Нобелевская премия 2005 года: физика

Мы продолжаем знакомить вас с лауреатами Нобелевской премии нынешнего года в области естественных наук. На прошлой неделе речь шла о медицине, сегодня на очереди – рассказ о лауреатах-физиках.

Их трое. Одна половина премии досталась физику-теоретику американцу Рою Глоберу (Roy J. Glauber), вторую половину поделили между собой физики-экспериментаторы американец Джон Холл (John L. Hall) и немец Теодор Хенш (Theodor Wolfgang Hänsch). Согласно официальной формулировке Нобелевского комитета, Глоберу премия присуждена за вклад в создание квантовой теории оптической когерентности; Холл и Хенш удостоились награды за вклад в разработку высокоточной лазерной спектроскопии, включая метод частотной оптической гребёнки. В том, что же это такое, мы попробуем разобраться чуть позже, призвав на помощь самих лауреатов, а пока давайте познакомимся с ними поближе.

Профессору Рою Глоберу 80 лет, но он и не думает уходить на пенсию: до сих пор ведёт активную научную работу и преподаёт в своём родном Гарвардском университете. Глобер родился в 1925-м году в Нью-Йорке. Его отец был разъездным коммивояжёром, и от него учёный унаследовал давнюю тягу к странствиям, которая не угасла поныне. Правда, речь идёт о сугубо деловых поездках, а не об увеселительных вояжах. Не далее как в июне нынешнего года Глобер, несмотря на весьма преклонный возраст, побывал в очередной раз в Германии, в Институте квантовой оптики Общества имени Макса Планка в Гархинге близ Мюнхена, том самом институте, который возглавляет другой нобелевский лауреат нынешнего года – Теодор Хенш. Глобер, естественно, с ним прекрасно знаком, хотя издавна более тесно сотрудничает с другим немецким учёным – Хербертом Вальтером (Herbert Walther). Вальтер экспериментирует с ионами, а Глобер обеспечивает расчёты и теоретическое обоснование результатов опытов. В рамках этого двустороннего сотрудничества американский учёный чуть ли не ежегодно проводит лето в Гархинге. Впрочем, интерес к Германии проснулся у Глобера очень давно: он ещё в школе в качестве иностранного языка выбрал немецкий. Студентом Глобер принял участие в работе над Манхэттенским проектом в Лос-Аламосской национальной научной лаборатории, а после окончания Гарвардского университета и защиты там же диссертации по специальности «теоретическая физика» в 1949-м году посвятил себя исследовательской и преподавательской деятельности, которой активно занимается ещё и сегодня, то есть вот уже более полувека. Телефонный звонок из Стокгольма раздался среди ночи и стал для учёного полной неожиданностью:

Я сразу понял, что случилось что-то серьёзное, ведь по пустякам в такое время суток не звонят, а когда услышал, в чём дело, решил поначалу, что это шутка, розыгрыш, хотя и помнил, что именно в эти дни должны быть объявлены имена новых нобелевских лауреатов. Я до сих пор не свыкся с мыслью о премии, верю в это с трудом. У меня не было ни малейшего предчувствия.

Столь же неожиданной стала награда и для Джона Холла, лишь накануне вечером вернувшегося из 3-недельного отпуска:

Я на это, конечно, совершенно не рассчитывал, ничего даже не предполагал. Я читал о том, как другие люди реагировали на ночной звонок из Стокгольма, на известие о присуждении им премии, но никогда не представлял в этой роли себя. Я даже и не знаю, что сказать. Когда я приду в себя, я придумаю пару эффектных фраз, но пока я действительно в полном замешательстве.

Профессору Джону Холлу 71 год, и он тоже не собирается на заслуженный отдых. Холл родился в 1934-м году в Денвере, штат Колорадо. В 1956-м году он закончил Технологический институт Карнеги в Питтсбурге, штат Пенсильвания, 5 лет спустя там же защитил докторскую диссертацию по специальности «экспериментальная физика». С 1961-го года и по настоящее время Холл работает в Национальном бюро стандартов (которое сегодня называется Национальный институт стандартов и технологий). Параллельно Холл трудится ещё в двух научных учреждениях: с 1964-го года ведёт исследования в Объединённом институте экспериментальной астрофизики в Боулдере, штат Колорадо, а с 1967-го года – читает лекции студентам Колорадского университета. Кроме того, профессор является основателем и владельцем коммерческой фирмы, специализирующейся на проведении сложных физических измерений с применением высокоточной лазерной техники. Но и это не всё: пожилой учёный находит силы и время и для хобби – увлечения архитектурой. В частности, свой последний отпуск Холл потратил на то, чтобы объездить полстраны и осмотреть здания, построенные по проектам знаменитого архитектора Фрэнка Ллойда Райта (Frank Lloyd Wright). И даже на обустройство сада во дворе своего дома новоиспечённый нобелевский лауреат умудряется выкраивать время.

