Nagroda Nobla z fizyki w 2003 roku

Nagrody

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

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.

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 h.
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.

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).

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 ^oC. 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).

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 , pionier badań nad nadciekłością, zwłaszcza He-3.

Nadciekłość

Gdy hel zostanie schłodzony prawie do zera bezwzględnego (niższej niż 2,17 kelwinów), 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

Symulacja wirów w nadciekłym helu

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.

Obraz ludzkiej głowy wykonany za pomocą rezonansu magnetycznego

Nagroda Nobla z medycyny 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 . 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.

Paul C. Lauterbur

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 pomocą rezonansu magnetycznego uzyskał też pierwszy obraz fragmentu ludzkiego ciała - palca ręki.

Peter Mansfield

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 milionów 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

« Poprzednia Następna »