Nobelova nagrada za fiziku 2005.

Svetlost – talas ili čestica

Većinu naših saznanja o spoljašnjem svetu dobijamo pomoću svetlosti. Svetlost nam pomaže da se orijentišemo u svakodnevnom životu, ali i da opažamo najudaljenije galaksije u svemiru. Skup saznanja o svetlosnim fenomenima čini jednu oblast fizike koja se naziva optika.

Prirodno se nametnulo pitanje šta je zapravo svetlost i kako se različite vrste svetlosti razlikuju jedna od druge? Kako se svetlost koju emituje sveća razlikuje od laserskog zraka u CD plejeru? Prema Ajnštajnu, brzina svetlosti u praznom prostoru je konstantna. Da li je moguće koristiti svetlost za merenje vremena preciznije nego uz pomoć atomskih časovnika koji se danas koriste? Dobitnici ovogodišnje Nobelove nagrade za fiziku dali su odgovore na ova i slična pitanja.

Poslednjih godina XIX veka postojalo je verovanje da se elektromagnetni fenomeni mogu objasniti na osnovu teorije koju je dao škotski fizičar Maksvel. On je svetlost zamišljao kao talas. Problem je nastao kada se na osnovu njegove teorije pokušalo razumeti zračenje koje nastaje od usijane materije kao što je Sunce. Raspodela boja, odnosno spektralna raspodela, nije se slagala sa Maksvelovom teorijom. Prema njegovoj teoriji trebalo je da bude mnogo više ljubičastog i ultraljubičastog zračenja nego što je bilo opaženo.

Ovu dilemu razrešio je 1900. godine Maks Plank (za šta je dobio Nobelovu nagradu 1918. godine). Plank je našao formulu koja savršeno opisuje spektralnu raspodelu užarenog tela. On je raspodelu opisao kao rezultat unutrašnjih vibracionih stanja zagrejane materije, pri čemu je energija svakog oscilatora uzimala neku diskretnu vrednost, tj. bila je kvantovana.

U jednom od svojih najpoznatijih radova iz 1905. godine Ajnštajn je predložio da se energija zračenja tj. svetlost, isto tako javlja u pojedinačnim paketima energije, takozvanim kvantima. Kada kvant energije dođe na površinu metala, njegova energija se prenosi na elektron, koji se oslobađa i napušta materijal. Ovo zapravo predstavlja suštinu fotoelektričkog efekta, za koju je Ajnštajn dobio Nobelovu nagradu 1921. godine. (Tada je Nobelov komitet pokazao svoju konzervativnost, jer nije želeo da dodeli Ajnštajnu Nobelovu nagradu za Teoriju relativnosti, koja predstavlja njegovo najznačajnije i najrevolucionarnije delo.)

Ajnštajnova hipoteza je predviđala da pojedinačni energetski paket, kasnije nazvan foton, predaje celokupnu svoju energiju samo jednom elektronu. Na taj način možemo prebrojati kvante zračenja brojeći elektrone tj. mereći električnu struju koja dolazi sa površine metala. Skoro svi kasnije razvijeni detektori svetlosti bazirani su na ovom efektu.

Kvantna teorija se na početku svog razvoja dvadesetih godina prošlog veka, susrela sa teškoćama u vidu beskonačnih izraza. Ovaj problem rešen je korišćenjem kvantne elektrodinamike  za čiji razvoj su 1965. godine Nobelovu nagradu podelili Tomonaga, Švinger i Fajnman. Kvantna elektrodinamika je postala najpreciznija teorija u fizici i osnova za razvoj fizike čestica. Ipak, u to vreme se smatralo nepotrebnim primenjivati kvantnu elektrodinamiku na vidljivu svetlost. Umesto toga, svetlost se posmatrala kao obično talasno kretanje sa slučajnim varijacijama u intenzitetu.

