תיאודור וו. האנש: הפיזיקאי שספר את האור
האור מהדהד בערך מיליון מיליארד פעמים בשנייה. במשך רוב המאה העשרים הפך הדבר את התדרים האופטיים לבלתי ניתנים לספירה מעשית – שום אלקטרוניקה לא הצליחה לעמוד בקצב, והפיזיקאים נאלצו למודד אותם באמצעות שרשראות השוואה עקיפות כל כך מסורבלות שרק מספר מועט של מעבדות בעולם ניסו אותן. תיאודור האנש (Theodor Hänsch) בנה את המכשיר שסופר אותם ישירות. מסרק התדרים האופטי הפך את המדידה הדורשת ביותר בפיזיקה למשהו שסטודנט לתואר שני יכול לבצע על שולחן עבודה, והוא זיכה אותו ברבע מפרס נובל בפיזיקה לשנת 2005.
היידלברג
האנש נולד ב-30 באוקטובר 1941 בגרמניה, והתחנך בגימנסיה הלמהولتץ (Helmholtz-Gymnasium) בהיידלברג. הוא נשאר בעיר לצורך לימודיו האוניברסיטאיים, כשהוא משלים הן את הדיפלומה שלו והן את הדוקטורט שלו באוניברסיטת היידלברג במהלך שנות ה-60 – העשור שבו עבר הלייזר מסקרנות הודגמה ב-1960 לכלי המרכזי של אופטיקה ניסיונית. הקריירה של האנש תורכב, במהותה, מדחיפת כלי זה לקצוות של משמעות הדיוק.
סטנפורד ושאוולו
בשנת 1970 הוא חצה את האוקיינוס כעמית פתר-דוקטורט מטעם נאט"ו באוניברסיטת סטנפורד (Stanford University), והצטרף לקבוצתו של ארתור ל. שאוולו (Arthur L. Schawlow), שהמציא במשותף את רעיון הלייזר ויזכה בפרס נובל משלו ב-1981. המלגה נמשכה עד 1972, וסטנפורד שמרה עליו: הוא כיהן שם כפרפסור משנה עד 1986. מעבדת שאוולו הייתה המקום הנכון בזמן הנכון, והגעתו של האנש חפפה להמצאתו הגדולה הראשונה.
הלייזר הניתן לכוונון
גם ב-1970 האנש ייצר לייזר המפיק פולסים ברזולוציה ספקטרלית גבוהה באופן יוצא דופן – דיוק של כחלק אחד ממיליון, הרבה מעבר לכל מה שהיה זמין באותה עת. החידוש המרכזי היה הכנסת הרחבת אלומת טלסקופ בתוך חלל הדהוד אל מסנני תדרים של מתנדיי לייזר מבוססי סריג, דבר שהפיק את הלייזר הניתן לכוונון הראשון בעל קו צר.
החשיבות של אותו מונח ראויה להסבר. לייזר מייצר אור בצבע יחיד ומוגדר בחדות, מה שהופך אותו לשימושי; אך צבע קבוע שימושי רק אם הוא במקרה תואם את המעבר האטומי שברצונך לחקור. לייזר ניתן לכוונון עם קו צר יכול להיות ממוקד לכל תדר נבחר תוך שמירה על טוהר ספקטרלי, מה שאומר שניסוין יכול לפנות למעבר קוונטי מסוים באטום מסוים ולשאול אותו ישירות. ספקטרוסקופיית לייזר כדיסציפלינה פועלת מתוארכת מאותה יכולת.
Twenty questions, eight minutes on the clock, and a percentile measured against everyone who has taken it. No sign-up.
Take the IQ test →מימן
האנש הפנה את המכשיר אל האטום הפשוט ביותר ביקום. מימן – פרוטון אחד, אלקטרון אחד – הוא האטום היחיד שרמות האנרגיה שלו יכולות להיות מחושבות על ידי התאוריה הקוונטית באופן מהותי בדיוק מוחלט, מה שהופך אותו למקום הטבעי לבחינת התאוריה מול מדידה. כל סטייה בין התדר החזוי לזה הנצפה של מעבר מימן היא סטייה בפיזיקה הבסיסית עצמה.
באמצעות הלייזר הניתן לכוונון שלו, האנש מדד את תדר המעבר של קו באלמר של המימן בדיוק שאף אחד לא התקרב אליו. מאחר יותר, באמצעות הכלים שבאו בעקבותיו, הוא דחף את מדידת קו לימן לחלק אחד ממאד טריליון. ברזולוציה זו, אטום המימן הופך לתקן מטרולוגי: הוא מקבע את קבוע רידברג (Rydberg constant), מגביל את גודל הפרוטון, ובודק את האלקטרודינמיקה הקוונטית בקצה תקפותה.
