec barev.
A. Bubnov zkoumá vlastnosti nových kapalných krystalů, vytvořených v oddělení chemie FZU. K výzkumu používá polarizační světelnou mikroskopii, díky které vznikl i oceněný snímek.

6. - 12. místo. Jaromír Kopeček: Kubický aluminid kvete fialově, ale i zeleně.
Instalací skenovacího elektronového mikroskopu Tescan FERA 3 v roce 2014 začala pro práci J. Kopečka nová éra, podařilo se dotvořit laboratoř, která je schopná plně připravovat a charakterizovat materiály, zejména intermetalika. Barevná mapa orientací krystalové mříže pořízená metodou difrakce zpětně odražených elektronů (EBSD) je příkladem metody rozvíjené pro vlastní projekty i uživatelské pojetí laboratoře. Vzorek, jehož květy kvetou zeleně i modře, je referencí pro materiál připravený z prášků a slouží ke zpřesnění popisu jeho struktury.

6. - 12. místo. Martin Mašek: Mlhovina Laguna (katalogové označení M8) s otevřenou hvězdokupou.
M. Mašek je vášnivým pozorovatelem noční oblohy a objevitelem řady proměnných hvězd i dalších kosmických objektů. Pro FZU vzdáleně obsluhuje dalekohled FRAM, umístěný v Argentině, na kterém vznikl i úspěšný snímek. Mlhovinu, která je rodištěm nových hvězd, nalezneme v souhvězdí Střelce.

6. - 12. místo. Martin Mašek: Celooblohový snímek noční oblohy nad Los Leones na Observatoři Pierra Augera v Argentině.
Celooblohový snímek vznikl v blízkosti českého dalekohledu FRAM, kam M. Mašek cestoval na servisní misi v roce 2015. Přes oblohu se táhne nápadný pruh jižní Mléčné dráhy, na nebi jsou patrná i Magellanova oblaka, malé satelitní galaxie gravitačně svázané s naší Galaxií. Po obloze se táhnou zelené pruhy, tzv. airglow, jde o přirozené záření zemské atmosféry.

6. - 12. místo. Vladimíra Novotná: Kapalné krystaly.
V. Novotná vede skupinu, která studuje kapalné krystaly. Jde o látky organického původu, které mají vlastnosti kapalin, tečou a přizpůsobují se vnějším podmínkám, současně ale vykazují uspořádání a vlastnosti krystalů. Jejich svět je plný barev a kontrastů a sledovat je v polarizovaném světle optického mikroskopu přináší mnoho informací o jejich optických vlastnostech. Často se nám naskytne při jejich pozorování nevšední estetický zážitek. Tento snímek se také umístil na 2. místě v hodnocení Akademické rady celoakademické soutěže Věda Fotogenická.

6. - 12. místo. Tetyana Polyakova: Jednou fyzik - vždycky fyzik, dokonce i na dovolené!
Při cestách po severním Norsku narazila T. Polyakova na gigantické mořské víry, které se formují během přílivu a odlivu v úžině Saltstraumen, vedoucí do fjordu Skjerstad. Přechod mezi laminárním a turbulentním prouděním zatím nebyl teoreticky vyřešen a zůstává tajemstvím již po více než 100 let. Na snímku si můžete vychutnat toto rozhraní společně s lodí výzkumníků (nebo snad dobrodruhů). T. Polyakova se zabývá biofyzikou, zejména vlivem magnetických polí na živé organismy.

Kategorie: Novinky z AV a FZÚ

Dny otevřených dveří přilákaly na FZU stovky zájemců

Po, 11/25/2019 - 09:08

Všechna hlavní pracoviště Fyzikálního ústavu AV ČR (FZU) se otevřela ve dnech 12. - 16. listopadu 2019 veřejnosti. Návštěvníci se mohli seznámit s laboratoří, která disponuje nejsilnějším laserem na světě, pozorovat atomy nebo si vyzkoušet tvarovou paměť slitin. Celý program Dnů otevřených dveří FZU je k dispozici zde.

Na FZU v Ládví, kam letos zavítalo přes 400 zájemců, bylo připraveno pět tematických okruhů. Ty návštěvníky zavedly do jindy nepřístupných laboratoří, ve kterých byla přiblížena příprava nanovrstev s uplatněním v displejích a solárních článcích, technologie pro skenování kufrů na letištích, struktura vzorků pod elektronovým mikroskopem a mnoho dalšího.

Na zážitky ze střešovického areálu budou návštěvníci, jak doufáme, dlouho vzpomínat.

Do nanosvěta s elektronovým mikroskopem se bylo možné vydat i v areálu ve Střešovicích, kde se konaly speciální popularizační programy pro školní skupiny. K vidění byly detaily obyčejných předmětů, ale také obtížně pozorovatelné krystalky nanodiamantů. Exkurze byly doprovázeny pokusy s dusíkem. Pro veřejnost byla určena také sobotní prohlídka budov, postavených ve stylu art deco. Celkem na místo dorazilo kolem 300 lidí.

V Dolních Břežanech se otevřely experimentální haly laserových center ELI Beamlines a HiLASE. Zájemci si ulovili světelný meč pomocí tzv. difrakce světla, otestovali logické myšlení ve hře Laser Maze a hlavně uviděli základní stavební prvky každého laseru přímo v akci. I zde se návštěvnost akce pohybovala kolem 400 osob.

Princip laseru i s praktickými ukázkami, tak vypadaly Dny otevřených dveří v Dolních Břežanech.

Kategorie: Novinky z AV a FZÚ

Zemřel Miloš Lokajíček, legenda Fyzikálního ústavu

Pá, 11/22/2019 - 13:57

Osud Miloše Lokajíčka byl úzce provázán s historickými zvraty 20. století, které ovlivnily jeho soukromý i pracovní život. Ten zasvětil rozvoji fyzikálních věd a šíření křesťanských hodnot a víry.

Prof. RNDr. Miloš Lokajíček, DrSc. (* 1923 †︎ 2019), Foto: Paměť národa

Miloš Lokajíček se narodil 20. srpna 1923 ve Starém Plzenci. V roce 1942 maturoval na gymnáziu v Plzni, ale na studium na vysoké škole mohl nastoupit teprve po ukončení druhé světové války. Ihned po jejím ukončení se přihlásil na obnovenou Přírodovědeckou fakultu Univerzity Karlovy, kde v roce 1948 dokončil studium matematiky a fyziky. O dva roky později získal titul doktora přírodních věd.

Špatný kádrový posudek znemožnil Lokajíčkovi po studiích nastoupit do zaměstnaneckého poměru v Matematickém ústavu plzeňské Škodovky, ale s pomocí švagra Josefa Hoška se mu podařilo nastoupit do Státního radiologického ústavu v Praze a následně se ve vinohradské nemocnici podílel na zavádění nových přesných ozařovacích technik v onkologické léčbě a výzkumu onkologické radiologické léčby.

V roce 1952 společně s profesorem Václavem Votrubou navrhli jako první postup systematického popisu elementární částice. Po aspirantuře v Ústavu teoretické fyziky na přírodovědecké fakultě Univerzity Karlovy přešel v roce 1953 do Fyzikálního ústavu Československé akademie věd v Praze.

Lokajíčkovu vědeckou kariéru přerušilo v únoru 1954 zatčení a následné odsouzení Krajským soudem v Praze k sedmi letům vězení. Lokajíček byl souzen v procesu „Malíková a spol.“ k těžkému žaláři. Proces byl veden proti okruhu pražské „Rodiny“ vedené chorvatským knězem Stjepanem Tomislavem Kolakovićem, ke kterému Lokajíček patřil od roku 1946 a již rok dříve byl jedním z obnovitelů sdružení katolických vysokoškolských studentů České ligy akademické.

