Nagroda Nobla z fizyki w 2003 roku

Nagrodę Nobla z fizyki w roku 2003 dostali: Witalij Ginzburg (Rosja) i Aleksiej A. Abrikosow

(Rosja, a ostatnio USA) za "pionierski wkład do teorii nadprzewodnictwa" oraz Anthony J. Leggett

(Wielka Brytania i ostatnio USA) za "pionierski wkład do teorii nadciekłości".

Nadprzewodnictwo

Przepływ prądu w metalach polega na uporządkowanym ruchu swobodnych elektronów. Elektrony

zderzają się z jonami sieci. Miarą tych zderzeń czyli hamowania ruchu nośników prądu jest opór

elektryczny. Występuje no nawet w dobrych przewodnikach (najlepsze to srebro i miedź). Opór

sprawia, że energia prądu się rozprasza, a

materiał, przez który płynie prąd, rozgrzewa się.

Na początku XX wieku holenderski fizyk Heike

Kamerlingh-Onnes odkrył, że istnieją materiały,

w których opór elektryczny całkowicie znika. W

odróżnieniu od zwykłych przewodników nazwano

je nadprzewodnikami, a samo zadziwiające

zjawisko - nadprzewodnictwem. W pętli

wykonanej z nadprzewodnika prąd będzie krążył

wiecznie, bo jego energia nie ulegnie
rozproszeniu. Obecnie zbudowano już

pierwszą

linię

z przewodów nadprzewodzących.

Przez niemal pół wieku bezskutecznie starano się

wyjaśnić to zjawisko. Dopiero L.N. Cooper, J.

Bardeen, J. Schrieff stworzyli opis tego zjawiska

dla metalicznych nadprzewodników, rozpatrując

kondensację Bosego-Einsteina zachodzącą w

cieczy zbudowanej z elektronów przewodnictwa w

metalu, powiązanych ze sobą w pary w szczególny

sposób (Coopera pary elektronowe). W

odpowiednio niskiej temperaturze ciecz ta

przechodzi w stan nadciekły (nadpłynność), co

obserwujemy jako zanik oporu elektrycznego.

Zjawisko nadprzewodnictwa jest efektem

kwantowym.

Na początku lat pięćdziesiątych rosyjscy uczeni

Lew Landau i Witalij Ginzburg przedstawili

równania, które świetnie radziły sobie z opisem

własności nadprzewodników. Wprawdzie nie

tłumaczyły one, co takiego dzieje się z prądem w mikroskali - na poziomie elektronów (to dopiero

później było zasługą tzw. teorii BCS nagrodzonej Noblem), ale teoria okazała się nieoceniona dla

praktycznego wykorzystania nowych materiałów w technice i badaniach naukowych.
Kilka lat później Aleksiej Abrikosow wykorzystał ich metodę do opisu tzw. nadprzewodników II

rodzaju, których własności nie znikają nawet w silnych polach magnetycznych. Dzięki temu

nadprzewodniki zaczęły robić wielką karierę w badaniach naukowych. Konstruuje się z nich silne

elektromagnesy, w które są wyposażone najlepsze laboratoria - np. akceleratory i detektory

cząstek elementarnych. Korzysta się z nich w medycynie - w szpitalnych tomografach, skanerach

rezonansu jądrowego i dosłownie wszędzie tam, gdzie potrzeba silnego pola magnetycznego.

Pierwotnie stan nadprzewodzący obserwowano w temperaturze kilku (najwyżej kilkunastu)

Kelwinów i musiały być schładzane ciekłym helem, który skrapla się w temperaturze minus 269

o

C. W 1986r. okazało się, że nadprzewodnictwo nie jest ograniczone wyłącznie do temperatur

zbliżonych do zera bezwzględnego. Odkryto materiały ceramiczne (J.G. Bednorz, K.A. Müller),

które nadprzewodzą w wyższych temperaturach od temperatury wrzenia ciekłego azotu (tj. od ok.

77 K). Dziś trwa pogoń za takimi nadprzewodnikami, w których prąd będzie płynąć wiecznie w

temperaturze takiej, jaka panuje na powierzchni Ziemi. Wtedy można byłoby z nich zbudować

linie przesyłowe, które dostarczą prąd z elektrowni do domów i fabryk bez kosztownych strat (dziś

po drodze traci się średnio 30% energii). Mogłyby również powstać elektromagnesy, które nie

będą wymagały nieustannego i kosztownego chłodzenia, a z ich pomocą - rozpowszechnić pociągi

na poduszkach magnetycznych i tanie szpitalne tomografy. Dalszej miniaturyzacji uległaby też

elektronika (dziś procesory nie mogą mieć zbyt małych rozmiarów, bo przegrzewają się).

