テオドール・W・ヘンシュ：光を数えた物理学者

光は1秒間に約1000兆回振動する。20世紀の大部分において、このため光周波数を数えることは事実上不可能であった。電子機器では追いつけず、物理学者は非常に手間のかかる間接的な比較連鎖によって測定せざるを得ず、世界でも一握りの研究室しか試みることができなかった。テオドール・ヘンシュは、それらを直接数える装置を構築した。光周波数コムは、物理学における最も困難な測定を、大学院生が実験台の上で行えるものに変え、彼に2005年のノーベル物理学賞の4分の1をもたらした。

ハイデルベルク

ヘンシュは1941年10月30日にドイツで生まれ、ハイデルベルクのヘルムホルツ・ギムナジウムで教育を受けた。大学も同市に留まり、1960年代にハイデルベルク大学でディプロマと博士号の両方を取得した。この10年間は、レーザーが1960年に実証された好奇心の対象から、実験光学の中心的なツールへと進化した時期であった。ヘンシュのキャリアは、本質的に、そのツールを精度の限界まで押し上げることで構成されることになる。

スタンフォードとシャウロー

1970年、彼はNATOのポストドクトラルフェローとして大西洋を渡り、スタンフォード大学のアーサー・L・シャウローのグループに加わった。シャウローはレーザーの概念を共同発明し、1981年にノーベル賞を受賞することになる人物である。フェローシップは1972年まで続き、スタンフォードは彼を留任させ、1986年まで助教授を務めた。シャウローの研究室は適切な時期に適切な場所であり、ヘンシュの到着は彼の最初の主要な発明と重なった。

波長可変レーザー

同じく1970年、ヘンシュは極めて高いスペクトル分解能を持つパルスを生成するレーザーを製作した。その精度は約100万分の1で、当時利用可能だったものをはるかに凌駕していた。重要な革新は、回折格子で調整されたレーザー発振器にキャビティ内望遠鏡ビーム拡大を導入したことであり、これにより初の狭線幅波長可変レーザーが実現した。

このフレーズの重要性は説明に値する。レーザーは鋭く定義された単一の色の光を生成するため有用であるが、固定された色は研究したい原子遷移と一致する場合にのみ有用である。狭線幅の波長可変レーザーは、スペクトル純度を保ちながら任意の周波数に調整できるため、実験者は特定の原子内の特定の量子遷移を直接調べることができる。レーザー分光法という実用的な学問は、この能力から始まった。

水素

ヘンシュはその装置を宇宙で最も単純な原子に向けた。水素（陽子1つ、電子1つ）は、量子論が本質的に正確に計算できる唯一の原子であり、理論と測定を比較する自然な場所である。水素遷移の予測周波数と観測周波数の間のいかなる不一致も、基礎物理学そのものの不一致である。

ヘンシュは波長可変レーザーを使用して、水素のバルマー線の遷移周波数を誰も近づけなかった精度で測定した。その後、続くツールを用いて、ライマン線の測定を100兆分の1まで押し上げた。その分解能において、水素原子は計量標準となる。それはリュードベリ定数を固定し、陽子のサイズを制限し、量子電磁力学をその妥当性の限界でテストする。

周波数コム

さらに進むための障害は計数であった。光領域の周波数は従来の時計で測定するには速すぎ、ギャップを埋めるために構築された精巧な周波数連鎖は部屋の大きさで、気難しく、ほとんどどこにも存在しなかった。

1990年代後半、ガーヒングのマックス・プランク研究所で、ヘンシュは光周波数コム発生器を開発した。コムとは、極めて規則的な超短パルス列を生成するレーザーであり、そのスペクトルは均等に間隔を空けられた正確に既知の数百万の周波数で構成されている。これは周波数空間における歯付きの定規である。未知の光周波数は最も近い歯と比較でき、コム自体をマイクロ波原子時計にロックできる。その結果、時計が数えられる無線周波数と可視光の光周波数の間に直接的なリンクが生まれ、以前の方法よりも数百万倍正確な測定が可能になった。

その結果は広範囲に及ぶ。光原子時計、衛星ナビゲーション、相対性理論のテスト、宇宙論的時間スケールでの基礎定数のドリフトの探索はすべてコムに基づいている。微細構造定数がゆっくりと変化している場合、コムはそれを検出する装置となる。

ノーベル賞

2005年、ヘンシュは光周波数コム技術を含むレーザーベースの精密分光法の発展への貢献により、ジョン・L・ホールおよびロイ・J・グラウバーと共同でノーベル物理学賞の4分の1を受賞した。その評価は20年にわたって蓄積されていた。1983年のコムストック物理学賞、1986年のアルバート・A・マイケルソン・メダル、1989年のゴットフリート・ヴィルヘルム・ライプニッツ賞、1995年のアインシュタイン・レーザー科学賞、1996年のアーサー・L・シャウロー賞、2000年のシュテルン・ゲルラッハ・メダルである。ノーベル賞の年には、オットー・ハーン賞、I・I・ラビ賞、フレデリック・アイヴズ・メダルなど、さらに多くの賞がもたらされた。アメリカ光学会は2008年に彼を名誉会員にした。

ミュンヘン

ヘンシュは1986年にマックス・プランク量子光学研究所の所長としてドイツに戻り、ミュンヘンのルートヴィヒ・マクシミリアン大学で実験物理学およびレーザー分光学の教授職を務めている。彼の研究室は現代光学において最も生産的な訓練の場の一つであり、彼の博士課程の学生であるカール・E・ワイマンは、ボース＝アインシュタイン凝縮の生成により2001年のノーベル物理学賞を受賞した。

ヘンシュが重要な理由

彼は装置の構築者であり、装置は理論よりも長生きする。狭線幅の波長可変レーザーは物理学者に光の色を制御する力を与え、周波数コムは振動を数える能力を与えた。これらは共に、光測定を少数の専門家による芸術から標準的な技術へと移行させ、基礎物理学の精度を数桁向上させた。現在稼働しているすべての光原子時計、そして自然の法則が本当に一定であるかどうかを確かめる将来のすべてのテストは、ヘンシュが構築した定規に依存している。