Fysik: Nytt ljus över kvantoptiken
Årets Nobelpris i fysik handlar om ljus. Halva priset går till "kvantoptikens fader" Roy J Glauber. Andra halvan får John L Hall och Theodor W Hänsch för sin utveckling av laserspektroskopin.
Theodor W Hänsch är 63 år, tysk medborgare, professor i fysik vid Ludwig-Maximilians-Universität i München och föreståndare för Max-Planck-Institut für Quantenoptik i Garching. John L Hall är 71 år, amerikansk medborgare och forskare i Colorado. Deras prisbelönade insatser ligger mindre än tio år tillbaka i tiden. Sedan dess har de förfinat den här mättekniken ytterligare, delvis i gemensamma arbeten.
Ljus är helt livsavgörande för mänskligheten. Genom det synliga ljuset får vi största delen av vår kunskap om omvärlden. Med ljusets hjälp kan vi orientera oss i det dagliga livet eller betrakta avlägsna galaxer i universum.
Men vad är egentligen ljus? Hur skiljer sig olika typer av ljus från varandra? Vad är det för skillnad mellan ljuset från ett stearinljus och det ljus lasern i en cd-spelare sänder ut? Kan ljus användas för att mäta tid ännu noggrannare än man kan göra med dagens atomklockor?
Ljuset har dubbelnatur
Detta är frågor som årets Nobelpristagare i fysik har besvarat, skriver Vetenskapsakademien om bakgrunden till sitt beslut att låta dessa tre forskare på dela på tio miljoner kronor.
Precis som radiovågor är ljus en form av elektromagnetisk strålning. Den skotske fysikern James Clark Maxwell beskrev fenomenet på 1850-talet. Maxwells teori har utnyttjats i modern kommunikationsteknik med sändare och mottagare, mobiltelefoner, tv- och radioapparater.
För att en mottagare ska kunna registrera ljuset, måste den kunna ta upp strålningens energi och skicka signalen vidare. Energin kommer i paket eller kvanta. För drygt 100 år sedan kunde Albert Einstein visa hur en partikel kallad fotoelektron frigörs när ett sådant paket tas upp.
Ljuset har alltså en dubbelnatur. Det kan betraktas både som en vågrörelse och som en ström av partiklar. Roy J Glauber lade grunden till kvantoptiken genom att tillämpa den så kallade kvantteorin på optiska fenomen.
I sitt pionjärarbete från 1963 beskrev han teoretiskt hur ljuspartiklarna uppträder. Han klargjorde de grundläggande skillnaderna mellan det oordnade ljuset från värmeljuskällor som glödlampor och det perfekt ordnade laserljuset, där alla strålar har samma fas, våglängd och riktning.
Ytterst noggranna mätmetoder
Theodor W Hänsch och John L Hall har enligt Vetenskapsakademien gjort viktiga insatser för att utveckla laserspektroskopin till ett instrument som gör det möjligt att utföra mätningar med aldrig skådad noggrannhet.
Ett verkligt genombrott kom 1999, då Hänsch förstod att de då tillgängliga lasrarna med extremt kort puls enkelt skulle kunna användas för optisk frekvensmätning direkt kopplad till en cesiumklocka.
1960 hade internationella myndigheten för vikt och mått ersatt den i Paris inlåsta arkivmetern med en atomär definition. Några år senare infördes en atomär definition också av sekunden. Det gjorde det möjligt att bestämma ljusets hastighet som produkten av våglängd och frekvens. Hall var en viktig aktör då det gällde att mäta ljushastigheten.
En meter blev mer exakt
En konsekvens av allt detta arbete blev att ljushastigheten 1983 definierades till exakt 299 792 458 meter per sekund. Det var samma värde som de tidigare mätningarna med den skillnaden att felmarginalen nu var noll. Som en konsekvens blev metern den sträcka ljuset färdades på 1/299 792 458-dels sekund.
Hänsch och Hall har under de senaste åren förfinat mättekniken så att den nu är ett enkelt verktyg med vitt spridd användning och även kommersiell tillämpning.
I dag kan lasrar med extrem färgskärpa konstrueras. Med den nya tekniken kan skarpa avläsningar ske för ljus av alla färger. I en framtidsvy ser Vetenskapsakademien extremt noggranna klockor, satellitbaserad GPS-manövrering med bättre upplösning samt möjligheten att studera antimateriens relation till vanlig materia.
FAKTA
Ljus från vågrörelse till kvantoptik
I slutet av 1800-talet beskrev den brittiske fysikern James Maxwell ljuset som en vågrörelse.
År 1900 hittade tysken Max Planck en formel som delvis förklarade varför ljus från värmekällor varierar i intensitet.
År 1905 presenterade Einstein sin teori att strålningsenergin, ljuset, strömmar fram som individuella partiklar, så kallade kvanta.
Under 1940-talet utvecklas partikelfysiken kraftigt. Fortfarande beskrivs dock ljus enbart som en vanlig vågrörelse.
Först när en av årets Nobelpristagare, Roy Glauber, 1963 lägger grunden för kvantoptiken fördjupas förståelsen för vad ljus egentligen är. Hans forskning har visat hur olika typer av ljus skiljer sig från varandra, och har gjort det möjligt att mäta tid med en extrem precision.
Så jobbar vi med nyheter