Witalij Ginzburg

Urodzony w 1916

roku. Absolwent i

doktor Uniwersytetu

Moskiewskiego. Od

1940 związany z

Instytutem Fizyki im.

Lebiediewa Akademii

Nauk ZSRR. W latach

pięćdziesiątych.

przyczynił się do

wyprodukowania

bomby wodorowej

przez Związek Radziecki. To on

zaproponował, by paliwem nowej broni stał

się deuteryk litu. Doradca Rosyjskiej

Akademii Nauk. Także jest profesorem na

Uniwersytecie Gorkiego i w Moskiewskim

Instytucie

Fizyki

i

Technologii.

Autor prac dotyczących elektrodynamiki

kwantowej, teorii cząstek elementarnych,

fizyki skondensowanego stanu materii, fizyki

plazmy i astrofizyki. Razem z Lwem

Landauem stworzył równania, które dobrze

opisywały własności nadprzewodników. Dziś

teoria ta nosi nazwę teorii Ginzburga-

Landaua.

Nadciek o

ł ść

Gdy hel zostanie

schłodzony prawie

do

zera

bezwzględnego

(niższej niż 2,17

Kelwina), z cieczy

podobnej do tych,

jakie znamy na co

dzień, zmienia się

w ciecz kwantową.

Traci lepkość, co

oznacza, że gdy

np. wiruje, nie

traci energii na

wewnętrzne tarcie

i może poruszać

się bez końca. Jego cieniutka warstewka

przykleja się i ślizga po powierzchni, może np.

"wypełznąć" po ściankach z naczynia. Deszcz z

nadciekłego helu swobodnie przeciekałby przez

parasole, bo przeciska się on nawet przez

najmniejsze dziurki rzędu zaledwie dziesiątek

mikrometrów. Rosyjski fizyk Piotr Kapica, który

po raz pierwszy zaobserwował

to dziwne zjawisko, nazwał je nadciekłością. Wyjaśnienie tego

zjawiska podał L.D. Landau rozpatrując kondensację Bosego-

Einsteina w układzie cząstek cieczy. W danej temperaturze

nadpłynność zanika przy pewnej prędkości przepływu cieczy

zwanej prędkością krytyczną. Zmiana stanu cieczy z cieczy

lepkiej w nadciekłą i odwrotnie jest przejściem fazowym.

Okazuje się przy tym, że atomy nadciekłego helu-3 zachowują

się podobnie jak elektrony prądu, które bez straty energii

płyną w nadprzewodniku. Anthony J. Leggett był pierwszym,

który potrafił sformułować taką teorię w latach

siedemdziesiątych.

Nadciekły hel-3 nie ma na razie żadnych praktycznych

zastosowań.

Nagroda Nobla z biologii w 2003 roku

Nagrodę Nobla z medycyny w 2003 roku otrzymali: Paul C.

Lauterbur (jest profesorem chemii) i Peter Mansfield (profesor fizyki) za przełomowe odkrycia

dotyczące wykorzystania rezonansu magnetycznego w medycynie. Ich odkrycia doprowadziły do

rozwoju nowoczesnego obrazowania rezonansu magnetycznego, który stał się przełomem w

diagnostyce medycznej i badaniach naukowych. Jest to przykład wykorzystania zjawisk fizycznych

w medycynie.

Zjawisko rezonansu jądrowego odkryli w drugiej połowie lat czterdziestych amerykańscy fizycy

Felix Bloch i Edward Mills Purcell (Nobel z fizyki w 1952 r.). Zauważyli oni, że na jądra atomowe

umieszczone w silnym polu magnetycznym można działać falami radiowymi o ściśle określonej

częstości. Jądra absorbują energię tych fal radiowych, a potem oddają ją - emitując fale o tej

samej częstości. Szybko przekonano się, że można w ten sposób badać chemiczną strukturę

substancji.

W latach siedemdziesiątych laureaci tegorocznego Nobla jako pierwsi pokazali, że tę samą metodę

(obrazowanie za pomocą rezonansu magnetycznego - Magnetic Resonance Imaging, MRI) można

wykorzystać w medycynie - do bezinwazyjnego badania tkanek. Najłatwiej było działać polem

magnetycznym i falami radiowymi na najlżejsze jądra wodoru. Wodór jest składnikiem wody,

która stanowi aż dwie trzecie masy ciała - metoda rezonansu magnetycznego pozwala więc na

Aleksiej A. Abrikosow

Urodzony w 1928 roku.