Самый молодой из троицы физиков, удостоенной премии нынешнего года, – Теодор Хенш, 63-летний профессор физики Мюнхенского университета и директор Института квантовой оптики Общества имени Макса Планка в Гархинге близ Мюнхена. Звонок из Стокгольма застал учёного в его рабочем кабинете – в отличие от США, в Германии трудовой день был в самом разгаре:

Я сидел за письменным столом, в это время зазвонил телефон, и секретарша спросила, может ли она меня соединить, потому что звонят из Стокгольма. А поскольку я знал, что сегодня должны быть объявлены имена лауреатов, это породило робкую надежду, которая, к моей огромной радости, оправдалась.

Теодор Хенш родился в 1941-м году в Гейдельберге. Увлечение физикой и, прежде всего, экспериментальной физикой, проявилось у него с детства и осталось самой главной страстью на всю жизнь.

Ещё когда я был мальчишкой, у меня в подвале дома в Гейдельберге была оборудована небольшая лаборатория, где я ставил всякие детские опыты. Отец подарил мне газовую горелку, и я впервые увидел, как меняется цвет пламени, когда в него вносишь щепотку поваренной соли. Это моё первое знакомство со спектроскопией, с природой и свойствами света очень меня заинтересовало.

Хенш закончил университет в своём родном Гейдельберге, там же в 1969-м году защитил диссертацию и уехал работать в США, в Стэнфордский университет. Там, в Калифорнии, он и получил звание профессора. Об этом периоде жизни Хенш до сих пор вспоминает с восторгом.

Я провёл 16 лет в Стэнфорде. Это был – и есть до сих пор – один из самых выдающихся университетов, в котором действительно закладываются основы нашего с вами будущего. Микрокомпьютерная революция, Интернет – всё это зародилось там. Впрочем, сегодня и в Германии созданы очень неплохие условия для научной деятельности, прежде всего, в институтах Общества имени Макса Планка.

В конце 70-х и первой половине 80-х годов Хенш объездил полмира: читал лекции в Японии и во Франции, в США и в Италии. В 1986-м году учёный вернулся на родину и с тех пор преподаёт и ведёт исследовательскую работу преимущественно в Германии. Именно здесь, в частности, в 1998-м году была выполнена и награждённая теперь работа. Но учёный продолжает, конечно, выступать с докладами и за рубежом. Иногда это бывает на редкость некстати. Так, по-настоящему отпраздновать с коллегами по институту присуждение Нобелевской премии Хеншу не удалось: ему надо было мчаться в аэропорт, иначе он опоздал бы на рейс в Сан-Франциско, а ведь уже на следующий день ему предстояло читать лекцию в университете в Бёркли.

Так в чём же состоят выдающиеся научные заслуги новоиспечённых лауреатов? Принимая решение, Нобелевский комитет, видимо, учёл и то обстоятельство, что нынешний год отмечается во всём мире как год Эйнштейна. Ровно сто лет назад великий учёный опубликовал в журнале «Анналы физики» 4 небольшие статьи, которым было суждено совершить подлинный переворот в науке и радикально изменить наши представления о Вселенной. Одна из этих работ – кстати, именно за неё, а вовсе не за создание теории относительности, сам Эйнштейн получил в 1921-м году Нобелевскую премию по физике, – была посвящена фотоэлектрическому эффекту, то есть явлению испускания электронов поверхностью металла под воздействием электромагнитного излучения. Именно в этой работе учёный выдвинул, в частности, смелую гипотезу, предположив, что свет обладает двойственной природой. Дело в том, что проводившиеся на протяжении веков многочисленные оптические опыты свидетельствовали о том, что свет в большинстве случаев ведёт себя как волна, однако некоторые явления, включая фотоэлектрический эффект, могли быть объяснены только при условии, что свет является потоком частиц. Этот дуализм, эта корпускулярно-волновая природа света и легли в основу теории, детально разработанной профессором Глобером. Недаром его именуют отцом квантовой оптики. Впрочем, сам он относится к этому титулу не без юмора:

Я только надеюсь, что это не просто дань моему всё-таки весьма преклонному возрасту...

Но тут же переходит на более серьёзный тон:

С одной стороны, этой дисциплины действительно не существовало до начала 60-х годов. А с другой стороны, это не совсем так. Все и раньше уже прекрасно понимали, что свет обладает дискретной структурой, хотя большинство наблюдаемых эффектов вполне могли быть объяснены в рамках волновой модели. То есть некоторые явления, связанные с корпускулярными свойствами света, просто не воспринимались всерьёз, потому что в этом тогда, казалось, не было необходимости. В рамках старой оптики, которая оперирует такими понятиями как яркость света, то есть среднее значение яркости, и не учитывает статистические свойства света, учёные вполне могли обойтись прежними традиционными подходами, и создавать новую теорию всем было лень. У меня же в начале 60-х годов создалось впечатление, что некоторые научные открытия и технические разработки всё настоятельнее требуют создания более объёмной версии квантовой теории, полной квантовой теории, которая получила устрашающее название «квантовая электродинамика».

