Collins Graham P. - Kwantowe rzeźbienie.pdf - świat nauki - outsiderka_alex

FIZYKA

Kwantowe rzebienie

Sprz«ýenie zwrotne pozwala

naukowcom decydowa o kszta¸cie

funkcji falowej atomu

rii opisujcej podstawowe pra-

wa rzdzce materi i energi

w skali atomw i elektronw, zrewolu-

cjonizowa¸ nie tylko nasze rozumienie

Wszechæwiata, lecz takýe technik«, przy-

noszc tranzystory, lasery i moýliwoæ

obrazowania za pomoc magnetyczne-

go rezonansu jdrowego. Obecnie Philip

H. Bucksbaum i jego wsp¸pracownicy

z University of Michigan po¸czyli kil-

ka najnowszych metod z systemem

sprz«ýenia zwrotnego, aby kszta¸towa

podstawowe cechy czstek kwantowych:

ich funkcje falowe. Eksperyment Bucks-

bauma to Ð zdaniem Michaela G. Ray-

mera, fizyka z University of Oregon Ð

ãprawdziwa inýynieria kwantowa. Po-

winien on stworzy wiele nowych moý-

liwoæci; wi«kszoæci z nich nawet sobie

nie potrafimy jeszcze wyobrazi.Ó

Funkcja falowa definiuje stan fizyczny

obiektu kwantowego. Funkcje falowe

maj ulotne w¸asnoæci, zwizane z praw-

dopodobieÄstwem, a nie z pewnoæci.

Spe¸niaj one s¸ynn zasad« nieozna-

czonoæci Heisenberga: gdy jedna cecha

charakterystyczna jest dobrze zdefinio-

wana, wwczas druga zwizana z ni

pozostaje wysoce niepewna. Na przy-

k¸ad dobrze zlokalizowany elektron mu-

si mie szeroki zakres moýliwych pr«d-

koæci. Niemniej jednak w ostatnim

dziesi«cioleciu wiele zespo¸w badaw-

czych po¸czy¸o techniki pozwalajce

analizowa ca¸kowite funkcje falowe

w najdrobniejszych szczeg¸ach i decy-

dowa o ich postaci.

Bucksbaum i jego doktoranci Thomas

C. Weinacht i Jaewook Ahn zastosowa-

li swoj metod« do pewnego rodzaju sta-

nu kwantowego, znanego pod nazw

stanu Rydberga; pojawia si« on wtedy,

gdy elektron w atomie zostaje wzbudzo-

ny do tak wysokiego poziomu energe-

tycznego, ýe ledwo jest zwizany z ato-

mem. ãStany Rydberga to wspania¸e

laboratorium do testowania nowych

ideiÓ Ð wyjaænia Bucksbaum. Elektron

o tak wielkiej energii moýe zajmowa

bardzo duýo stanw kwantowych. ü-

czc je ze sob w rýnych proporcjach

(tzn. dokonujc ich superpozycji), mo-

ýemy rzebi kszta¸t jego funkcji falo-

wej. Na przyk¸ad w jednej z kombinacji

elektron jest rozmyty w pieræcieniu ota-

NIE TYLKO DLA M¢ûCZYZN? Rozpocz«to badania kliniczne

nad skutecznoæci Viagry u kobiet.

sromowych i æcian pochwy oraz pro-

dukcj« wydzieliny pochwowej. Do po-

miarw stopnia podniecenia seksual-

nego u kobiet naukowcy stosuj urz-

dzenie wielkoæci tamponu, nazywane

pochwowym fotopletyzmografem. Apa-

rat ten wykorzystuje æwiat¸o do oceny

stopnia przekrwienia pochwy. Dzia¸a

on na podobnej zasadzie jak zak¸adane

na palec aparaty do pomiaru ciænienia

t«tniczego.

Stosunkowo ma¸o wiadomo o fizjo-

logii kobiecych narzdw p¸ciowych. Ir-

win Goldstein i Jennifer R. Berman z Bo-

ston University Medical Center planuj

stworzenie dok¸adnej mapy przebiegu

naczyÄ krwionoænych i nerww zaopa-

trujcych pochw« i ¸echtaczk«. Wed¸ug

wst«pnych danych unerwienie kobiet

rýni si« nieco od unerwienia m«ýczyzn.