Trest si odpykával u technického komanda v Opavě, kde zodpovídal za skupinu pověřenou překládáním materiálů o jaderné energii. Díky přímluvě profesora Votruby u prezidenta Antonína Zápotockého byl po třech letech propuštěn. Profesor Votruba využil své pozice během státní návštěvy ve Spojeném ústavu jaderných výzkumů Dubna u Moskvy, kde od roku 1956 působil jako zástupce generálního ředitele.

Rok po propuštění z vězení se začal Lokajíček věnovat vývoji nukleárních zařízení pro lékařské účely ve Výzkumném závodu Tesla Přemyšlení. K původnímu oboru se ovšem vrátil až po pražském jaru a odjel na roční pracovní pobyt do Dubna a následně se vrátil do Fyzikálního ústavu, kde neoficiálně vedl sekci fyziky elementárních částic. Po roce 1990 se aktivně zapojil do spolupráce v projektech Evropské organizace pro jaderný výzkum (CERN).

Miloš Lokajíček se celý život věnoval rozvoji fyzikálních věd. Jeho hlavním výzkumným tématem byl popis kolizních a rozpadových procesů částic a axiomatika kvantové teorie. Při své práci se proslavil kombinováním metod ve zdánlivě zcela odlišných vědních disciplínách, které aplikoval v oblasti radiobiologie a hadronové terapie. Lokajíček byl prakticky první v celé východní Evropě, kdo začal uvádět do chodu nové přesné ozařovací techniky v léčbě nádorových onemocnění. Je autorem nebo spoluautorem přibližně 300 původních vědeckých prací a držitelem Zlaté plakety ČSAV za zásluhy o rozvoj ve fyzikálních vědách, kterou převzal v roce 1992.

Osobnost a životní postoj Lokajíčka vystihuje vzpomínka Vojtěcha Kundráta, kterou publikoval u přílěžitosti Lokajíčkova životního výročí na webu Fyzikálního ústavu. V době listopadové sametové revoluce 1989 se v SÚJV Dubna konalo shromáždění na jehož konci vystoupil Lokajíček, který se: “ve svém proslovu soustředil na otázku růstu osobnosti a postavení člověka ve společnosti; poukázal na to, že cílem člověka, nejenom vědecky pracujícího, by měla být především služba. Ne kariéra, nebo osobní prospěch,” vzpomíná v textu Kundrát.

Miloš Lokajíček zemřel ve věku 96 let dne 7. listopadu roku 2019.

Foto: Paměť národa
Kategorie: Novinky z AV a FZÚ

Lukáš Ondič: Ocenění Lumina je pět let klidu na výzkum

Út, 11/05/2019 - 17:05

Lukáš Ondič převzal 5. 11. 2019 Prémii Lumina quaeruntur udělovanou Akademii věd. Ve Fyzikálním ústavu založí díky prémii vlastní vědecký tým, který se bude věnovat studiu nových nanofotonických platforem na bázi diamantu vhodných pro kvantovou fotoniku a senzoriku. Zeptali jsme se na jeho plány.

Lukáš Ondič přebírá prémii z rukou předsedkyně Akademie věd ČR Evy Zažímalové.

Získal jste významné ocenění Akademie. Co pro vás konkrétně znamená?

Získaní oceneni Lumina je pro mne veliká čest a moc si takto vyjádřené důvěry Akademie věd vážím. Zároveň to beru jako veliký závazek a zodpovědnost vytvořit něco nového a přispět k poznání v kvantové fotonice. Největší plus spatřuji v tom, že díky slušnému rozpočtu na dobu až pěti let budeme mít klid a nebudeme pod tlakem generovat výstupy na kvantitu, ale budeme se mít čas zaměřit na kvalitu výstupu a výzkum samotný.

Projekt mi umožní vytvořit tým lidí, kteří se budou věnovat problémům a výzvám kvantové fotoniky. Těch je samozřejmě hodně a všem jim prozatím nerozumím, ale vybral jsem si několik konkrétních nejasností, na které jsem schopen využít mé dosavadní znalosti a pokrýt je vybavením optických laboratoří ve FZU.

Prémie vám umožní postavit nový vědecký tým. Jakým směrem se chcete ubírat při studiu kvantové fotoniky?

Hlavním cílem projektu je pochopit a popsat fyzikální procesy zodpovědné za emisi světla z tzv. diamantových optických center. Optická centra jsou zdroje jednotlivých fotonů s vlastnostmi vhodnými pro vyžití v kvantové fotonice. V kvantové fotonice je informace o kvantovém stavu systémů zabudovaná do jednotlivých fotonů, například do polarizace světla.

V rámci projektu se mimojiné pokusíme vytvořit fotonickou diamantovou platformu, která bude kombinovat tyto optická centra s účinným elementem pro jejich efektivní manipulaci. Manipulaci ve smyslu jejich nastavení do požadovaného kvantového stavu. V současné době se na tuto manipulaci využívají externí zdroje, tzn. velké samostatně stojící lasery, což není efektivní. My v rámci projektu máme v plánu vytvořit novou platformu, která bude obsahovat laser i zdroj fotonů na jednom chipu, která umožní realizovat diamantovou kvantovou fotoniku a senzoriku.


RNDr. Lukáš Ondič působí v Oddělení tenkých vrstev a nanostruktur Fyzikálního ústavu. V rámci doktorského studia přišel s převratným postupem, který až osminásobně vylepšuje extrakci světla z diamantové vrstvy a současně umožňuje nasměrovat světlo v požadovaném směru. V roce 2017 získal prémii Otto Wichterleho pro mladé vědce.

Kategorie: Novinky z AV a FZÚ

Vědci získávají data z CERNu rychlostí 100 Gbps

Čt, 10/31/2019 - 17:41

Fyzikální ústav Akademie věd ČR zvýšil rychlost svého připojení do sítě LHCONE na 100 Gbps a usnadnil tak svým vědcům zpracovávání obrovského množství dat produkovaných největším urychlovačem částic na světě. V mezinárodní laboratoři CERN jsou čeští vědci zapojeni do dvou ze čtyř velkých experimentů prováděných v LHC: ALICE a ATLAS.

"Bez vysokorychlostního připojení bychom naše servery nemohli v LHC gridu provozovat, proto jsou spolehlivé síťové služby poskytované sdružením CESNET nezbytným základem pro naši účast na zpracování dat z LHC," dodává Jiří Chudoba, vedoucí Výpočetního střediska Fyzikálního ústavu (FZU).

Pro experimenty disponuje Fyzikální ústav 3 PB úložného prostoru a 5000 výpočetními jádry. Síťové připojení ústavu, zajišťované e-infrastrukturou CESNET, je pro vědecké účely dále směrováno jak do celosvětové sítě LHCONE, tak do evropské výzkumné infrastruktury GÉANT.

V letošním a příštím roce probíhá modernizace urychlovače LHC včetně detektorů, a přestože nyní nevznikají nová data, dochází neustále ke zpracování již zaznamenaných srážek částic. Současné povýšení kapacity síťového připojení umožní efektivní a bezproblémové přenosy dat a optimální využití úložných a výpočetních kapacit i během dalšího běhu urychlovače (tzv. Run 3), se kterým se počítá na léta 2021 až 2023.

„Poskytování špičkové e-infrastruktury a kvalitních služeb pro vědecké projekty, na kterých se podílejí čeští odborníci, je naší dlouholetou prioritou. Jsme rádi, že jsme přispěli k vytvoření vhodného prostředí pro zpracovávání ohromného množství dat pocházejících z významného evropského projektu LHC ve švýcarském CERNu,“ uvedl Jan Gruntorád, ředitel sdružení CESNET.

Dosavadní připojení FZÚ rychlostí 4 x 10 Gbps bylo pro práci s velkými daty nedostatečné.