W 1948 roku ukończył

Uniwersytet Moskiewski,

w 1951 obronił doktorat

z fizyki. W latach 1951-

1965 pracował w

moskiewskim Instytucie

Problemów Fizycznych

(IPP);

następnie

związany z Akademią

Nauk ZSRR. W latach

1965-1988 pracował w

Instytucie Teoretycznej

Fizyki im. L.D. Landaua, w okresie 1988-1991

dyrektor Instytutu Fizyki Wysokich Ciśnień. Od

1991r. w Argonne National Laboratory w

Stanach

Zjednoczonych.

Autor kilku książek i ok. 200 artykułów na

temat nadprzewodnictwa, teorii metali,

półmetali, półprzewodników, magnetyzmu,

molekularnej

fizyki,

kwantowej

elektrodynamiki, teorii skondensowanego

stanu materii. Odkrył nadprzewodniki II

rodzaju i ich magnetyczne właściwości (wiry

Abrikosowa).

Anthony J. Leggett

Urodzony w 1938r.

W 1964r. obronił

doktorat z fizyki na

Uniwersytecie

Oksfordzkim. 1971-

1983 związany z

Uniwersytetem

Sussex w Wielkiej

Brytanii. Od 1983

profesor fizyki na

Uniwersytecie Illinois

w

Urbanie

w

USA.

Autor prac z dziedziny fizyki niskich

temperatur, fizyki skondensowanego stanu

materii i podstaw mechaniki kwantowej,

pionier badań nad nadciekłością, zwłaszcza

He-3.

Symulacja wirów w nadciekłym

helu

wgląd w niemal wszystkie tkanki miękkie ludzkiego

organizmu.

Zasługą

Paula

C.

Lauterbura było odkrycie,

w jaki sposób można

tworzyć dwuwymiarowe

przekroje tkanek. Peter

Mansfield zaś dokonał

takich modyfikacji metody,

dzięki którym możliwe

stało się zastosowanie jej

w praktyce, tzn. w

diagnostyce i terapii. W

1976 roku za pomocą

rezonansu magnetycznego

uzyskał też pierwszy obraz

fragmentu ludzkiego ciała

-

palca

ręki.

Pierwsze zestawy do

badań trafiły do szpitali na

początku lat osiemdziesiątych. W ubiegłym roku liczba urządzeń na

świecie przekroczyła 22 tysiące. Każdego roku korzysta z nich ponad

60

mln

osób.

Choć rezonans może być wykorzystywany do badania prawie wszystkich narządów to jego

przydatność jest najbardziej widoczna w przypadku centralnego systemu nerwowego. Większość

schorzeń mózgu i rdzenia kręgowego jest związana ze zmianami w zawartości wody, co właśnie

odzwierciedlają zdjęcia MRI. Już ubytek lub wzrost zawartości wody mniejszy niż 1% wystarcza do

wykrycia ogniska patologicznego.

Jest to wykorzystywane między innymi w diagnostyce i leczeniu stwardnienia rozsianego. Proces

zapalny niszczący osłonki mielinowe komórek nerwowych w mózgu i

rdzeniu kręgowym może być dzięki MRI dokładnie zlokalizowany i

obserwowany. W ten sposób można śledzić również przebieg, a

przede wszystkim skuteczność leczenia.

Neurochirurdzy dzięki precyzyjnym zdjęciom MRI są w stanie

umieścić elektrody bezpośrednio w danym obszarze kory, co

wykorzystuje się do leczenia ciężkich bólów lub zaburzeń

poruszania się w chorobie Parkinsona.

Kolejną dziedziną, gdzie bardzo szeroko wykorzystuje się obecnie

rezonans magnetyczny, jest onkologia. Używa się jej zarówno do

rozpoznania choroby, śledzenia postępów jej leczenia, jak i dalszej

obserwacji stanu chorego. MRI pozwala na bardzo dokładne

określenie rozmiarów guza nowotworowego, co umożliwia

przeprowadzenie bardzo precyzyjnej operacji jego usunięcia lub też

radioterapii. Dla samego wyboru rodzaju leczenia raka konieczne

jest prawidłowe rozpoznanie stadium, na jakim się znajduje, to: czy

i jak głęboko nacieka sąsiadujące tkanki oraz to, czy nie nastąpiły

już przerzuty do sąsiadujących z guzem węzłów chłonnych.

Opracowano na podstawie Gazety Wyborczej

Obraz ludzkiej głowy wykonany za

pomocą rezonansu magnetycznego

Paul C. Lauterbur

Peter Mansfield