Cindy M. Meston z University of Texas

w Austin odkry¸a, ýe wsp¸czulny uk¸ad

nerwowy, ktry odpowiada g¸wnie za

przesy¸anie impulsw, odgrywa istot-

niejsz rol« w reakcjach seksualnych ko-

biet niý m«ýczyzn.

Meston oæwiadczy¸a, ýe dzia¸ania fir-

my Pfizer, zmierzajce do zatwierdze-

nia stosowania Viagry u kobiet, ãwzbu-

dzi¸y wielkie zainteresowanieÓ badania-

mi reakcji seksualnych kobiet. ãViagra

jest wspania¸a Ð powiedzia¸a. Ð W ci-

gu ostatnich dwch miesi«cy dosta¸am

wi«cej pieni«dzy na badania niý przez

siedem ostatnich lat.Ó

Potrzeba leczenia zaburzeÄ seksual-

nych u kobiet jest oczywista. W lutym

Raymond C. Rosen z University of Me-

dicine and Dentistry of New Jersey-Ro-

bert Wood Johnson Medical School w

Piscataway wraz ze wsp¸pracownika-

mi analizowa¸ dane pochodzce z Na-

tional Health and Social Life Study, kt-

rym obj«to w 1992 roku 1749 kobiet i

1410 m«ýczyzn. By¸o to pierwsze prze-

prowadzone na tak duý skal« amery-

kaÄskie badanie dotyczce reakcji seksu-

alnych ludzi od czasu raportw Kinseya

z pocztku lat pi«dziesitych. W arty-

kule opublikowanym w Journal of the

American Medical Association autorzy ci

donosili, ýe zaskakujco duýy odsetek

kobiet (43%) i m«ýczyzn (31%) doæwiad-

cza rýnego stopnia zaburzeÄ funkcji

seksualnych, z brakiem pop«du lub sa-

tysfakcji seksualnej oraz niezdolnoæci

do osigni«cia orgazmu w¸cznie.

Naukowcy spodziewaj si«, ýe Viagra

z¸agodzi jedynie niektre z tych obja-

ww, poniewaý reakcje seksualne ludzi

zaleý w duýym stopniu od czynnikw

psychicznych, na ktre lek nie ma wp¸y-

wu. W istocie, pierwsze doniesienie na

temat skutecznoæci Viagry u kobiet nie

potwierdzi¸o jej korzystnego dzia¸ania.

W marcu br. Steven Kaplan z Columbia

Presbyterian Center w New York Pres-

byterian Hospital w artykule opubliko-

wanym w czasopiæmie Urology og¸osi¸,

ýe Viagra nie poprawi¸a w wyrany spo-

sb satysfakcji seksualnej i nie zwi«kszy-

¸a poýdania w grupie 33 kobiet w okre-

sie postmenopauzalnym.

Pfizer bada obecnie dzia¸anie Viagry

u kilkuset kobiet w Europie. Wed¸ug

Caprino firma ma nadziej« przedstawi

wyniki tego badania klinicznego w ci-

gu kilku miesi«cy. Nast«pnie planowa-

ne jest przeprowadzenie eksperymen-

tu klinicznego na duýej grupie kobiet

w Stanach Zjednoczonych.

Carol Ezzell

å WIAT N AUKI Lipiec 1999 19

R ozwj mechaniki kwantowej, teo-

w Ð metod«, ktr po raz

pierwszy zademonstro-

wali rok temu. W holo-

grafii optycznej prze-

strzenny kszta¸t obiektu

odtwarza si« z jego holo-

gramu Ð odpowiednio

wykonanego dwuwymia-

rowego obrazu interfe-

rencyjnego. W holografii

kwantowej pomiary do-

starczaj danych, b«d-

cych dalek analogi ho-

logramu, na podstawie

ktrego moýna zrekon-

struowa ca¸kowit funk-

cj« falow obiektu. Jed-

nakýe zgodnie z zasad

nieoznaczonoæci kaýdy

pomiar zak¸ca ãobiektÓ

kwantowy, a zatem ãho-

logramÓ powstaje z poje-

dynczych pikseli w wie-

lu seriach pomiarowych,

w ktrych za kaýdym ra-

zem uczestnicz tysice identycznie

przygotowanych atomw.

