Nagroda Nobla z fizyki w 2003 roku
NagrodÄ™ 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 miedz
). Opór
sprawia, że energia prądu się rozprasza, a
materiał, przez który płynie prąd, rozgrzewa się.
Witalij Ginzburg
Na poczÄ…tku XX wieku holenderski fizyk Heike
Urodzony w 1916
Kamerlingh-Onnes odkrył, że istnieją materiały,
roku. Absolwent i
w których opór elektryczny całkowicie znika. W
doktor Uniwersytetu
odróżnieniu od zwykłych przewodników nazwano
Moskiewskiego. Od
je nadprzewodnikami, a samo zadziwiajÄ…ce
1940 zwiÄ…zany z
zjawisko - nadprzewodnictwem. W pętli
Instytutem Fizyki im.
wykonanej z nadprzewodnika prąd będzie krążył
Lebiediewa Akademii
wiecznie, bo jego energia nie ulegnie
Nauk ZSRR. W latach
rozproszeniu. Obecnie zbudowano już pierwszą
pięćdziesiątych.
linię z przewodów nadprzewodzących. przyczynił się do
wyprodukowania
Przez niemal pół wieku bezskutecznie starano się
bomby wodorowej
wyjaśnić to zjawisko. Dopiero L.N. Cooper, J.
przez ZwiÄ…zek Radziecki. To on
Bardeen, J. Schrieff stworzyli opis tego zjawiska
zaproponował, by paliwem nowej broni stał
dla metalicznych nadprzewodników, rozpatrując
siÄ™ deuteryk litu. Doradca Rosyjskiej
kondensacjÄ™ Bosego-Einsteina zachodzÄ…cÄ… w
Akademii Nauk. Także jest profesorem na
cieczy zbudowanej z elektronów przewodnictwa w
Uniwersytecie Gorkiego i w Moskiewskim
metalu, powiązanych ze sobą w pary w szczególny
Instytucie Fizyki i Technologii.
sposób (Coopera pary elektronowe). W
Autor prac dotyczÄ…cych elektrodynamiki
odpowiednio niskiej temperaturze ciecz ta
kwantowej, teorii czÄ…stek elementarnych,
przechodzi w stan nadciekły (nadpłynność), co
fizyki skondensowanego stanu materii, fizyki
obserwujemy jako zanik oporu elektrycznego.
plazmy i astrofizyki. Razem z Lwem
Zjawisko nadprzewodnictwa jest efektem
Landauem stworzył równania, które dobrze
kwantowym.
opisywały własności nadprzewodników. Dziś
Na początku lat pięćdziesiątych rosyjscy uczeni
teoria ta nosi nazwÄ™ teorii Ginzburga-
Lew Landau i Witalij Ginzburg przedstawili
Landaua.
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
póz
niej było zasługą tzw. teorii BCS nagrodzonej Noblem), ale teoria okazała się nieoceniona dla
praktycznego wykorzystania nowych materiałów w technice i badaniach naukowych.
Kilka lat póz
niej 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
czÄ…stek elementarnych. Korzysta siÄ™ 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 bezwzglÄ™dnego. Odkryto materiaÅ‚y 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).
Aleksiej A. Abrikosow Anthony J. Leggett
Urodzony w 1928 roku. Nadciekłość Urodzony w 1938r.
W 1948 roku ukończył W 1964r. obronił
Uniwersytet Moskiewski, doktorat z fizyki na
Gdy hel zostanie
w 1951 obronił doktorat Uniwersytecie
schłodzony prawie
z fizyki. W latach 1951- Oksfordzkim. 1971-
do zera
1965 pracował w 1983 związany z
bezwzględnego
moskiewskim Instytucie Uniwersytetem
(niższej niż 2,17
Problemów Fizycznych Sussex w Wielkiej
Kelwina), z cieczy
(IPP); następnie Brytanii. Od 1983
podobnej do tych,
zwiÄ…zany z AkademiÄ… profesor fizyki na
jakie znamy na co
Nauk ZSRR. W latach Uniwersytecie Illinois
dzień, zmienia się
1965-1988 pracował w w Urbanie w USA.
w ciecz kwantowÄ….
Instytucie Teoretycznej Autor prac z dziedziny fizyki niskich
Traci lepkość, co
Fizyki im. L.D. Landaua, w okresie 1988-1991 temperatur, fizyki skondensowanego stanu
oznacza, że gdy
dyrektor Instytutu Fizyki Wysokich Ciśnień. Od materii i podstaw mechaniki kwantowej,
np. wiruje, nie
1991r. w Argonne National Laboratory w pionier badań nad nadciekłością, zwłaszcza
traci energii na
Stanach Zjednoczonych. He-3.
wewnętrzne tarcie
Autor kilku książek i ok. 200 artykułów na
i może poruszać
temat nadprzewodnictwa, teorii metali,
się bez końca. Jego cieniutka warstewka
półmetali, półprzewodników, magnetyzmu,
przykleja się i ślizga po powierzchni, może np.
molekularnej fizyki, kwantowej
"wypełznąć" po ściankach z naczynia. Deszcz z
elektrodynamiki, teorii skondensowanego
nadciekłego helu swobodnie przeciekałby przez
stanu materii. Odkrył nadprzewodniki II
parasole, bo przeciska siÄ™ on nawet przez
rodzaju i ich magnetyczne właściwości (wiry
najmniejsze dziurki rzędu zaledwie dziesiątek
Abrikosowa).
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
siedemdziesiÄ…tych.
Nadciekły hel-3 nie ma na razie żadnych praktycznych
zastosowań.
Nagroda Nobla z biologii w 2003 roku
Symulacja wirów w nadciekłym
helu
NagrodÄ™ 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
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 pomocÄ…
rezonansu magnetycznego
uzyskał też pierwszy obraz
fragmentu ludzkiego ciała
- palca ręki.
Obraz ludzkiej głowy wykonany za
Pierwsze zestawy do
pomocÄ… rezonansu magnetycznego
badań trafiły do szpitali na
początku lat osiemdziesiątych. W ubiegłym roku liczba urządzeń na
świecie przekroczyła 22 tysiące. Każdego roku korzysta z nich ponad
Paul C. Lauterbur
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 siÄ™ w chorobie Parkinsona.
KolejnÄ… dziedzinÄ…, gdzie bardzo szeroko wykorzystuje siÄ™ 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.
Peter Mansfield
Opracowano na podstawie Gazety Wyborczej