Nový limit všeobecné platnosti speciální teorie relativity ustanovila skupina fyziků laboratoře kvantové fyziky Univerzity v Konstanz ve spolupráci s výzkumníky z Univerzity v Düsseldorfu. V jistém smyslu provedli dosud nejpřesnější všeobecný test této teorie, která je jedním z pilířů moderní fyziky. Jeden z principů speciální teorie relativity tvrdí, že rychlost světla c ve vakuu je stejná pro všechny pohybující se pozorovatele. Experimenty Michelsonova-Morleyova typu (MM) potvrzují tento fakt měřením rychlosti paprsků světla, které se pohybují v různých směrech.

Kennedyovy-Thorndikeovy testy (KT) zjišťují, zda rychlost světla nezávisí na rychlosti pohybu laboratoře. Dosud byla přesnost experimentů MM vyšší než nejpřesnější experimenty KT. Nyní výzkumníci z Konstanz připravili lepší test KT, který s vyšší přesností potvrzuje, že rychlost světla nezávisí ani na rychlosti ani na směru pohybu laboratoře.

Výzkumníci pozorovali stojaté vlny světla v ochlazené dutině po dobu 190 dní. Během této doby urazila Země více než polovinu své dráhy kolem Slunce a rychlost laboratoře se tak vzhledem ke stálicím změnila o hodnotu přibližně 60 km/s.  Pokud by se rychlost světla pohybem měnila, pak stojaté vlnění (porovnávané přesnými stabilními atomovými hodinami) by se mělo v dutině postupně rozlaďovat. Dutina byla zhotovena ze safíru, který má při teplotě 4 Kelviny velmi malou tepelnou roztažnost, takže udržuje dostatečně přesný tvar. Stabilita resonanční frekvence byla lepší než v dosud nejlepších KT experimentech a výzkumníci plánují ještě další výrazné zvýšení přesnosti. (Achim Peters, 49- 7531-88-3823, [M1]; Holger Mueller, [M2]) (Braxmaier et al., Physical Review Letters, 7. ledna 2002; viz také [X1]).

Jestliže světlo prochází médiem, v němž se index lomu výrazně mění s vlnovou délkou, grupová rychlost světla, tedy rychlost šíření světelného pulsu, se může zpomalit nebo dokonce může být nulová. Energii a informaci lze v původním světelném paprsku uchovat bez zahřátí ve formě vlny excitací spinů atomů v médiu. V roce 2001 ve dvou různých experimentech výzkumníci z Harvardu již zastavili a uchovávali světlo ve vzorku páry. Výzkumníci MIT a letecké výzkumné laboratoře Air Force Research Laboratory v Hanscomu ve státě Massachusetts se nyní pokusili o totéž se vzorkem pevné látky. Očekávají, že dosáhnou pokroku ve zpracování informace na integrovaných nosičích z pevných látek. Jako médium použili krystal křemíku, dopovaný atomy praseodymu, který se již používá jako médium pro uchovávání dat s vysokou hustotou na optických médiích. Výzkumníci (kontakt: Philip Hemmer, 781-377- 5170, [M3]) si od zastaveného a uchovávaného světla v pevné látce slibují řadu aplikací v takových oblastech, jako jsou kvantové výpočty, velmi citlivé magnetometry a v akustické optice, kdy světlo je zpomaleno na podzvukové rychlosti a dochází k silné vazbě mezi světlem a zvukovými vlnami. (Turukhin et al., Physical Review Letters, 14. ledna 2001)

Sonický krystal je pro zvukové vlny ve vzduchu tím, čím je fotonický krystal pro světelné vlny nebo polovodič pro elektrony, neboť umožňuje průchod vlnám jen o určitém spektru energií. Vědci ve Španělsku (kontakt: Francisco Meseguer Rico, [M4], 349-6387- 9841; Jose Sanchez Dehesa, [M5]) jako první použili sonický krystal, zhotovený z hliníkových tyčinek (viz obr. na [X2]), jako akustické očky pro soustřeďování zvukových vln slyšitelných frekvencí. Sestrojili interferometr, který podobně jako světelný interferometr umožňuje interferenci zvukových vln do určitých charakteristických obrazců. (Cervera et al., Physical Review Letters, 14. ledna 2002)

Literatura a odkazy:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 571. January 2, 2002 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.

