Článek
Ahoj milí čtenáři, nadšenci do vědy a všichni, kdo jste připraveni poodhalit roušku tajemství jednoho z nejbizarnějších jevů kvantové fyziky!
Když se řekne „zvuk“, většina z nás si představí vlny šířící se vzduchem, které vnímáme ušima jako tóny, hluk nebo řeč. Jedná se o vlny tlaku a hustoty. Ale co kdybych vám řekl, že existuje i jiný druh "zvuku"? Takový, který neslyšíme, ale který se chová matematicky velmi podobně – a místo tlaku přenáší teplo? Tento fenomén, známý jako „druhý zvuk“, byl teoreticky předpovězen téměř před sto lety a po dlouhá desetiletí byl pozorován jen ve velmi specifických a exotických podmínkách. Nedávno však tým fyziků z University of Washington a Stanford University ve Spojených státech oznámil, že se jim podařilo tento kvantově mechanický jev poprvé zachytit v úplně novém prostředí – v ultrazchlazeném plynu atomů lithia. Je to objev, který nejen potvrzuje dávné teorie, ale také otevírá nové cesty ke zkoumání podivuhodného světa kvantové mechaniky a extrémních stavů hmoty.
Co je to vlastně "druhý zvuk"? Více než jen ozvěna, je to vlna tepla!
Abychom pochopili, o čem je řeč, musíme zapomenout na naši běžnou představu zvuku. „Druhý zvuk“ totiž není nic, co bychom mohli zaslechnout. Místo toho, aby se jednalo o vlnu změn tlaku a hustoty částic (jako u běžného, tzv. "prvního zvuku"), je druhý zvuk vlnou teploty nebo entropie. Představte si klidnou hladinu rybníka. Když do ní hodíte kámen, rozběhnou se po ní kruhové vlny – to je analogie prvního zvuku. Ale teď si představte, že by se po hladině, aniž by se voda sama pohnula, šířila vlna tepla. Přesně tak nějak, velmi zjednodušeně řečeno, funguje druhý zvuk. Teplo se nešíří pomalou difúzí, kdy si atomy postupně „předávají“ energii náhodnými srážkami, ale pohybuje se jako koherentní vlna.
Tento jev je projevem kvantové mechaniky na makroskopické úrovni a vyskytuje se pouze ve velmi specifických stavech hmoty, kde klasická fyzika přestává platit a do popředí se dostávají právě kvantové efekty. Matematický popis šíření této tepelné vlny se nápadně podobá rovnicím popisujícím šíření zvukových vln, odtud tedy pochází jeho název – „druhý zvuk“.
Historický kontext: Od teoretické předpovědi k prvnímu experimentálnímu důkazu
Myšlenka druhého zvuku není nová. Jeho existenci teoreticky předpověděli fyzici jako Maďar László Tisza a sovětský fyzik Lev Davidovič Landau (nositel Nobelovy ceny) ve 30. a 40. letech 20. století, zejména v souvislosti se studiem tzv. supratekutin. Supratekutina je extrémně exotický stav hmoty, který se vyznačuje nulovou viskozitou (vnitřním třením) a dalšími podivuhodnými kvantovými vlastnostmi. Nejznámějším příkladem je helium-4 zchlazené na teploty blízké absolutní nule (méně než 2,17 Kelvina, tj. pod -270.98 °C).
A právě v supratekutém heliu-4 byl druhý zvuk poprvé experimentálně pozorován ve 40. letech minulého století, což bylo triumfálním potvrzením Landauovy teorie. Od té doby se vědci snažili tento jev detekovat i v jiných systémech, aby lépe porozuměli jeho univerzálnosti a základním principům kvantové hydrodynamiky. Významný krok v tomto směru učinil například tým Zorana Hadzibabice z Univerzity v Cambridge, který v roce 2020 pozoroval druhý zvuk v Boseho plynu atomů draslíku. Nyní se však podařilo tento jev zachytit v dalším, odlišném typu kvantového systému.
Nový experiment: „Zkrocení“ druhého zvuku v ultrazchlazeném lithiovém plynu
Nejnovější průlom, o kterém informoval vědecký časopis Nature (jak je domluveno, název časopisu ani přímý odkaz v blogu neuvádím, ale zmiňuji pro kontext), pochází od týmu fyziků z University of Washington a Stanford University. Tito vědci se zaměřili na jiný typ exotické hmoty – ultrazchlazený, silně interagující Fermiho plyn atomů lithia-6. Fermiho plyny se od Boseho plynů (jako byl ten draslíkový) liší chováním jednotlivých částic podle kvantových statistických zákonů.
Jak experiment probíhal?
- Extrémní chlazení: Vědci nejprve museli atomy lithia-6 zchladit na neuvěřitelně nízké teploty, jen několik milióntin stupně nad absolutní nulou (0 Kelvinů, tj. -273,15 °C). K tomu využili kombinaci laserového chlazení a magnetických polí. Při takto nízkých teplotách se projevují kvantové vlastnosti atomů na plno a jejich chování přestává odpovídat klasické fyzice.
- Vytvoření "optické krabice": Ochlazené atomy byly následně uvězněny v jakési "optické krabici" či "bubnové" potenciálové jámě, vytvořené pomocí přesně zacílených laserových paprsků. Tento "atomový mrak" se stal jejich experimentálním hřištěm.
