Může běžný laser propálit zeď? Věda v Big Bang Theory

  14:54aktualizováno  14:54
Jaké je tajemství Howard Wolowitze? Zřejmě v laboratoři schovává mnohem výkonnější laser, než univerzita ví. Dnes o tom, co udělá zapomenutý laser na zdi a krájených krocanech.

Kdy se dívat?

Ve spolupráci s televizi Prima COOL vám přinášíme upoutávky na nejnovější řadu populárního amerického sitcomu The Big Bang Theory (Teorie velkého třesku).

Čtrnáctý díl šesté série můžete sledovat dnes 17. května ve 21:20 (český dabing) nebo 40 minut po půlnoci v originálním znění.

Nehody se v komediálních seriálech stávají snad ještě častěji než ve skutečnosti. Přesto si od jejich tvůrců nemusíme nechat věšet bulíky na nos. A tak si dnes položíme otázku, zda opomenutí Howarda Wolowitze skutečně mohlo vést k propálení zdi laboratoře laserem, který se mihne v záběru.

Začněme od důsledků. Při pohledu na otvor, který zakrývá tak podivně umístěná fotografie šťastného manželského páru, vás možná překvapí její velikost a tvar. A stejně na tom jsou i lidé, kteří s laboratorními lasery skutečně pracují: "Já se domnívám, že kdyby mělo dojít k něčemu takovému, díra ve stěně by byla výrazně čistší než na obrázku," říká Michal Šmíd z Fyzikálního ústavu a dodává: "Pokud by ovšem stěna nezačala hořet, což by ale také vypadalo jinak."

Je to logické. Lasery (hlavně jiné typy, ale o tom později) se v praxi používají v kvůli své schopnosti čistého řezu a odpaří materiál jen v místě přímého zásahu.

Předmět doličný. Otvor ze zdi, který měl vzniknout, když Howard zapomněl...

Předmět doličný. Otvor ze zdi, který měl vzniknout, když Howard zapomněl vypnout laser.

Umístění díry na stěně také nasvědčuje, že v laboratoři došlo k více než jednomu porušení bezpečnostních předpisů. Přímo pod ní je umístěna tzv. optická lavice, tedy pracovní stůl se soustavou hranolů, čoček a dalších prvků pro rozvod laserového paprsku. Jeho zdroj se zdá být úplně vpravo na lavici.

Zajímavá je i její výška, protože optická lavice se standardně dělá ve výši pasu, a to hlavně z bezpečnostních důvodů, tedy aby laser pokud možno nezasáhl oči. Je tedy zvláštní, že paprsek zasáhl stěnu nad lavicí. Pokud tomu tak mělo být, zřejmě musel Wolowitz nejen zapomenout laser vypnout, ale už před vypnutím mířit do stropu.

Je to samozřejmě možné, i když ne zrovna chvályhodné: "Laserový svazek by se měl držet optické lavice, ale nevhodně umístěným zrcadlem, hranolem či podobným optickým prvkem se velmi snadno dostane téměř kamkoliv," říká Martin Koštejn z Ústav chemických procesů Akademie věd.

Když jsme u optické lavice, i z té lze usuzovat, že následky na zdi by ve skutečnosti vypadaly jinak. "Průměr všech zařízení na optické lavici se zdá být kolem pěti centimetrů, ale vzhledem k velikosti systému průměr svazku zřejmě nebude přesahovat centimetr a spíše bude ještě menší. A tak nepovažuji za pravděpodobné, že by vypálil díru o takovém průměru a očekával bych spíše 'čistou' díru skrz," říká Michal Šmíd.

Měl by na to?

Samostatnou otázkou je, zda by laser na snímku případně dokázal vyvinout dost energie, aby zeď propálil. Protože specifikace ke scénáři přiloženy nebyly, můžeme zase jenom odhadovat. Podle odborníků se zdá nejpravděpodobnější, že na stole je tzv. helium-neonový laser (HeNe), což je asi nejběžnější laboratorní laser v této velikostní třídě.

V tomto laseru paprsek vzniká ve směsi dvou zmíněných vzácných plynů v trubici, kterou prochází elektrický proud, takže jde o podobný princip jako u zářivky. Obvykle se používá typ, který vydává z pochopitelných důvodů praktické viditelné světlo, ale laser může zářit v infračerveném, tak i v UV spektru.