Výzkum potvrzuje, že náhodný "šum" mohl ovlivnit klimatické změny během posledního glaciálu (doby ledové). Za určitých podmínek náhodný šum, jako je elektrostatické napětí, může paradoxně zvýšit citlivost detektoru na slabé signály a obecně může zesílit vliv signálu na jeho okolí. Tento jev, označovaný jako "stochastická resonance", byl pozorován u některých laserů a v živém organismu. Vědci použili myšlenku stochastické resonance v roce 1982 původně pro vysvětlení náhodných variací klimatu, které se opakovaly přibližně v intervalech 100 tisíc let mezi jednotlivými glaciály. Následné důkazy ale tuto hypotézu nepotvrdily.

Nyní se stochastická resonance do klimatologie znovu vrací. Výzkumníci (Andrey Ganopolski a Stefan Rahmstorf, Postupimský ústav pro výzkum klimatických dopadů, [M1]) ukázali, že stochastická resonance mohla hrát důležitou roli při spouštění Dansgaardových-Oeschgerových jevů, kdy docházelo k náhlým silným klimatickým změnám během posledního velkého glaciálu, který proběhl před 120 tisíci až 10 tisíci lety. Tyto jevy začínaly náhlým vzrůstem teploty o nejméně 10 stupňů Celsia v severní části Atlantického oceánu během několika desítek let. Toto oteplení pak trvalo několik století. Tyto jevy se nejčastěji vyskytovaly před 1500 lety, ale také před 3000 lety a 4500 lety. To naznačuje, že byly alespoň částečně způsobeny slabým cyklem, jako jsou periodické slabé fluktuace sluneční intenzity.

Navíc na základě složitého počítačového modelu globálního klimatu vědci zjistili, že mořské proudy v severním Atlantickém oceánu během glaciálu přecházely mezi dvěma různými stavy. V jednom stavu teplý Golfský proud dosahoval pouze do středních severních šířek. Ve druhém stavu Golfský proud pronikal mnohem dále k severu. Výzkumníci vysvětlují, že k těmto přechodům mezi dvěma stavy docházelo vlivem slabého cyklu o délce 1500 let, jehož vliv byl zesílen šumem z prostředí, jako jsou náhodné změny množství dešťových srážek a směsi ledu a sněhu v severních mořích. Zatím přesný zdroj pravidelného cyklu zůstává nejasný. Stochastická resonance ale umožňuje vysvětlit klíčové vlastnosti zmíněných jevů v severním Atlantickém oceánu během posledního glaciálu. Pokud bude tato hypotéza potvrzena, pak mechanismus stochastické resonance může vysvětlit, proč klima doby ledové bylo tak stabilní v porovnání s klimatem posledních 10 tisíc let, kdy se objevila lidská civilizace. (Ganopolski and Rahmstorf, Physical Review Letters, 21. ledna 2002.)

Výzkumníci došli k závěru, že jaderná látka může přecházet z kapalné do plynné fáze. Fázové diagramy kapalina-plyn hrají v chemii důležitou roli, protože určují rozdělení energie např. mezi kapalnou vodou a vodní párou. Změna tlaku nebo teploty může látku převést z jedné fáze do druhé. Mohou se neutrony a protony v atomovém jádře chovat podobně jako molekuly běžné kapaliny nebo plynu? Teoretikové jsou skeptičtí kvůli velmi malému počtu částic v atomovém jádře (nejvýše snad 100 až 200 protonů a neutronů) v porovnání s makroskopickou kapalinou (kde je např. 10²⁴ nebo více molekul). V experimentu v Brookhavenu výzkumníci ostřelovali atomová jádra zlata piony s energií 8 GeV. Celý jev lze popsat podobně jako vypařování kapaliny v chemii. Nejprve byly některé nukleony z atomových jader vymrštěny a zůstaly fragmenty různé velikosti, které vyvolaly virtuální "tlak páry". Studiem srážek vyvolaných různě velkými silami a určením počtu a velikosti fragmentů byl určen jaderný "tlak" a "teplotu" (viz obr. [X1]).