Sdružení CESNET bylo založeno v roce 1996 vysokými školami a Akademií věd ČR. Zabývá se výzkumem a vývojem informačních a komunikačních technologií, buduje a rozvíjí národní e-infrastrukturu CESNET určenou pro výzkum a vzdělávání. Díky svým výzkumným aktivitám a dosaženým výsledkům reprezentuje Českou republiku v důležitých mezinárodních projektech, zejména v budování panevropské sítě GÉANT či gridových projektech (EGI.eu), a podílí se aktivně na jejich realizaci. Sdružení pracuje i na využití vysokorychlostních sítí pro sdílení multimediálních dat, a to jak synchronně formou videokonferencí a sdílených aplikací, tak asynchronně formou streamingu.
Více na: www.cesnet.cz

Kategorie: Novinky z AV a FZÚ

Co skrývá jáchymovské podzemí? Unikátní minerální poklady odhalí publikace nakladatelství Academia

Út, 10/29/2019 - 17:12

Minerální bohatství jáchymovského ložiska je známo již téměř pět století, od dob významného německého učence Georgia Agricoly. Přesto se týmu vědců v čele s Jakubem Plášilem během posledních let podařilo objevit a popsat více než desítku dosud neznámých minerálů, zejména obsahujících uran. Nejen jim je věnována souborná publikace Jáchymov – mineralogická perla Krušnohoří, u jejíhož vzniku stáli spolu s Plášilem i Pavel Škácha a Vladimír Horák.

„Autoři zúročili desetiletí geologického, mineralogického a krystalografického výzkumu světově proslulé lokality, aby podali veřejnosti přístupnou, ale vědecky exaktní formou svědectví o minerální pestrosti zdejšího, rozsahem nevelkého ložiska, jehož těžba několikrát ovlivnila běh světových dějin,“ chválí trojici Michal Dušek, vedoucí Sekce fyziky pevných látek Fyzikálního ústavu AV ČR, kde působí i Jakub Plášil.

Úvodní část publikace, vydané nakladatelstvím Academia, přehledně zachycuje proměnu zájmu o jáchymovské nerostné suroviny v průběhu staletí. Hornické město zažilo etapu těžby stříbra, arsenu, kobaltu i uraninitu, nejprve používaného na barvení skla, později na získávání radia pro medicinální účely a po druhé světové válce na výrobu katomové bomby.

Těžba surovin v Krušnohoří je od počátků spojena s mnoha technickými inovacemi a vynálezy. Až do devatenáctého století se v některých dolech užívalo mihadlo, čerpací stroj na důlní vodu, zkonstruovaný v roce 1551. Jáchymov měl zkraje dvacátého století světový monopol na produkci radia, které poprvé z uranové rudy smolince izolovala spolu s manželem Marie Curie-Skłodowská. V Jáchymově také vzniklo první státní hornické učiliště na světě a také první radonové lázně.

Z Jáchymova rovněž pocházel uran použitý v první sovětské atomové bombě, která byla odpálena v roce 1949 na cvičné střelnici u Semipalatinsku. O strategickém významu dobývání uranové rudy pro Sovětský svaz svědčí tajná dohoda mezi vládou Svazu Sovětských Socialistických Republik a vládou Československé republiky z 23. listopadu 1945 i krok ministerského předsedy Antonína Zápotockého, který její správu v roce 1952 podřídil přímo vládě. Těžba uranu byla vykoupena lidskými oběťmi a utrpením v podobě nucené práce politických vězňů internovaných v koncentračních táborech v blízkosti dolů.

Výsledek mnohaletého výzkumu autorského kolektivu v dalších částech publikace prezentuje podrobný popis primárních a sekundárních minerálů z jáchymovského ložiska. Komplexní přehled mineralogie a minerálního bohatství autoři rozšířili o fotografie z českých a zahraničních muzeí, reprodukce historických map i snímky uměleckých děl vytvořených z lokálních minerálů.


Jakub Plášil se věnuje mineralogické krystalografii ve Fyzikálním ústavu AV ČR a je spoluautorem popisu více než osmdesáti nových minerálních druhů z celého světa. Dlouhodobě se zabývá mineralogií uranu a také mineralogií a geochemií jáchymovského rudního revíru.

Jáchymov – mineralogická perla Krušnohoří
Nakladatelství Academia
ISBN 978-80-200-2931-7

Kategorie: Novinky z AV a FZÚ

Příští stanice Fyzikální ústav. Urychlete nástup, dveře se otvírají

Čt, 10/17/2019 - 08:24

Nepromarněte jedinečnou šanci prozkoumat, co se děje za dveřmi Fyzikálního ústavu v Ládví, Střešovicích a Dolních Břežanech. Přijďte se ve dnech 12.–16. listopadu 2019 podívat na nejsilnější laser na světě, pozorujte s námi atomy nebo navštivte laboratoře, kde vědci zkouší tvarovou paměť slitin. To vše během Dnů otevřených dveří Fyzikálního ústavu AV ČR (FZU).

Laserová centra FZU lákají na nevšední zážitky také prostřednictvím virtuální reality.

Jak se připravují nanovrstvy pro displeje a solární články, kde se vylepšují přístroje pro skenování kufrů na letišti a jak vypadají vzorky minerálů pod elektronovým mikroskopem? To vše se dozvíte v Ládví, kde je pro vás připraveno pět tematických okruhů špičkovými laboratořemi.

Do nanosvěta s elektronovým mikroskopem se můžete vydat i v areálu ve Střešovicích. Uvidíte detaily obyčejných předmětů, ale také obtížně pozorovatelné krystalky nanodiamantů. Zažijete pokusy s dusíkem a poučíte se, jak se zkoumá fyzika pevných látek. Pro veřejnost je určena sobotní prohlídka budov, postavených ve stylu art deco.

Pokusy s tekutým dusíkem patří mezi návštěvníky k nejoblíbenějším.

V Dolních Břežanech pro vás otevřeme experimentální haly laserových center ELI Beamlines a HiLASE, kde si ulovíte světelný meč pomocí tzv. difrakce světla, otestujete logické myšlení ve hře Laser Maze nebo uvidíte základní stavební prvky každého laseru přímo v akci.

Nezapomeňte si rezervovat místa, kapacita prohlídek je omezena! Vstup zdarma. Akce jsou součástí Týdne vědy a techniky Akademie věd ČR.

Kategorie: Novinky z AV a FZÚ

Transparentní keramika - požehnání pro společenství laserových vědců

Út, 10/15/2019 - 12:07
ol.lr { counter-reset: list; } ol.lr > li { list-style: none; position: relative; left: 1em; } ol.lr > li:before { counter-increment: list; content: counter(list, lower-roman) ") "; position: absolute; left: -1.4em; } ol.cit { counter-reset: list; } ol.cit > li { list-style: none; position: relative; } ol.cit > li:before { counter-increment: list; content: "[" counter(list, decimal) "] "; position: absolute; left: -2.5em; } table.materials thead th { font-weight: bold; text-align: center; color: #fff; background-color: #2890c1; } table.materials tbody td { text-align: center; background-color: #d6e7f5; }

Tento článek vyšel v čísle 4/2019 Československého časopisu pro fyziku, vydávaného Fyzikálním ústavem Akademie věd ČR. Autory jsou Samuel Paul David, Petr Navrátil, Martin Hanuš, Venkatesan Jambunathan, Martin Divoký, Antonio Lucianetti a Tomáš Mocek z laserového centra HiLASE Fyzikálního ústavu AV ČR.

Transparentní keramika se v laserové technice využívá jako matrice aktivních laserových prostředí vysokovýkonových laserů, kde se začala prosazovat od začátku milénia. Díky svým jedinečným vlastnostem je atraktivní alternativou monokrystalů a skel, kdy nachází využití v široké škále oborů a aplikací zahrnujících optiku, vojenství, medicínu, detektory záření a další.