Organizovana i slučajna svetlost

Slika 1

Do razvoja lasera i sličnih uređaja najveći broj svetlosnih fenomena je bilo moguće razumeti pomoću Maksvelove klasične teorije. Kao primer možemo posmatrati svetlost  koja posle prolaska kroz dva proreza na zaklonu pokazuje periodičnu sliku rasturanja na ekranu (slika 1). Ako svetlost ima jednu talasnu dužinu, ona je koherentna i njen intenzitet je generalno govoreći nula u oblastima minimuma. Mnogo realističniji opis je potreban kada razmatramo svetlost koja dolazi iz sijalice. Ti svetlosni talasi imaju različite frekvencije, talasne dužine i nalaze se istovremeno u različitim fazama. Ova nekoherentna svetlost pravi interferencionu šaru sa slike 1 manje razdvojenom.

Ranije je najveći broj svetlosnih izvora bio baziran na termalnom zračenju i bila je neophodna specijalna uređenost da bi se uočila interferenciona šara. Promene su nastale kada su razvijeni laseri sa koherentnom svetlošću. Zračenje sa dobro definisanom fazom i frekvencijom, u to vreme je već bilo poznato iz radio-tehnologije. Izgledalo je čudnim videti svetlost iz termalnog svetlosnog izvora kao talasno kretanje već se činilo jednostavnijim opisati neuređenost koja potiče iz izvora kao slučajno raspoređene fotone.

Rađanje kvantne optike

Slika 2

Polovina ovogodišnje Nobelove nagrade za fiziku otišla je u ruke Roju Glauberu za njegov pionirski rad na primeni kvantne mehanike na optičke fenomene. Još 1963. godine objavio je svoje prve rezultate: razvio je metode primene elektromagnetne kvantizacije za problem optičkih opažanja. Uz pomoć kvantne teorije polja opisao je fotoelektričnu detekciju. Na taj način je bio u mogućnosti da pokaže da je ''grupisnje'' koje su otkrili Braun i Tvis zapravo posledica slučajne prirode termalnog zračenja. Idealan koherentan laserski zrak uopšte ne pokazuje istu prirodu.

Postavilo se pitanje kako će struja fotona, koja predstavlja skup nezavisnih čestica dati doprinos interferencionoj slici? Ovde imamo primer dualne prirode svetlosti. Prema klasičnoj optici elektromagnetni talasi će da naprave šare. Fotoni su nezavisne čestice i slede putanju propisanu optikom. Ovo se objašnjava u okviru kvantne optike. Stanje svetlosti niskog intenziteta je opisano sa samo nekoliko fotona. Na taj način individualne čestice će praviti optičku šaru posle opaženog dovoljnog broja fotoelektrona i umesto slike 1 kvantna fizika će formirati sliku prikazanu na slici 2.

Osnovna osobina teorijskog kvantnog opisa optičkog opažanja jeste da kada je fotoelektron opažen foton se  apsorbuje i stanje polja fotona se podvrgava promeni. Kada je nekoliko detektora korelisano, sistem postaje osetljiv na kvantne efekte koji će biti evidentniji ako je samo nekoliko fotona prisutno u polju. Eksperimenti koji uključuju nekoliko foto detektora izvedeni su u poslednje vreme i svi su opisani Glauberovom teorijom. Glauberov rad iz 1963. godine je bio osnova za dalja istraživanja novog polja kvantne optike. Brzo je postalo jasno da tehnički razvoj zahteva korišćenje novog kvantnog opisa ovih fenomena. Jedino je kvantna priroda svetlosti ta koja određuje granice preciznosti aparature. Znanja o kvantnim stanjima je moguće direktno iskoristiti i na taj način dobiti potpuno novu tehničku primenu kvantnih fenomena, npr. omogućiti sigurno šifrovanje poruka u tehnologiji komunikacija i obradi informacija.

Precizna spektroskopija bazirana na laserima

Pokazalo se kroz istoriju da novi fenomeni i strukture bivaju otkriveni kao rezultat poboljšanja preciznosti merenja. Sjajan primer ja atomska spektroskopija, koja razmatra strukturu energetskih nivoa u atomima. Poboljšana rezolucija nam daje dublje razumevanje fine strukture atoma i osobina atomskih jezgara.  Druga polovina ovogodišnje Nobelove nagrade za fiziku dodeljena je Džonu Halu i Teodoru Henšu i to za  istraživanje i razvoj precizne spektroskopije bazirane na laserima, gde je tehnika tzv. češlja optičkih frekvencija od naročitog interesa. Napredak koji je napravljen na ovom polju daje nam mogućnost da istražujemo konstante prirode, nađemo razliku između materije i antimaterije i merimo vreme sa nenadmašnom preciznošću.

Precizna spektroskopija je razvijena kada se pokušao rešiti prilično jasan i jednostavan problem određivanja tačne dužine metra. Opšta konferencija o težinama i merama, koja odlučuje o tačnim definicijama dužine metra od 1889. godine, odrekla se čisto materijalnog merenja šipke 1960. godine. Šipka koja je služila kao etalon nalazila se u Parizu  i njena dužina se teško mogla distribuirati po svetu.

Korišćenjem merenja na spektru, uvedena je definicija metra koja je bila bazirana na osobinama atoma i prema kojoj je metar bio definisan kao određeni broj talasnih dužina određene spektralne linije plemenitog gasa kriptona. Nekoliko godina kasnije uvedena je definicija sekunde, prema kojoj je sekunda predstavljala vreme za određeni broj oscilacija na rezonantnoj frekvenciji određenog prelaza u cezijumu, što može biti očitano sa cezijumskih atomskih časovnika. Ove definicije su omogućile da se odredi brzina svetlosti kao proizvod talasne dužine i frekvencije.

Džon Hal je bio vodeća osoba u naporima da se izmeri brzina svetlosti, koristeći lasere sa ekstremno visokom stabilnošću frekvencije. Tačnost merenja je bila ograničena izborom definicije metra. Uz pomoć najboljih merenja 1983. godine brzina svetlosti je definisana tačno na 299792458 m/s. Kao posledica toga metar je predstavljao udaljenost koju svetlost pređe za 1/299792458 s.

Ipak, merenje optičkih frekvenci u opsegu oko 1015 Hz je i dalje bilo teško zahvaljujući činjenici da cezijumov sat ima oko 105 puta sporije oscilacije. Da bi se prevazišao ovaj problem korišćen je veliki broj visoko stabilisanih lasera i izvora mikrotalasa. Praktično korišćenje nove definicije metra u vidu precizne talasne dužine ostalo je problematično tako da je postojala potreba za jednostavnijim metodom merenja frekvencije.

Paralelno sa ovim događajima došao je i nagli razvoj lasera kao opšteg spektroskopskog instrumenta. Takođe je razvijen i metod za eliminaciju Doplerovog efekta, koji ako nije uključen vodi ka širim i loše identifikovanim pikovima. Godine 1981. Bloembergen i Šavlov su dobili Nobelovu nagradu za svoj doprinos razvoju spektroskopije lasera. Ova oblast je postala naročito interesantna kada je bilo moguće postići ekstremni nivo preciznosti.

Hal i Henš su doprineli razvoju ekstremno frekventno stabilnih lasera i unapređenju tehnika merenja koja mogu produbiti naša znanja o osobinama materije, prostora i vremena.

Korišćenjem tehnike češlja frekvencija koju su razvili Hal i Henš moguće je izvesti merenja frekvencija sa preciznošću približno do 10-18. Ovolika tačnost će omogućiti pravljenje mnogo preciznijeg GPS sistema, a predviđa se da će ova tehnika naći svoju primenu i u navigaciji prilikom putovanja u svemir kao i u telekomunikacijama. Veća preciznost u fundamentalnim merenjima može biti korišćena i za testiranje moguće promene u konstantama prirode tokom vremena. Ako se te promene dešavaju, to bi imalo velike posledice na naše razumevanje kosmosa. Takva merenja već su počela da se izvode, ali do sad nisu primećena nikakva odstupanja. U svakom slučaju, poboljšana preciznost učiniće mogućim donošenje konačnih zaključaka i u vezi sa fundamentalnim konstantama prirode.