Πέμπτη 12 Μαρτίου 2009

Η πιο εξωτική ιδιότητα του φωτός: κινείται προς τα πίσω

Το φως μπορεί να κάνει παράξενα πράγματα λένε οι επιστήμονες, λόγου χάριν φαίνεται να μπορεί να κινηθεί γρηγορότερα από την ταχύτητα του φωτός σε ένα μέσον και μάλιστα μπορεί να πηγαίνει και προς τα πίσω.
Ο Robert Boyd, ένας ειδικός της οπτικής στο πανεπιστήμιο του Ρότσεστερ στη Νέα Υόρκη μαζί με τους συναδέλφους του προκάλεσαν ένα περίεργο τέχνασμα χρησιμοποιώντας μια οπτική ίνα εμπλουτισμένη με έρβιο - ένα σπάνιο στοιχείο που επιλέχθηκε για να επιτρέψει την ενίσχυση του φωτεινού παλμού - το ίδιο είδος ίνας που χρησιμοποιείται και στις τηλεπικοινωνίες.
Οι φυσικοί διαχώρισαν ένα απλό παλμό λέιζερ στα δύο, στέλνοντας τον ένα να ταξιδέψει μέσω της οπτικής ίνας και επιτρέποντας στον άλλο παλμό να ταξιδέψει χωρίς παρεμβολή. Αρκετά παραδόξως, η πρώτη ακτίνα βγήκε από το άλλο άκρο της ίνας μπροστά από τον παλμό της σύγκρισης. Πιο περίεργα ακόμα, το φως που βγήκες ξέφυγε προτού ακόμη να εισαχθεί το αρχικό φως στην ίνα.
Αυτό που είχε συμβεί ήταν ότι μόλις εισήχθηκε ο αρχικός παλμός στην ίνα, η ίνα κλωνοποίησε αμέσως έναν ίδιο παλμό στο άλλο άκρο της ίνας. Έτσι ο κλωνοποιημένος παλμός βγήκε πριν εισέλθει το υπόλοιπο τμήμα του αρχικού παλμού. Συγχρόνως, ένας άλλος κλωνοποιημένος παλμός γύρισε προς τα πίσω μέσω της ίνας για να εξουδετερώσει τον αρχικό.
Έτσι τελικά, άλλος παλμός εισήχθη και άλλος προέκυψε, αλλά με έναν συγχρονισμό που έδειξε να παραβιάζει το φυσικό όριο της ταχύτητας του φωτός. Η υπέρβαση του ορίου ταχύτητας δεν συνέβη πραγματικά, καθ' ότι ο εξερχόμενος παλμός ήταν τμήμα του αρχικού, που μετασχηματίστηκε λόγω της ενισχυτικής δράσης του έρβιου μέσα στην ίνα, το οποίο προσέθεσε ένα στιγμιαίο ενεργειακό φορτίο.
Για να εξετάσουν εάν ο παλμός ταξίδευε προς τα πίσω όπως φάνηκε, η ομάδα ελάττωνε το μήκος της ίνας κατά λίγα εκατοστά τη φορά και επαναλάμβανε το πείραμα. Κάνοντας τα πειράματα μαζί σε σειρά, πρόσεξαν τότε την οπίσθια πρόοδο της ακτίνας. Η ίδια η ίνα, συμπεραίνουν αναδημιούργησε αμέσως τον παλμό στο άλλο άκρο, στέλνοντας ταυτόχρονα έναν άλλο παλμό προς τα πίσω.
Κανένας φυσικός νόμος δεν παραβιάζεται επειδή οι πληροφορίες στο παλμό ποτέ δεν ξεπερνάνε το φράγμα της ταχύτητας του φωτός. Τα τελευταία χρόνια οι φυσικοί έχουν μάθει επίσης να επιβραδύνουν το φως από τη συνηθισμένη ταχύτητα των 300.000 χιλιομέτρων το δευτερόλεπτο. Η αντικατάσταση των ηλεκτρικών διακοπτών με τους οπτικούς buffers που ελέγχουν την ταχύτητα του φωτός θα μπορούσε να οδηγήσει σε αποδοτικότερα δίκτυα μεγάλων τηλεπικοινωνιών.

