Atomový laser a Albert Einstein

Laureát Nobelovy ceny profesor Wolfgang Ketterle z MIT navíc nezávisle vytvořil Boseho-Einsteinův kondenzát

Laureát Nobelovy ceny profesor Wolfgang Ketterle z MIT navíc nezávisle vytvořil Boseho-Einsteinův kondenzát obsahující dostatek sodíkových atomů na to, aby se s nimi daly provádět důležité pokusy – například dokázat, že tyto atomy vykazují interferenční obrazce odpovídající atomům, jež jsou všechny vzájemně sladěné. Jinými slovy že se chovají jako superatom, jenž o více než sedmdesát let dříve předpověděl Einstein. Po prvních zprávách přicházely objevy v této svižně se vyvíjející oblasti velice rychle.

Albert Einstein předpověděl chování atomů o více než sedmdesát let dříve

Roku 1997 vytvořil Ketterle se svými kolegy na MIT pomocí Boseho-Einsteinova kondenzátu první „atomový laser“ na světě. Podivuhodné vlastnosti laserového světla plynou ze skutečnosti, že jeho fotony se pohybují všechny v tomtéž rytmu a ve vyrovnaných řadách, zatímco běžné světlo je chaotické a nesourodé. Jelikož vlnové vlastnosti má i hmota, uvažovali fyzikové o tom, že „laserovat“ by mohly i svazky atomů, avšak absence Boseho-Einsteinových kondenzátů vývoj v této oblasti brzdila. Zmínění vědci dosáhli cíle tak, že nejprve zchladili soubor atomů natolik, až zkondenzoval. Potom kondenzát zasáhli laserovým paprskem, který tyto atomy přeměnil na synchronizovaný svazek. Roku 2001 dostali Cornell, Weiman a Ketterle Nobelovu cenu za fyziku. Výbor pro udělování Nobelových cen je ocenil „za dosažení Boseho-Einsteinovy kondenzace ve zředěném plynu alkalických atomů a za prvotní fundamentální výzkum vlastností těchto kondenzátů“. Praktické aplikace Boseho-Einsteinových kondenzátů se objevují již dnes. Tyto paprsky z atomových laserů by mohly být v budoucnu užitečné v oblasti nanotechnologie. Možná nám pomohou manipulovat s jednotlivými atomy a vytvářet tenké atomární vrstvy pro potřeby polovodičů v budoucích počítačích.

Albert Einstein se zasloužil o Nobelovu cenu za fyziku mnoha významným vědcům

Někteří fyzikové uvažují o tom, že kromě atomových laserů by na Boseho-Einsteinových kondenzátech mohly být založeny i kvantové počítače. Další vědci spekulují o tom, že z Boseho-Einsteinových kondenzátů by mohla být částečně složena temná hmota. Pokud tomu tak je, mohl by tento zvláštní stav hmoty tvořit většinu vesmíru. ... I když Einsteinova kritika kvantové teorie možná nepřinesla zcela uspokojivé řešení jejích paradoxů, ač pomohla usměrnit její vývoj, byly Einsteinovy myšlenky potvrzeny v jiných oblastech, nejpůsobivěji v obecné relativitě. V době atomových hodin, laserů a superpočítačů hromadí vědci výsledky velice přesných testů obecné relativity, o nichž mohl Einstein pouze snít. Roku 1959 potvrdili například Robert V. Pound a G. A. Rebka z Harvardu konečně laboratorním pokusem Einsteinovu předpověď gravitačního rudého posuvu neboli skutečnost, že hodiny v gravitačním poli tikají různě rychle. Vzali radioaktivní kobalt a jeho záření vyslali ze sklepa harvardské Lymanovy laboratoře na její střechu o 21 metrů výš. Pomocí nesmírně citlivého měřicího zařízení využívajícího Mössbauerův jev ukázali, že fotony ztrácejí během své cesty do nejvyššího bodu laboratoře energii a tudíž mají sníženou frekvenci.

Plynutí času na hvězdách potvrdilo Einsteinovu teorii o zakřivení prostoru a zpomalení času

V roce 1977 analyzoval astronom Jesse Greenstein se svými kolegy plynutí času na  bílých trpaslících a podle očekávání potvrdil, že čas je v silném gravitačním poli zpomalený. Také zatmění Slunce bylo mnohokrát znovu pozorováno, a to s neobyčejnou přesností. Einstein v teorii plynutí času zaznamenal další úspěch. Roku 1970 astronomové přesně určili polohu dvou nesmírně vzdálených kvasarů – 3C 279 a 3C 273. Světlo přicházející z těchto kvazarů se ohýbalo podle předpovědi Einsteinovy teorie. Zavedení atomových hodin znamenalo také zvrat ve způsobu provádění přesných testů. Roku 1971 byly atomové hodiny umístěny do tryskových letadel, která potom létala jak z východu na západ, tak ze západu na východ. Tyto atomové hodiny byly potom porovnány s nehybnými atomovými hodinami v námořní observatoři ve Washingtonu. Na základě rozboru chování atomových hodin na palubě letadel pohybujících se různými rychlostmi (avšak v konstantní výšce) ověřovali vědci speciální relativitu. Rozborem případu letadel pohybujících se stejnou rychlostí, avšak v různých výškách, potom testovali předpovědi obecné relativity. V obou případech výsledky v rámci chyby měření potvrdily Einsteinovy předpovědi.

