特奥多尔·W·亨施：计算光线的物理学家

光每秒振荡约一千万亿次。在20世纪的大部分时间里，这使得光学频率实际上无法计数——没有任何电子设备能跟上，物理学家不得不通过极其繁琐的间接比较链来测量它们，以至于全球只有少数实验室尝试这样做。特奥多尔·亨施构建了直接计算它们的仪器。光频梳将物理学中最苛刻的测量变成了一名研究生在实验台上就能完成的工作，并为他赢得了2005年诺贝尔物理学奖的四分之一份额。

海德堡

亨施于1941年10月30日出生在德国，并在海德堡的亥姆霍兹中学接受教育。他留在该市上大学，并在20世纪60年代在海德堡大学获得了学位和博士学位——这十年间，激光从1960年展示的一种好奇心演变成了实验光学中的核心工具。亨施的职业生涯本质上就是将这一工具推向精度的极限。

斯坦福与肖洛

1970年，他作为北约博士后研究员跨越大西洋来到斯坦福大学，加入了阿瑟·L·肖洛（Arthur L. Schawlow）的研究小组。肖洛共同发明了激光概念，并于1981年获得了诺贝尔奖。奖学金持续到1972年，斯坦福大学留任了他：他在那里担任助理教授直到1986年。肖洛实验室是当时最合适的地方，亨施的到来恰逢他第一个重大发明。

可调谐激光器

同样在1970年，亨施制造了一种产生极高光谱分辨率脉冲的激光器——精度约为百万分之一，远超当时任何可用的设备。关键创新是将腔内望远镜光束扩展引入光栅调谐激光振荡器中，从而产生了第一台窄线宽可调谐激光器。

这句话的重要性值得展开说明。激光产生单一、清晰定义的颜色的光，这使它很有用；但固定的颜色只有在恰好匹配你想要研究的原子跃迁时才有用。具有窄线宽的可调谐激光器可以在保持光谱纯度的同时调节到任何选定的频率，这意味着实验者可以针对特定原子中的特定量子跃迁并直接进行探测。激光光谱学作为一门工作学科始于这种能力。

氢

亨施将该仪器对准了宇宙中最简单的原子。氢——一个质子，一个电子——是唯一一个量子理论可以进行基本精确计算的原子，这使其成为测试理论与测量结果的天然场所。氢跃迁的预测频率与观测频率之间的任何差异都是基础物理学本身的差异。

利用他的可调谐激光器，亨施以无人能及的精度测量了氢巴尔末线的跃迁频率。后来，利用随后的工具，他将莱曼线的测量精度推向了百万亿分之一。在该分辨率下，氢原子成为了一个计量标准：它固定了里德伯常数，限制了质子的大小，并在其有效性的边缘测试了量子电动力学。

频率梳

进一步发展的障碍是计数。光学范围内的频率太快，无法用传统方式与时钟进行测量，而为弥补这一差距而构建的复杂频率链体积庞大、脾气暴躁，几乎无处可用。

20世纪90年代末，在加兴的马克斯·普朗克研究所，亨施开发了光频梳发生器。梳子是一种产生极其规则的超短脉冲序列的激光器，其光谱由数百万个间隔均匀、精确已知的频率组成——这是一个频率空间中的标尺，带有齿。任何未知的光学频率都可以与最近的齿进行比较，梳子本身可以锁定到微波原子钟上。结果是时钟可以计数的无线电频率与可见光的光学频率之间建立了直接联系，提供了比其所取代的方法精确数百万倍的测量结果。

其后果影响深远。光原子钟、卫星导航、相对论测试以及对宇宙学时间尺度上基本常数漂移的搜索都依赖于梳子。如果精细结构常数正在缓慢变化，梳子就是检测它的仪器。

诺贝尔奖

2005年，亨施因对基于激光的精密光谱学发展的贡献（包括光频梳技术）获得了诺贝尔物理学奖的四分之一，与约翰·L·霍尔（John L. Hall）和罗伊·J·格劳伯（Roy J. Glauber）分享了该奖项。这种认可积累了二十年：1983年的康斯托克物理学奖，1986年的阿尔伯特·A·迈克尔逊奖章，1989年的戈特弗里德·威廉·莱布尼茨奖，1995年的爱因斯坦激光科学奖，1996年的阿瑟·L·肖洛奖，2000年的斯特恩-格拉赫奖章。诺贝尔奖之年带来了其他一系列奖项：奥托·哈恩奖、I·I·拉比奖和弗雷德里克·艾夫斯奖章。美国光学学会于2008年授予他荣誉会员资格。

慕尼黑

亨施于1986年回到德国，担任马克斯·普朗克量子光学研究所所长，并在慕尼黑路德维希·马克西米利安大学担任实验物理学和激光光谱学教授。他的实验室是现代光学中最具成效的培训基地之一；他的博士生卡尔·E·威曼（Carl E. Wieman）因创造玻色-爱因斯坦凝聚态而获得了2001年诺贝尔物理学奖。

为什么亨施很重要

他是仪器的建造者，而仪器比理论更持久。窄线宽可调谐激光器赋予了物理学家控制光颜色的能力；频率梳赋予了他们计算其振荡的能力。它们共同将光学测量从少数专家实践的艺术转变为一种标准技术，并将基础物理学的精度提高了几个数量级。目前运行的每一台光原子钟——以及未来关于自然法则是否真正恒定的每一次测试——都依赖于亨施建造的标尺。