Co se týče výkonů, jsou tyto lasery sice poměrně spolehlivé a levné, ale nepatří mezi nejvýkonnější. Pokud vědci potřebují velké výkony, sáhnou po jiných technologiích. Výkony HeNe laserů bývají kolem tisícin až desetin wattu. Wikipedie uvádí a vědci souhlasí, že výkon bývá zhruba 0,5 do 50 miliwattů (mW). Buďme velkorysí a dopřejme panu Wolowitzvovi nejsilnější verzi, tedy 50 mW. Jak dlouho by ho musel teoreticky nechat zapnutý, aby došlo k propálení díry do stěny?

Řekněme, že stěna je centimetr tlustá a chceme vypálit větší otvor, kolem 10 centimetrů čtverečních (je to celkem realistické a dobře se s tím počítá.) Čistě teoreticky by podle odhadů fyziků měl laser o výkonu 50 mW za vteřinu vypálit do materiálu díru "hlubokou" zhruba 10 nanometrů (deset miliardtin metru) s plochou asi milimetr čtvereční (jde jen o kvalifikovaný odhad). My bychom chtěli vypálit plochu desettisíckrát větší a milionkrát hlubší. Asi si sami dokážete spočítat, že těch vteřin, po které by laser musel zůstat zapnutý, je nějak mnoho. Jak řekli námi oslovení odborníci hned na začátku: je prakticky nepředstavitelné, že by HeNe laser spálil něco jiného než mikroskopický cíl a zeď by opravdu asi nepropálil.

Může laser propálit zrcadlo?

Platí totéž jako u zdi: může, ale musí být dost silný, v tomto případě dokonce extrémně. Žádné zrcadlo totiž neodráží všechno světlo, které na něj dopadá, a část energie svazku tedy může poškodit samotné zrcadlo. Laser tedy musí být tím silnější, čím je zrcadlo odrazivější.

Běžná domácí zrcadla odrazí zhruba dvě třetiny dopadajícího světla, i když rozmezí je samozřejmě dost veliké. Dvě třetiny energie dopadajícího laserového paprsku se tedy odrazí zpátky. K zapálení (či spíše roztavení) zrcadla tedy stačí zhruba třikrát více energie než k zapálení neodrazivého povrchu ze stejného materiálu. Kvalitní zrcadla používaná například v laserech odrazí často i přes 99,9 procenta dopadajícího světla (často odráží jen světla úzkých vlnových délek). Pokud byste takový objekt měli laserem zničit, potřebovali byste výkon tisíckrát vyšší než na stejný předmět jen v barvě dokonale pohlcující světlo.

Jak malý je výkon takového laboratorního laseru si můžeme přiblížit na příkladu, který všichni známe, tedy lupy a Slunce. Sluneční záření má v nejlepším případě výkon zhruba 1 000 wattů na metr čtvereční (liší se podle zeměpisné polohy, postavení Slunce na obloze atp.) Když soustředíte sluneční paprsky do jednoho místa pěticentimetrovou lupou, výsledný výkon by měl být kolem dvou wattů. To rozhodně není žádný rekord a na propálení stěny v rozumném čase by to také nestačilo. Ale s lupou budete mít v ruce světelný výkon, jaký s žádným domácím laserem asi nikdy nedosáhnete.

Chce to jiný hardware

Samozřejmě, jiné typy laserů by stěnu propálit mohly. Pokud se budeme držet našeho stávající odhadu, stačila by k vypálení větší deseticentimetrové díry ve zdi zhruba hodinová práce laseru o výkonu řádově ve stovkách wattů (záleželo by na tloušťce a podobně).

Takové lasery existují. Šlo by použít například dnes v praxi používané průmyslové lasery typu CO2. Paprsek v ní také vzniká v plynu, jen místo helia a neonu se používá směs s oxidem uhličitým, dusíkem vodíkem či xenonem a héliem.

Používají se například pro průmyslové řezání kovů a mohou mít výkon ještě o řád vyšší, než bychom "potřebovali", tedy v kilowattech. U těchto průmyslových zařízení se udává, že dokážou řezat až několik centimetrů 13 milimetrů silného plechu za sekundu, takže by stačilo, aby Wolowitz zapomněl jen na chvilku. Ovšem takové zařízení by v běžné laboratoři právě z bezpečnostních důvodů stát nemohlo a navíc by se na optickou lavici nevešlo.

Samozřejmě by se dalo sáhnout ještě po silnějších zařízeních, například vojenských laserech. První vůbec do zkušební služby nasazený laser patří americkému námořnictvu (psali jsme o něm nedávno), a má (patrně) výkon řádově v desítkách kilowattů. Je polovodičový, a v podstatě tedy jde o velkou diodu.

