Fizikai Szemle honlap

Tartalomjegyzék

Fizikai Szemle 2006/02.

A 2005. ÉVI FIZIKAI NOBEL-DÍJAK

Az interneten futótűz gyorsaságával terjedt el a hír, hogy a 2005-ös fizikai Nobel-díjat a Svéd Királyi Tudományos Akadémia a fény természetének kutatásában elért alapvető eredményekért ítélte oda.

Mióta ember él a Földön, a legtöbb ismeretet a fény közvetíti számára. A fényelektromágneses sugárzás, amelynek segítségével nem csupán közvetlen környezetünk tárgyai között tájékozódhatunk, hanem vizsgálatával Világegyetemünk legtávolabbi galaxisainak tulajdonságairól is ismereteket szerezhetünk.

De mi is a fény? Miben különbözik a gyertya fénye a CD-lejátszókban lévő lézerek által keltett fénysugaraktól? Einstein szerint a vákuumban a fényterjedési sebessége állandó. Lehetséges-e a fényen alapuló, új optikai órákat készíteni, lehet-e a mai atomóráknál jóval pontosabban mérni az időt?

A fény tulajdonságait a fizikán belül az optika tudománya kutatja, és ennek a területnek három tudósa nyerte el a 2005-ös fizikai Nobel-díjat, a fenti alapvető kérdésekre adott válaszaikért: Roy Glauber professzor nyerte el a díj egyik felét a fényrészecskék kvantumoptikai tulajdonságainak elméleti értelmezéséért. A díj másik felét John Hall és Theodor Hänsch professzorok kapták. Ők rendkívül pontos, új módszereket fejlesztettek ki az atomok és molekulák színének, fényének meghatározásához.

A rádióhullámokhoz hasonlóan a fény is az elektromágneses sugárzás egyik formája. Ennek klasszikus, hullámképen alapuló elméletét a skót fizikus, James C. Maxwell dolgozta ki az 1850-es években. A Maxwell-egyenletek alapján működnek a mai telekommunikáció adó-vevő berendezései, a mobiltelefonok, a televízió és a rádió. Ha egy vevőeszköz vagy mérőberendezés fényjelet észlel, akkor elnyeli a sugárzás energiáját, és az így keletkezett jelet továbbítja. A fényjel energiája azonban nem nyelhető el tetszőlegesen kicsiny mennyiségekben, hanem csupán bizonyos adagokban, vagy csomagokban, melyeket kvantumoknak nevezünk. 100 évvel ezelőtt Albert Einstein megmutatta, hogy a fény egy adagjának, kvantumának az elnyelődése egy fotoelektron keletkezésével jár együtt. Ez a fényelektromos hatás, melynek felfedezése hozzájárult Einstein 1921-ben elnyert fizikai Nobel-díjához. A fényelektromos hatás lényege, hogy a fény által hordozott energiaadag teljes egészében egyetlen elektronnak adódik át, és az ilyen módon keletkezett fotoelektronok számának, azaz a keltett fotoáramnak a vizsgálatával megszámlálhatjuk a sugárzás részecskéit, azaz a fénykvantumait, a fotonokat.

Ily módon a fény kettős természetű: bizonyos körülmények között hullámként, más körülmények között pedig részecskeként viselkedik. A kvantumoptika tárgya ennek a kettős természetnek a vizsgálata. E terület elméleti alapjait Roy Glauber rakta le. Elmélete segítségével meg tudta magyarázni, mi a különbség a forró, termikus forrásból származó, különböző hullámhosszú és fázisú fényhullám keverékéből összetevődő fénysugarak (például a gyertya vagy a csillagfény) és a lézerek koherens, rendezett fénye között. Ilyen módon pontos értelmezést tudott adni arra a Robert Hanbury Brown és Richard Q. Twiss által megfigyelt jelenségre, hogy a távoli csillagokból két különböző optikai teleszkópban detektált fényrészecskék, fotonpárok miért érkeznek a véletlentől nagyobb valószínűséggel egyszerre a mérőberendezésbe. Elmélete segítségével rámutatott arra is, hogy hasonló korrelált fotonpárok a lézerek fényében nincsenek jelen, és éppen az ilyen korrelációk hiánya segítségével pontos kvantumoptikai értelmezést tudott adni az optikai koherencia fogalmára.