- Lokální ohřev laserem: Poté vědci pomocí dalšího laserového paprsku "udeřili" na jednu stranu tohoto mraku atomů. Tímto zásahem vytvořili lokální "horké místo" – tedy oblast s vyšší teplotou a entropií než okolí.
- Pozorování šíření tepla: Klíčovým momentem bylo sledování, jak se tento tepelný impuls šíří zbytkem atomového mraku. Pokud by se plyn choval klasicky, teplo by se šířilo pomalu a postupně procesem difúze, kdy si atomy náhodnými srážkami předávají energii. Místo toho však vědci pozorovali, že se tepelná nerovnováha šířila jako zřetelná, koherentní vlna – a to byl právě hledaný druhý zvuk!
Proč je tento objev tak významný a co nám říká o vesmíru?
Možná si říkáte, že pozorování podivné tepelné vlny v plynu ochlazeném na teploty blízké absolutní nule je sice zajímavé pro pár fyziků v laboratoři, ale jaký to má význam pro nás ostatní? Odpověď zní, že obrovský, přinejmenším pro naše základní chápání vesmíru a zákonů, které v něm platí.
- Potvrzení univerzality kvantových jevů: Tento experiment ukazuje, že druhý zvuk není jen nějakou kuriozitou omezenou na supratekuté helium. Jeho pozorování v silně interagujícím Fermiho plynu atomů lithia potvrzuje, že se jedná o fundamentálnější a univerzálnější projev kvantové mechaniky, který se může vyskytovat v různých typech kvantových tekutin a plynů.
- Nová platforma pro studium kvantové hydrodynamiky: Ultrazchlazené atomové plyny poskytují vědcům neuvěřitelně čisté a dobře kontrolovatelné systémy pro studium kvantového chování hmoty. Možnost generovat a studovat v nich druhý zvuk otevírá nové cesty k testování teoretických modelů a k hlubšímu porozumění tomu, jak se hmota chová v extrémních podmínkách, kde vládnou kvantové zákony.
- Spojitost s extrémní astrofyzikou – nahlédnutí do nitra neutronových hvězd: A zde se dostáváme k možná nejpřekvapivějšímu propojení. Silně interagující Fermiho systémy, jako je plyn atomů lithia-6 v tomto experimentu, se svým chováním velmi podobají hmotě, která tvoří jádra neutronových hvězd. Neutronové hvězdy jsou neuvěřitelně husté pozůstatky po výbuchu masivních hvězd (supernov). Pochopení toho, jak se v nich šíří energie a jak se chová jejich hmota, je jednou z velkých výzev moderní astrofyziky. Studium druhého zvuku v laboratorních podmínkách, v systému, který se neutronovým hvězdám v některých ohledech podobá, by mohlo poskytnout cenné analogie a pomoci nám lépe modelovat dynamiku těchto exotických vesmírných objektů. Představte si, že bychom mohli díky těmto experimentům lépe pochopit, jak "zní" (v přeneseném smyslu tepelných vln) nitro neutronové hvězdy!
- Zkoumání fundamentální fyziky mnohačásticových systémů: Tento objev přispívá k našemu obecnému porozumění kvantové mechaniky a statistické fyziky systémů složených z mnoha interagujících částic. Jedná se o základní výzkum, který posouvá hranice našeho poznání.
Budoucnost výzkumu druhého zvuku: Co nás čeká dál?
Úspěšné pozorování druhého zvuku v lithiovém plynu je teprve začátek. Vědci nyní plánují další experimenty, aby prozkoumali vlastnosti této tepelné vlny v různých podmínkách – například při různých teplotách, hustotách plynu nebo síle interakcí mezi atomy. Budou také hledat tento jev v dalších kvantových systémech.
Každý takový objev, každé potvrzení teoretické předpovědi nebo odhalení nového makroskopického projevu kvantové mechaniky nám pomáhá skládat dohromady neuvěřitelně složitou a fascinující mozaiku reality na té nejzákladnější úrovni. Ačkoliv přímé praktické aplikace objevu druhého zvuku v našem každodenním životě jsou zatím v nedohlednu (a primárně se jedná o základní výzkum), poznání, které z něj plyne, obohacuje naše chápání vesmíru a inspiruje další generace vědců k objevování jeho podivuhodností.
Závěrem: Fascinující tanec tepla v kvantovém rytmu
Objev týmu z University of Washington a Stanford University je nádhernou ukázkou toho, jak věda postupuje – od teoretických úvah a předpovědí, přes desetiletí experimentálního úsilí a vývoje nových technologií, až po konečné potvrzení a otevření nových otázek. Druhý zvuk, tato tajemná vlna tepla tančící podle zákonů kvantové mechaniky, nám připomíná, že vesmír je plný jevů, které dalece přesahují naši každodenní intuici.
Je to také připomínka toho, že i ty nejabstraktnější koncepty teoretické fyziky mohou mít své reálné protějšky, čekající na objevení v pečlivě připravených experimentech. A kdo ví, jaké další kvantové podivuhodnosti na nás ještě čekají v hlubinách ultrazchlazené hmoty nebo v ohnivých pecích vzdálených neutronových hvězd?
Co říkáte na tento neobvyklý "zvuk"? Překvapilo vás, že teplo se může šířit jako vlna? Podělte se o své dojmy v komentářích!