ΣΕ ΠΕΙΡΑΜΑ ΜΕΤΡΟΥΜΕ ΜΕΜΟΝΩΜΕΝΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑ ΣΕ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟ ΧΡΟΝΟ

Οι φυσικοί στο Πανεπιστήμιο Rice ολοκλήρωσαν την πρώτη, σε πραγματικό χρόνο, μέτρηση μεμονωμένων ηλεκτρονίων, κάτι που δημιουργεί μια πειραματική μέθοδο, που θα επιτρέψει για πρώτη φορά στους επιστήμονες να εξετάσουν τις δυναμικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των μικρότερων ατομικών σωματιδίων.
Η έρευνα, που δημοσιεύτηκε στο Nature, είναι σημαντική για τους ερευνητές που αναπτύσσουν τους κβαντικούς υπολογιστές, έναν επαναστατικό τύπο υπολογιστή που θα είναι αρκετές τάξεις ισχυρότερος από τους κλασσικούς σημερινούς υπολογιστές.
Μέχρι σήμερα, οι υπολογιστές χρησιμοποιούν το δυαδικό bit -- που αντιπροσωπεύεται είτε από το 1 είτε από το 0 -- ως τη θεμελιώδη μονάδα πληροφοριών τους. Σε έναν κβαντικό υπολογιστή, η θεμελιώδης μονάδα είναι ένα κβαντικό bit, ή qubit. Επειδή τα qubits μπορούν να έχουν περισσότερες από δύο καταστάσεις, οι υπολογισμοί που θα διαρκούσαν χρόνια για να τελειώσουν σε ένα υπερυπολογιστή, θα διαρκούν μόνο λίγα δευτερόλεπτα στους κβαντικούς υπολογιστές.
Εξ' αιτίας της πολυπλοκότητας της κβαντικής δυναμικής, τα ηλεκτρόνια μπορούν να βοηθήσουν ως qubits. Μπορούν να υπάρξουν όχι μόνο σε καταστάσεις "πάνω" και "κάτω" -- όπως το 1 και το 0 στους κλασσικούς υπολογιστές -- αλλά και σε καταστάσεις "υπέρθεσης" της "πάνω" και της "κάτω", που είναι πρότυπα της πιθανότητας που υπάρχουν σε αρκετές θέσεις ταυτόχρονα.
Τα πειράματα στο Rice πραγματοποιήθηκαν σε ένα υπέψυχρο θάλαμο, σε θερμοκρασίες ακόμη πιο κάτω από εκείνες που βρέθηκαν στο βαθύ διάστημα. Εκεί, για πρώτη φορά, οι επιστήμονες ήταν σε θέση να παρατηρήσουν μεμονωμένα ηλεκτρόνια καθώς κινούνταν πάνω και μακριά ενός νανοσκοπικού κομματιού ενός ημιαγωγού που είναι γνωστό ως κβαντικό σημείο.
"Δεδομένου ότι κανένας δεν έχει μετρήσει μεμονωμένα ηλεκτρόνια πριν, άνοιξε η πόρτα για νέες έρευνες", λέει ο ερευνητής Alex Rimberg, βοηθός καθηγητή της φυσικής και της αστρονομίας και της εφαρμοσμένης μηχανικής των υπολογιστών. "Αυτές θα περιλαμβάνουν μελέτες των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των μεμονωμένων ηλεκτρονίων, καθώς επίσης και κβαντικά φαινόμενα που οι μηχανικοί πρέπει να τα καταλάβουν αν θέλουν ποτέ να φτιάξουν έναν κβαντικό υπολογιστή που να δουλεύει".