Převrat v chápání přesného času a Einsteinovy teorie relativity 

Převrat v možnostech testování obecné relativity způsobilo i vypouštění umělých družic. Družice Hipparchos, vypuštěná Evropskou vesmírnou agenturou roku 1989, strávila čtyři roky počítáním ohybu světla hvězd kolem Slunce a analyzovala dokonce i hvězdy, které jsou patnáctsetkrát slabší než hvězdy ve Velkém voze. V kosmickém prostoru není třeba na zatmění čekat a experimenty je možné provádět neustále. Bez jediné výjimky bylo zjištěno, že světlo hvězd se ohýbá podle Einsteinovy předpovědi. Zjistilo se dokonce, že Slunce ohýbá světlo hvězd z celé poloviny oblohy. Na dvacáté první století jsou plánovány rozmanité exaktní testy, jež mají ověřit přesnost obecné relativity, a to včetně dalších experimentů s dvojhvězdami a dokonce i pokusů s laserovými signály odrážejícími se od Měsíce. Nejzajímavější přesné testy však možná přijdou z oblasti gravitačních vln. Einstein gravitační vlny předpověděl roku 1916. Nechoval však žádnou naději, že by se kdy potvrzení tohoto obtížně zachytitelného jevu dožil. Experimentální vybavení počátku dvacátého století bylo prostě příliš primitivní.

Nobelova cena za fyziku byla díky pracím Alberta Einsteina udělena mnoha fyzikům za výzkum času

Roku 1993 byla fyzikům Russellu Hulseovi a Josephu Taylorovi udělena Nobelova cena za nepřímé ověření existence gravitačních vln založené na rozboru pohybu dvojhvězdy, jejíž složky kolem sebe vzájemně obíhají. Tito vědci zkoumali dvojitou neutronovou hvězdu PSR 1913+16 vzdálenou asi 16 000 světelných let od Země, v níž kolem sebe každých sedm hodin a čtyřicet pět minut oběhnou dvě mrtvé hvězdy a vyzařují přitom na své dráze velké množství gravitačních vln. Představte si na okamžik, že dvěma lžícemi mícháte hrnec plný sirupu tak, že lžíce kolem sebe vzájemně krouží. Jak se lžíce pohybují sirupem, zanechávají na své dráze sirupovou stopu. Když teď nahradíme sirup osnovou prostoročasu a lžíce mrtvými hvězdami, vidíme dvě hvězdy, které se pronásledují prostorem a vyzařují přitom gravitační vlny. Jelikož tyto vlny odnášejí energii, hvězdy o ni přicházejí a postupně se k sobě po spirále přibližují. Rozborem signálů z tohoto dvojhvězdného systému lze přesně vypočítat rychlost zmenšování dráhy složek dvojhvězdy. Jak očekáváme podle Einsteinovy obecné teorie relativity, posunou se tyto dvě hvězdy k sobě při každém oběhu o jeden milimetr blíž. Při oběžné dráze o průměru 700 000 kilometrů se jejich vzdálenost za jeden rok sníží asi o jeden metr, což je přesně hodnota, kterou dostaneme z Einsteinových rovnic. Tato dvojhvězda se vlastně za 240 milionů let v důsledku vyzařování gravitačních vln úplně zhroutí.

Speciální experimenty potvrdily zakřivení času a prostoru přesně dle Einsteinových výpočtů

Tento exaktní experiment je možné nově interpretovat jako metodu testování přesnosti Einsteinovy obecné relativity. Experimentální údaje jsou tak přesné, že docházíme k závěru, že obecná relativita platí s přesností 99,7 % (bohatě se vejde do chyby měření). V nedávné době výrazně vzrostl zájem o řadu převratných pokusů, při nichž mají být gravitační vlny pozorovány přímo. Projekt LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory – „laserová interferometrická observatoř pro pozorování gravitačních vln“) možná brzy jako první gravitační vlny zachytí – třeba půjde o záření černých děr srážejících se kdesi v kosmu. Projekt LIGO je splněným snem každého fyzika – jde o první přístroj, jenž je dost výkonný na to, aby gravitační vlny naměřil. LIGO sestává ze tří laserových zařízení ve Spojených státech (dvou v Hanfordu ve státě Washington a jednoho v Livingstonu v Louisianě). Jedná se vlastně o součást mezinárodní sítě zahrnující francouzsko-italský detektor nazvaný VIRGO, jenž byl vybudován v italské Pise, japonský detektor nazvaný TAMA, který se nachází u Tokia, a britsko-německý detektor nazvaný GEO600, který stojí v německém Hannoveru. Celkově budou konečné konstrukční náklady na projekt LIGO činit 292 milionů dolarů (plus 80 milionů dolarů na uvedení do provozu a budoucí modernizaci), takže půjde o vůbec nejdražší projekt, který kdy americká grantová agentura (National Science Foundation) financovala.

