KWANTOWA KLAUSTROFOBIA.pdf

podczas gdy NR2B moýe mie silniej-

szy zwizek z pami«ci krtkotrwa¸

lub uczeniem si«. Na ten ostatni proces

wp¸ywaj zapewne wraz z receptorem

NMDA enzymy, takie jak Src.

Tsien wyjaænia, ýe celem jego pracy

jest ãzrozumienie procesw biologicz-

nych, a nie wyprodukowanie wybitnie

inteligentnych myszyÓ. Najwi«kszym

z niej poýytkiem dla ludzi moýe by Ð

twierdzi Ð uýycie receptora NR2B jako

punktu wyjæcia do opracowania nowych

lekw, pomocnych w zwalczaniu zwi-

zanych z wiekiem ubytkw pami«cio-

wych, obserwowanych m.in. w choro-

bie Alzheimera. Kontakt z Tsienem na-

wiza¸y juý firmy farmaceutyczne i bio-

technologiczne. Cho sdzi on, ýe opra-

cowanie jakiegokolwiek ærodka tera-

peutycznego dla ludzi potrwa co naj-

mniej osiem lat, to wierzy jednak, iý

NR2B ãokaýe si« pomocny w opraco-

waniu lekw poprawiajcych pami«.

My przedstawiliæmy zasad« dzia¸ania.Ó

Czy takie leki zwi«ksz zdolnoæci

poznawcze ludzi? Kilka zespo¸w ba-

dawczych pracuje nad ãpigu¸kami spry-

tuÓ. Wielu naukowcw ma jednak za-

strzeýenia co do skutecznoæci substancji

ãposzerzajcych mzgÓ i jest zaniepo-

kojonych etycznym aspektem ich stoso-

wania. Tully zastanawia si«, czy nasile-

nie plastycznoæci doros¸ego mzgu

okaza¸oby si« poýyteczne. ãJeýeli wi«k-

sza zdolnoæ uczenia si« jest dla nas ko-

rzystna, to czemu ewolucja nam jej

poskpi¸a?Ó

Ken Howard

FIZYKA

Kwantowa

klaustrofobia

Fizykom uda¸o si« wytworzy

w superzimnym gazie

zdegenerowan materi« Fermiego

Ð budulec gwiazd neutronowych

obecnoæ jednego fermionu w danym

stanie wyklucza obecnoæ drugiego.

Bozony charakteryzuj si« ca¸kowity-

mi wartoæciami spinu, czyli wewn«trzne-

go momentu p«du, natomiast fermiony

maj spiny po¸wkowe: 1 / 2 , 3 / 2 itd. Rý-

nice w zachowaniu si« fermionw i bo-

zonw uwidaczniaj si« szczeglnie dla

grup tych czstek w bardzo niskich tem-

peraturach, kiedy zajmuj one najniýsze

moýliwe poziomy energetyczne. Ozi«-

bione bozony gromadnie zajmuj ten je-

den, najniýszy poziom energetyczny.

Fermiony przypominaj raczej ludzi sto-

jcych na wskich schodach Ð tylko jed-

na osoba zajmuje jeden stopieÄ Ð i tak

kolejno aý do najniýszego w miar« zbli-

ýania si« do zera bezwzgl«dnego. Taki

stan, okreælany mianem degeneracji Fer-

miego, w istotny sposb decyduje o w¸a-

snoæciach elektrycznych metali i p¸prze-

wodnikw, a takýe jest rd¸em ciænienia

przeciwstawiajcego si« zapadaniu bia-

¸ych kar¸w i gwiazd neutronowych.

W celu wytworzenia zdegenerowa-

nego stanu Fermiego Jin i DeMarco za-

stosowali ch¸odzenie poprzez parowanie

gazu atomowego w pu¸apce magnetycz-

nej, udoskonalajc technik«, ktra do-

prowadzi¸a do wytworzenia pierwsze-

go rozrzedzonego kondensatu Bosego.

Jin wybra¸a do eksperymentw atomy

rzadkiego izotopu potasu 40 i wraz

z DeMarkiem bardzo pomys¸owo wy-

korzysta¸a ich niezwyk¸e w¸aæciwoæci.

Zw¸aszcza najwaýniejsz, ýe potas 40

jest fermionem, poniewaý sk¸ada si«

z nieparzystej liczby fermionw: 40 pro-

tonw i neutronw oraz 19 elektronw

orbitalnych.

