Век Вселенной с точностью до секунды

Рой Глобер разрешил фундаментальную проблему квантовой оптики – и получил за это Нобелевскую премию.
Фото Reuters

В этом году Нобелевская премия по физике присуждена сразу трем ученым – половину десяти миллионов шведских крон (1,3 млн. долларов) получил теоретик из США Рой Глобер (1925 г.), остальную половину разделили между собой американец Джон Холл (1934 г.) и Теодор Ханч (1941 г.) из Мюнхена. Первый награжден «за вклад в квантовую теорию оптической когерентности», остальные – «за их вклад в развитие прецизионной лазерной спектроскопии».

Профессор Гарвардского университета Рой Глобер, бывший участник Манхэттенского проекта, в 1963 году в двух своих основополагающих статьях показал принципиальную разницу между светом, излучаемым тепловым источником, скажем, электрической лампочкой, и лазером, испускающим фотоны одной, строго определенной частоты.

Эйнштейновской гипотезе о том, что свет состоит из квантов, исполнилось сто лет; до тех пор думали, что это электромагнитные волны. Чуть позже было показано, что обе гипотезы верны и что эти самые кванты – фотоны – одновременно являются и материальными частицами, и электромагнитными волнами. В начале шестидесятых, когда Рой Глобер разрешил фундаментальную проблему квантовой оптики, было уже в принципе известно, что если свет представляет собой хаотичный набор фотонов с разными частотами, то он больше похож на рой пуль, чем на классическую электромагнитную волну. Чтобы приобрести «волноподобие», фотоны должны быть синхронизированы, то есть должны иметь одинаковую частоту и фазу.

Главное, что сделал Глобер в своих статьях – детально описал свойства такого «когерентного» состояния фотонов и особенности их взаимодействия с детекторами. Он объяснил многие до него непонятные квантово-оптические эффекты, такие, например, как тенденция синхронизированных фотонов собираться вместе или, наоборот, избегать друг друга в зависимости от обстоятельств. По сути дела, Глобер получил премию за то, что дал начало науке под названием «квантовая оптика».

Два других лауреата, профессор Джон Холл, научный руководитель Национального института стандартов и технологии (США), и профессор Теодор Ханч, директор Института квантовой оптики Макса Планка (Германия), тоже считаются отцами-основателями квантовой оптики, но уже с инженерной стороны. В 1984 году они реализовали его теоретические выкладки, независимо друг от друга научившись манипулировать лазерными световыми потоками и измерять частоту света с точностью до пятнадцатого знака после запятой. На то, чтобы созданные ими суперчасы ушли вперед или отстали всего на одну секунду, нужно время, равное возрасту Вселенной. Ученые вдобавок создали технику «частотной расчески», позволяющую на основе лазеров создавать свет с любым оптическим спектром. Их работа впоследствии была использована во многих практических приложениях – таких, как проверка постоянства природных констант, создание крайне точных атомных часов и разработка технологии GPS.

Ожидается, что их разработки будут крайне востребованы в квантовых компьютерах, квантовой криптографии и голографии, то есть везде, где все зависит от лазеров и точности. Профессор Ханч, например, нашел своим приборам довольно экзотическое применение – с их помощью он пытается увидеть, чем антиматерия отличается от материи.

«Инженерная» сторона вопроса совершенно справедливо была учтена Нобелевским комитетом при распределении физической премии – кому как не ему знать, насколько важна в науке точность измерения. Как только уровень точности и стабильности техники повышается, экспериментаторы получают возможность наблюдать эффекты, которых раньше не видели. Множество Нобелевских премий по физике присуждено за открытия, сделанные в результате именно такого повышения точности.