Az örök kérdés kutatói, a fizikusok

Legtöbben lúdbőrös háttal emlékezünk vissza a félelmetes fizikaórák nyomasztó légkörére. ĺgy nehéz megérteni, milyen önsanyargató érzések tartják fogságban a tudósokat, hogy évtizedeket áldozzanak életükből a fizikára. A megismerés, a felfedezés gyönyörűségének érzése csak ritkán jut eszünkbe. Mint például, ha olyan ősi kérdésről esik szó, hogy mi is tulajdonképpen a fény.

A fizika több évezredes fejlődése során állandóan vissza-visszatért a fény jellegének, tulajdonságainak meghatározása – erre alapozva a különféle műszerek, berendezések megszerkesztését. Az ókori görögök meglepően korszerű módon úgy képzelték, hogy a fényforrásból apró részecskék válnak le, és ezek jutnak el a megfigyelő szemébe. Elméletüket a klasszikus fizika megalapítója, Isaac Newton fejlesztette tovább. Szemben vele két kortársa, Thomas Young és Christian Huygens váltig állította, a fény valójában hullámzás. Csakhogy Newton fogas kérdésére, hogyha ez így van, akkor hogyan jut el a szemünkbe a Nap fénye a világ-űrön keresztül, meglehetősen nyakatekert választ adtak: a teljesen átlátszó, rendkívül kemény, a bolygók közötti teret kitöltő éter segítségével, ennek hullámzása továbbítja ugyanis hozzánk a napsugarakat. A későbbi századokban a fénykeveredés, -sarkítás, résen áthaladó fény révén bizonyították, hogy igenis sugárzásról van szó, a műszeres mérések pedig kimutatták, az éter nem létezik. Az ellentmondást Albert Einstein oldotta fel, aki kimutatta a fény kettős jellegét: apró részecskékből, fotonokból áll, amelyek meghatározott rajok, hullámfelületek alakjában sugároznak. Felhívta a figyelmet arra is, hogy szerkeszthető olyan fényforrás, amely csupán egyetlen hullámhosszon teljesen egyszínű, szigorúan meghatározott rajokban kilökött (szakmai nyelven koherens) fényt sugároz ki. Az ő nyomdokain haladt Gábor Dénes, aki a múlt század negyvenes éveinek végén kidolgozta az általa holográfiának nevezett elméletet, amiért 1971-ben Nobel-díjjal jutalmazták.

A gyakorlati áttörést csak a hatvanas évek hozták el, amikor sikerült megszerkeszteni az Einstein által beharangozott fényforrást, a lézert. Az új berendezés amerikai bemutatóján a tudósok tapsviharban és lelkes ovációban törtek ki, amikor a néhány milliméternyi, vászonra kivetített piros fénypontról elárulták a szerzők, hogy két kilométernyi távolságról sugároz. Pontosan tudták ugyanis, mekkora csoda szemtanúi: korábban soha senkinek nem sikerült ilyen összetartó fénynyalábot szerkesztenie. Aligha csodálkozhatunk rajta, hogy 1964-ben Nyikolaj Gennagyijevics Baszov, Alekszandr Mihajlovics Prohorov és Charles Hard Townes, a lézer három feltalálója átvehette a fizikai Nobel-díjat.

Az elmúlt évtizedekben több díjat is kiosztottak az optika területén végzett eredményes kutatásokért. A lézeralapú berendezések mindennapi életünk részévé váltak; a modern lemezjátszók leolvasójában és a számítógépek CD-ROM-jaiban is alkalmazzák. A hetvenes évek folyamán merült fel először, hogy a hagyományos, villamos árammal működő számítógépek egy idő után túl lassúk lesznek, sokkal gyorsabb optikai alapon is működhetnek. Ez elindította az optoelektronikai fejlesztéseket; városainkat és falvainkat mára optikai kábelek kötik össze, a gyors adatforgalom a világ minden részén ezeken keresztül bonyolódik le.

A kvantumoptika triumvirátusa

Érdekes csapatot alkot a három tudós: a triumvirátus legidősebb tagja, Roy Glauber 80, John Hall 71, Theodor Hänsch 63 éves. Nem véletlen a köztük fennálló életkori különbség: mindhárman más-más időpontban járultak hozzá a lézertechnika fejlődéséhez, a tudományág egy-egy részterületén jutva el korszakos felfedezéseikhez. Ráadásul egymástól meglehetősen távol kutatnak: Glauber a Harvard Egyetemen, Hall Coloradóban, míg Hänsch a müncheni Max Planck Optikai Kutatóintézetben.

Bár a lézer megszerkesztése óriási huszárvágást jelentett a műszertechnika területén, a fény keletkezésének elméleti kérdéseit hosszú időn keresztül nem sikerült tisztázni. Azt már a kezdetektől tudták, hogy gerjesztett sugárzásról van szó, amely néhány milliomod másodpercenként szakaszosan löki ki a fénynyalábot – eredetileg pirosat, ugyanis az első kvantumforrások rubinkristállyal működtek. A későbbiekben sikerült folyékony és gázlézereket is kifejleszteni, amelyek meghatározott rajokban szigorúan egyszínű, egy hullámhosszú fényt sugároznak ki.

JOHN HALL

A fénysugarak színképelemzéséhez használt lézeralapú precíziós spektroszkóp kifejlesztésében játszott szerepéért jutalmazták John Hallt. Tudományos alapigazság, hogy ideális állapot a természetben nem fordul elő. ĺgy a lézer halálpontos rezgésszáma is külső tényezők hatására ingadozik. A mindennapi gyakorlatban ennek nincs jelentősége, viszont a nagy pontosságú méréseket már nagyban befolyásolhatja.

THEODOR HÄNSCH

Hänsch legfőbb érdeme egy mérési eljárás kidolgozása, amely döntő mértékben befolyásolhatja a jövő navigációját. A lézerek nagyrészt a látható fény, illetve az ultraibolya tartományban sugároznak. Ezeken a hullámhosszokon viszont a színképelemzés mindössze 10-12 tizedes pontossággal valósítható meg. Ennél akár tízezerszer nagyobb pontosság érhető el a mikrohullámú tartományban. Hänsch a lézerfényt ebbe a sávba tette át.

ROY GLAUBER

Glauber nevéhez fűződik a lézerek koherenciával kapcsolatos elméletének továbbfejlesztése és a fotonok kirajzásának elméleti leírása. Kutatásaival megnyitotta az utat a maiaknál sokkal nagyobb sebességű és nagyobb kapacitású kvantumszámítógépek kifejlesztéséhez. A világ minden kvantumoptikai szakkönyve az ő köpönyegéből bújt ki. Több száz olyan publikáció található a világhálón, amelyben az ő munkásságára hivatkoznak. Minden bizonnyal ez volt a fő oka, hogy a Nobel-díjért járó 10 millió svéd korona felét a tudományág nagy öregjének ítélték .