Η ομάδα του Rimberg, έχτισε το κβαντικό σημείο της χρησιμοποιώντας ένα άκρως λεπτό στρώμα ημιαγωγικού αρσενίδιου του γαλλίου. Χρησιμοποιώντας χρυσό σαν καλωδίωση, δημιούργησαν ένα ηλεκτροστατικό πεδίο σε σχήμα δακτυλίου, απομονώνοντας μια μικρή ομάδα - δεξαμενή ηλεκτρονίων σε ένα κομμάτι 300 nm του αρσενίδιου του γαλλίου μέσα στο δακτύλιο. Τοποθετήθηκε δε μια εξαιρετικά ευαίσθητη, για φορτίο, συσκευή. Η συσκευή που ονομάζεται RF-SET ή radio-frequency single-electron transistor, τοποθετήθηκε δίπλα στη δεξαμενή. Με συχνότητα λειτουργίας όπως ένα ραδιόφωνο AM, η RF-SET καταχωρούσε τις μεταβολές στην διαμόρφωση του πλάτους των ραδιοκυμάτων που ανακλώνται από την ομάδα των ηλεκτρονίων. Οι διαμορφώσεις άλλαζαν όταν τα ηλεκτρόνια εισέρχονταν και έβγαιναν από τη δεξαμενή.
Η μικρή δεξαμενή των ηλεκτρονίων περιέχει στην κανονική της κατάσταση 79 ή 80 ηλεκτρόνια. Αυξάνοντας την ισχύ του ηλεκτρικού πεδίου, αυξήθηκε και το φράγμα δυναμικού γύρω από τη δεξαμενή. Έτσι ήταν πολύ δύσκολο για τα ηλεκτρόνια να εισαχθούν ή να φύγουν. Αυτό επέτρεψε στους ερευνητές να επιβραδύνουν αρκετά την κίνηση των ηλεκτρονίων ώστε να μπορούν να μετρήσουν την είσοδο και την αναχώρηση των μεμονωμένων ηλεκτρονίων από τη δεξαμενή.
Αν και οι φυσικοί έχουν χρησιμοποιήσει την τεχνολογία SET για να μετρήσουν τη μετακίνηση των μεμονωμένων ηλεκτρονίων για αρκετά χρόνια, ο χρόνος απόκρισης στα προηγούμενα πειράματα ήταν περίπου 1.000 φορές πιο αργός. Πριν, θέλαμε μερικά λεπτά για να ανιχνεύσουμε, την είσοδο ή την αναχώρηση μεμονωμένων ηλεκτρονίων. Έτσι δεν μπορούσαμε ποτέ να ξέρουμε ακριβώς πότε ένα μεμονωμένο ηλεκτρόνιο έφθασε ή έφυγε, λέει ο Rimberg.
Τα ηλεκτρόνια επίσης αλληλεπιδρούν το ένα με το άλλο όταν είναι κοντά. Ο Rimberg ελπίζει ότι οι φυσικοί μπορούν να χρησιμοποιήσουν το υπέρψυχρο σύστημα RF-SET για να εξετάσουν τις ανταγωνιστικές θεωρίες, που εξηγούν πώς επηρεάζονται τα ηλεκτρόνια το ένα το άλλο.

ΕΝΑ ΒΗΜΑ ΠΙΟ ΚΟΝΤΑ ΣΤΗ ΤΕΧΝΗΤΗ ΖΩΗ

Επιστήμονες δήλωσαν ότι έχουνε κάνει ένα σημαντικό βήμα προς την πραγματοποίηση μιας τεχνητής ζωής με τη μορφή ριβοσώματος - το εργοστάσιο κατασκευής των πρωτεϊνών του κυττάρου.
Το ριβόσωμα φτιάχνει τις πρωτεΐνες που μεταφέρουν τις πληροφορίες κλειδί για όλες τις μορφές ζωής. Το αγγελιαφόρο RNA μεταφέρει της γενετικές οδηγίες του DNA στο ριβόσωμα ενός κυττάρου, το οποίο στη συνέχεια, 'μαγειρεύει' την επιθυμητή πρωτεΐνη. Κάθε ζωντανός οργανισμός από βακτήρια έως τον άνθρωπο χρησιμοποιεί ριβοσώματα, και όλα είναι εντυπωσιακά παρόμοια. Δεν είναι εντελώς τεχνητή ζωή, αλλά ένα σημαντικό βήμα προς αυτή την κατεύθυνση, δήλωσε ο George Church, καθηγητής γενετικής στην Ιατρική Σχολή του Χάρβαρντ, που κατεύθυνε την έρευνα με ένα μόνο μεταπτυχιακό φοιτητή. "Αν πρόκειται να δημιουργηθεί συνθετική ζωή που να μοιάζει με την κανονική ζωή ... θα πρέπει να φτιαχτεί αυτή η βιολογική μηχανή," δήλωσε ο George Church.