Pevnolátkové lasery hrají důležitou roli na poli vědy i průmyslu, a to zejména díky jejich specifickým aplikačním možnostem. Relativně novým přírůstkem do oblasti pevnolátkových laserů je transparentní keramika, která zaujala „laserovou komunitu“ možností použití ve vysokovýkonových laserech, u nichž byly jako matrice aktivních prostředí až donedávna využívány monokrystaly nebo skla. Přestože se polykrystalickou keramiku podařilo využít jako aktivní prostředí laseru nedlouho po demonstraci prvního laseru, zůstával potenciál keramiky až do předvedení japonskými vědci v roce 1995 skryt. Transparentní keramika si našla užití v široké škále oborů a aplikací zahrnujících optiku, vojenství, medicínu, detektory záření a další, její tržní hodnota se má v roce 2024 podle předpokladů vyšplhat k hodnotě jedné miliardy amerických dolarů [1]. Keramika laserové kvality se svým specifickým potenciálem stává konkurencí monokrystalů při konstrukci vysoce účinných pevnolátkových laserů. Růst důležitosti transparentní keramiky je patrný i díky nedávné demonstraci laseru se středním výkonem 1 kW, realizované českými a britskými vědci s polykrystalickým médiem Yb:YAG [2]. Nepopíratelný přínos transparentní keramiky při vývoji laserů s vysokým výkonem a účinností je dobrým důvodem pro podrobnější představení této laserové matrice a převyprávění příběhu jejího vzniku.

Přehled pevnolátkových laserových médií

Jedním z největších objevů druhé poloviny 20. století je LASER, zařízení zesilující světlo pomocí stimulované emise záření. Ačkoliv Albert Einstein popsal koncept stimulované emise již v roce 1916, k první praktické realizaci zmíněného jevu došlo po více než čtyřiceti letech Thomasem Haroldem Maimanem 16. května 1960 v Hughesových výzkumných laboratořích v Kalifornii. Maiman použil syntetický krystal rubínu v podobě válcové tyče a fotografickou výbojku ve tvaru spirály, která byla obtočena kolem rubínové tyče [3]. Tato sestava byla vsunuta do válcového odražeče koncentrujícího světlo výbojky na rubínovou tyč a první laser byl na světě! Rubín je z hlediska chemického složení krystal Al2O3 dopovaný ionty chromu Cr3+ s elektronovou konfigurací 3d3. Ještě v tomtéž roce Sorokin a Stevenson z newyorské IBM demonstrovali laser založený na krystalu CaF2 s příměsí trojmocného uranu [4]. Později, v roce 1961, byl Alim Javanem a kolegy z Bellových laboratoří v New Jersey spuštěn první plynový He-Ne laser. Pevnolátkové lasery založené na nevodičích byly průběžně vytvářeny pomocí krystalických a skleněných matric. První keramický laser byl vytvořen v roce 1964, kdy se při kryogenních teplotách (77 K) na výstupu keramické matrice CaF2 dopované ionty Dy3+ objevily laserové oscilace. Důležitým příspěvkem materiálového výzkumu byl objev pěstování umělých granátů, díky němuž došlo k podstatnému zvýšení laserové účinnosti. Srovnatelným byl objev pěstování safíru dopovaného titanem, díky čemuž bylo k dispozici laserové prostředí se širokým spektrem zisku v oblasti mezi 660 a 1 180 nm. Porozumění spektrálním charakteristikám laserově aktivních iontů vedlo k vývoji mnoha krystalů a skel určených pro laserové aplikace.

Obr. 1: Keramická deska Yb:YAG ve tvaru válce s tloušťkou 0,5 cm vyrobená firmou Konoshima Chemicals. Spolu s dalšími třemi podobnými deskami vytváří aktivní laserové prostředí v hlavním zesilovači HZ1 laserového systému Bivoj.

Laserové krystaly jsou obecně pěstovány konvenčními technikami růstu z taveniny. Například krystaly safíru dopované Ti3+ se pěstují Kyropoulosovou metodou za použití molybdenového kelímku. Vzhledem k vysokým teplotám je pro zamezení oxidace uvnitř pěstebního aparátu udržována inertní atmosféra nebo vysoké vakuum [5]. Czochralského metoda je široce rozšířená technika pro pěstování monokrystalů granátů, jako je yttrito-hlinitý granát (YAG). Chemikálie se taví v iridiovém kelímku, přičemž pro růst vysoce kvalitních krystalů se používají zárodečné krystaly. Použitelná část krystalů je omezena nehomogenním rozložením aktivních iontů podél poloměru krystalu. Obecně platí, že ve vnitřní části krystalů je jiná koncentrace dopantů než na jejich povrchu. Pro růst laserových krystalů je možné použít i některé novější techniky, jako například techniku růstu z laserem zahřívané základny (Laser-heated pedestal growth, LHPG), techniku mikrotažení (micro-pulling down, μ-PD), techniku svrchně založeného růstu z roztoku (top seeded solution growth, TSSG) a další. Techniky LHPG a μ-PD se s výhodou používají k rychlému růstu materiálů s vysokým bodem tání, jakými jsou seskvioxidy a granáty při udržení příznivé ceny. Pro materiály s nekongruentní teplotou tání, jakými jsou dvojné wolframáty je vhodná technika TSSG [6]. Kromě zmíněné nehomogenity aktivních iontů snižují praktickou využitelnost všech technik pěstování krystalů potřeba drahého laboratorního vybavení a dlouhá doba růstu krystalů s velkými rozměry. Proto byly u vysokovýkonových pevnolátkových laserů upřednostňovány skleněné matrice, které jsou snadno vyrobitelné i v měřítku metrů. Naneštěstí má sklo malou tepelnou vodivost, díky níž tento materiál nemůže efektivně odvádět deponované teplo, což jej činí nevhodným pro využití v laserech s vysokým středním výkonem nebo velkou opakovací frekvencí. Nastolené dilema přimělo materiálové výzkumníky, aby se poohlédli po dalších možných materiálech, a není překvapením, že vybrali polykrystalickou keramiku.

Obr. 2: Časový vývoj výstupního výkonu laserů používajících keramický YAG.

Transparentní keramika pro lasery – historický přehled

Prvním známým keramickým předmětem je soška „Věstonické venuše“ objevené v archeologickém nalezišti poblíž Dolních Věstonic, jejíž stáří se odhaduje přibližně na 29 000 let. Keramika má polykrystalickou strukturu tvořenou krystalickými zrny oddělenými tenkým ohraničením. Kvůli přítomnosti center rozptylujících světlo, kterými bývají póry, hranice krystalických zrn, nečisté fáze, hrubé povrchy a další, taková keramika rozptyluje světlo a je tudíž neprůhledná. V půli 20. století se firmě General Electric za použití práškového oxidu hlinitého podařilo vyvinout průsvitnou keramiku, která od té doby nese jméno Lucalox. Díky odolnosti vůči tepelnému šoku a chemické stabilitě je Lucalox používán jako ochranný obal vysokotlakých sodíkových výbojek. První laser s aktivním prostředím tvořeným polykrystalickou keramikou Dy3+:CaF2 pracující při teplotě kapalného dusíku byl demonstrován jen několik let po Maimanově prvním laseru. V roce 1972 byla procesem spékání za přítomnosti sloučenin oxidů zirkonu, hafnia a thoria vyrobena polykrystalická keramika Nd3+:Y2O3 v transparentní podobě a za dalších pár let se ji podařilo využít v laseru stejně jako předtím neodymem dopované sklo, avšak s horším laserovým výstupem. V materiálovém výzkumu vedlo toto zjištění k úpadku zájmu o keramiku pro lasery, takže během následujících deseti let byl zaznamenán pouze mírný pokrok. V roce 1984 byl v podobě transparentní keramiky vyroben Nd:YAG, a to spékáním za přítomnosti směsi SiO2 a MgO. Nicméně kvalita vyrobené keramiky nebyla dostatečná pro efektivní laserovou činnost, prahová hodnota čerpání byla 25krát vyšší než stejná hodnota pro krystalický Nd:YAG [7].

