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