Και αυτή μπορεί να έχει σημαντικές βιομηχανικές χρήσεις, κυρίως για την παρασκευή φαρμάκων και πρωτεϊνών, που δεν βρίσκονται στη φύση.
Ο George Church τόνισε ότι η έρευνα δεν έχει δημοσιευθεί σε επιστημονικό περιοδικό, μια συνήθης διαδρομή για την αναφορά των εν λόγω εργασιών. Παρουσίασε όμως την εργασία σε ένα σεμινάριο των αποφοίτων του Χάρβαρντ. Η ομάδα του Church δεν επιδιώκει να φτιάξει ζωή σε έναν δοκιμαστικό σωλήνα, αλλά αντίθετα να σχεδιάσει πρωτεΐνες σε εργαστηριακούς σωλήνες.
"Μπορούμε να πάμε κατευθείαν σε σύνθεση των πρωτεΐνών", είπε. Ο ίδιος με τον διδακτορικό σπουδαστή Mike Jewett έχουν ήδη συνθέσει την ουσία λουσιφεράση, που κάνει την πυγολαμπίδα να λάμπει. "Θα θέλαμε, επίσης, να φτιάξουμε ένα εντελώς νέο είδος κυττάρων ... που να είναι μια κατοπτρική εικόνα ενός συστήματος αναπαραγωγής."
Οι περισσότερες μορφές ζωής είναι δεξιόστροφες ή αριστερόστροφες, μια ιδιότητα που ονομάζεται χειράλιτη (chirality).
Η αλλαγή της χειράλιτη είναι γνωστό πως αλλάζει τις επιπτώσεις των ναρκωτικών στον οργανισμό. Για παράδειγμα, η θαλιδομίδη, όταν χρησιμοποιείται για την πρόληψη ασθένειες το πρωί, προκαλεί σοβαρές γενετικές ανωμαλίες. Έχει αριστερόστροφες και δεξιόστροφες εκδόσεις και μόνο η «αριστερόστροφη» εκδοχή προκαλεί τις βλάβες - αλλά το εμπόριο των ναρκωτικών περιέχει και τους δύο τύπους.
Με αυτό μπορεί να είναι δυνατή η κατασκευή άλλων πρωτεΐνών στο εργαστήριο χωρίς ζωντανά κύτταρα, αναφέρει ο Church. Αυτές μπορεί να περιλαμβάνουν φάρμακα που τώρα είναι πολύ δύσκολο να κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας μια διαδικασία που ονομάζεται ορθολογικός σχεδιασμός των φαρμάκων, όταν φάρμακα που είναι φτιαγμένα μόριο προς μόριο έχουν ένα συγκεκριμένο μηχανισμό δράσης.
Οι ιοί δεν θεωρούνται από τους περισσότερους ορισμούς της ζωής ζωντανοί οργανισμοί, λέει ο Church, και για να οικοδομήσουμε την απλούστερη μορφή τεχνητής, αλλά πραγματική ζωή θα χρειαζόταν 151 γονιδίων, όπως υπολογίζουν τόσο ο ίδιος όσο και άλλοι εμπειρογνώμονες .
"Εκατόν πενήντα ένα γονίδια είναι αρκετά για να αντιγράψουν το DNA, να παράγουν RNA, να παράγουν ριβοσώματα και να διαθέτουν πολύ πρωτόγονη μεμβράνη," σχολιάζει ο Church.
Ο πρωτοπόρος στην ανάλυση του ανθρωπίνου γονιδιώματος ερευνητής Craig Venter, που έχει ήδη δηλώσει ανοιχτά ότι προσπαθεί να φτιάξει τεχνητή ζωή με την εταιρία του Synthetic Genomics Inc., εργάζεται να φτιάξει συνθετικά φυτικά έλαια που να μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως καθαρά βιοκαύσιμα.