Obr. 3: Hlavní kroky výrobního postupu transparentní keramiky Yb3+:Y2O3 technikou reakce v pevné fázi. a) vysoce čisté prášky oxidů yttria a ytterbia, b) mísení prášků, c) nízkotlaké jednosměrné lisování v hydraulickém lisu, d) tvarování izostatickým lisováním při vysokém tlaku za studena, e) nevypálená keramika, f) vysokoteplotní spékání v peci, g) hotová transparentní keramika.

První vysoce transparentní keramický laser Nd3+:YAG byl vyroben v roce 1995 skupinou japonských vědců vedených A. Ikesuem. Keramika připravená technikou „reakce pevné látky“ měla laserovou kvalitu a vykazovala kvalitativně srovnatelné vlastnosti s monokrystalickým Nd3+:YAG při laserové účinnosti 28 % [8]. Jiná skupina vědců z japonské firmy Konoshima Chemicals upravila techniku mísení různých prášků pro použití nanokrystalických materiálů a pomocí vakuového spékání vyrobila transparentní keramický Nd3+:YAG. První laser využívající tuto keramiku společnost představila v roce 1999, při dosažení laserové účinnosti 53 % se téměř smazal rozdíl mezi keramickými a monokrystalickými aktivními prostředími. Po dvou letech od první demonstrace Konoshimou byl na výstupu laseru s 20 cm dlouhou tyčí keramického Nd:YAG (o průměru 8 mm) naměřen výstupní výkon 1,46 kW. Tento úspěch zvýšil zájem o transparentní keramiku pro lasery, což v Japonsku vedlo v konečném důsledku k úspěšnému spuštění výroby keramiky granátů a seskvioxidů. Laser s keramickým aktivním prostředím Yb:YAG sestavený společností Grumman Corporation dosáhl rekordního výkonu 105 kW. Popisovaný vývoj je na obrázku 2 dokreslen prudkým růstem laserového výkonu při použití transparentní keramiky YAG, zobrazen je časový rozsah předešlých 25 let, po rekordním úspěchu z roku 2009 docházelo již jen k mírnému zvyšování výkonu. Zájem však nebyl pouze o transparentní oxidovou keramiku, v laserové kvalitě byla úspěšně připravena fluoridová keramika s matricí CaF2 a SrF2 dopovaná prvky vzácných zemin.

Obr. 4: Podoby komerčně dosupné transparentní keramiky. a) gradientní dopování, b), c) odlišné složení pláště oproti jádru.

Převážně se transparentní keramika vyrábí z materiálů s kubickou krystalovou mřížkou – toto omezení plyne z dvojlomnosti nekubických materiálů, i když se pomocí pokročilé techniky výroby podařilo vyrobit také několik nekubických keramik, z nichž je zářným příkladem fluoroapatit (FAP), u něhož byla úspěšně otestována laserová činnost [9]. Laserová aktivní média se obecně vyrábějí v podobě desek nebo tyčí s uniformním složením, což není nutné díky výjimečným možnostem keramiky. Rozvoj technologie výroby přinesl kompozitní keramiku, která vzniká spojením materiálů s různým složením do jednoho kompaktního celku. Výroba kompozitních krystalů je také možná, proces spojování má ovšem extrémní požadavky na přesnost opracování krystalů, což je současně drahé a časově náročné. Výroba kompozitní transparentní keramiky je časově úspornější a následné opracování minimální. Tato výhoda přinesla možnost produkovat kompozitní keramiku s komplikovaným prostorovým rozložením dopantů, jako je to kupříkladu u gradientně dopované keramiky, u níž je gradientně měněna hustota příměsí, u keramiky s podélnou změnou materiálového složení, jako je to u kompozitu YAG/Nd:YAG/YAG, nebo u keramiky s odlišným složením pláště oproti jádru (viz ilustraci na obrázku 4). Takto vyrobená keramika přispěla k vývoji laserů s vysokou účinností a s požadovanými vlastnostmi výstupního svazku. Kupříkladu kompozitní keramika s gaussovským rozložením dopantů na průřezu aktivního prostředí napomáhá dosáhnout laserového svazku s gaussovským profilem. Keramika se změnou složení v čelové oblasti aktivního prostředí umožňuje potlačit tvorbu tepla podél čerpané části prostředí, čímž se sníží efekt tepelné čočky a zvýší se kvalita výstupního laserového svazku. Kompozitní keramika složená z laserově aktivního prostředí a saturovatelného absorbéru, konkrétně třeba Yb:YAG/Cr:YAG, slouží ke generaci Q-spínaných nanosekundových pulzů.

Výroba transparentní keramiky

Při výrobě transparentní keramiky laserové kvality se postupuje podle stejných kroků (viz ilustraci na obrázku 3), jakými se vytváří například žáruvzdorná keramika [10] – jsou jimi příprava prášku, tvarování a vysokoteplotní spékání, nicméně v případě transparentní keramiky je třeba bedlivě hlídat výrobní parametry od čistoty prášku po konečné vyleštění povrchu keramiky. Kvalita použitých prášků je nesmírně důležitá pro vytvoření výrobku s požadovanými vlastnostmi. Existuje několik technik pro jejich zpracování do požadované velikosti, tvaru a prostorového rozložení. Kaž­dá nese jméno výzkumníka, který ji vyvinul a osvojil si ji, dvě nejběžnější jsou dopodrobna popsány v následujícím textu. Ikesue a kol. ze společnosti World-Lab Co. si osvojili techniku reakce v pevné fázi, zatímco Yagi a Yanagitani z Konoshima Chemicals používají techniku srážení mokrou cestou k výrobě nanoprášků následované vakuovým spékáním. Na příkladu výroby keramického Yb:Y2O3 jsou tyto dvě techniky popsány pomocí vývojových diagramů na obrázku 5.

Obr. 5: Vývojový diagram dvou nejběžnějších technik používaných k přípravě transparentní keramiky Yb3+:Y2O3, vlevo technika reakce v pevné fázi, vpravo srážení mokrou cestou.

Jak můžete z diagramu pozorovat, technika reakce v pevné fázi používá jako prekurzory vysoce čisté oxidy, které jsou v kulovém mlýnu semlety s malým množstvím spékací látky a tmelem v etanolu. Suspenze je rozprášena, čímž jsou získána kulová zrna. Vysušený prášek je při nízkém tlaku jednosměrně lisován v hydraulickém lisu, poté následuje studené izostatické lisování při vysokém tlaku, na jehož konci získáme keramický polotovar či preformu neboli nevypálenou keramiku, v angličtině „green body“ podle analogie s nezralými plody ovoce. Transparentní keramika je pak výsledkem vakuového spékání preformy při vysokých teplotách. Barevná centra vznikající vakancí kyslíku mohou být dodatečně odstraněna žíháním. Úspěšnost této techniky závisí na schopnosti dosáhnout jednotné velikosti zrn a na rovnoměrnosti rozmíchání prekurzorů při mletí v kulovém mlýnu. V případě techniky srážení mokrou cestou používané Konoshimou tyto technologicky problematické části odpadají, neboť prekurzory jsou míseny v podobě iontových roztoků, u kterých je nesrovnatelně jednodušší dosáhnout rovnoměrného rozmísení, a dále to napomáhá dosáhnout velmi jemných prášků se zrnitostí několika stovek nanometrů. Aby se připravené prášky dobře mísily se spékací příměsí, jsou míseny v kulovém mlýně. Preforma s vysokou hustotou se vytvoří odléváním suspenze, po vytvarování putuje do vysokoteplotní vakuové pece. Transparentní keramikou se stane po několika hodinách spékání.