Laserové detektory na výzkum času a Einsteinovy Obecné teorie relativity 

Laserové detektory používané v rámci projektu LIGO se velice podobají zařízení, které na přelomu minulého století používali Michelson a Morley, když se snažili zachytit éterový vítr, až na to, že dnes se místo běžných světelných paprsků používají paprsky laserové. Laserový paprsek je rozdělen do dvou oddělených svazků, jež se pohybují kolmo k sobě. Po odrazu od zrcadla se oba paprsky opět spojí. Kdyby interferometr zasáhla gravitační vlna, došlo by k narušení délky drah těchto laserových paprsků, což bychom viděli jako interferenční obrazec daný skládáním těchto paprsků. Aby bylo jisté, že signál, jenž do tohoto laserového přístroje narazí, není falešný, je zapotřebí, aby tyto laserové detektory byly rozmístěny po celé zeměkouli. Všechny detektory najednou může potom spustit pouze obrovská gravitační vlna – vlna mnohem větší než Země. NASA a Evropská kosmická agentura řadu těchto laserových detektorů rozmístí v kosmu. Kolem roku 2010 vypustí NASA tři družice nazývané LISA (Laser Interferometry Space Antenna – „kosmická laserová interferometrická anténa“). Budou obíhat kolem Slunce přibližně ve stejné vzdálenosti jako Země. Tyto tři laserové detektory budou v kosmu tvořit rovnostranný trojúhelník (o straně dlouhé okolo 5 milionů kilometrů). Celý systém bude tak citlivý, že dokáže zachytit vibrace o velikosti jedna ku miliardě bilionů, což odpovídá posunu o velikosti setiny průměru jediného atomu, a umožní tím vědcům odhalit původní šokové vlny pocházející ze samotného Velkého třesku.

Nejvýkonnější přístroje na měření času umožní nahlédnout do počátků Vesmíru

Pokud všechno půjde podle očekávání, měla by být LISA schopná nahlédnout do období první biliontiny sekundy po Velkém třesku, takže půjde patrně o nejvýkonnější ze všech kosmologických nástrojů, pomocí nichž zkoumáme zrod vesmíru. Jde o zásadní věc, protože se má za to, že LISA by nám mohla přinést první přesné experimentální údaje o podstatě sjednocené teorie pole, tedy teorie všeho. Dalším důležitým nástrojem, jenž nám Einstein dal, jsou gravitační čočky. Již roku 1936 dokázal, že blízké galaxie mohou působit jako obrovské čočky soustřeďující světlo přicházející ze vzdálených těles. Tyto Einsteinovy čočky byly pozorovány až za mnoho desítek let. Průlom přišel roku 1979, kdy astronomové pozorovali kvazar Q0957+561 a zjistili, že prostor je v této části oblohy deformován a působí jako čočka koncentrující světlo. První pozorování Einsteinova prstence bylo oznámeno roku 1988 u rádiového zdroje MG1131+0456, a od té doby bylo pozorováno kolem dvaceti převážně neúplných prstenců. První plně kruhové Einsteinovy prstence byly pozorovány roku 1997 pomocí Hubbleova vesmírného dalekohledu a britské soustavy radioteleskopů MERLIN (Multi-Element Radio Linked Interferometer Network – „víceprvková rádiově propojená interferometrická síť“). Při rozboru snímku vzdálené galaxie 1938+666 nalezli vědci charakteristický prstenec, který celou galaxii obklopoval. „Na první pohled vypadal nepřirozeně a my jsme si mysleli, že jde o nějakou vadu obrazu, ale potom jsme si uvědomili, že se díváme na dokonalý Einsteinův prstenec!“ řekl dr. Ian Brown z manchesterské univerzity.5 Britské astronomy tento objev velice potěšil a prohlašovali, že to je opravdová trefa do černého.6 Jde o opravdu maličký prstenec. Má rozměr pouze jedné úhlové vteřiny, což je zhruba velikost korunové mince, na kterou se díváme ze vzdálenosti čtyř kilometrů. Jde však o potvrzení předpovědi, kterou Einstein vyslovil o celá desetiletí dříve