Ale i když má výkon desítky kilowattů a může zřejmě pracovat nepřetržitě poměrně dlouho, má se používat jen proti nezpevněným cílům, třeba bezpilotním letounům. Raketu, která by se blížila k lodi, už nesestřelí. Než ta k němu dorazí, nestačí laser prorazit hlavici rakety, která je zpevněná, aby mohla prorazit cíl a vydržela aerodynamické namáhání. Větší šanci tak mají rakety proti balisticky se pohybujícím cílům, které mohou mířit "ze strany", tady na zadní část rakety.

Krátery ma měděném terči vypálené pražským laserem PALS. Měď má sílu cca půl...

Krátery ma měděném terči vypálené pražským laserem PALS. Měď má sílu cca půl centimetru a každý kráter vznikly při jednom impulzu trvajícím miliardtinu vteřiny. Největší (nahoře) je vypálený asi s polovinou maximálního výkonu PALS, tedy cca 1,5 TW. Cílem experimentu bylo vytvoření měděného plazmatu a zkoumání jeho vlastností v rámci výzkumu zvládnutí jaderné fúze.

Existují dokonce ještě silnější lasery, například pražský PALS, na kterém čas od času pracuje třeba i Michal Šmíd: "Ten má sice výkon 3 terrawatty, tedy biliony wattu, ale pracuje s velmi krátkými pulzy." Jeden trvá zhruba 0,3 miliardtiny sekundy, a za tu dobu je laser schopen propálit zhruba půlmilimetrový plech (celková energie je kolem 1 000 joulů, tedy jako výše zmíněná lupa za zhruba 10 minut). Kromě toho, že PALS zabírá se vším všudy v podstatě celou halu, je navíc schopen podobné výkony zopakovat jen jednou za půl hodiny. Tak dlouho trvá příprava na jeden puls.

A když jsme u absurdních příkladů, ještě zhruba tisíckrát výkonnější by měl být laser ELI, který by měl stát v Dolních Břežanech, jižně od Prahy. Budeme teď komplikovaný projekt hodně zjednodušovat, ale zhruba řečeno by měl mít výkon udávaný v petawattech. Ovšem pulzy budou extrémně krátké (10-18 sekundy, tedy miliardtina miliardtiny sekundy), takže i k propálení stěny by jich bylo zapotřebí hodně. Na druhou stranu by díky svému systému chlazení měl být ELI schopen provést několik pulsů za sekundu. Především je to však projekt za zhruba 4,5 miliardy korun, který má zabírat jednu celou speciálně postavenou budovu.

K čemu pak jsou?

Z našeho krátkého výčtu je asi jasné, že propalování stěn se laseroví fyzici většinou nevěnují. Obvykle laboratorní lasery používají pro všechny možné jiné účely, od přenosu informací po "prosvětlování" nejrůznějších vzorků. To ovšem neznamená, že by nikdy nic takového nezkusili.

Nebuďte jako Penny

Když se v seriálu Teorie velkého třesku mluví o vědě, s námi víte, která bije.

Ve spolupráci s televizi Prima COOL vám přinášíme upoutávky na nejnovější řadu populárního amerického sitcomu The Big Bang Theory (Teorie velkého třesku). V každé epizodě jsme pro vás vybrali jednu zajímavost z vědy nebo techniky a rozebrali ji jako skoro jako Sheldon Cooper... Bazinga! Přece jen, neomylnému géniovi samozřejmě konkurovat nemůžeme.

Zatím došlo na:

  • antropický princip
  • homeostaze
  • Higgsův boson
  • dekomprese páteře ve vesmíru
  • holografický princip
  • Sheldonův testosteron
  • placebo efekt
  • Bohrův model atomu
  • Jeden památný moment přišel v listopadu 1981. Tehdy se v laboratořích IBM v Yorktownu odehrál experiment, který jako kdyby opravdu vypadl ze scénáře Big Bang Theory. Provedli ho pánové Samuel Blum, Rangaswamy Srinivasan a James Wynne. (Není vám to povědomé? Žid, Ind, Američan evropského původu. Jen někdo chybí.)