Že vlastnosti výchozích prášků významně ovlivňují kvalitu transparentní keramiky, si uvědomili i materiáloví výzkumnici. Testovali proto několik výrobních technik, mezi nimiž byly proces sol-gel, spalovací syntéza, pyrolýza tepelným sprejováním (flame-spray pyrolysis) nebo hydrotermální syntéza a další. Těmito technikami lze vyrábět velmi jemné prášky bez větších shluků a s celkem jednotnou velikostí zrn. Tvoření a tvarování preforem probíhá buď lisováním za studena, jakým je jednosměrné lisování, nebo technikami lití, a to v podobě suspenzního lití, gelového lití nebo lití fólií [10]. Vzhledem k možnostem vyrábět keramiku velkých rozměrů a uniformitě gradientu uvnitř keramických preforem jsou posledně zmíněné techniky upřednostňovány. K odstranění tzv. otevřené pórovitosti a zahuštění keramiky slouží proces spékání, který v tomto případě probíhá ve vakuu (10−4 Pa). Přidání spékací příměsi může zefektivnit proces zahušťování keramiky před růstem a zhrubováním zrn – čím menší jsou zrna, tím lepší mechanické vlastnosti má výsledná transparentní keramika. Kromě vakuového spékání se k zahušťování keramiky používá i technika horkého lisování, při níž je aplikováno jednosměrné lisování spolu s vysokou teplotou. Tato technika umožňuje dosáhnout zhuštění při nižších teplotách, důsledkem čehož má vypálená keramika jemnější zrnitost. Posledním nezbytným krokem je odstranění tzv. reziduální pórovitosti. Provádí se žárovým izostatickým lisováním, při němž je na vypalovanou keramiku za stále vysoké teploty aplikován plyn s vysokým tlakem.

Překonávání problémů při výrobě transparentní keramiky laserové kvality

Výroba transparentní keramiky požaduje pečlivé sledování a udržování podmínek v každém výrobním kroku. Prášky by měly být dobře spékatelné kulové částice oproštěné od jakýchkoli nečistot a přítomnosti několika fází s odlišnými vlastnostmi. I malá odchylka od stechiometrie má za následek tvorbu jiné fáze, která u vypálené keramiky způsobuje rozptylové ztráty (viz ilustraci na obrázku 6). Kromě těchto fází způsobuje snížení transmisivity i přítomnost uzavřených pórů s velikostí odpovídající vlnové délce procházejícího záření. Abnormální růst zrn má za následek vznik reziduálních pórů, které je následně složitější odstranit. Keramika laserové kvality může obsahovat nejvýše pět pórů na milion zrn. Společnost Konoshima Chemicals úspěšně vyrábí vzorky s pórovitostí dvou pórů na milion zrn s absorpčním koeficientem nižším než 0,1 cm−1. Prášky vyráběné chemickou cestou vykazují vyšší čistotu, stejnorodost chemického složení, užší křivku rozdělení velikosti zrn, nižší seskupování a nanovelikost částic, což jsou žádoucí vlastnosti pro tvorbu keramiky s kontrolovatelnou pórovitostí.

Obr. 6: Světelné ztráty vznikají v transparentní keramice v důsledku a) rozptylu na nečistotách a pórech, b) rozptylu na hranicích zrn, c) rozptylu na jiné fázi, d) odrazem a dvojlomem na hranici zrn, e) difúzním rozptylem na nerovnostech povrchu.

Dalším omezením pro vývoj transparentní keramiky je dvojlom nekubických materiálů, který způsobuje rozptyl záření. To je také hlavním důvodem, proč má většina transparentní keramiky kubické uspořádání. Anizotropní materiály mohou být převedeny do podoby kubických, a to buď zmenšením velikosti zrn do nanorozměrů, nebo orientováním částic vybraným směrem. Nekubická keramika laserové kvality již byla úspěšně vyrobena, byl jím fluorapatit s vysokou krystalickou texturou, dále též keramiky orientované pomocí magnetického pole s vysokou intenzitou. Rozptylové ztráty vznikající dvojlomem je díky těmto výrobním procesům možné podstatně snížit. Nicméně zvětšení rozměrů nekubické keramiky stále zůstává oříškem, což u vysokovýkonových pevnolátkových laserů předurčuje použití kubické keramiky.

Obr. 7: Zobrazení povrchu lomové plochy transparentní keramiky Yb:LuAG pomocí skenovací elektronové mikroskopie (a) a pomocí zvětšovacího optického mikroskopu (b); zobrazení vyleštěného a tepelně leptaného povrchu pomocí elektronové mikroskopie (c) a zvětšovacím optickým mikroskopem (d) [11].

Ukázka vysokovýkonového pevnolátkového laseru s aktivním prostředím z keramického YAG

Pevnolátkové lasery dodávající pulzy s vysokou energií a velmi vysokým středním výkonem jsou velice žádané vědeckou komunitou, armádou, průmyslem a medicínou. Vývoj laserů s vysokou výstupní energií požaduje aktivní laserová prostředí s výbornou tepelnou vodivostí, aby při laserové činnosti docházelo k účinnému odvodu vytvářeného tepla, a s dobrými mechanickými vlastnostmi schopnými odolávat namáhání a tepelným šokům [11]. Transparentní keramika s kubickým uspořádáním vyráběná z oxidů splňuje všechny tyto požadavky, a byla proto první volbou pro lasery s vysokou výstupní energií. Aktivním prostředím laserů s vysokým výstupním výkonem se stal yttrito-hlinitý granát (YAG) dopovaný nejčastěji ionty Nd3+ nebo Yb3+. V roce 2009 společnost Northrop Grumman dosáhla při použití keramického Nd:YAG výkonu přesahujícího 100 kW. Iont Yb3+ má jednoduchou strukturu elektronových hladin oproti iontu Nd3+ a netrpí tak tepelnou zátěží, jež je důsledkem upkonverzních optických procesů, zejména absorpcí z vybuzeného stavu (ESA) – proto upoutal pozornost jako aktivní iont pro YAG matrice používané pro lasery s vysokou výstupní energií. S dostupností vysokovýkonových laserových InGaAs diod, jejichž emisní pásy dobře zapadají do absorpčních pásů ytterbia, se mohl vývoj diodově čerpaných pevnolátkových laserů zaměřit na testování různých uspořádání čerpání a laserově aktivního prostředí, kterým byl Yb:YAG. Například na výstupu diodově čerpané kompozitní keramické tyče Yb:YAG s dopovaným jádrem a nedopovaným pláštěm byl výstupní výkon 520 W, zatímco s keramickými deskami bylo dosaženo výkonu vyššího než 1 kW.

Obr. 8: Laserový systém Bivoj: YDFO – ytterbiový vláknový oscilátor, YDFA – ytterbiový vláknový zesilovač, PZ1, PZ2 – předzesilovače pracující při pokojové teplotě, HZ1, HZ2 – kryogenně chlazené hlavní zesilovače.

Zprovozněny byly vysokovýkonové laserové zesilovače mnoha různých konstrukcí, s jednou tyčí (single rod), s cikcak průchodem svazku skrz desku (zigzag slab), s jednou deskou v pozici krajního zrcadla rezonátoru nazývanou aktivním zrcadlem (active mirror slab) a s několika deskami (multi-slab) s chlazenými čelními stěnami. Diodově čerpané systémy se zesilovačem s aktivním zrcadlem (AMA) a s vícedeskovým zesilovačem často úspěšně generují laserové pulzy s vysokou energií při vysoké opakovací frekvenci. Například francouzský systém Lucia se zesilovači s aktivním zrcadlem úspěšně produkoval pulzy s energií 14 J s 20% účinností při použití Cr4+/Yb3+:YAG kompozitní keramiky. Vícedeskový zesilovač je další oblíbenou konstrukcí, která umožňuje efektivní chlazení obou čel aktivního prostředí, díky čemuž je ideální pro lasery s vysokým středním výkonem. „Bivoj“ (viz obrázek 9) ve výzkumném centru HiLASE je právě takovým laserovým systémem, který využívá Yb dopované desky transparentního keramického YAG a dosahuje středního výkonu 1 kW, čímž pokořil laserový systém Mercury podobné konstrukce postavený v Lawrencově národní laboratoři (LLNL) v americkém Livermoru – ten používá čtrnáct chlazených desek krystalického stronciového fluorapatitu (S-FAP) dopovaného ytterbiem.

