To, ako vyzerá vesmír dnes, je dôsledkom toho, ako vyzeral krátko po Big Bangu, keď bol ešte veľmi horúci. A niečo o vlastnostiach tohto extrémne horúceho vesmíru sa môžeme dozvedieť štúdiom hélia pri extrémne nízkych teplotách.
V sérii 5-krát o vodíku (.týždeň 1-6/2007) sme poslednú časť venovali ťažším izotopom vodíka – deutériu a tríciu. Hovorili sme, že v súťaži o najľahší prvok by vodík stál na všetkých troch stupňoch víťazov. Nebola to celá pravda. Zamlčali sme, že na treťom stupni by spolu s tríciom stál aj ľahký izotop hélia – takzvané hélium 3 (to je dokonca o málinko ľahšie ako trícium, ale rozdiel je takmer zanedbateľný). Héliu 3 sa týmto ospravedlňujeme a ako kompenzáciu mu teraz venujeme celý článok.
.nízkoteplotná odysea
Aby sme si hélium 3 naozaj udobrili, mali by sme o ňom povedať niečo veľmi zaujímavé, ale to nebude úplne jednoduché. Naše rozprávanie o héliu totiž začína byť akési jednotvárne. Stále je reč o nejakých prekvapujúcich objavoch a o ľuďoch, ktorí za ne dostali Nobelove ceny. Problém je, že v príbehu plnom prekvapení už ďalšie prekvapenia neprekvapia.
No koho už len prekvapí, že po Britoch, Holanďanoch a Rusoch si v „héliových“ Nobelových cenách prišli na svoje aj Američania? A koho prekvapí, že nové zaujímavé vlastnosti hélia našli pri ďalšom znižovaní teploty?
Tieto nové zaujímavé vlastnosti má práve hélium 3, ktorého jadrá obsahujú dva protóny, ale len jeden neutrón. Bežné hélium je tvorené takmer výlučne atómami hélia 4, ktorého jadrá obsahujú dva protóny a dva neutróny. Na desať miliónov atómov hélia 4 pripadá len jediný atóm hélia 3. Všetko, čo sme doteraz o héliu hovorili, sa teda týkalo hélia 4. Ak sa chceli ľudia niečo dozvedieť o héliu 3, museli ho najprv prácne z prírodného hélia odseparovať. Výskum hélia 3 ľudí veľmi lákal, pretože pri nízkych teplotách malo mať celkom iné vlastnosti, ako jeho rozšírenejší kamarát. Tak napríklad supratekutosť, ktorá tak preslávila hélium 4, sa v héliu 3 nemala vyskytovať. Teda, prísne vzaté, bola tu určitá hypotetická možnosť, že pri šialene nízkych teplotách by sa mohla vyskytnúť, ale to bola skôr len taká špekulácia, ktorú bral vážne len málokto.
Krásne to ilustruje napríklad ten fakt, že keď David Lee, Douglas Osheroff a Robert Richardson ochladili v roku 1971 hélium 3 na niekoľko tisícin stupňa nad absolútnou nulou a dosiahli jeho prechod do supratekutého stavu, v prvom momente si vôbec neuvedomili, čo vlastne urobili. Vo svojom prvom článku interpretovali svoje výsledky celkom inak (nesprávne) a o supratekutosti nepadlo ani slovo. Pomerne rýchlo sa však spamätali, ešte v nasledujúcom roku oznámili svetu, že hélium 3 vie byť supratekuté. V roku 1996 im to vynieslo Nobelovu cenu.
.kvantová odysea
Pri odhalení správnej interpretácie prvých aj neskorších experimentov so supratekutým héliom 3 hral nesmierne dôležitú úlohu ďalší fyzik, Anthony Leggett. Tento teoretik s dvojitým americko-britským občianstvom svojím spôsobom zavŕšil oblúk fascinujúcej symbiózy hélia a kvantovej fyziky.