    Všichni tři byli zkušení výzkumníci, kteří zabředli do debaty o vlivu svého nového ultrafialového laseru na živočišnou tkáň (byl to přesněji tzv. excimerový laser s vlnovou délkou 193 nanometrů). Odhadovali, že by mohl být velmi malý, a lasery by se tak daly používat v chirurgii. Vědci vyzkoušeli laser na svých nehtech a vlasech, ale nikdo z nich nechtěl nasadit svou kůži. Průlom přišel 27. listopadu, kdy Srinivasan přinesl do laboratoře zbytky krůty od večeře na Den díkuvzdání předchozího dne.

    Na krůtě se ukázalo, jak je laser velmi šetrný. Ani maso, ani kosti nepálil, narušil jen svrchní vrstvu ozařovaného materiálu, ale nic jiného nepoškodil. Taková "čistě vypálená" rána je v podstatě chirurgický sen. Když pak vyšlo tiskové prohlášení o objevu, doprovázel ho obrázek lidského vlasu s laserem vytvořenou zkratkou IBM v mikroskopických rozměrech.

    Autoři přemýšleli o využití v mnoha oborech, ale největší potenciál jim ukázal nakonec oftalmolog Stephen Trockel. Ve spolupráci s ním se nakonec zrodila technika nazvaná LASIK, která spočívá v korekci rohovky pacientů s určitými vadami zraku, třeba krátkozrakosti. I když ji nelze použít vždy a pro každého, dokázala zlepšit kvalitu života milionů lidí na celém světě. A to všechno díky tomu, že lasery nespálí všechno, na co zamíří.

    Doplnění: Pavel Kural v diskusi správně poznamenal, že Wolowitz neupřesňuje, kterým laserem zeď propálil a nemuselo se jednat o zařízení přímo pod otvorem. Podle nás je to sice proti scénáristickým zásadám, ale v je to také nepochybně pravda a pan Wolowitz mohl skutečně škodu způsobit jiným laserem, třeba silnější. Ale naše výpočty "od boku" by platily i v tomto případě a právě kvůli nim článek vznikal, takže podle nás nevyžaduje větší opravu.

    Nejčtenější

    Kolem právě prolétli mimozemšťané, říkají vědci. Vyvrátit jim to nelze

    Rekonstrukce možné podoby planetky 1I/2017 U1 (‘Oumuamua) na základě údajů...

    První objekt od jiné hvězdy zachycený pozemskými teleskopy by podle naměřených parametrů mohl být sluneční plachetnicí,...

    Vyšší lidé trpí častěji řadou rakovin. Důvod je zřejmě zcela triviální

    Kolorovaný snímek rakovinových buněk z elektronového mikroskopu

    Pravděpodobnost vzniku rakoviny je větší u lidí vyššího vzrůstu. A to zřejmě proto, že mají v těle více buněk,...

    Republikáni přebarvili USA pomocí chytrého plánu. Nenápadně a legálně

    Jak se republikánům podařilo přebarvit mapu USA na červeno...

    Přestože voličů demokratů je v USA už deset let více, republikánská strana má většinu v obou komorách parlamentu. Za...

    Konec dvojích cen. Evropské e-shopy už Čechům nebudou účtovat přirážku

    Ilustrační snímek

    Na začátku prosince začne platit nařízení Evropské unie, které zakazuje internetovým obchodům považovat zákazníka z...

    Okřídlení géniové. Vrány si při pokusu zvládly vyrobit složené nástroje

    Vrány se ukazují jako stále chytřejší a chytřejší.

    Nový experiment naznačuje, že bychom měli přehodnotit rčení chytrý jako liška na chytrý jako vrána. Skupina...

    Další z rubriky

    Před 40 lety odstartoval Magion. My si na něj nedávno sáhli

    Před čtyřiceti lety letěla do kosmu první československá družice Magion 1

    V úterý 24. října 1978 odstartovala do kosmického prostoru první československá družice, 15 kilogramů vážící Magion....

    S viry v těle a komunisty za zády. Život profesora Ctirada Johna

    Imunolog a mikrobiolog Ctirad John na snímku z března 2009

    V pátek 12. října zemřel profesor Ctirad John, legenda české imunologie, ve věku požehnaných 98 let. Sám se nepovažoval...

    Začínal v krabičkách od krému na boty. Kardiostimulátor pomáhá už 60 let

    Dva „otcové“ prvního kardiostimulátoru. Zleva: primář Ăke Senning, který vedl...

    Před šedesáti lety implantovali ve Švédsku první kardiostimulátor, tedy přístroj odstraňující poruchy srdečního rytmu....

    Najdete na iDNES.cz