John Hall és Theodor Hänsch fontos fejlesztéseket, precíziós mérési eljárásokat dolgoztak ki, melyek lehetővé tették a fénysugárzás rezgésszámának, frekvenciájának meghatározását 15 számjegyes pontossággal. Ily módon lehetővé vált a rendkívül pontosan egyszínű lézerek készítése, és a frekvenciafésű-technika segítségével mérhető meg a tetszőleges színű fényfrekvenciája. Ennek a módszernek a segítségével az atomóráknál is pontosabb optikai időmérő eszközök készíthetőek. A megnövelt pontosság segítségével pedig lehetővé válik majd a földrajzi helymeghatározás, a GPS-technológia továbbfejlesztése, a gravitációs hullámok detektálása és az általános relativitáselméletet ellenőrző további precíziós kísérletek elvégzése. A telekommunikációs fejlesztések új korszaka nyílhat meg, lehetővé téve a hosszú űrutazások alatti pontosabb navigációt. Az új, optikai standard óra segítséget fog majd nyújtani az új teleszkóprendszerek koordinálásában, az antianyag, az antihidrogén tulajdonságainak, színképének a vizsgálatában, és lehetővé teszi az alapvető természeti állandók időbeli változatlanságának kísérleti vizsgálatát.

A díjazottak életrajzi adatai és honlapjai

Roy J. Glauber: 1925-ben született az Amerikai Egyesült Államokban, New York állam New York városában, amerikai állampolgár. PhD-fokozatát 1949-ben a Harvard Egyetemen (Cambridge, MA, USA) nyerte el. Jelenleg a Harvardon a fizika Mallinckrodt-professzora.

http://www.physics.harvard.edu/people/facpages/glauber.html

John L. Hall: 1934-ben született az Amerikai Egyesült Államokban, Colorado állam Denver városában, amerikai állampolgár. PhD-fokozatát a pittsburghi Carnegie Institute of Technologyn (Carnegie Műszaki Intézetben) nyerte el 1961-ben. A Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Hivatal (National Institute of Standards and Technology) tudományos főmunkatársa és a Colorado Egyetem JILA Laboratóriumának munkatársa, Boulderben, Colorado államban.

http://jilawww.colorado.edu/www/faculty/#hall

Theodor W. Hänsch: 1941-ben született a németországi Heidelbergben, német állampolgár. PhD-fokozatát a Heidelbergi Egyetemen szerezte 1969-ben. A garchingi Max Planck Kvantumoptikai Intézet igazgatója, és a müncheni Ludwig Maximilians Egyetem fizikaprofesszora.

http://www.mgq.mpg.de/~haensch/htm/haensch.htm

Csörgő Tamás

Irodalom

A Nobel-díj hivatalos, angol nyelvű honlapja:
http://www.kva.se/KVA_Root/swe/_news/detail.asp?NewsId=693&br=ns&ver=6up
A Nobel-díjról szóló részletesebb angol nyelvű tájékoztató:
http://www.nobelprize.org/physics/laureates/2005/phyadv05.pdf
Érdekességként megemlítem, hogy Glauber professzor 2005 augusztusában a budapesti Kvarkanyag 2005 Világkonferencia megnyitó előadójaként vendégünk volt, Munkássága a kvantumoptika területén túl kiterjed a nagyenergiás fizikára is (Glauber-Gribov-modell), budapesti előadása az interneten megtekinthető a konferencia archívumából: http://qm2005.kfki.hu/. Bővebben lásd a Fizikai Szemle 2005/11. számának 405-406. oldalát, melyben Lévai Péterrel beszámolót közöltünk a konferenciáról és Glauber előadásáról.