Peter Skyba: Supratekuté hélium-3 pomáha simulovať vesmír na Zemi

17. jún. 2020

Peter Skyba: Supratekuté hélium-3 pomáha simulovať vesmír na Zemi

Cenu Vedec roka SR 2019 v kategórii vedec roka SR získal Peter Skyba z Ústavu experimentálnej fyziky Slovenskej akadémie vied (SAV) v Košiciach. Vo svojom výskume sa venuje kozmológii, modelovaniu čiernych a bielych dier, ale aj výskumu v oblasti fyziky nízkych teplôt. V rozhovore sme sa ho okrem iného pýtali na to, ako tento typ experimentov prebieha, aká je teplota čiernej diery a ako vieme v laboratóriu vytvoriť horizont udalostí.

Cenu Vedec roka SR 2019 spoločne vyhlasujú Centrum vedecko-technických informácií SR, Slovenská akadémia vied a Zväz slovenských vedeckotechnických spoločností.

Včera ste si prevzali ocenenie Vedec roka SR 2019. Prekvapilo vás, že ste získali toto ocenenie?

Áno, prekvapilo, a to veľmi príjemne. Predpokladal som vysokú úroveň nominácií na toto ocenenie, keďže Slovensko má mnoho špičkových vedcov pracujúcich v rôznych oblastiach vedy. Samozrejme, získanie ocenenia Vedec roka 2019 ma nesmierne teší a povzbudzuje zároveň.

Vo svojom výskume sa zaoberáte rôznymi témami. Jednou z nich je aj kozmologický výskum, v ktorom sa venujete modelovaniu čiernych dier. Čo sú čierne diery z fyzikálneho hľadiska?

Čierne diery sú astronomické objekty, ktoré sú záverečným štádiom veľmi masívnych hviezd. Vedci majú rôzne teoretické predstavy o ich podstate a niektorí teoretici predpovedajú prítomnosť rôznych efektov i javov spojených s prítomnosťou čiernych dier. Jedným z takýchto predpovedaných či charakteristických efektov, ktoré na čiernych dierach vznikajú, by mala byť prítomnosť takzvaného Hawkingovo žiarenia. Prítomnosť  tohto žiarenia nám hovorí, že astronomická čierna diera nie je až taká čierna, ako by mala byť. Stručne povedané, Hawkingovo žiarenie je kvantový efekt vznikajúci na horizonte udalostí. Horizont udalostí je pomyselná plocha okolo čiernej diery, po prekročení ktorej nie je možný návrat. Na tomto horizonte udalostí môže vzniknúť kvantový efekt, predpovedaný Stevenom Hawkingom, kedy môže v dôsledku fluktuácií vákua dôjsť k vzniku virtuálneho páru, pričom jedna z častíc je pohltená čiernou dierou a druhá vylietava z horizontu udalostí a letí do vesmíru. Tieto z čiernej diery „vyletujúce“ častice majú určité teplotné spektrum, preto sa čierna diera bude javiť ako objekt s nenulovou teplotou.

Čo to znamená?

Teplota čiernej diery závisí na jej hmotnosti. Napríklad čierna diera s hmotnosťou našej hviezdy, nášho Slnka, by mala teplotu približne 80 nanokelvinov. Na ilustráciu, teplota vesmíru, teda teplota tmy, čierňavy, na popredí ktorej svietia hviezdy, je 2,7 kelvina. Čierne diery sú teda omnoho chladnejšie než vesmír a je nemožné ich priamo vidieť.

Okrem čiernych dier existujú aj biele diery. Aký je medzi nimi rozdiel?

Hlavný fyzikálny rozdiel je v tom, že kým čierna diera absorbuje, respektíve pohlcuje, biela diera všetko odráža, a preto nie je možné ňou prejsť. Biela diera je komplementárna k čiernej a naopak. Rád to jednoducho a ilustratívne vysvetľujem na príklade rybičiek, ktoré plávajú v rieke. Rieka tečie svojou rýchlosťou a ryby sa v nej pohybujú svojou rýchlosťou. Ak by rieka smerovala k vodopádu, začne sa jej tok zrýchľovať. Avšak existuje časť rieky, kde je jej rýchlosť menšia ako rýchlosť rýb. V tejto časti rieky si ryby môžu plávať tam, kam chcú. Akonáhle sa však ryby dostanú do časti rieky, v ktorej je jej rýchlosť väčšia ako rýchlosť rýb, voda rieky ich strhne do vodopádu. Miesto, kde rýchlosť toku rieky prevýši rýchlosť rýb, je pomyselný horizont udalostí. To je podobný stav, ako keby prešli horizont udalostí a prepadli do „čiernej diery“. Na druhej strane vodopádu, keď voda spadne, spomaľuje sa. Ryby, ktoré sa teda nachádzajú pod vodopádom a plávajú proti prúdu rieky, prídu do oblasti, kde je rýchlosť vody v rieke väčšia ako ich rýchlosť. Väčšia rýchlosť rieky neumožňuje rybám dostať sa ďalej, keďže tok rieky ich vracia, odráža stále späť. Tento stav napodobňuje vlastnosť bielej diery. Samozrejme, ide o fyzikálne veľmi naivné vysvetlenie, ktoré je však dostatočne ilustratívne. 

