174 let se nic nedělo: A pak si toho někdo konečně všiml

Sdílet

Mohlo by se zdát, že v moderním světě máme díky technologiím a nahromaděným vědeckým poznatkům odpovědi snad na všechno. Přesto je však třeba taková fyzika stále plná podivných jevů a záhad, které čekají na odhalení. A někdy se dokonce stane, že teorie existuje desetiletí, dokonce i staletí, než ji vědci konečně potvrdí.

Zdroj: iStockphoto

V nedávné době se podařilo vypozorovat hned dva úkazy, jež posouvají naše fyzikální chápání na novou úroveň.

O co přesně se jedná?

Jev, jenž přes 170 let čekal na potvrzení

Představte si, že máte kovový drát, jehož jeden konec je teplejší než ten druhý. A když jím protéká elektrický proud, teplo se buď absorbuje, nebo se naopak uvolňuje.

Tento proces pozoroval už v roce 1851 britský matematik, fyzik a inženýr William Thomson, známější spíše jako Lord Kelvin. Zjistil, že to, jestli se drát ohřívá nebo chladí, závisí na směru, kterým proud teče ve vztahu k teplotnímu gradientu. Úkaz se stal jedním ze tří základních termoelektrických jevů a dostal příhodný název Thomsonův jev.

V některých materiálech, jako je železo nebo nikl, se objevila i jeho opačná podoba tedy negativní Thomsonův jev. Teplo se zde šíří proti směru proudu, což ukazuje, že chování elektronů v různých látkách může být překvapivě odlišné. Dlouho se předpokládalo, že kromě těchto podélných projevů existuje ještě jejich příčná varianta, tedy jev probíhající kolmo k toku proudu. Jenže jeho pozorování se ukázalo být mimořádně obtížné – až donedávna.

Mezinárodní tým fyziků využil polokovovou směs, na kterou působil elektrickým proudem, teplotním gradientem a magnetickým polem v pravém úhlu. Výsledkem byl jasný důkaz existence příčného Thomsonova jevu. Ukázalo se, že tento efekt dokáže materiál nejen ohřívat nebo chladit, ale také měnit výsledek obrácením směru magnetického pole. To otevírá zcela nové možnosti pro přesné a lokalizované řízení teploty, což je zásadní například pro mikroelektroniku nebo kvantová zařízení.

Thomsonův jev je pojmenovaný po významném britském matematikovi a fyzikovi

━━ Thomsonův jev je pojmenovaný po významném britském matematikovi a fyzikovi (Zdroj: National Library of Norway / Wikimedia commons)

Kvazičástice, které se vzpírají logice

Další nedávný objev se sice pohybuje v úplně jiné oblasti fyziky, ale zpochybňuje naše chápání fyzikální reality podobně jako výše zmíněný jev.

Už kolem roku 2008 teoretici navrhli, že by mohla existovat jistá kvazičástice – což je útvar složený z kolektivního pohybu mnoha částic –, která se bude chovat zcela neobvykle. Takzvaný semi-Diracův fermion měl dle nich mít hmotnost pouze v jednom směru. Jinými slovy: v jednom směru se měla pohybovat jako bezhmotná částice, podobně jako třeba foton, zatímco v jiném měla být „těžká“ a podléhat tak omezením běžné hmoty.

Jenže takováto myšlenka působila téměř absurdně, neboť podle speciální teorie relativity mohou být částice bezhmotné jen takové, jež se pohybují rychlostí světla. Jakmile je částice hmotná, nemůže tuto rychlost překročit. Představa, že by se něco mohlo přepínat mezi oběma stavy na základě směru pohybu, se zdála být téměř neslučitelná s dosavadní fyzikální logikou.

Právě proto bylo tak zásadní, když se podařilo semi-Diracův fermion skutečně prokázat. Zmíněný koncept byl totiž dlouho jen teoretický, ale nedávno byl poprvé – a ke všemu čirou náhodou – pozorován uvnitř krystalu polokovu s názvem ZrSiS, konkrétně Yinmingem Shao a jeho kolegy z americké Pennsylvania State University. Tento objev nejenže potvrzuje předešlou teorii, ale také poskytuje nové cesty ve fyzice či kvantových výpočtech a může mít rozmanité praktické uplatnění, jako jsou třeba baterie či senzory.

Závěr

Oba výše zmíněné příklady – příčný Thomsonův jev i semi-Diracův fermion – nám jasně ukazují, že i v oblastech, které se zdají být dokonale prozkoumané, se stále skrývají záhady, jež čekají na ty správné výzkumníky a technologie. Je jen otázkou času, s jakým novým fenoménem vědci přijdou nebo jakou teorii potvrdí, či naopak vyvrátí…