מסרק התדרים
המכשול להמשך התקדמות היה הספירה. תדרים בטווח האופטי מהירים פשוט מכדי להימדד מול שעון בדרך הקונבנציונלית, ושרשראות התדרים המורכבות שנבנו כדי לגשר על הפער היו בגודל של חדר, מזגניות וזמעט ולא היו זמינות בשום מקום.
במהלך סוף שנות ה-90, במכון מקס פלאנק (Max Planck Institute) שבגארחינג (Garching), האנש פיתח את מחולל מסרק התדרים האופטי. מסרק הוא לייזר המייצר שורת פולסים קצרים במיוחד וסדירים ביותר שספקטרום שלהם מורכב ממיליוני תדרים מרווחקים באופן שווה וידועים במדויק – סרגל במרחב התדרים, עם שיניים. כל תדר אופטי לא ידוע יכול להיות מושווה אל השן הקרובה ביותר, והמסרק עצמו יכול להיות נעול לשעון אטומי מיקרו-גל. התוצאה הייתה קשר ישיר בין תדרי הרדיו שעון יכול לספור לבין התדרים האופטיים של אור הנראה, מה שמספק מדידות המדויקות פי מיליונים מהשיטות שהוחלפו.
ההשלכות מרחיקות לכת. שעונים אטומיים אופטיים, ניווט לוויני, מבחנים של תורת היחסות וחיפושים אחר סחיפה של קבועים בסיסיים לאורך זמן קוסמולוגי נסמכים כולו על המסרק. אם קבוע המבנה הדק משתנה לאט, המסרק הוא המכשיר שיזהה זאת.
פרס נובל
בשנת 2005 קיבל האנש רבע מפרס נובל בפיזיקה עבור תרומות לפיתוח ספקטרוסקופיית דיוק מבוססת לייזר, כולל טכניקת מסרק התדרים האופטי, כשהוא חולק את הפרס עם ג'ון ל. הול (John L. Hall) ורוי ג'. גלאובר (Roy J. Glauber). ההכרה הצטברה במשך שני עשורים: פרס קוסטוק בפיזיקה (Comstock Prize in Physics) ב-1983, מדליית אלברט א. מייכלסון (Albert A. Michelson Medal) ב-1986, פרס גוטפריד וילהלם לייבניץ (Gottfried Wilhelm Leibniz Prize) ב-1989, פרס איינשטיין למדעי הלייזר ב-1995, פרס ארתור ל. שאוולו ב-1996, מדליית שטרן-גרלאך (Stern-Gerlach Medal) ב-2000. שנת נובל הביאה עמה אשכול של פרסים נוספים: פרס אוטו האן, פרס א.י. ראבי ומדליית פרדריק אייבס. האגודה האופטית של אמריקה הפכה אותו לחבר כבוד ב-2008.
מינכן
האנש חזר לגרמניה ב-1986 כמנהל מכון מקס פלאנק לאופטיקה קוונטית (Max-Planck-Institut für Quantenoptik), ומחזיק בקתדרה לפיזיקה ניסיונית וספקטרוסקופיית לייזר באוניברסיטת לודוויג מקסימיליאן במינכן (Ludwig Maximilian University of Munich). מעבדתו הייתה בין קרקעות הגידול הפוריות ביותר באופטיקה המודרנית; תלמיד הדוקטורט שלו קארל א. וימן (Carl E. Wieman) זכה בפרס נובל בפיזיקה לשנת 2001 עבור יצירת עיבוי בוזה-איינשטיין.
מדוע האנש חשוב
הוא בונה כלים, وكلים מאריכים ימים יותר מתאוריות. הלייזר הניתן לכוונון בעל הקו הצר העניק לפיזיקאים שליטה על צבע האור; מסרק התדרים העניק להם את היכולת לספור את התנודות שלו. יחד הם העבירו את המדידה האופטית מאמנות המתרגלת על ידי מעטים מומחים לטכניקה סטנדרטית, והם העלו את הדיוק של הפיזיקה הבסיסית בכמה סדרי גודל. כל שעון אטומי אופטי הפועל כיום – וכל מבחן עתידי לשאלה האם חוקי הטבע אכן קבועים – תלוי בסרגל שהאנש בנה.