Ako vyzerajú experimenty s čiernymi dierami?

Súčasné technológie neumožňujú vytvoriť žiaden kontrolovaný experiment s reálnymi čiernymi dierami. Neviem, či niečo také bude človek niekedy vôbec schopný urobiť. Môžeme však využiť fyzikálne systémy, ktoré by svojimi vlastnosťami aspoň napodobňovali niektoré vlastnosti čiernych dier. Podstata modelového systému spočíva v tom, že niektoré jeho vlastnosti sa dajú opísať systémom rovníc, ktorý je analogický s rovnicami, ktoré by opisovali reálnu čiernu dieru vo vesmíre, napríklad vyššie spomenutý horizont udalostí čiernej/bielej diery. Avšak je potrebné uvedomiť si, že každý modelový systém má svoje obmedzenia. Existuje niekoľko takýchto modelových systémov, my sme použili supratekuté hélium-3.

Prečo ste si ako modelový systém vybrali práve supratekuté hélium-3?

Dôvodov je viac. Supratekuté hélium-3 je komplexným a absolútne čistým fyzikálnym systémom. Supratekutosť je kvantovo-mechanickým javom, kedy kvapalné hélium-3 nemá, jednoducho povedané, viskozitu: kvapalina tečie bez odporu. Navyše k prechodu do tohto supratekutého stavu dochádza pri veľmi, veľmi nízkych teplotách, zhruba pri teplote 1 mikrokelvinov. A aby sme to trochu skomplikovali, supratekuté hélium-3 sa taktiež vyznačuje magnetickými vlastnosťami, najmä takzvanou magnetickou supratekutosťou - supratekutými spinovými tokmi. Ultranízke teploty a magnetická supratekutosť hélia-3 sú podstatné vlastnosti hélia-3 pre jeho použitie ako modelového systému na simuláciu horizontu udalostí. Tieto vlastnosti umožňujú aj štúdium analógu spontánneho Hawkingovho žiarenia.  

Ako tento experiment prebiehal?

Použili sme spinové vlny/magnetické excitácie, ktoré sme prenášali na pozadí spinového toku. Spinový tok hral úlohu „rieky“ a spinové excitácie/vlny v našom experimente hrali úlohu „rybičiek“. Keďže sme v experimente dokázali ovplyvňovať rýchlosť spinového toku aj rýchlosť spinových vĺn, ukázali sme, že experimentálne vieme vytvoriť podmienky pre vznik horizontu udalostí bielej diery. Vytvorili sme teda stav, kedy vyslaná spinová vlna nedokázala preniknúť cez zónu tohto horizontu, bola odrazená naspäť, dokonca sa vrátila zosilnená.

Peter Skyba, Zdroj: Archív P.S.

Peter Skyba, Zdroj: Archív P.S.

Hovorili ste, že čierne diery sú veľmi studené. Pri akých teplotách tieto experimenty prebiehali?

Teplota supratekutého hélia-3 bola na úrovni zhruba 500 mikrokelvinov. Dôležité však je, že teplota hélia-3 súčasne reprezentuje aj teplotu pozadia, preto je veľmi pravdepodobné, že pomocou tohto systému bude možné pozorovať aj efekty spontánneho Hawkingovho žiarenia. Odhadovaná teplota tohto Hawkingovho žiarenia pre podmienky nášho experimentu je o tri - štyri rády nižšia ako teplota pozadia, čo je podľa môjho názoru experimentálne pozorovateľná hodnota.

Ako by ste ďalej chceli tento projekt posunúť?

Chceli by sme ešte dokázať, že analóg spontánneho Hawkingovho žiarenia je v našom modelovom systéme naozaj detekovateľný a jeho prítomnosť sa nám podarí experimentálne potvrdiť. Efekt spontánneho Hawkingovho žiarenia nie je významný len pre samotné čierne diery. V posledných rokoch sa ukazuje, že ide o univerzálny jav, ktorým by mali disponovať viaceré fyzikálne systémy.