Hélium hralo významnú úlohu pri objave atómového jadra, a tento objav neskôr viedol k vytvoreniu kvantovej mechaniky. Kvantová mechanika krátko po svojom vzniku vysvetlila chemické vlastnosti všetkých prvkov Mendelejevovej tabuľky, medziiným aj to, prečo je hélium inertný plyn. To bol jeden z rýchlych úspechov kvantovej mechaniky. S héliom však súvisí aj jeden veľmi pomalý úspech kvantovej mechaniky – úspech, ktorý na seba nechal čakať skoro 30 rokov. Ide o supravodivosť kovov a hélium tu hralo významnú úlohu hneď dvakrát.
Zatiaľ čo kvapalné hélium hralo kľúčovú úlohu pri experimentálnom objave supravodivosti, pri jej teoretickom objasnení hralo kľúčovú úlohu hélium supratekuté. Supravodivosť totiž možno chápať ako akúsi supratekutosť elektrónov v kovoch. Keď teda ľudia našli teoretické vysvetlenie supatekutosti, otvorila sa tým aj cesta pre pochopenie supravodivosti. Problém bol len v tom, že teória supratekutosti fungovala iba pre niektoré častice (napríklad pre atómy hélia 4), zatiaľ čo pre iné častice (napríklad pre elektróny alebo atómy hélia 3) jednoducho neplatila.
Trvalo viac ako 15 rokov, kým traja Američania – John Bardeen, Leon Cooper a Robert Schrieffer – vyhútali, že elektróny sa môžu prečudesným spôsobom pospájať do akýchsi dvojíc a že pre tieto dvojice už teória supratekutosti funguje. Vyriešili tým jeden z najslávnejších problémov teoretickej fyziky – problém supravodivosti – a získali, prepytujem, Nobelovu cenu.
Anthony Leggett bol jedným z tých fyzikov, ktorí si uvedomili, že niečo podobné sa môže stať aj s atómami hélia 3. Pri teoretickom preskúmaní tejto hypotézy zistil, že supratekuté hélium 3 by malo mať množstvo úplne špecifických vlastností, ktorými by sa odlišovalo od všetkých dovtedy preskúmaných látok. A ukázalo sa, že je to naozaj tak. Leggettovi to vynieslo v roku 2003 Nobelovu cenu a o rok neskôr aj šľachtický titul.
.vesmírna odysea
Neobyčajnými vlastnosťami supratekutého hélia 3 zavŕšime aj ďalší fascinujúci oblúk – symbiózu hélia s vesmírom. Naše rozprávanie o héliu sa začalo pri veľmi vysokých teplotách. Hovorili sme o horúcom vesmíre po Big Bangu, hovorili sme o Slnku. Teraz sa prostredníctvom hélia 3 znova do vesmíru vrátime.
Z celej hmoty vo vesmíre tvoria galaxie len asi 4 percentá. Tieto 4 percentá nie sú vo vesmíre rozložené rovnomerne, ale tvoria určitú priestorovú štruktúru. Jednou z teórií vzniku takejto štruktúry je takzvaná teória kozmických strún. Nie je jednoduché ju overiť, pretože s vesmírom sa experimentuje dosť ťažko. Niektoré aspekty tejto teórie sa však vyskytujú aj v teórii supratekutého hélia 3. Skúmaním hélia 3 pri teplote v tesnej blízkosti absolútnej nuly sa teda môžeme dozvedieť niečo o rozložení galaxií vo vesmíre.
Ďalších 23 percent „obsahu vesmíru“ tvorí takzvaná tmavá hmota. Skladá sa z nejakých neznámych častíc, ktoré sa nám zatiaľ nepodarilo experimentálne zachytiť, hoci by mali byť všade okolo nás. Je jasné, že fyzici sa veľmi snažia objaviť tieto častice a využívajú na to rôzne rafinované zariadenia. Niektoré z nich sú založené na vlastnostiach supratekutého hélia 3.
Zvyšných 73 percent „obsahu vesmíru“ tvorí takzvaná tmavá energia. Medzi teoretickým odhadom a experimentálnou hodnotou hustoty tejto energie je rozdiel na úrovni 123 rádov. Ide o bezkonkurenčne najhorší výsledok v celých dejinách vedy. Ľudia sa, samozrejme, pokúšajú tento neuveriteľný rozpor odstrániť, ale nie je to jednoduché. Jeden z ako-tak nádejných prístupov je založený na analógii medzi vákuom vo vesmíre a základným stavom supratekutého hélia 3.
