Sonoluminiscence jediné bubliny zachycené ultrazvukovými vlnami uprostřed baňky

I když jev sonoluminiscence není velmi známý a málokdo přesněji ví, co tento pojem znamená, ve fyzice je pevně zakotven téměř osm desetiletí a ne tak dávno téměř způsobil malou fyzikální revoluci. Doposud ne zcela vysvětlený úkaz jako první v roce 1934 pozorovala dvojice H. Frenzel a H. Schultes z University v Kolíně (Universität zu Köln) při výzkumu kavitace, kterou způsobují vojenské námořní akustické radary. Silné ultrazvukové vlny ve vodě vyvolávaly nepředvídatelné ohňostroje slabých záblesků. Jak se ukázalo, jejich zdrojem byly drobné bublinky, které vznikají prudkým lokálním podtlakem, například při rychlém čerpání, za lodním šroubem, nebo při přechodu minima intenzivní tlakové vlny. Vlastně jsou to dutinky (cavities) vakua, jež se okamžitě vyplňují vodní párou. Zvýšením tlaku opět zanikají, a když je tato změna výrazná, těsně před vymizením slabě zazáří. Tak se mohou projevit i klasické bublinky plynu stoupající kapalinou, v které se prudce mění tlak například přechodem intezivních ultrazvukových vln.
 

Záhadná sonoluminiscence se ale v takové chaotické formě a při tehdejších technických možnostech nedala dobře studovat, proto se o ní fyzikové příliš nezajímali. Průlom nastal až o půlstoletí později, když v roce 1988 Felip Gaitan přišel na způsob, jak pomocí rezonance stojatých akustických vln zachytit v tekutině uprostřed nádoby jedinou bublinku. Její rozměry i vyzařování při každé prudké kompresi způsobené přechodem maxima ultrazvukové vlny již lze registrovat. V této podobě se jev dá dobře studovat a do tohoto úkolu se s vervou pustil Seth Putterman z Fakulty fyziky a astronomie Kalifornské university v Los Angeles. Stal se světově uznávanou jedničkou v tomto oboru. Nyní jeho laboratoř ohlásila dosažení zajímavého rekordu – sonoluminiscenční záblesky s intenzitou 100 Wattů. Je to mnohonásobné zjasnění dosavadního maxima, které dlouho zářilo na úrovni desítek miliwattů. Až v roce 2004 Alan Walton z University of Cambridge přinutil bubliny ve vertikálně rychle vibrujícím válci vytvářet 1wattové záblesky. I to je ale stonásobně méně, než je současný Puttermanův rekord, o němž referuje v odborném článku v časopisu Physical Review E.

Záhadný bublinový ohňostroj

Představme si skleněnou baňku ve tvaru malé koule naplněnou kapalinou, například vodou, ale používá se 20% roztok glycerinu v odplyněné destilované vodě. Na baňce je připevněn generátor ultrazvukových vln s frekvencí v řádech prvních desítek kilohertzů. Nad 20 kHz jde o zvuk, jež lidské ucho nevnímá. Když se v místnosti zcela zatemní a neslyšitelný ultrazvuk se dostatečně zesílí, drobné bublinky vzduchu vypouštěné tenkou tryskou ze dna baňky do kapaliny začnou s frekvencí vln vydávat extrémně krátké slabé modravé záblesky. Pro Gaitanův experiment s jednou bublinkou uvězněnou rezonancí hustotních (zvukových) vln v centru nádoby, je nutné zkombinovat vhodnou velikost baňky s křemitého skla (např. průměr 5 cm) se čtyřmi synchronizovanými generátory ultrazvuku do kříže upevněnými po jejím obvodu a emitujícími vibrace o přesné, dopředu vypočítané frekvenci (např. 26 kHz). Bublinku je nutné uprostřed baňky mechanicky vytvořit. To je ale ta nejjednodušší „klasická“ verze experimentu, k níž si musíme přimyslet sestavu detekčních a měřících zařízení. Za dvacet let však vědci vyzkoušeli bezpočet mnohem sofistikovanějších modifikací s různými kapalinami a plyny, zkoumali různé frekvence i intenzity ultrazvuku, případně ho nahrazovali vysokofrekvenčními mechanickými kmity nádob. Dopracovali se k mnohým empirickým poznatkům, například, že když je v bublině jistý podíl inertního plynu, záblesk je jasnější. Ale k žádnému jednoznačnému vysvětlení.

Zvětšit obrázek

Bublina v okamžiku záblesku, těsně před dosažením jejího minimálního objemu. Vpravo její maximální objem. Převzato z přednášky S. Puttermana – video pod článkem.

