Česká studie umí lépe předpovědět polohu nestabilní mikročástice

TLDR verze: Fyzika malých částic je z našeho pohledu nelogická. Odlišný přístup k měření a statistice pomohl odhalit, kde se však splašené částice bordela budou nacházet pravděpodobněji než dřívější metody – a vést by to mohlo i k novému zdroji energie pro nanomašiny (studie tu)

Jak uvařit částicový galimatyáš?

Jak možná víte, fungování nanosvěta je často stabilní asi jako hladový kocour v období hárání. Co hůře, popisovat zdejší mechanismy zní i v češtině spíše jako věty pronášené šéfinženýrem Enterprise při snaze pomocí technoblábolů zabránit prolomení warp jádra

Například určit něco tak relativně triviálního jako polohu částice (třeba částice X, na níž působí síla Y) je třebas ve stavu extrémní rychlosti prakticky nemožné. Řeč teď není o částicích ve smyslu částicové fyziky, ale o Brownian particles, tedy třeba mikroskopických zrncích v nějakém typu média a pole.

Normální statistický postup by zněl logicky. Tedy změřit si mnoho poloh v replikovaném pokusu, a z nich pak odvodit střední hodnoty a standardní odchylky. Pokud je ale celý systém nestabilní a nahodilý, odchylka roste rychleji než na*raný Hulk, a překonává statisticky odvoditelný průměr… #což_je_špatně

Modelováním náhodných jevů se zaobírá sofistikovaně nazvaný obor stochastika. Celý princip lze ale připodobnit i k velmi přízemním jevům. Představte si, že házíte kostkou (ale kostkou o velikosti malé částice), a snažíte se zjistit, které padnuté číslo bude nejprůměrnější. Potřebovali byste k tomu myriády pokusů a odchylka měření by nakonec vůči výslednému průměru nejspíše byla větší než průměr.

Třeba byste zjistili, že vám v milionu pokusů padlo ve 167 tisících pokusů číslo 3. Nebyli byste si ale jisti, jestli jste si v tak velkém počtu pokusů nezapsali aspoň 1 % výsledků blbě. To celý výsledek samozřejmě devalvuje. Protože jde o náhodný jev a hazard (pro fyziky hlavně s nervy a zdravím!).

Stroj: Star Trek: TNG, Paramount

Aby to bylo složitější, do celé stochastiky se v případě částic měření sápe i šum světa mikroskopických částic (těch je typicky v nějaké médiu MOC) a skutečnost, že se měří velmi titěrné jevy, které mají tendenci se chovat „nelogicky“.

Pokud se vrátíme k naší vržené kostce, bylo by to jako kdybyste jí vrhali nikoliv na normálním stole, ale uprostřed vlaku Českých drah, jedoucího krajinou během zemětřesení. A ideálně ještě spolu s několika dalšími identickými kostkami, snažíc se zaměřit se jenom na jedinou z nich. Tady se nám metafora trochu rozpadá, ale ne o moc víc, než se rozpadá mysl fyziků snažících se předpovědět nestabilní jevy uvnitř nějakého typu pole…

Tady nebudu!

Prostě je to celé při použití dnešních statistických metod akorát tak recept na antidepresiva.

Společný tým vědátorů z Centra excelence pro klasické a kvantové interakce v nanosvětě UPOL se proto rozhodl na celou věc mrknout trochu jinou optikou. A to doslova.

Namísto střední polohy/pohybu částice (tedy v metafoře toho, co na kostce padne nejčastěji) se zaměřil na to, kde se částice může nacházet/pohybovat nejpravděpodobněji. Tedy v metafoře asi to, že kostka typicky dopadne na stůl, nikoliv na podlahu, kožené sedačky kupéčka nebo třeba strop. #což_je_dobře

Zatímco v případě kostky by nám takové zjištění při hazardu moc nepomohlo, při hledání polohy částice jde o zajímavou alternativu. V praxi to znamená simulovat a/nebo měřit v případě naší splašené mikročástice hustoty pravděpodobnosti polohy částice.

Teoreticky se tak vědátorům podařilo zjistit, že nová metoda může určit trajektorii částice i na výrazně menším počtu simulací („opakovaných pokusů o vrh kostkou“) než dřívější hledání průměru. Může při tom v nenulovém počtu případů vyvádět i docela psí kusy. Třeba se pravděpodobně vyskytovat proti síle, která na ní působí!  #což_je_zajímavé


Stroj: Star Trek: DS9, Paramount

Na výzkumu se krom Přírodovědecké fakulty UPOL podíleli i další koumáci z Ústavu přístrojové techniky AV ČR v Brně a Univerzity Karlovy. Ti teorii ověřili i v praxi na chování mikročástic ovládaných světlem v optické nelineární pinzetě.

Navíc odhalili, že zjištění může nést ovoce i ve stochastické (náhodné) termodynamice. Právě protože nyní můžeme lépe předpovědět, že částice X ovlivněná silou Y se pohybuje v počtu příkladů Z proti oné síle, lze najít i praktické užití. Ve světě podobných systémů se mohou dít nejrůznější „nepravděpodobné“ jevy. A skrze možnost je lépe predikovat bychom je však mohli i lépe využít.

Bude chleba levnější?

Na čem? Pokud budeme umět lépe předpovídat anomální chování mikročástic, můžeme například navrhnout nanomotory, které budou sbírat (velmi malé, ale pro nanomašiny dostačující) tepelné energie pro svůj pohyb.

Pokud se podaří navazujícími studiemi výsledky dále ověřit & třeba navrhnout i reálné praktické užití, mohlo by jít o zcela nový potenciální zdroj energie pro nanostroje! Více o zjištění také v článku plném fyzikálních „technoblábolů“ také zde.

Všechny citace z Enterprise/DS9/UPOL brány z tohoto článku. Na tomto fotu je jeden z vědátorů působící na výzkumu UPOL, Luca Ornigotti.
Stroj: UPOL/Maxime Debiossac

Jak to samozřejmě v podobných studiích chodí, výsledky svádějí k ledajaké přehnané interpretaci. Rozhodně nejde o to, že bych se podařilo „PŘEDPOVÍDAT BUDOUCNOST, OMG!§§“ nebo něco podobného.

Je tedy třeba říct, že v součtu se vlastně „jen“ podařilo aplikovat trochu odlišnou statistiku na již existující chování mikročástic. Zdali to může vést např. k novým zdrojů tepla pro nanostroje, se zatím nesluší snad ani věstit z kávové sedliny.

Je však znát, že trochu odlišný náhled nám možná časem může povědět o mikrosvětě víc, než jsme tušili. A snad to bude jednou mít i zajímavé praktické důsledky.

Konec konců, když se pravědátoři na počátku 19. století začali teoreticky zajímat o elektrony, také nemohli tušit, kam to povede. Třeba že o století později budou jejich čistě laboratorní srandičky vést k počátku odvětví elektroniky, na níž si o další století na to budete moct číst tyhle řádky!

[LL, JRN, TK]

Více o hledání nových, tentokrát už elementárních částic v CERNu se moje podjednotky rozkecaly i se zdejším vědátorem z Česka:

Vědátor vzniká v dílně spolku studentů a popularizátorů vědy UP Crowd za podpory MUDRstart, která připravuje přípravné testy pro studenty vysokých škol – podpořte i vy drobákem mojí snahu informovat o vědě věčně & vtipně a přispějte mi v kampani na Patreonu.

A sledujte mojí snahu případně i na Facebooku či YouTube!

Diskuze