Безмерно упрощая, можно сказать, что Глобер на бумаге, используя сложный математический аппарат, теоретически объяснил и обосновал принципиальное отличие света, излучаемого тепловым источником, от света, излучаемого лазером. Что же касается Холла и Хенша, то они, основываясь на теории Глобера, экспериментально разработали способ сверхточного измерения оптических частот. Профессор Хенш поясняет:

Нам удалось создать относительно компактный прибор – так называемую частотную гребёнку, – который позволяет измерять любые оптические частоты, причём уже сегодня мы делаем это с точностью до 16-го знака.

Частотная гребёнка Холла и Хенша размерами напоминает коробку из-под обуви:

В этом, собственно, и состоит наша главная инновация. Измерять частоты электромагнитных волн в диапазоне видимого света учёные умели и до нас, но им приходилось пользоваться исключительно сложным, громоздким и дорогим оборудованием, которое к тому же могло измерять лишь какую-то одну частоту. Наш прибор позволяет измерять любые, в том числе и сверхвысокие частоты.

Проблема состоит в том, что эти оптические частоты слишком велики и не поддаются прямому измерению – скажем, синий свет имеет частоту около одного квадриллиона колебаний в секунду, то есть примерно миллиард гигагерц. Предложенная Холлом и Хеншем частотная гребёнка – это своего рода оптическая линейка, гребенчатый спектр, генерируемый скоростным импульсным лазером.

Делая вспышки всё более короткими, я получаю всё более широкий спектр. Но спектр одного импульса будет непрерывным, никаких дискретных пиков в нём нет. Гребёнка получается, если использовать множество последовательных импульсов. Причём это должен быть строго периодический процесс, который в математике описывается так называемым тригонометрическим рядом Фурье. Элементы этого ряда и являют собой пики спектра, то есть зубья гребёнки.

Принцип, положенный в основу прибора, профессор Хенш излагает так:

Представим себе, что у меня есть лазер непрерывного излучения, частоту которого я хочу измерить. С помощью специального устройства для расщепления светового пучка на основе системы зеркал я могу наложить луч лазера на эталонную частотную гребёнку и полученный суммарный луч направить на фотодетектор. Тот зарегистрирует низкочастотные колебания интенсивности, вызванные интерференцией луча лазера с эталонным спектром. Зная частоту эталонного спектра и частоту интерференционных колебаний, я без особого труда смогу вычислить интересующую меня частоту лазерного луча.

Понятно, что такого рода измерения необходимы, прежде всего, в области фундаментальных исследований, однако этим дело не ограничивается.

Эта частотная гребёнка будет иметь и прикладное значение. В частности, открываются перспективы её применения в области информатики и телекоммуникации. Чтобы повысить пропускную способность волоконно-оптических сетей, для одновременной транспортировки разных пакетов данных в одном и том же волокне уже сегодня используются световые сигналы разных цветов. Дальнейшее уплотнение каналов возможно лишь за счёт сближения частот используемых синхронно световых сигналов, что позволит увеличить их количество. Но для этого надо уметь очень точно контролировать цвета, то есть измерять частоты этих сигналов. Я думаю, в недалёком будущем количество таких сигналов в одном волокне будет исчисляться сотнями тысяч, и наша частотная гребёнка будет играть тут ключевую роль.

Столь же незаменимой частотная гребёнка может оказаться и при создании сверхточных часов. Такие оптические часы по точности превосходят лучшие атомные часы обычной конструкции на три порядка, то есть в тысячу раз. Сверхточные часы необходимы, например, для спутниковой навигации, а также для проверки некоторых положений общей теории относительности Эйнштейна. Кроме того, они позволят ответить на вопрос, действительно ли постоянны мировые константы или они, пусть и крайне медленно, но всё же меняются.

О том, что научная деятельность нынешних лауреатов продолжает приносить плоды, свидетельствует и сообщение, распространённое информационными агентствами совсем недавно, уже после присуждения Нобелевской премии. Из него следует, что в Институте квантовой оптики, где директором профессор Хенш, группе исследователей удалось на протяжении 17-ти секунд удерживать в ловушке отдельные охлаждённые атомы рубидия. Столь экзотическое достижение – важный шаг на пути к созданию так называемого распределённого квантового компьютера, которому, судя по всему, принадлежит будущее.

Вот и всё на сегодня в радиожурнале «Наука и техника». Через неделю выйдет в эфир последняя из трёх передач, посвящённых лауреатам Нобелевской премии 2005-го года в области естественных наук. Речь в ней пойдёт о химии.