Mechanismus je zřejmý, příčina záblesků ne

Víme, že „zvuk“ je vlastně schopnost mnohých vyšších živočichů do slyšitelné formy transformovat pomoci sluchového orgánu podélné hustotní vlny jistého frekvenčního rozsahu, které se šíří vzduchem. Fyzikálně jde ale o oscilace tlaku, které lze registrovat i bez převádění na zvuk. Jde o materiálové vlny, proto se nemohou přenášet vakuem, jenom hmotným prostředím. Kapalina (voda, nebo zmíněný roztok glycerínu) je na rozdíl od plynu za běžných podmínek v podstatě nestlačitelná. Proto zvukové vlny na bublinky působí mnohem dramatičtěji, než na okolní tekuté prostředí a energie se v nich doslova koncentruje a to vzhledem na hustotu energie okolního zvukového pole až bilion krát. Pokles tlaku vyvolá výraznou expanzi bublinek a následný nárůst tlaku jejich prudký kolaps. Jejich objem takto osciluje s frekvencí ultrazvuku, přičemž velkost (amplituda) těchto změn je závislá od amplitudy vln, tedy od intenzity zvuku. Rozdíl mezi maximálním a minimálním poloměrem bubliny se tak v jednom cyklu může změnit i stonásobně, objem tedy i milion násobně, což je například poměr Zem - Slunce. To znamená, že při nezměněné frekvenci s nárůstem „hlasitosti“ zvuku se musí zvětšovat i rychlost s jakou se bublina smršťuje. Při sonoluminiscenci může až čtyřnásobně překročit rychlost zvuku v plynu v jejím nitru. Tento kolaps způsobí enormní nárůst teploty v rozsahu od několik tisíc až po několik desítek tisíc Kelvinů a plyn se ionizuje, přechází na kratičký okamžik do stavu horkého plazmatu. Podle některých modelů simulujících působení šokové vlny na bublinu prý hodnota teploty plynu v jejím centru by mohla přesáhnout i milion Kelvinů. Z tohoto teoretického předpokladu se zrodila myšlenka jaderné fúze, jež by se mohla za jistých okolností v kolabujících bublinách odehrávat (viz níže). Zajímavostí je, že k světelným zábleskům, jež trvají desítky až stovky pikosekund (pikosekunda - miliontina miliontiny sekundy) dochází o několik nanosekund (miliardtin sekundy) dříve, než bublina dosáhne minimálního rozměru okolo jednoho mikrometru (tisíciny milimetru). Spektrum tohoto záření se nachází na hranici viditelného a blízkého ultrafialového světla, proto se našemu zraku pozorovatelné záblesky jeví namodralé. Na vyvolání sonoluminiscenčního jevu je nevyhnutná jistá limitní frekvence i intenzita ultrazvuku, přičemž tyto hodnoty závisí na složení kapaliny a plynu v bublinách. Teorií, proč při prudkém kolapsu zazáří, je více, od exotického kvantového vyzařování vakua až po racionálnější ionizaci a následnou rekombinaci atomů prudce zahřátého stlačeného plynu.

Profesor Seth J. Putterman, světová jednička ve výzkumu sonoluminiscence. Kredit: UCLA

Nejjasnější záblesky

Vraťme se ale k sonoluminiscenčnímu 100wattovému rekordu Puttermanovy laboratoře. Je výsledkem 20 let sbíraných zkušeností ostříleného experimentátora, který si při pokusech vyhrál s různými kombinacemi podmínek. Rekordních záblesků také dosáhl netradičním způsobem. Ve výšce umístěný ocelový válec vědci naplnili kyselinou fosforečnou a přes dno pomocí jemné trysky vpustili asi 1 mm velkou bublinku inertního xenonu. Když vystoupala do výšky asi 11 cm, nechali válec velmi prudce poklesnout a narazit na kovovou podložku. Tento kinetický šok způsobil rychlý kolaps bublinky, která na okamžik zazářila. Série pokusů prokázala, že takto vyvolané záblesky trvaly „až“ 150 nanosekund, což je asi tisíc až deset tisíc krát déle, než při běžné sonoluminiscenci. Jejich maximální intenzita dosáhla 100 W a spektrum záření odpovídalo teplotě 10 200 K.