Kiedy fizycy wykonaj juý map« osta-

tecznej postaci funkcji falowej, szukaj

rýnicy mi«dzy otrzyman funkcj i t,

ktr chcieliby uzyska. Informacj« t« wy-

korzystuj nast«pnie do precyzyjnego do-

brania kszta¸tu impulsu laserowego, za

pomoc ktrego wzbudz kolejn porcj«

atomw. Bucksbaum zauwaýy¸, ýe juý po

dwch lub trzech iteracjach sprz«ýenie

zwrotne niweluje rýnic« i doprowadza

do poýdanej postaci funkcji falowej.

Kwantowe kszta¸towanie postaci

funkcji falowej znajduje zastosowanie

w rozwijajcej si« dziedzinie obliczeÄ

kwantowych, w ktrej kodowanie da-

nych na poszczeglnych stanach kwan-

towych moýe przyczyni si« do rozwo-

ju komputerw kwantowych. Inna

ewentualnoæ to kontrolowanie przebie-

gu reakcji chemicznych. Odpowiednio

ukszta¸towane impulsy optyczne wy-

muszajce okreælone wzbudzenia w wy-

branych wizaniach czsteczki mog

wzmocni lub os¸abi alternatywne kie-

runki reakcji. Kilka zespo¸w badaw-

czych niezaleýnie od siebie wykorzysta-

¸o w tym celu sprz«ýenie zwrotne, ale

bez jednoczesnego zastosowania szcze-

g¸owego obrazowania funkcji falowej.

Carlos R. Stroud, fizyk kwantowy

z University of Rochester, zastrzega, ýe

zastosowanie metody Bucksbauma do

szerszego zakresu uk¸adw kwanto-

wych wymaga dalszych badaÄ. Nie-

mniej jednak ãBucksbaum wraz ze

wsp¸pracownikami powi«kszyli zbir

narz«dzi, ktrymi dysponuje dziæ me-

chanika kwantowaÓ Ð twierdzi.

Graham P. Collins

ELEKTROAKUSTYKA

Ð180

Ð120

Ð60

120

180

FAZA (STOPNIE)

Mikromikrofony

Nowe czujniki wykrywaj dwi«k

za pomoc æwiat¸a i ciep¸a

WZORCOWA FUNKCJA FALOWA

ýynierom dotd nie uda¸o si« za-

adaptowa technologii mikropro-

cesorowych do konstrukcji mikrofonw

rwnie tanich i ma¸ych jak komputero-

we chipy. Jednak obecnie to si« zmienia.

W marcu br. na konferencji w Berlinie

przedstawiono projekty kilku przetwor-

nikw akustycznych o rzeczywiæcie mi-

kroskopowych rozmiarach. Takie ãmi-

kromikrofonyÓ mog wkrtce znale

zastosowanie w prawie niewidocznych

miniaturowych aparatach s¸uchowych,

w czujnikach na skrzyd¸ach samolotw

eksperymentalnych i w kamerach ultra-

dwi«kowych, ktre pozwol nurkom

widzie w ciemnej i m«tnej wodzie.

Niektre z tych urzdzeÄ dzia¸aj tak

jak zwyczajny mikrofon, tyle ýe znacznie

mniejszy. Inýynierowie z duÄskiej firmy

Microtronic oraz niemieckiej Robert

Bosch GmbH ze Stuttgartu wytworzyli

p¸ytki krzemowe wype¸nione chipami

mikrofonw pojemnoæciowych, w kt-

rych dwi«k zostaje przetworzony na

sygna¸ elektryczny dzi«ki drganiom na-

¸adowanych elektrycznie membran gru-

boæci zaledwie 400 nm. Mimo ýe ca¸e to

urzdzenie mieæci si« na chipie o po-

wierzchni zaledwie 2 mm 2 , dzia¸a rw-

nie dobrze jak konwencjonalny dziesi«-

ciokrotnie wi«kszy mikrofon.

