НОБЕЛЕВСКИЕ ПРЕМИИ 2005 ГОДА. КВАНТОВАЯ ОПТИКА И СВЕРХТОЧНАЯ ЛАЗЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ
С. ТРАНКОВСКИЙ.
Нобелевская премия по физике 2005 года присуждена исследователям, работающим в области оптики и лазерной техники: Рою Глауберу (США) - "за вклад в квантовую теорию оптической когерентности", Джону Холлу (США) и Теодору Хэншу (Германия) - "за развитие прецизионной лазерной спектроскопии, в частности - за методы комбинационной лазерной спектроскопии в оптическом диапазоне".
ОПТИКА КВАНТОВ
В 1900 году немецкий физик Макс Планк создал теорию теплового излучения, предположив, что оно состоит из потока отдельных частиц, квантов, впоследствии названных фотонами. Так было установлено, что свет имеет двойственную природу: это и набор волн, и поток частиц. Корпускулярные и волновые свойства света проявляются только поврозь, в разных эффектах и явлениях.
В 1963 году Рой Глаубер (Roy J. Glauber) обнародовал разработанный им метод квантования электромагнитного поля для расчета структуры светового поля. В силу квантовой природы излучения состояние светового поля можно определить только статистически - излучение носит "случайный" характер: световые кванты, фотоны, имеют разную длину волны и движутся не в фазе (когерентный лазерный свет свободен от этих недостатков).
Микроструктура светового поля определяется бесконечным числом параметров, точное описание которых дать невозможно. Поэтому на практике можно исследовать только частные характеристики светового поля. Простейшие характеристики поля - его спектр и среднюю интенсивность - легко находят из опытов. Флуктуации поля (отклонения его интенсивности от средней величины), то есть пространственно-временнoе распределение его интенсивности, измеряют одним детектором. Еще более полную информацию дает одновременная регистрация фотонов несколькими приемниками. Они дают картину, которую описывают так называемые корреляционные функции - одно из основных понятий в созданной Р. Глаубером квантовой оптике.
Методы квантовой оптики позволяют исследовать тонкие детали межмолекулярных взаимодействий по изменению показаний фотоприемников при рассеянии света в среде.
НОВЫЙ ЭТАЛОН - ЧАСТОТНАЯ ГРЕБЕНКА
Лазер давно стал незаменимым инструментом для точных измерений. Этому способствуют высокая стабильность лазерного излучения и его монохроматичность, то есть очень узкая частотная полоса излучения, практически - излучение почти одной частоты.
Однако Дж. Холл и Теодор Хэнш (John L. Hall, Theodor W. Hansch) в своих работах показали, что для достижения сверхвысокой точности, напротив, нужен лазер, излучающий огромное число когерентных частот (мод). При их сложении образуется импульс, длительность которого тем меньше, чем больше частот участвует в его образовании. Чтобы получить импульс длительностью 5 фемтосекунд (5·10-15 с), нужно сложить миллион частот, перекрывающих большую часть диапазона видимого света. Их спектр образуют своего рода "гребенку", с "зубьями", соответствующими отдельным частотам.
В результате между зеркалами лазерного резонатора, возникают короткие световые импульсы. Часть света выходит через полупрозрачное зеркало, образуя своего рода "линейку" с делениями в виде сверхкоротких импульсов. Т. Хэнш разработал и продемонстрировал такой режим работы лазера в 1970-х годах, а отечественный исследователь из Новосибирска В. Чеботарев подтвердил его эксперименты.
Однако реальный прорыв в повышении точности измерений произошел в 1999 году, когда лазеры со сверхузкими импульсами потребовались для измерения оптических частот атомных часов, работающих на атомах цезия.
Если измеряемая частота совпадает с одним из "зубьев" спектральной гребенки, то она определяется однозначно. Здесь есть, однако, одна сложность: как найти ее величину, если весь спектр импульса смещается по частоте случайным образом?
Эту задачу решил Джон Холл с сотрудниками в 2000 году. Он показал, что если в "гребенке" наивысшая частота в два раза больше низшей, то искомая частота f0 может быть найдена простым вычитанием частот:
2fn - f2n = 2(nf + f0) - (2nf + f0) = f0,
где f - частота ближайшего "зуба" спектра импульса.
Если спектр недостаточно широк, его можно "растянуть", пропустив импульс через нелинейный кристалл, производящий удвоение частоты.
Разработанная исследователями методика позволяет с невиданной ранее точностью измерить частоты излучений, испускаемых атомами. Особый интерес в этом отношении представляют атомы водорода и антиводорода, которые уже умеют получать и хранить в достаточном количестве. Если окажется, что излучение материи и антиматерии хоть немного различается по частоте, это будет означать, что "антимир" не вполне идентичен нашему миру. Тогда придется пересмотреть не только основные положения физики элементарных частиц, но и космологические модели, а также попытаться отыскать галактики из антиматерии по особенностям их излучения.