Bublinová jaderná fúze

Intenzivně blikající bublinky jsou sice zajímavé, ale stoprocentně nevyvolají ve fyzikálním světě takový rozruch, jaký se podařil před devíti lety Rusimu Taleyarkhanovi, který v té době pracoval v Národní laboratoři v Oak Ridge v americkém státě Tennessee, velkém moderním výzkumném komplexu spravovaném Ministerstvem energetiky USA. Právě výsledky Taleyarkhanových experimentů naznačovaly, že některé odvážné teoretické úvahy by mohly být reálné a za jistých okolností při sonoluminiscenci vskutku dochází k jaderné fúzi. A to by byla doslova bomba, která by explodovala, kdyby se potvrdilo, že se vědec nemýlí. Jako kapalinu použil aceton, v jehož molekulách byly atomy lehkého vodíku nahrazeny o neutron bohatším deuteriem. Celá nádoba byla zvenčí ozařována externím zdrojem neutronů, které v interakcích s acetonem v něm vytvářely drobné bublinky par. Při prudkém kolapsu způsobeném silnými ultrazvukovými vlnami se v nich měla teplota zvýšit až nad milion kelvinů a docházet ke slučování jader deuteria na tritium, tedy těžký vodík se dvěma neutrony a proton, nebo na helium a neutron. Odborný článek začátkem března 2002 zveřejnil prestižní časopis Science. Jenže tím ke své dobré pověsti nepřispěl a záblesk slávy trval - podobně jako při sonoluminiscenci - velmi krátce. Mezi vědci se zvedla vlna nesouhlasu a kritiky, vhodně vybavené laboratoře se pokoušely o zopakování experimentů. Neúspěšně. Vlastně nastala situace podobná aféře se studenou fúzi při elektrolýze těžké vody v podaní Ponse a Fleischmanna (1989), jenom média byla v tomto případě a po předcházejících zkušenostech poněkud opatrnější. Svou „pravdu“ proti mnohým oponentům a fúzi vyvracejícím důkazům Taleyarkhan obhajoval několik let. Právě zmíněný expert Seth Putterman se účastnil několika opakovaných pokusů, které dopadly pro vědce indického původu neslavně. V roce 2004 se Taleyarkhanovi podařilo prosadit do odborného periodika další článek. Nejenže v něm potvrdil své předcházející výsledky, ale byl přesvědčen, že miliard krát zvýšil jejich důvěryhodnost. Tento spor stál americké daňové poplatníky statisíce dolarů. Nejen na granty, které Taleyarkhan na zajímavý výzkum získal, ale i na opakované experimenty a komise... a vyšetřování. Vše uzavřel nekompromisní verdikt vedení University v Purdue, kam Taleyarkhan v roce 2003 z Oak Ridge po první vlně kritiky a obvinění přesídlil. Komise sestavená z členů pěti nezávislých pracovišť se v roce 2008, po dlouhém šetření, které zahrnovalo nejen nezávislé pokusy, ale i vyjádření všech Taleyarkhanových spolupracovníků, dopracovala k závěru, že experimenty prokazující jadernou fúzi v podmínkách sonoluminiscenčního jevu byly úmyslně zmanipulované a jejich výsledky zfalzifikované.

A to je to to nejhorší, čeho se vědec, jehož posláním je hledat pravdu a ne lehkou cestu ke kariéře, může dopustit. Věda se nesmí stát politikou. Pro obranu Taleyarkhana ale je nutné poznamenat, že by bylo velmi zvláštní a netaktické vědomě zavádět v experimentu, při němž si je člověk jistý, že v případě převratného výsledku se ho všichni, kteří mají k dispozici příslušné technické možnosti, budou snažit zopakovat. Jaderná fúze představuje nejnadějnější budoucí zdroj energie. Naléhavost jeho využití poroste, když se zkombinují problémy s tradičními zdroji s následky využití různých obnovitelných alternativ. Dá se očekávat, že za krátký čas ne Higgsův bozon, ale dosažení řízené fúzní reakce bude tím nejdůležitějším cílem fyzikálního výzkumu. Než se jí podaří zvládnout, asi se přece jenom budeme muset smířit s jadernou energetikou, anebo se nevěřícně dívat, jak se mění rozložení ekonomických a tím i politických sil ve světě.

Video 1: V roce 2005 BBC také zorganizovala jeden nezávislý experiment, v němž se nejznámější odborníci na sonoluminiscenci snažili co nejpřesněji zrekonstruovat Taleyarkhanovy pokusy. Použili citlivější detektor neutronů a pokus nechali běžet mnohem delší dobu kvůli průkaznější statistice. Anglický přepis celého dokumentu.

Video 2: Seth Putterman 30. listopadu 2010 měl 109. čestnou výroční přednášku na University of California.