Najbližšia Nobelova cena za objav, ktorý bude nejako súvisieť s héliom, sa možno bude týkať najhlbších tajomstiev vesmíru.
.martin Mojžiš
V sérii 5-krát o vodíku (.týždeň 1-6/2007) sme poslednú časť venovali ťažším izotopom vodíka – deutériu a tríciu. Hovorili sme, že v súťaži o najľahší prvok by vodík stál na všetkých troch stupňoch víťazov. Nebola to celá pravda. Zamlčali sme, že na treťom stupni by spolu s tríciom stál aj ľahký izotop hélia – takzvané hélium 3 (to je dokonca o málinko ľahšie ako trícium, ale rozdiel je takmer zanedbateľný). Héliu 3 sa týmto ospravedlňujeme a ako kompenzáciu mu teraz venujeme celý článok.
.nízkoteplotná odysea
Aby sme si hélium 3 naozaj udobrili, mali by sme o ňom povedať niečo veľmi zaujímavé, ale to nebude úplne jednoduché. Naše rozprávanie o héliu totiž začína byť akési jednotvárne. Stále je reč o nejakých prekvapujúcich objavoch a o ľuďoch, ktorí za ne dostali Nobelove ceny. Problém je, že v príbehu plnom prekvapení už ďalšie prekvapenia neprekvapia.
No koho už len prekvapí, že po Britoch, Holanďanoch a Rusoch si v „héliových“ Nobelových cenách prišli na svoje aj Američania? A koho prekvapí, že nové zaujímavé vlastnosti hélia našli pri ďalšom znižovaní teploty?
Tieto nové zaujímavé vlastnosti má práve hélium 3, ktorého jadrá obsahujú dva protóny, ale len jeden neutrón. Bežné hélium je tvorené takmer výlučne atómami hélia 4, ktorého jadrá obsahujú dva protóny a dva neutróny. Na desať miliónov atómov hélia 4 pripadá len jediný atóm hélia 3. Všetko, čo sme doteraz o héliu hovorili, sa teda týkalo hélia 4. Ak sa chceli ľudia niečo dozvedieť o héliu 3, museli ho najprv prácne z prírodného hélia odseparovať. Výskum hélia 3 ľudí veľmi lákal, pretože pri nízkych teplotách malo mať celkom iné vlastnosti, ako jeho rozšírenejší kamarát. Tak napríklad supratekutosť, ktorá tak preslávila hélium 4, sa v héliu 3 nemala vyskytovať. Teda, prísne vzaté, bola tu určitá hypotetická možnosť, že pri šialene nízkych teplotách by sa mohla vyskytnúť, ale to bola skôr len taká špekulácia, ktorú bral vážne len málokto.
Krásne to ilustruje napríklad ten fakt, že keď David Lee, Douglas Osheroff a Robert Richardson ochladili v roku 1971 hélium 3 na niekoľko tisícin stupňa nad absolútnou nulou a dosiahli jeho prechod do supratekutého stavu, v prvom momente si vôbec neuvedomili, čo vlastne urobili. Vo svojom prvom článku interpretovali svoje výsledky celkom inak (nesprávne) a o supratekutosti nepadlo ani slovo. Pomerne rýchlo sa však spamätali, ešte v nasledujúcom roku oznámili svetu, že hélium 3 vie byť supratekuté. V roku 1996 im to vynieslo Nobelovu cenu.
.kvantová odysea
Pri odhalení správnej interpretácie prvých aj neskorších experimentov so supratekutým héliom 3 hral nesmierne dôležitú úlohu ďalší fyzik, Anthony Leggett. Tento teoretik s dvojitým americko-britským občianstvom svojím spôsobom zavŕšil oblúk fascinujúcej symbiózy hélia a kvantovej fyziky.
Hélium hralo významnú úlohu pri objave atómového jadra, a tento objav neskôr viedol k vytvoreniu kvantovej mechaniky. Kvantová mechanika krátko po svojom vzniku vysvetlila chemické vlastnosti všetkých prvkov Mendelejevovej tabuľky, medziiným aj to, prečo je hélium inertný plyn. To bol jeden z rýchlych úspechov kvantovej mechaniky. S héliom však súvisí aj jeden veľmi pomalý úspech kvantovej mechaniky – úspech, ktorý na seba nechal čakať skoro 30 rokov. Ide o supravodivosť kovov a hélium tu hralo významnú úlohu hneď dvakrát.