Inni uczestnicy konferencji prezento-

wali radykalniejsze rozwizania. Jrg

Sennheiser, szef jednej z najwi«kszych

europejskich firm produkujcych mikro-

fony, pokaza¸ tzw. microflown Ð mikro-

fon przep¸ywowy, w ktrym nie ma ýad-

nych cz«æci ruchomych. Nie wykrywa

on zmian ciænienia akustycznego, lecz

reaguje na s¸aby powiew wyst«puj-

cy na czole przemieszczajcej si« fali

akustycznej.

Dwa wskie mostki z platyny i azot-

ku krzemu, kaýdy szerokoæci zaledwie

10 µm, przechodz nad kana¸ami wytra-

wionymi w krzemowej p¸ytce. Prd elek-

tryczny przepuszczany przez takie prz«s¸a

nagrzewa je do temperatury ponad 300¡C.

Gdy fala dwi«kowa przepycha czstecz-

ki powietrza w poprzek takich rwnole-

g¸ych æcieýek, towarzyszcy temu powiew

przenosi ciep¸o z pierwszego mostka do

drugiego.* Efekt jest niewielki, ale zmie-

nia rezystancj« prz«se¸ mostkw w takim

stopniu, ýe moýna go przetworzy na sy-

gna¸ elektryczny o poziomie wystarczaj-

co wyýszym od poziomu szumw.

PRZEKSZTAüCANIE

funkcji falowej atomu

w celu uzyskania kszta¸tu

i fazy (odniesionej

do zmiany w czasie)

zgodnych z wzorcow

funkcj falow wymaga

tylko trzech iteracji.

czajcym atom, w innej zlokalizowany

i porusza si« po orbicie wok¸ atomu

w sposb bardzo podobny do planety

okrýajcej S¸oÄce.

Podstawowym narz«dziem s¸uýcym

do takiego rzebienia funkcji falowej jest

silny i bardzo krtki impuls laserowy,

ktry wzbudza elektron z niýszego po-

ziomu energetycznego. Za pomoc uk¸a-

du zaprojektowanego przez Warrena S.

Warrena z Princeton University moýna

kszta¸towa impuls laserowy, stosujc

tzw. modulator akustooptyczny Ð krysz-

ta¸, ktrego w¸asnoæci optyczne s na-

rzucone przez precyzyjnie ukszta¸towa-

ne fale dwi«kowe. Przebieg zmian

nat«ýenia i faza trwajcego 150 fs im-

pulsu laserowego decyduje o tym, jak

dost«pne stany wzbudzone elektronu

wiý si« ze sob, nadajc ostateczny

kszta¸t funkcji falowej elektronu.

Jaki zatem kszta¸t musi mie impuls

laserowy, by da¸o si« wyrzebi okre-

ælon posta funkcji falowej? W zasa-

dzie kszta¸t taki moýna wyliczy z g-

ry, ale w praktyce trzeba zmaga si«

z aparatur, ktrej daleko do doskona-

¸oæci, i z niezupe¸nym zrozumieniem

uk¸adu fizycznego, ktry chcemy kon-

trolowa.

Nowy pomys¸ Bucksbauma opisany

w Nature z 21 stycznia br. polega na wy-

korzystaniu sprz«ýenia zwrotnego do

zmiany kszta¸tu impulsu. Jego zesp¸

wykorzystuje do eksperymentw par«

atomow cezu; kaýda jej porcja zawiera

oko¸o miliona atomw. Impuls o kszta¸-

cie zbliýonym do poýdanego wzbudza

atomy i wtedy naukowcy sporzdzaj

map« funkcji falowej powsta¸ego stanu.

Stosuj do tego celu holografi« kwanto-

20 å WIAT N AUKI Lipiec 1999

P omimo wieloletnich wysi¸kw in-

Collins Graham P. - Kwantowe rzeźbienie.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: