Теодор В. Хэнш: Физик, который считал свет

Свет колеблется примерно миллион миллиардов раз в секунду. На протяжении большей части двадцатого века это делало оптические частоты практически неисчислимыми — никакая электроника не могла за ними угнаться, и физикам приходилось измерять их с помощью косвенных цепочек сравнения, настолько трудоемких, что лишь немногие лаборатории в мире пытались их использовать. Теодор Хэнш создал прибор, который считает их напрямую. Оптический частотный гребенчатый генератор превратил самую сложную задачу физики в нечто, что аспирант может сделать на лабораторном столе, и принес ему четверть Нобелевской премии по физике 2005 года.

Гейдельберг

Хэнш родился 30 октября 1941 года в Германии и получил образование в гимназии Гельмгольца в Гейдельберге. Он остался в городе для обучения в университете, получив как диплом, так и докторскую степень в Гейдельбергском университете в 1960-х годах — десятилетии, когда лазер превратился из курьеза, продемонстрированного в 1960 году, в центральный инструмент экспериментальной оптики. Карьера Хэнша, по сути, заключалась в доведении этого инструмента до пределов того, что означает точность.

Стэнфорд и Шавлов

В 1970 году он пересек Атлантику в качестве постдокторанта НАТО в Стэнфордском университете, присоединившись к группе Артура Л. Шавлова, который был соавтором концепции лазера и получил свою собственную Нобелевскую премию в 1981 году. Стипендия действовала до 1972 года, и Стэнфорд оставил его: он работал там доцентом до 1986 года. Лаборатория Шавлова была правильным местом в правильное время, и приезд Хэнша совпал с его первым крупным изобретением.

Перестраиваемый лазер

Также в 1970 году Хэнш создал лазер, генерирующий импульсы с необычайно высоким спектральным разрешением — точность около одной миллионной, что намного превосходило все, что было доступно тогда. Ключевым нововведением стало внедрение внутрирезонаторного телескопического расширения пучка в лазерные осцилляторы с решетчатой настройкой, что позволило получить первый перестраиваемый лазер с узкой шириной линии.

Важность этой фразы заслуживает пояснения. Лазер производит свет одного, четко определенного цвета, что делает его полезным; но фиксированный цвет полезен только в том случае, если он совпадает с атомным переходом, который вы хотите изучить. Перестраиваемый лазер с узкой шириной линии можно настроить на любую выбранную частоту, оставаясь при этом спектрально чистым, что означает, что экспериментатор может воздействовать на конкретный квантовый переход в конкретном атоме и исследовать его напрямую. Лазерная спектроскопия как рабочая дисциплина берет свое начало от этой возможности.

Водород

Хэнш направил прибор на самый простой атом во Вселенной. Водород — один протон, один электрон — единственный атом, уровни энергии которого квантовая теория может рассчитать практически точно, что делает его естественным местом для проверки теории с помощью измерений. Любое расхождение между предсказанной и наблюдаемой частотой водородного перехода является расхождением в самой фундаментальной физике.

Используя свой перестраиваемый лазер, Хэнш измерил частоту перехода бальмеровской линии водорода с точностью, к которой никто не приближался. Позже, с помощью последующих инструментов, он довел измерение линии Лаймана до одной части на сто триллионов. При таком разрешении атом водорода становится метрологическим стандартом: он фиксирует постоянную Ридберга, ограничивает размер протона и проверяет квантовую электродинамику на пределе ее применимости.

Частотная гребенка

Препятствием для дальнейшего продвижения был подсчет. Частоты в оптическом диапазоне просто слишком быстры, чтобы их можно было измерить обычными часами, а сложные частотные цепочки, построенные для преодоления этого разрыва, были размером с комнату, капризными и почти нигде не были доступны.

В конце 1990-х годов в Институте Макса Планка в Гархинге Хэнш разработал генератор оптических частотных гребенок. Гребенка — это лазер, производящий чрезвычайно регулярную последовательность ультракоротких импульсов, спектр которых состоит из миллионов равномерно расположенных, точно известных частот — линейка в частотном пространстве с зубцами. Любую неизвестную оптическую частоту можно сравнить с ближайшим зубцом, а саму гребенку можно привязать к микроволновым атомным часам. Результатом стала прямая связь между радиочастотами, которые могут считать часы, и оптическими частотами видимого света, что обеспечило измерения в миллионы раз точнее, чем методы, которые они заменили.

Последствия обширны. Оптические атомные часы, спутниковая навигация, проверки теории относительности и поиски дрейфа фундаментальных констант в космологическом времени — все это опирается на гребенку. Если постоянная тонкой структуры медленно меняется, гребенка — это инструмент, который ее обнаружит.

Нобелевская премия

В 2005 году Хэнш получил четверть Нобелевской премии по физике за вклад в развитие лазерной прецизионной спектроскопии, включая технику оптической частотной гребенки, разделив награду с Джоном Л. Холлом и Роем Дж. Глаубером. Признание накапливалось два десятилетия: премия Комстока по физике в 1983 году, медаль Альберта А. Майкельсона в 1986 году, премия Готфрида Вильгельма Лейбница в 1989 году, премия Эйнштейна по лазерной науке в 1995 году, премия Артура Л. Шавлова в 1996 году, медаль Штерна-Герлаха в 2000 году. Нобелевский год принес целый ряд других наград: премию Отто Гана, премию И. И. Раби и медаль Фредерика Айвса. Оптическое общество Америки сделало его почетным членом в 2008 году.

Мюнхен

Хэнш вернулся в Германию в 1986 году в качестве директора Института квантовой оптики Макса Планка и занимает должность профессора экспериментальной физики и лазерной спектроскопии в Мюнхенском университете Людвига-Максимилиана. Его лаборатория была одной из самых продуктивных тренировочных площадок в современной оптике; его аспирант Карл Э. Виман получил Нобелевскую премию по физике 2001 года за создание конденсатов Бозе-Эйнштейна.

Почему Хэнш важен

Он создатель инструментов, а инструменты живут дольше теорий. Перестраиваемый лазер с узкой шириной линии дал физикам контроль над цветом света; частотная гребенка дала им возможность считать его колебания. Вместе они перевели оптические измерения из искусства, практикуемого немногими специалистами, в стандартную технику и повысили точность фундаментальной физики на несколько порядков. Каждые работающие сейчас оптические атомные часы — и каждая будущая проверка того, являются ли законы природы действительно постоянными — зависят от линейки, которую построил Хэнш.