Zatiaľ čo kvapalné hélium hralo kľúčovú úlohu pri experimentálnom objave supravodivosti, pri jej teoretickom objasnení hralo kľúčovú úlohu hélium supratekuté. Supravodivosť totiž možno chápať ako akúsi supratekutosť elektrónov v kovoch. Keď teda ľudia našli teoretické vysvetlenie supatekutosti, otvorila sa tým aj cesta pre pochopenie supravodivosti. Problém bol len v tom, že teória supratekutosti fungovala iba pre niektoré častice (napríklad pre atómy hélia 4), zatiaľ čo pre iné častice (napríklad pre elektróny alebo atómy hélia 3) jednoducho neplatila.
Trvalo viac ako 15 rokov, kým traja Američania – John Bardeen, Leon Cooper a Robert Schrieffer – vyhútali, že elektróny sa môžu prečudesným spôsobom pospájať do akýchsi dvojíc a že pre tieto dvojice už teória supratekutosti funguje. Vyriešili tým jeden z najslávnejších problémov teoretickej fyziky – problém supravodivosti – a získali, prepytujem, Nobelovu cenu.
Anthony Leggett bol jedným z tých fyzikov, ktorí si uvedomili, že niečo podobné sa môže stať aj s atómami hélia 3. Pri teoretickom preskúmaní tejto hypotézy zistil, že supratekuté hélium 3 by malo mať množstvo úplne špecifických vlastností, ktorými by sa odlišovalo od všetkých dovtedy preskúmaných látok. A ukázalo sa, že je to naozaj tak. Leggettovi to vynieslo v roku 2003 Nobelovu cenu a o rok neskôr aj šľachtický titul.
.vesmírna odysea
Neobyčajnými vlastnosťami supratekutého hélia 3 zavŕšime aj ďalší fascinujúci oblúk – symbiózu hélia s vesmírom. Naše rozprávanie o héliu sa začalo pri veľmi vysokých teplotách. Hovorili sme o horúcom vesmíre po Big Bangu, hovorili sme o Slnku. Teraz sa prostredníctvom hélia 3 znova do vesmíru vrátime.
Z celej hmoty vo vesmíre tvoria galaxie len asi 4 percentá. Tieto 4 percentá nie sú vo vesmíre rozložené rovnomerne, ale tvoria určitú priestorovú štruktúru. Jednou z teórií vzniku takejto štruktúry je takzvaná teória kozmických strún. Nie je jednoduché ju overiť, pretože s vesmírom sa experimentuje dosť ťažko. Niektoré aspekty tejto teórie sa však vyskytujú aj v teórii supratekutého hélia 3. Skúmaním hélia 3 pri teplote v tesnej blízkosti absolútnej nuly sa teda môžeme dozvedieť niečo o rozložení galaxií vo vesmíre.
Ďalších 23 percent „obsahu vesmíru“ tvorí takzvaná tmavá hmota. Skladá sa z nejakých neznámych častíc, ktoré sa nám zatiaľ nepodarilo experimentálne zachytiť, hoci by mali byť všade okolo nás. Je jasné, že fyzici sa veľmi snažia objaviť tieto častice a využívajú na to rôzne rafinované zariadenia. Niektoré z nich sú založené na vlastnostiach supratekutého hélia 3.
Zvyšných 73 percent „obsahu vesmíru“ tvorí takzvaná tmavá energia. Medzi teoretickým odhadom a experimentálnou hodnotou hustoty tejto energie je rozdiel na úrovni 123 rádov. Ide o bezkonkurenčne najhorší výsledok v celých dejinách vedy. Ľudia sa, samozrejme, pokúšajú tento neuveriteľný rozpor odstrániť, ale nie je to jednoduché. Jeden z ako-tak nádejných prístupov je založený na analógii medzi vákuom vo vesmíre a základným stavom supratekutého hélia 3.
Najbližšia Nobelova cena za objav, ktorý bude nejako súvisieť s héliom, sa možno bude týkať najhlbších tajomstiev vesmíru.
.martin Mojžiš
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.