Nobelova cena za fyziku - praktické dopady objevů

11. říjen 2005

Letošní nositelé Nobelovy ceny za fyziku, Američan John Hall a Němec Theodor Hänsch, byli oceněni za objev laserové spektroskopie a metody zvané "frekvenční optický hřeben". Další oceněný, Roy Glauber, vybudoval teoretické základy kvantové optiky. Přečtěte si, jaké jsou praktické dopady jejich vědeckých objevů.

Od vynalezení prvního (rubínového) laseru, který v roce 1960 sestrojil Američan Theodor H. Maiman, doznaly do dnešních dnů laserové technologie obrovského rozmachu. S jejich aplikacemi se můžeme setkat v dlouhé řadě oborů počínaje medicínou (mikrochirurgie), přes různé průmyslové aplikace (tavení, sváření), telekomunikace, speciální měřicí techniku, až třeba po jadernou fyziku (fyzika plazmatu). V těchto dnech, tedy po téměř šedesáti letech, se vědcům, kteří se na tomto vývoji zásadním způsobem podíleli, dostalo satisfakce v podobě Nobelovy ceny za fyziku za rok 2005. Oceněni byli Američané Roy Glauber (80), John Hall (71) a Němec Theodor Hänsch (63). Polovinu ceny obdrží Roy Glauber za práce na rozvoji kvantové teorie optické koherence. O druhou polovinu se rovným dílem rozdělí J. Hall a T. Hänsch, kteří nezávisle na sobě přispěli k prohloubení znalostí a rozpracování technik v oblasti laserové spektroskopie.

Vynález laseru (název pochází ze začátečních písmen označujících jev nazvaný anglicky Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) nespadl na počátku 60. let z čistého nebe, ale byl vyústěním dlouhodobého trpělivého bádání. Prakticky až do poloviny minulého století se dala většina fyzikálních jevů spojených se světlem docela dobře vysvětlit s využitím vlnové povahy světla, tedy podle teorie, na jejímž rozpracování se rozhodujícím způsobem podílel již v 19. století James Clark Maxwell. Situace se příliš nezměnila ani poté, když začátkem 20. století Max Planck přišel s hypotézou kvantování energie při procesech emise a absorpce světla a Albert Einstein začal prosazovat myšlenku korpuskulární povahy světla a existence světelných energetických kvant-fotonů.

Optika se však stále tvrdošíjně držela zaběhaných "vlnových kolejí", tedy mimo novou oblast fyziky pojmenovanou kvantová mechanika. Situace se významněji změnila teprve po 2. světové válce a mezi průkopníky aplikace kvantové mechaniky na optiku a propagátory myšlenky o duální povaze světla - vlnové i částicové - se již tehdy zařadil letošní laureát Nobelovy ceny za fyziku Roy Glauber.

Roy Glauber se narodil 1. září 1925 v New Yorku a již jako devatenáctiletý začal působit jako výzkumný pracovník v Los Alamos, kde se podílel na projektu Manhattan (krycí název pro vývoj atomové bomby). Po válce si prohloubil vzdělání na Harvardově univerzitě, kterou zakončil doktorátem v roce 1949. Ve své vědecké činnosti pokračoval na Princentonské univerzitě a na Polytechnickém institutu ve švýcarském Curychu. Působil rovněž v Evropském sdružení pro jaderný výzkum CERN v Ženevě a podobné instituci NORDICA v dánské Kodani. Přednášel také na prestižní pařížské College de France a od roku 1976 je řádným profesorem fyziky na Harvardově univerzitě.

Roy J. Glauber

Ve své vědecké kariéře se zabýval především kvantovou optikou, která zjednodušeně řečeno zkoumá kvantové elektrodynamické interakce mezi světlem a hmotou. Roy Glauber se rovněž věnoval teoretickým aspektům kolizí částic s vysokou energií. Tím, že vybudoval teoretické základy kvantové optiky, umožnil Roy Glauber mj. nastartovat nevídaný rozvoj laserových technik a technologií. (S využitím kvantové optiky lze např. vysvětlit fundamentální rozdíly mezi různými světelnými zdroji, například žárovkou, která emituje světlo jako "směsku" frekvencí a vlnových fází, a laserem, který generuje fotony o specifických, definovaných kmitočtech a fázích.)

