Рой Глаубер, фото American Physical Society; Джон Холл, фото с сайта http://www.nist.gov/; Теодор Хэнш, фото с сайта http://www.mpq.mpg.de/~haensch/

Медали за безукоризненную точность

Лауреатами Нобелевской премии по физике стали создатели сверхточных лазеров

Люди и институты, которые предсказывали сегодняшних нобелевских лауреатов-физиков, снова ничего не угадали: в декабре в Стокгольм за наградой отправятся немецкий и американские ученые, не слишком известные публике. Около 40 лет назад профессор Рой Глаубер прояснил квантовую природу света, благодаря чему Джон Холл и Теодор Хэнш смогли создать сверхточные инструменты, позволяющие проследить за изменением фундаментальных констант. Если вдуматься, в том, что за попытку попробовать мир на прочность присуждена Нобелевская премия, ничего удивительного нет.

Глаубер, Холл и Хэнш - специалисты по квантовой оптике. Эта отвлеченная дисциплина возникла одновременно с лазерами - источниками когерентного монохроматического света. До того, как они были изобретены, физики сталкивались только с излучением нагретых тел - беспорядочным и "несогласованным" потоком волн разной длины. Лазеры сразу сделались универсальным инструментом для решения разнообразных физических проблем: намного проще предсказать поведение когерентного светового пучка, чем света от обычной лампы накаливания. Особенно если речь идет о явлениях микромира: лампа посылает к микрообъекту не "усредненный" ровный свет, а "случайные" фотоны с неодинаковой энергией. Напротив, идеальный лазер светит всегда одинаково.

Работы Роя Глаубера были посвящены как раз тому, что происходит в случае "плохих" - слабых и некогерентных - источников излучения. Инструменты обычной квантовой механики не годились, чтобы точно описать действие небольших количеств света. Глаубер заметил, что отклонения от ожидаемых результатов связаны с фотоэлектронным эффектом внутри приемника - электромагнитные явления в нем оказываются для наблюдателя единственным источником знаний о свете. (Если, например, приемник - фотопленка, то ее почернение вызвано тем, что поглощенный фотон отрывает электрон от какого-нибудь отрицательного иона и "возвращает" его иону серебра). Ученый объяснил это в 1963 году с помощью квантовой электродинамики - теории, возникшей при "смешении" старой квантовой теории с эйнштейновским релятивизмом. Было показано, что рассмотрение когерентности и некогерентности должно основываться на "коллективном поведении" фотонов. При этом отклонения от идеального случая не подчиняются привычной статистике. В предложенном альтернативном распределении фигурировали, например, отрицательные вероятности.

Когда революционная статья была написана, лазеры были еще весьма далеки от совершенства. Однако у Глаубера весьма скоро нашлись вдумчивые читатели, которым захотелось изменить эту ситуацию. Зная, как выглядят отклонения, они нашли способ их минимизировать. После этого лазеры стали пригодны для передачи сверхслабых сигналов отдельными фотонами.

Позже новая теория когерентности оказалась востребована математиками. Авторы квантовой криптографии и квантовых вычислений предложили использовать в качестве единицы информации двухуровневую квантовую систему - кубит. В отличие от обычного бита, такая система может принимать бесконечное число состояний, которые являются комбинациями исходных двух. Лучшим переносчиком кубита является фотон поляризованного света (два уровня отвечают различным направлениям поляризации). С помощью лазера нужную чатицу легко сгенерировать и отправить вдоль оптического волокна, зная, что с ней случится за время пути. Очевидно, что подобный способ передачи информации безопасен - при любой попытке "подслушать" злоумышленник изменит состояние фотона, и утечка данных не останется незамеченной. Впрочем, математические последствия глауберовского открытия давно стали самостоятельной наукой, развивающейся независимо от физики.

В отличие от Роя Глаубера, Джон Холл и Теодор Хэнш занимались "инженерной" стороной усовершенствования лазера. А именно, они пытались добиться максимальной когерентности и монохроматичности - и добились. Хотя способность генерировать свет с точной длиной волны считается главным свойством лазера, большинство реальных излучателей отклоняется от такого поведения. Пучок обычно состоит из "смеси" волн близкой длины, что чаще всего объясняют эффектом Допплера. Эффект, заключающийся в том, что движущееся тело меняет цвет, помог астрофизикам узнать о расширении Вселенной, но долгое время был головной болью оптиков. Атомы внутри рабочего тела лазера движутся с неодинаковыми скоростями, отчего цвет луча непостоянен. Это непостоянство мало и незаметно, пока речь не идет о сверхточных измерениях - а они требуют привлечения лазеров весьма часто.

Идея отказаться от старых эталонов физических величин возникла в середине двадцатого века. Выяснилось, что платиново-иридиевые бруски, представляющие килограмм и метр в Парижской палате мер и весов, не слишком точно справляются со своей задачей. То же можно было сказать и о секунде, которую определяли как фиксированную часть астрономических суток. Предполагалось связать фундаментальные единицы с каким-нибудь не менее фундаментальным процессом. На такую роль вполне подходило распространение света в вакууме - и с его помощью решили переопределить одновременно единицы времени и расстояния. С 1967 года метром называют путь, который проходит свет, испущенный при определенных обстоятельствах атомом цезия-133, за 9192631770 колебаний, а секундой - интервал, за который свет преодолеет 299792458 метров. Сложность, с которой столкнулись исследователи, была до обидного банальной - не существовало подходящих измерительных приборов, чтобы зафиксировать "старт" и "финиш" светового пучка.

Решение было найдено Холлом и Хэншем, изготовившими лазеры с жестко зафиксированной длиной волны. Как и предписывает стандарт, с их помощью измеряли переход между энергетическими уровнями в атоме цезия. С целью проверки тем же способом оценили переходы в водороде - это единственный атом, для уровней которого есть явные формулы. Таким образом, теперь лазеры можно использовать как часы, сообщающие время с точностью до 18 знаков после запятой.

Однако за часы, пусть даже самые точные в мире, редко награждают Нобелевской премией. Разгадка в том, что прецизионные приборы позволяют оценивать и сравнивать самые главные физические постоянные - константы, обеспечивающие привычную нам структуру Вселенной. Некоторое время назад астрономы усомнились в постоянной тонкой структуры α, небольшого изменения которой было бы достаточно, чтобы прекратился нуклеосинтез звезд. Наблюдая удаленные галактики, ученые пришли к выводу (с которым согласны далеко не все), что α изменяется на миллионные доли за несколько миллиардов лет. Точность "лазерного" метода дает возмрожность проверить это утверждение на Земле за куда меньшее время.

Согласно решению шведских академиков, Рою Глауберу достанется половина премии, Джону Холлу и Теодору Хэншу - по одной четвертой. 8 декабря 2005 года ученые выступят в Стокгольмском университете с нобелевскими лекциями. Если каждая продлится час, свет пройдет за это время в вакууме 3 миллиарда 237 миллионов 758 тысяч 546 метров 40 сантиметров.