Wytworzenie zdegenerowanego stanu

Fermiego jest znacznie trudniejsze niý

po prostu zastosowanie metody s¸uý-

cej do wytworzenia kondensatu Bosego.

nw. Fermionami s znane

nam protony i neutrony, a tak-

ýe kwarki. To w¸aænie fermionowa natu-

ra elektronw jest podstaw budowy

tablicy okresowej pierwiastkw, a wi«c

i ca¸ej chemii. Ostatnimi czasy bozony

Ð kuzyni fermionw Ð doczeka¸y si«

szczeglnego zainteresowania. Wiýe

si« to z epokowym odkryciem w roku

1995 kondensatu BosegoÐEinsteina w

rozrzedzonych gazach. A teraz przysz¸a

kolej na fermiony: uda¸o si« wytworzy

atomow ãzdegenerowan materi«

FermiegoÓ w temperaturze zaledwie

0.3 µK powyýej zera bezwzgl«dnego.

Dokona¸o tego dwoje m¸odych fizykw

Ð Deborah S. Jin i jej doktorant Brian

DeMarco Ð pracujcych w National In-

stitute of Standards and Technology

i w University of Colorado w Boulder.

Bozony s bardzo towarzyskimi

cz¸onkami rodziny czstek kwantowych.

Szczeglnie uwidacznia si« to w kon-

densacie, w ktrym miliony tych cz-

stek wyst«puj w dok¸adnie tym samym

stanie kwantowym. Fermiony natomiast

to indywidualiæci kwantowi i nie moý-

na umieæci dwch fermionw w tym

samym po¸oýeniu w tym samym stanie

kwantowym. Fermiony, nazwane tak

na czeæ w¸oskiego fizyka Enrica Fer-

miego, podlegaj zakazowi Pauliego:

å WIAT N AUKI StyczeÄ 2000 21

N asz æwiat sk¸ada si« z fermio-

przedstawia

ãEKOLOGIAÓ

pierwszy odr«bny

podr«cznik, stanowicy

doskona¸e uzupe¸nienie

lekcji biologii

BOZONY

FERMIONY

POZIOM

ENERGII FERMIEGO

FERMIONOWE ATOMY POTASU skupiaj si«. W temperaturze zera bezwzgl«dnego

wszystkie znajd si« wewntrz czerwonego kr«gu, dok¸adnie obsadzajc

najniýsze stany energetyczne w pu¸apce magnetycznej (wstawka).

CIEKAWE PROPOZYCJE

WICZEÁ

DO WYKORZYSTANIA

NA LEKCJI

Trudniej bowiem jest ozi«bia fermiony

niý bozony. Ch¸odzenie poprzez paro-

wanie polega na wykorzystaniu zderzeÄ

mi«dzy czstkami w celu cig¸ego wy-

rwnywania obsadzenia stanw ener-

getycznych, a jednoczeænie usuwaniu

czstek o wyýszej energii. Jednakýe

w pobliýu stanu zdegenerowanego zde-

rzenia mi«dzy identycznymi fermionami

staj si« prawie niemoýliwe. Kaýdej cz-

stce kwantowej przypisujemy pewn fa-

l« o charakterystycznej d¸ugoæci, ktra

jest tym wi«ksza, im czstka ma niýsz

energi«. Zakaz Pauliego zabrania dwm

identycznym fermionom zbliýy si« bar-

dziej niý na d¸ugoæ tej fali. Jest to efekt

niezgodny z nasz intuicj: gdy fale ato-

mw staj si« d¸uýsze, nie moýna dopro-

wadzi do ich zderzenia.

Aby poradzi sobie z tym zanikaniem

zderzeÄ, Jin i DeMarco zadbali, by w ich

prbce wyst«powa¸y rwnie cz«sto ato-

my w dwch subtelnie rýnicych si«

stanach magnetycznych, tzw. stanach

Zeemana. Wyst«powanie dwch takich

stanw, ktre jednoczeænie moýna z¸a-

pa w pu¸apk« magnetyczn, jest w¸a-

ænie istotn w¸aæciwoæci potasu 40.

Dwa atomy w rýnych stanach Zeema-

na mog si« zderza ze sob nawet

w stanie zdegenerowanym, poniewaý

nie s identyczne. Zderzenia umoýliwia-

j ch¸odzenie przez parowanie dwch

rodzajw atomw. ãJest to wspania¸y

eksperymentÓ Ð zachwyca si« Daniel

Kleppner z Massachusetts Institute of

Technology, pionier badaÄ nad konden-

satem BosegoÐEinsteina.