Obr. 9: Laserový systém Bivoj. V popředí předzesilovače PZ1 a PZ2, v pozadí hlavní zesilovač HZ1.

Laserový systém Bivoj [2, 12] sestává ze dvou hlavních, kryogenně chlazených zesilovačů, na obrázku 8 označených HZ1 a HZ2. První zesilovací stupeň je tvořen čtyřmi keramickými deskami ve tvaru válce, každá s tloušťkou 0,5 cm a průměrem 4,5 cm (viz obrázek 1). K omezení nechtěných parazitních oscilací a k redukci zesílené spontánní emise (ASE) jsou desky opatřeny 5 mm tlustým pláštěm Cr4+:YAG s vysokou absorpci pro laserovou vlnovou délku 1 030 nm. Jednotlivé desky mají rozdílnou koncentraci Yb3+ iontů, která je navržena tak, aby se podél šíření svazku zachovávalo konstantní zesílení a tepelná zátěž. Při čerpací energii 33,6 J první stupeň zesiluje vstupní svazek s energií 62 mJ na výstupní energii přibližně 6 J a to zvládne desetkrát za vteřinu. Druhý stupeň zesilovače je složen ze šesti čtvercových desek Yb:YAG o straně 12 cm a tlustých 0,85 cm s vrstvou pláště z Cr:YAG (viz obr. 10) silnou jeden centimetr. Zesilovač druhého stupně při čerpání 465 J dokáže zesílit vstupní pulzy s energií 6 J na výstupní energii převyšující 100 J. Desky v obou hlavních zesilovačích jsou chlazeny prouděním plynného helia na teplotu 150 K. Při opakovací frekvenci 10 Hz a délce pulzů 10 ns přesahuje střední výkon výstupního záření 1 kW, čímž si systém Bivoj připsal světové prvenství v oblasti diodově čerpaných laserů. Dostupnost rozměrných keramických aktivních prostředí spolu s možností účinného chlazení umožnily podstatné zvýšení výstupní energie a pracovní frekvence pevnolátkových laserů, což otevřelo dveře novým aplikacím v mnoha oborech průmyslu, vědy a medicíny.

Obr. 10: Šest keramických desek hlavního zesilovače HZ2 laserového systému Bivoj uchycené v rámu. Silně absorbující tmavý okraj dopovaný ionty Cr4+ slouží k omezení nechtěných parazitních oscilací a k redukci zesílené spontánní emise.

Závěr

Rychlejší výroba, nižší procesní teplota, levnější výrobní náklady, rozměrová škálovatelnost a možnost vyrábět složitá prostorová uspořádání dělá technologii výroby transparentní keramiky atraktivní pro pevnolátkové lasery. Tento článek by měl čtenáři poskytnout historický přehled vývoje transparentní keramiky pro laserové aplikace, stručně seznámit se dvěma hlavními výrobními technikami a diskutovat zdolané problémy a požadavky kladené při výrobě transparentní keramiky laserové kvality. S rostoucím zájmem o vysokovýkonové diodově čerpané lasery je transparentní keramika nejatraktivnějším aktivním prostředím a zůstane tak „požehnáním pro společenství laserových vědců“.

Poděkování

Práce na tomto článku byla finančně podpořena Evropským fondem pro regionální rozvoj a státním rozpočtem České republiky (projekt HiLASE CoE, čís. CZ.02.1.01/0.0/0.0/15_006/0000674; program NPU I, projekt čís. LO1602).

Literatura
  1. Transparent Ceramics Market Worth $1.1 Billion By 2024. Online: https://www.grandviewresearch.com/press-release/global-transparent-ceram...
  2. P. Mason, M. Divoký, K. Ertel, J. Pilař, T. Butcher, M. Hanuš, S. Banerjee, J. Phillips, J. Smith, M. De Vido, A. Lucianetti, C. Hernandez-Gomez, Ch. Edwards, T. Mocek, J. Collier: „Kilowatt average power 100  J-level diode pumped solid state laser“, Optica 4, 438 (2017).
  3. T. H. Maiman: „Stimulated optical radiation in ruby“, Nature 187, 493 (1960).
  4. P. P. Sorokin, M. J. Stevenson: „Stimulated Infrared Emission from Trivalent Uranium“, Phys. Rev. Lett. 5, 557 (1960).
  5. A. Nehari, A. Brenier, G. Panzer, K. Lebbou, J. Godfroy, S. Labor, H. Legal, G. Chériaux, J. P. Chambaret, T. Duffar, R. Moncorgé: „Ti-Doped Sapphire (Al2O3) Single Crystals Grown by the Kyropoulos Technique and Optical Characterizations“, Cryst. Growth Des. 11, 445 (2011).
  6. G. Boulon: „Fifty years of advances in solid-state laser materials“, Opt. Materials 34, 499 (2012).
  7. G. With, H. J. A. van Dijk: „Translucent Y3Al5O12 Ceramics“, Material Research Bulletin 19, 1669 (1984).
  8. A. Ikesue, T. Kinoshita, K. Kamata, K. Yoshida: „Fabrica­tion and Optical Properties of High‐Performance Polycrystalline Nd:YAG Ceramics for Solid‐State Lasers“, J. Am. Ceramic Soc. 78, 1033 (2005).
  9. J. Li, Y. Pan, Y. Zeng, W. Liu, B. Jiang, J. Guo: „The history, development, and future prospects for laser ceramics: A review“, Int. J. Refractory Metals and Hard Materials 39, 44 (2013).
  10. H. Ovčačíková, J. Vlček: Speciální keramické materiály. Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava, Ostrava 2013. Online: https://www.fmmi.vsb.cz/export/sites/fmmi/modin/cs/studijni-opory/resite...
  11. D. Zhou, Y. Shi, J. Xie, D. Chen, J. Dong, K. Ueda a J. Xu: „Laser grade Yb:LuAG transparent ceramic prepared by nanocrystalline pressure-less sintering in reducing H2,“ Opt. Mater. Express 7, 1274-1280 (2017).
  12. J. Pilař, M. De Vido, M. Divoký, P. Mason, M. Hanuš, K. Ertel, P. Navrátil, T. Butcher, O. Slezák, S. Banerjee, J. Phillips, J. Smith, A. Lucianetti, C. Hernandez-Gomez, Ch. Edwards, J. Collier, T. Mocek: „Characterization of Bivoj/DiPOLE 100: HiLASE 100-J/10-Hz diode pumped solid state laser“, Proc. SPIE 10511, Solid State Lasers XXVII: Technology and Devices, 15. 2. 2018, s. 105110X.
Kategorie: Novinky z AV a FZÚ

Nobelovu cenu získali vědci za příspěvek k poznání evoluce vesmíru a našeho místa v něm

Čt, 10/10/2019 - 15:14

Kanadsko-americký fyzik a kosmolog James Peebles a švýcarští vědci Michel Mayor a Didier Queloz jsou novými nositeli Nobelovy ceny za fyziku. Královská švédská akademie věd ocenila jejich přínos k pochopení vývoje a struktury vesmíru od velkého třesku po dnešek a objev první exoplanety obíhající kolem hvězdy podobné Slunci. Výzkumu exoplanet se věnují i vědci v Akademii věd ČR.

James Peebles, Michel Mayor a Didier Queloz. Copyright © Nobel Media 2019. Illustration: Niklas Elmehed.