Nabídnuté příležitosti se chopili oba další letošní laureáti Nobelovy ceny John Hall a Theodor Hänsch. S využitím laserové spektroskopie a metody zvané "frekvenční optický hřeben" se jim podařilo nevídaným způsobem (na 15 desetinných míst) zpřesnit měření frekvencí (nebo jinak řečeno "barvy") laserového paprsku.

Theodor W. Hänsch se narodil v Heidelbergu 30. října 1941, kde získal ve 28 letech doktorát z fyziky. V roce 1970 se jako postgraduální student NATO přestěhoval do Spojených států, kde se začal zabývat výzkumem laserů u známého profesora Artura Schawlowa (spoluautora prvního kvantového generátoru, tzv. optického maseru, předchůdce pozdějšího laseru) na Stanfordské univerzitě. O dva roky později se stal na Stanfordu odborným asistentem na fakultě fyziky a roku 1975 byl jmenován řádným profesorem. Do Německa se vrátil v roce 1986 jako držitel řady prestižních vědeckých ocenění, včetně například titulu kalifornský vědec roku 1973. Od té doby působí jako profesor na Mnichovské univerzitě a je současně ředitelem pro kvantovou optiku na institutu Maxe Plancka v Garchingu. Stále ovšem zastává profesorské místo na Stanfordu a také ve Florencii.

Theodor W. Hänsch

Hänschův výzkum prováděný s pomocí pokročilých laserových technologií otevřel nové obzory ve fyzice atomu vodíku. V roce 1970 sestrojil první monochromatický laser a v celé následující vědecké kariéře se věnoval rozvoji dnes již běžně používaných metod laserové spektroskopie.

John Lewis Hall se narodil 21. srpna 1934 v Denveru. Svá studia uskutečnil na Carnegieho technologickém institutu (CIT) při Carnegiově-Mellonově univerzitě v Pittsburghu. Zde také roku 1961 získal doktorát z fyziky. Od té doby pracuje v Národním institutu pro standardy a technologie v Boulderu. Zároveň přednáší a je vědeckým pracovníkem na Coloradské univerzitě. Zabývá se atomovou a molekulární fyzikou a výzkumem přesného měření pomocí stabilizace laserem. Výsledkem jeho výzkumu jsou - podobně jako u Hänsche - atomové hodiny, zatím nejpřesnější způsob měření času. Podobně jako jeho německý kolega je i J. L. Hall držitelem řady prestižních vědeckých ocenění.

John L. Hall

S aplikacemi objevů a výzkumných výsledků letošních laureátů Nobelovy ceny za fyziku se již dnes můžeme setkat všude kolem sebe, jako v případě již zmíněných laserových technik a technologií. Neobyčejné zpřesnění měření času a poloh umožní, kromě stanovení nových definicí jednotek času (s pomocí tzv. optických hodin) a délky, další zajímavé využití v oblastech telekomunikací (např. vývoj holografického televizního přenosu). Dále zdokonalení systému GPS - globálního navigačního systému, mnohem přesnějšího určování poloh satelitů či kosmických sond včetně kupříkladu jemnějšího zaměřování kosmických teleskopů, mapování apod. Významné uplatnění mohou práce zmíněného tria nalézt i v základním fyzikálním výzkumu - například při ověřování správnosti, resp. "konstantnosti" některých fyzikálních konstant v čase, detekci zatím stále ještě víceméně hypotetických gravitačních vln, předpovězených Einsteinovou obecnou teorií relativity. Skutečnost, že nyní dokážeme s využitím nejnovějších laserových technik rozlišit miliony miliard "barevných odstínů", tedy vlnových délek světla a generovat optické a elektrické impulzy o "délce" až 200 attosekund (triliontin sekundy), umožní lépe studovat strukturu molekul a průběh chemických reakcí. Američtí fyzikové sbírají v posledních letech (ale nejen v nich) jednu vědeckou poctu za druhou. Loni získali Nobelovu cenu za fyziku Frank Wilczek, David Gross a David Politzer, a to za výzkum vedoucí ke zformulování standardního modelu kvarků, základních stavebních částic hmoty. V roce 2001 byli stejnou poctou oceněni kolegové letošního laureáta J. Halla z Coloradské univerzity, resp. z Národního institutu pro standardy a technologie Eric A. Cornell a Carl E. Wieman za vytvoření tzv. Bose-Einsteinova kondenzátu, exotického stavu super podchlazené hmoty.

autor: Jiří Grospietsch
Spustit audio

Více z pořadu