Vo vašej ďalšej práci sa zaoberáte meraním extrémne nízkych teplôt na miestach, kde je súčasne prítomné vysoké magnetické pole. Čo je kameňom úrazu pri tejto práci?

Magnetické polia výrazným spôsobom ovplyvňujú rôzne fyzikálne parametre, ktoré sa využívajú na meranie teploty. Napríklad jednou zo základných techník merania nízkych a veľmi nízkych teplôt je meranie teploty pomocou odporovej termometrie. Keď meriate elektrický odpor, cez váš teplomer preteká elektrický prúd, pričom zaznamenávate úbytok napätia. Takto získate hodnotu elektrického odporu, ktorý sa mení s teplotou. Rôzne odporové teplomery majú pri tej istej hodnote teploty rôzne hodnoty odporu, preto z dôvodu presného určenia teploty meranej daným odporovým teplomerom musí byť realizovaná jeho teplotná kalibrácia, na základe ktorej vieme danej meranej hodnote elektrického odporu teplomera priradiť teplotu. Akonáhle však takýto teplomer vložíme do magnetického poľa, pole okamžite ovplyvní tok elektrického prúdu, a tým pádom budú iné aj namerané hodnoty elektrického odporu. Musíme teda opakovať pôvodnú teplotnú kalibráciu teplomera pre rozličné magnetické polia. Navyše problematický je aj samotný proces kalibrácie teploty v silných magnetických poliach.  

Ako ste sa s týmto problémom vysporiadali?

Použili sme iný typ teplomera. Použili sme teplomer na báze piezoelektrického rezonátora, ktorý meria teplotu na základe piezoelektrického javu. Ukázali sme, že parametrom, ktorý je teplotne závislý, je rezonančná frekvencia daného piezoelektrického rezonátora. Študovali sme, ako sa frekvencia piezorezonátora mení s teplotou a magnetickým poľom. Ukázali sme, že pre namerané závislosti rezonančnej frekvencie piezorezonátora na teplote a magnetickom poli existuje „magnetické“ škálovanie, kedy všetky naškálované krivky skolabujú na jednu, ktorá je na magnetickom poli nezávislá. Táto škálovaná krivka je závislá iba od teploty. To znamená, že pomocou piezorezonátorov dokážeme kalibrovať teplotu aj vo veľmi silných magnetických poliach.

Sú výsledky, ktoré týmto meraním získate, presné?

Samotné meranie frekvencie piezorezonátorov je realizované s vysokou presnosťou. Pri našich meraniach sme merali frekvenciu s rozlíšením v deviatom ráde. To je, ako keby sa nám podarilo zmerať vzdialenosť medzi Zemou a Mesiacom v rozlíšení na úrovni desiatich centimetrov. Citlivosť rezonančnej frekvencie piezorezonátorov na zmeny teploty je dostatočná.  

Ako ste prišli na toto riešenie?

Nuž, postupne, krok za krokom. Najprv sa nám podarilo zmerať teplotné závislosti rezonančných frekvencií piezorezonátorov a ukázať, že sú reprodukovateľné. Následne sme aplikovali magnetické pole. Zistili sme, že hoci sa jednotlivé krivky jemne posúvajú, charakter závislostí rezonančných frekvencií rezonátorov od teploty pri rôznych magnetických poliach sa nemení. Jemný posun závislostí je dôsledkom interakcie magnetického poľa s elektrónmi v kovových elektródach na povrchu piezorezonátora. Ak teda pri danom magnetickom poli merané teplotné závislosti rezonančnej frekvencie rezonátora naškálujeme na jej maximálnu hodnotu, všetky teplotné závislosti pre rôzne magnetické polia skolabujú na jednu, čo vytvorí na magnetickom poli nezávislú krivku, ktorá je funkciou len teploty.

Peter Skyba, Zdroj: CVTI SR

Denisa Koleničová

Foto: CVTI SR

Partneri podujatia, Zdroj: CVTI SR

Súvisiace:

Hore
TVT2020 prihlasovanie
Veda v CENTRE / Vedecká kaviareň 6/2020
TVT2020 súťaže
Vedec roka SR
VC 6/2020 železany
Vedecká cukráreň video
Quark_2020
Veda v CENTRE máj
Vedecká cukráreň 5/2020
Aurelium - centrum vedy
Vírusy, vakcíny, imunita
Quark 25 rokov
kúpa časopisov jún 2016
TAG Slovenská veda
banner záhrady
Publikácie Veda v CENTRE
Zaujímavosti vo vede
V Európe je známych 1 000 druhov liečivých rastlín.
Zistite viac