Jednu polovinu ceny si odnáší James Peebles za objevy, které podle prohlášení Královské švédské akademie věd položily základy současného pojetí vesmíru a přispěly k přeměně kosmologie z pouhých spekulací ve vědu postavenou na vědecky podložených poznatcích. Nový laureát nejvyššího vědeckého ocenění se zasloužil o vypracování teorie velkého třesku, která popisuje počátek vesmíru, a má zásadní podíl i na poznávání jeho dalšího vývoje a procesů v něm.

Vesmír byl ve svém počátku vyplněn hustým a horkým plazmatem, postupně se však ochlazoval a zhruba 380 tisíc let po velkém třesku vznikly stabilní atomy vodíku a helia a vesmír zprůhledněl pro elektromagnetické záření – světlo (fotony) se oddělilo od látky. Pozůstatkem tohoto vývoje je tzv. reliktní záření nebo také mikrovlnné záření kosmického pozadí, které dodnes prostupuje celý vesmír a bývá též označováno jako „ozvěna velkého třesku“. Jeho vlnová délka se postupně víc a víc prodlužovala a záření chladlo až na současných přibližně –271 °C, tedy pouhé necelé tři stupně nad absolutní nulou. Stále však poskytuje vědcům informace o dění v nejranějších fázích vývoje vesmíru, od nepatrného zlomku první sekundy po velkém třesku až do oněch asi 380 tisíc let po něm. Není zcela rovnoměrné, ale vyskytují se v něm nevelké fluktuace, z nichž se nicméně dá vysledovat mnoho kosmologických parametrů.

James Peebles stál v čele výzkumů hledajících vysvětlení tohoto záření pocházejícího z raných fází vývoje vesmíru. Pomocí svých vlastních teoretických nástrojů a výpočtů dokázal interpretovat stopy dějů v něm zachycených a objevil nové fyzikální procesy. Uvědomil si například, že teplota reliktního záření by mohla prozradit, kolik vzniklo ve velkém třesku hmoty, a že jeho uvolnění hrálo rozhodující roli ve způsobu, jakým se hmota později shlukovala, aby vytvořila galaxie a galaktické kupy.

Vesmír známý a neznámý

Výsledky jeho dalších bádání vedly mimo jiné k tomu, že v současnosti známe pouhých asi 5 % hmoty ve vesmíru – tu, která tvoří hvězdy, planety i nás, lidi. Zbývajících dosud nepoznaných 95 % tvoří tzv. temná (nebo též skrytá) hmota – nebo lépe látka – a temná (skrytá) energie. Obě jsou zatím záhadou – asi největší z těch, před nimiž současná kosmologie stojí.

Pozn.: Připomeňte si důležité momenty z výzkumu J. Peeblese při sledování pořadu Studio ČT24, ve kterém byl hostem Jiří Grygar z FZU AV ČR.

O druhou polovinu letošní Nobelovy ceny za fyziku se dělí Michel Mayor a Didier Queloz. Přinesli odpověď na otázku, která dlouho vyvolávala zvědavost nejen vědců: mohou být ve vesmíru, mimo naši vlastní sluneční soustavu, planety obíhající kolem jiných hvězd podobných našemu Slunci? V říjnu 1995 šokovali oznámením, že první takovouto exoplanetu skutečně nalezli. A jejich objev vedl k revoluci v astronomii, konstatovala Královská švédská akademie věd.

Jimi objevená exoplaneta obíhá kolem hvězdy 51 Pegasi v naší Galaxii, 50 světelných let od Země. Svou mateřskou hvězdu oběhne velice rychle, za pouhé čtyři dny, a je k ní též velice blízko, v průměru pouhých 8 milionů kilometrů. Proto je velmi horká – hvězda ji ohřeje na více než 1000 °C. A co bylo zvlášť překvapivé – je to plynný obr srovnatelný velikostí s největší planetou sluneční soustavy – Jupiterem.

Ovšem podle tehdejších hypotéz o vzniku planetárních soustav měly takto obří planety vznikat pouze ve velkých vzdálenostech od své hvězdy, a mít tudíž dlouhou dobu oběhu (Jupiteru trvá oběhnout Slunce bezmála 12 let). Proto se také v té době astronomové pátrající po exoplanetách snažili snímkovat co největší počet hvězd, měli nicméně za to, že stačí každou z nich sledovat ve větších časových intervalech, obvykle měsíce až dvou. To by při delších oběžných dobách planet samozřejmě stačilo.

Michel Mayor a Didier Queloz však opustili tento obecně přijímaný předpoklad (což je ve vědě tak často základním krokem k opravdovému průlomu) a zvolili jinou strategii pozorování: každou jasnou noc nabírali spektra stejných hvězd slunečního typu. Tento neobvyklý postup brzy přinesl ovoce – první exoplaneta byla nalezena! Nejprve se tomu široká astronomická obec zdráhala uvěřit – data objevitelů však byla přesvědčivá. A dosavadní hypotézy se začaly přepracovávat…

Exoplanety různých typů

Od té doby bylo už objeveno na 4000 exoplanet nejrůznějších typů – nejprve šlo o tělesa podobná první objevené exoplanetě – začalo se jim říkat horké Jupitery. Většinou jsou velmi hmotné a často obíhají kolem své hvězdy (nebo dokonce i dvojhvězd!) po velice protáhlé dráze. Posléze se začaly nacházet i exoplanety složené z hornin a konečně se ukázala i první planetární tělesa v tzv. obyvatelné zóně, na jejichž povrchu může být kapalná voda. Rozmanitost podob jednotlivých exoplanet i cizích planetárních systémů, tolik odlišných od naší sluneční soustavy, přiměly vědce zcela přehodnotit dosavadní názory na vznik planet a jejich soustav u jiných hvězd.

V současnosti už bylo sice několik exoplanet pozorováno přímo, většinou však astronomové mohou poznat jejich přítomnost pouze nepřímými metodami. Dají se hledat na základě tzv. tranzitů, kdy se sledují změny jasu hvězdy. Když totiž planeta přechází – z našeho zorného pole – před kotoučem hvězdy, poněkud ji zastíní, takže jas hvězdy, kterou sledujeme, slabě poklesne.

Dále se exoplanety odhalují podle jejich gravitačního působení na mateřskou hvězdu. Pokud má hvězda planetu, obíhají obě kolem společného těžiště. Z našeho pohledu se pak zdá, že se hvězda nepatrně periodicky pohybuje směrem k nám a zase od nás – což se dá zjistit ze spektrálních čar na základě tzv. Dopplerova posunu. Pokud se objekt vzdaluje, vlnová délka světla se zvětší (červený posuv), jakmile se přibližuje, vlnová délka se zmenší (modrý posuv). Právě tohoto způsobu využili Michel Mayor a Didier Queloz – museli si však nejprve vyvinout dostatečně citlivé postupy a zařízení schopná taková měření vůbec provést. Zkonstruovali ve své době nejpřesnější spektrograf, díky němuž byly chyby v jejich měření tak malé, že jim v tomto ohledu nikdo nedokázal konkurovat. Pozorované efekty jsou totiž natolik nepatrné, že už samo jejich změření znamená nesmírný úspěch. Takový, že badatelům nakonec přinesl Nobelovu cenu za fyziku.

Královská švédská akademie věd při jejím vyhlašování uvedla: „Letošní laureáti změnili naše pojetí vesmíru. Zatímco teoretické objevy Jamese Peeblese přispěly k pochopení, jak se vesmír po velkém třesku vyvíjel, Michel Mayor a Didier Queloz při lovu neznámých planet zkoumali naše kosmické sousedství. Jejich objevy jednou provždy změnily naše představy o světě.“

Převzato z webu Akademie věd ČR. Připravila: Jana Olivová, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR.

Kategorie: Novinky z AV a FZÚ