Tento experiment byl proveden s využitím detektoru ISiS (the Indiana Silicon Sphere) jako termometru a kalibrace tlaku. Vědci detektoru ISiS (kontakt: Vic Viola, [M2]) spolupracovali se dvěma různými týmy výzkumníků. Jeden tým byl z národní laboratoře Lawrence Berkeley National Laboratory (James Elliott, [M3]) a druhý tým byl z Michiganské státní univerzity (Wolfgang Bauer, [M4]). Vědci experimentálně určili Mason-Dixonovo rozhraní mezi jadernou kapalinou a jadernou párou ve fázovém diagramu závislosti tlaku a teploty. Tento fázový diagram byl poprvé sestaven pro systém částic, které nejsou vázány elektromagnetickou silou. Vědci došli k zajímavým závěrům. Například pokud vezmeme v úvahu interakce mezi nukleony, pak "pára" z excitovaného atomového jádra se chová přibližně jako ideální plyn (zhruba podle Boylova zákona pV = nRT). Zatímco absolutní velikosti jaderných a atomových sil jsou naprosto odlišné, průběh těchto dvou typů interakcí (ve velmi malých vzdálenostech odpudivá, ve velkých vzdálenostech přitažlivá) jsou kvalitativně podobné.

Abychom získali představu o poměru měřítek, uvažujme skupinu atomů kryptonu a atomových jader kryptonu. Pro atomy je kritická teplota (bod varu) 209 Kelvinů a kritická hustota 0,01 molu na centimetr krychlový. Pro atomová jádra je kritická teplota asi 7 MeV (asi 8.10¹⁰ K) a kritická hustota 0,05 nukleonu na fermi krychlový, tj. asi 8.10¹³ molů na centimetr krychlový.

Provedený experiment by měl také pomoci astrofyzikům k pochopení jevů po erupci supernovy, kdy ze zbytku supernovy vzniká neutronová hvězda. (dva články ve Physical Review Letters: Elliott et al. (LBNL); Berkenbusch et al. (MSU) 14. ledna 2002; experimentální výsledky ISiS viz: Lefort et al., Physical Review C, 1. prosince 2001)

Literatura a odkazy:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 572. January 8, 2002 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.

Výzkumníci poprvé pozorovali kvantově gravitační stavy. Experiment s velmi ochlazenými neutrony ukázal, že jejich vertikální pohyb v gravitačním poli Zemi nabývá diskrétních velikostí. Kvantové vlastnosti, jako kvantování energie, vlnová dynamika (jako např. interference) a nevyhnutelná neurčitost při současném měření polohy a hybnosti, se obvykle objevují pouze na atomové úrovni nebo za zvláštních podmínek (při velmi nízkých teplotách), když je částice uvězněna v potenciálové jámě určitou řídící silou. Pozorování těchto vlastností u jevů ovládaných elektromagnetickou, silnou a slabou interakcí, je poměrně běžné. Avšak intenzita gravitace je o mnoho řádů menší než u ostatních silových interakcí. Proto dosud nebyl proveden experiment, ve kterém by se projevovaly kvantové vlastnosti.

Nyní se takový experiment zdařil. Fyzikové z Ústavu Laueova Langevinova reaktoru v Grenoblu ve Francii použili paprsek velmi ochlazených neutronů. Rychlostí jen 8 m/sec (rychlost molekul kyslíku při pokojové teplotě je asi 300 m/sec) byly neutrony posílány po mírně parabolické dráze na vodorovnou desku, která posloužila jako zrcadlo. Neutrony se od desky odrážely a gravitace je brzdila, takže začaly dopadat nazpět nebo byly zachyceny detektorem. Neutrony byly v podstatě zachyceny ve vertikální potenciálové jámě, kdy gravitace neutrony odražené od povrchu zrcadla brzdila. Výzkumníci zjistili, že minimální kvantová energie pro únik neutronu byla 1,4.10^-12 eV, což odpovídá vertikální rychlosti 1,7 cm/sec. Pro srovnání minimální energie pro únik elektronu z atomu vodíku je -13,6 eV. Experiment potvrdil předběžný důkaz vyšších kvantovaných pohybových stavů. V horizontálním směru nebyly neutrony nijak omezovány a proto nebyl pozorován žádný kvantový jev.