Zesp¸ z Kolorado zarejestrowa¸ rýne

przejawy degeneracji badanej prbki ato-

mw. Poniýej 0.3 µK atomy przejawia¸y

wyýsz energi« i inny rozk¸ad pr«dko-

æci, niý to przewiduje fizyka klasyczna.

Efekty te pojawiaj si«, poniewaý kiedy

najniýsze stany energetyczne s juý ca¸ko-

wicie zape¸nione, pozosta¸e atomy mu-

sz obsadza stany o wyýszej energii. In-

nym przejawem by¸a wyrana degrada-

cja ch¸odzenia przez parowanie w pobli-

ýu stanu zdegenerowanego.

Nowy uk¸ad gazowy daje wyjtko-

we moýliwoæci prowadzenia badaÄ ekspe-

rymentalnych nad stanem zdegenerowa-

nym Fermiego. ãKiedy odkryto kon-

densaty Bosego, ludzie byli podekscy-

towani, ale nie sdz«, by ktokolwiek

zdawa¸ sobie spraw«, ýe oto otwieramy

puszk« PandoryÓ Ð zauwaýa Kleppner.

Spodziewa si« on, ýe gaz Fermiego takýe

doprowadzi do odkrycia nowych zjawisk.

Inni badacze rwnieý poszukuj efek-

tw degeneracji Fermiego. Niedawno

zesp¸ Johna E. Thomasa z Duke Uni-

versity zademonstrowa¸ pierwsz pu-

¸apk« wykorzystujc jednie æwiat¸o la-

sera, ktra moýe utrzyma ultrazimne

atomy dostatecznie d¸ugo, by da¸o si«

zastosowa ch¸odzenie przez parowa-

nie. Zesp¸ ten planuje och¸odzenie mie-

szaniny dwch stanw litu 6, ktrych

nie moýna utrzyma w pu¸apce ma-

gnetycznej. Wykorzystujc pu¸apki ma-

gnetyczne, grupa Randalla G. Huleta

z Rice University zamierza ch¸odzi mie-

szanin« litu 6 (fermionowego) i litu 7

(bozonowego). Hulet spodziewa si«, ýe

mieszanina bozonowo-fermionowa po-

zwoli si«gn g¸«biej w natur« stanu

zdegenerowanego.

Lit 6 ma inne ciekawe w¸asnoæci. Jego

atomy w ultraniskich temperaturach

przycigaj si«, co pozwala na utworze-

nie jeszcze innego stanu zdegenero-

wanego, tzw. stanu par Coopera. Zja-

wisko tworzenia par Coopera dla elek-

tronw odpowiada za nadprzewodnic-

two. Atomy litu 6 mog utworzy pa-

ry, stajc si« z¸oýonymi bozonami, dzi«-

ki temu pokona charakterystyczn dla

fermionw klaustrofobi« i utworzy

kondensat Bosego.

ILUSTRACJE I WYKRESY

UüATWIAJ ZROZUMIENIE

PROBLEMîW

KSIûKA TA STANOWI

ZNAKOMIT POMOC

DLA NAUCZYCIELA

W PRZEKAZYWANIU

UCZNIOM WIEDZY

O åRODOWISKU NATURALNYM

Redakcja Ksiýek Edukacyjnych

PrszyÄski i S-ka

ul. Garaýowa 7, 02-651 Warszawa,

tel. 0-800-104-102 (po¸czenie bezp¸atne)

tel. (0-22) 607-79-41 i 607-79-42,

e-mail: edukacja@proszynski.com.pl

Zamwienia zbiorowe realizuje

Dzia¸ Sprzedaýy Ksiýek, ul. Garaýowa 7,

02-651 Warszawa, tel. (0-22) 607-78-20

(pokrywamy koszty wysy¸ki).

Zamwienia indywidualne w sprzedaýy

wysy¸kowej realizuje

Klub Ksiýki Ksi«garni Krajowej,

tel.: 0-800-224-488 i 0-800-123-124

(po¸czenia bezp¸atne),

a takýe 843-51-21 oraz 843-41-61

(do kaýdego zamwienia indywidualnego

doliczamy 4,50 z¸ na koszty wysy¸ki).

Graham P. Collins

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: