První přímé měření momentu hybnosti jednotlivých atomů pomocí světla v absorpčním prostředí provedli Gretchen Campbell, Dave Pritchard, Wolfgang Ketterle a jejich kolegové z MIT. Částice světla, fotony, nemají žádnou klidovou hmotnost, avšak paprsek světla nese určitou hybnost. Obecně, pokud fotony dopadnou na zrcadlo, toto zrcadlo se nepatrně pohne působením hybnosti těchto fotonů. Tento pohyb se již dříve podařilo změřit. Jak však měřit hybnost jediného fotonu, který se srazí z jediným atomem ve zředěném plynu? Hybnost fotonu je rovna h/\lambda, kde h je Planckova konstanta a \lambda je vlnová délka světla ve vakuu. V disperzním prostředí, které rozptyluje nebo pohlcuje světlo, hraje roli také index lomu n tohoto prostředí. Atom, který absorbuje foton, získá hybnost rovnou nh/\lambda. Právě tuto hybnost výzkumníci pro jednotlivé atomy změřili. Tým z MIT použit paprsky laseru, které nechal procházet zředěným plynem. Hybnost atomů lze změřit prostřednictvím srážek atomů, jimž byla udělena hmotnost, s atomy v relativním klidu. Skutečnost, že hybnost by mohla být úměrná indexu lomu, je určitým překvapením. Očekávalo se, že pro jednotlivé atomy, které absorbují jednotlivé fotony, nebude hybnost atomů záviset na indexu lomu. Atomy ve vzorku, jako v tomto případě Boseova-Einsteinova kondenzátu atomů rubidia Rb, jsou extrémně zředěné, takže každý atom lze považovat za atom ve vakuu. Proto bychom neočekávali, že by při srážkách fotonů s atomy bylo nutné brát úvahu také interakce mezi jednotlivými atomy. Atomy však "vnímají" přítomnost ostatních atomů a chovají se kolektivně, takže vnější faktor, index lomu, má také vliv. Na několika předchozích kolokviích Wolfgang Ketterle vznesl otázku, zda hybnost jednotlivých atomů bude h/\lambda nebo nh/\lambda. Odborníci se však nemohli na odpovědi shodnout. Při řešení základní otázky pohybu světla v prostředí intuice asi poloviny fyziků byla chybná. Ketterle je přesvědčen, že studium průchodu jednotlivých fotonů v disperzním prostředí přispěje k důležité opravě přesných měření ochlazených atomů. (Campbell et al., Physical Review Letters, 6. května 2005)

Podle nového článku chemický vzorec vody je vždy H₂O a nijak nezávisí na různých časových měřítcích. Na základě svých experimentů výzkumná skupina z Technické univerzity v Berlíně v srpnu 2003 oznámila, že v časových intervalech několika femtosekund je poměr atomů vodíku a kyslíku v molekule vody zhruba 1,5 : 1. K tomuto výsledku tato skupina dospěla na základě studia interakcí neutronů a elektronů s molekulami vody při pokojové teplotě. (Chatzidimitriou-Dreismann et al., Physical Review Letters, 1. srpna 2003) [I2], [N2]

Na základě analýzy dat výzkumníci zjistili, že dopadající neutrony se rozptylují o 25 procent méně na jádrech atomů vodíku (protonech) než se původně očekávalo a v subfemtosekundovém časovém měřítku tedy dochází k anomálnímu rozptylu. Tyto výsledky vyvolaly značný teoretický a experimentální zájem. Výzkumníci Rensselaerova polytechnického institutu ve státě New York nyní původní výsledky zpochybňují. Výzkumníci z Ben Gurion University v Izraeli a z RPI (Raymond Moreh, [M1]) použili neutrony o vysoké energii a studovali interakce s čistou kapalnou vodou H₂O, s čistou těžkou vodou D₂O a s různými směsmi obou kapalin. Studium prováděli ještě v kratších časových měřítcích (0,001 až 0,01 femtosekund). Teoretikové předpovídali, že v těchto ještě kratších časových měřítcích by se mělo anomální chování rozptylu ještě zvýraznit, protože kvantová dekoherence má méně času na rozrušení kvantového propletení mezi protony. Společný tým výzkumníků Ben Gurion University a RPI však nezjistil žádné anomální chování rozptylu neutronů a protonů. Výzkumníci proto dospěli k závěru, že k žádnému kvantovému propletení mezi protony nedochází a že chemický vzorec vody je H₂O ve všech časových měřítcích. Výzkumníci také zdůraznili několik předností svých experimentů. Studovali jednotlivé a jednodušší rozptylové signály pocházející ze tří jader molekul vody nebo molekul těžké vody. Ve všech předchozích experimentech se studovaly oddělené signály rozptylu neutronů na jádrech atomů kyslíku, vodíku a deuteria. Dále jejich data nevyžadovala složité zpracování a proto datová analýza byla jednodušší než v předchozích pracích. Výzkumníci v předchozích experimentech pracovali v časových měřítcích, která dříve nebyla studována. Nový tým vzal v úvahu, že jeho data pokrývají také časová měřítka ve všech předchozích experimentech. Raymond Moreh a jeho kolegové tvrdí, že vysvětlení anomálního rozptylu by otřáslo mnoha dobře prověřenými teoriemi ve fyzice. (Moreh, Block, Danon, Neumann, Physical Review Letters, 13. května 2005.)

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 732. May 24, 2005 by Phillip F. Schewe, Ben Stein.

[I2] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 648. July 31, 2003 by Phillip F. Schewe, Ben Stein and James Riordon.

[N1]  Physics News Update. Natura 9/2003

Podle nové teorie světlo může pocházet z malých narušení teorie relativity. Na zasedání oddělení atomové, molekulární a optické fyziky Americké fyzikální společnosti v červnu 2005 to uvedl Alan Kostelecky z Univerzity v Indianě [M1]. Podle jeho teorie světlo může být důsledkem porušení předpokladu teorie relativity známého jako Lorentzova symetrie. Podle Lorentzovy symetrie zákony fyziky jsou invariantní (neměnné) při změně orientace fyzikálního systému v prostoru a při změně jeho relativní rychlosti vzhledem k jiným fyzikálním systémům. Podle speciální teorie relativity rychlost světla ve vakuu je stejná ve všech směrech. Tento předpoklad potvrzují současné experimenty s přesností 1:10¹⁶. Pokud by však fyzikové nalezli variace rychlosti světla ve vakuu v závislosti na směru, pak by to mohlo být důkazem narušení Lorentzovy symetrie a muselo by dojít k zásadním změnám našich představ. Narušená Lorentzova symetrie by znamenala, že v prostoročase existuje určitý preferovaný směr. V nejjednodušší formě si lze narušení Lorentzovy symetrie představit jako vektorové pole existující všude ve vesmíru. Objekty ve vesmíru by se pohybovaly nepatrně odlišným způsobem v závislosti na orientaci svého pohybu vůči takovému poli.

V článku v časopisu Physical Review D (Bluhm and Kostelecky, Physical Review D, 71, 065008, publikováno 22. března 2005) jeho autoři navrhují, že samotná existence světla by mohla být důsledkem takového vektorového pole narušené Lorenztovy symetrie. Světlo by mohlo být "mihotáním" tohoto vektorového pole, podobné vlnkám na hladině jemného písku (viz animace [X1]) Výzkumníci tvrdí, že tato představa světla vyhovuje jak v prázdném prostoru tak v zakřiveném prostoročasu za přítomnosti gravitace, který běžné teorie světla většinou ignorují. Tato teorie je v rozporu söběžnou představou světla, podle níž se světlo šíří bez nějakého preferovaného směru v důsledku symetrií mezi částicemi a silovými poli. Alan Kostelecky tvrdí, že jeho novou teorii lze testovat hledáním nepatrných změn chování světla, které interaguje s nějakými rotujícími hmotnými objekty a dochází tak ke změnám orientace vzhledem k uvažovanému vektorovému poli. Neutrinové oscilace by mohly být důsledkem interakcí neutrin s tímto vektorovým polem na rozdíl od konvenčního vysvětlení, které vyžaduje, aby neutrina měla nenulovou hmotnost. Experimentátor Ron Walsworth z Harvard-Smithsonian k této teorii uvádí, že Kosteleckého práce navrhuje podrobné experimenty pro testování této teorie. Výsledky těchto experimentů přispějí k hlubšímu chápání fyziky prostoročasu bez ohledu na to, zda novou teorii potvrdí nebo vyvrátí. (Alan Kostelecky, the Scientific American, září 2004; Indiana University Press Release, 21. března 2005).

Na zasedání CLEO/QELS optické fyziky v Baltimore v červnu 2005 Dwayne Miller z Univerzity v Torontu [M2] popsal, jak se svými kolegy zkoumal proces tání v atomovém měřítku, jednu z nejjednodušších přeměn hmoty v časových intervalech několika femtosekund. Výzkum přeskupování atomů v rychle zahřátých kovech může přispět k hlubšímu pochopení extrémních stavů hmoty, které se vyskytují například při teplotách jaderné fúze nebo při extrémních fyzikálních podmínkách v nitru planet. Výzkumníci použili pro rychlé tání kovů velmi krátké laserové impulsy. Tyto impulsy byly následovány paprskem elektronů, který se rozptyloval na atomech vzorku a tím poskytoval informace o rozmístění atomů ve vzorku. Tento experiment pozměnil základní znalosti o jevech, které probíhají při rychlém tání. Zvýšením teploty tuhého hliníku přibližně o 1000 Kelvinů za dobu kratší než 1 pikosekunda se atomy hliníku, které byly původně uspořádány v centrované kubické mřížce, působením tepla laserového paprsku začnou prudce otřásat. Nejprve se začnout otřásat atomy na okrajích a postupně atomy blíže ke středu. (Siwick et al, Science, 21. listopadu 2003) Výzkumníci začali zkoumat tání a stavovou rovnici čistého uhlíku, prvku s nejvyšším stupněm tání. Výsledky mohou zodpovědět některé otázky planetární fyziky, zejména zda může kapalný uhlík existovat v hlubinách planet Neptun a Uran. (prezentace CTuAA1, "Femtosecond Electron Diffraction: An Atomic-Level View of Condensed Phase Dynamics"; [X2])

Odkazy a literatura:

[I1] From: physnews@aip.org (AIP listserver) PHYSICS NEWS UPDATE. The American Institute of Physics Bulletin of Physics News. Number 733. June 15, 2005 by Phillip F. Schewe, Ben Stein.