Mimochodem, experimenty neutronové interferometrie, v nichž se neutronová vlna rozdělí, prochází dvěma dráhami a pak se znovu skládá v interferenční obrazec, byly také ovlivněny gravitací. Neutronové vlny se však nenacházely v kvantových stavech vyvolaných gravitačním polem. Zmíněný experiment poprvé umožnil pozorovat kvantové stavy hmoty (neutronů) v gravitačním poli Země.

Dalším krokem bude použití intenzivnějšího paprsku a jeho uzavření zrcadly ze všech stran (měření energie závisí na době, jíž neutrony zůstanou v zařízení). Očekává se přesnost měření energie až 10^-18 eV. Takto by bylo možno testovat základní kvantové vlastnosti, jako je princip ekvivalence, podle něhož gravitační hmotnost neutronu (měřená při volném pádu neutronu v gravitačním poli) by měla odpovídat jeho inerciální hmotnosti (popsané druhým Newtonovým zákonem F = m.a, kde F je síla, která způsobuje zrychlení). (Nesvizhevsky et al., Nature, 17. ledna 2002.)

Astronom Ray Jayawardhana z Kalifornské univerzity v Berkeley tvrdí, že v blízké budoucnosti bude možno hledat extrasolární planety přímým pozorováním. Protože hvězda je mnohem jasnější než planeta (například Jupiter by z vnějšku sluneční soustavy byl asi miliardkrát méně jasnější než Slunce), přítomnost extrasolární planet kolem vzdálených hvězd lze určit pouze nepřímo, pomocí malých změn ve spektru hvězdy. Avšak nová technologie adaptivní optiky pomocí počítače vyrovnává křivost druhého zrcadla a tím odstraňuje většinu poruch přicházejícího světla, které jsou způsobeny prouděním vzduchu v atmosféře. Tato technologie je schopna svým rozlišením překonat současné největší optické dalekohledy, jako je dalekohled Gemini North o průměru 8,1 metru nebo dalekohledy Keck o průměru 10 metrů. Očekává se, že tyto dalekohledy vybavené adaptivní optikou umožní přímé pozorování extrasolárních planet blízkých hvězd.

Na zasedání Americké astronomické společnosti ve Washingtonu, DC v lednu 2002 Jayawardhana oznámil další příklad ostřejších snímků. Snímek získaný dalekohledem Gemini přímo zachycuje protoplanetární disk blízké hvězdy MBM12 ve vzdálenosti asi 900 světelných let od Slunce. Na snímku [X1] je protoplanetární disk v systému čtyř hvězd. Jde o první disk pozorovaný z boku pomocí adaptivní optiky. Navíc pozorovaná hvězda je dosud velmi mladá a disk asi za dva milióny let vytvoří první planety.

Adaptivní optika umožní v podobném hvězdném systému přímo pozorovat planety, jejichž jasnost bude asi 100 000 krát menší než jasnost centrální hvězdy. Očekává se, že pomocí vyššího úhlového rozlišení (80 úhlových milisekund pro disk, který leží ve vzdálenosti asi 150 astronomických jednotek od centrální hvězdy) bude adaptivní optika spojená s největšími pozemskými dalekohledy schopna během příštích několika let pozorovat přímo planety a nikoliv pouze protoplanetární disky. Pozorování extrasolárních planet v různých fázích vývoje umožní nejen testovat hypotézy vzniku a vývoje planet, ale zejména studovat spektrum záření těchto planet, v němž se očekávají spektrální čáry metanu, vody, atd.

Literatura a odkazy:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 573. January 16, 2002 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.