Nobelpreis 2005 für Glauber, Hall und
Hänsch
Die zwei US-Amerikaner
Roy J. Glauber und John L. Hall sowie der Münchner Theodor W. Hänsch werden in
diesem Jahr mit dem Physik-Nobelpreis geehrt.
Die Königlich Schwedische Akademie der
Wissenschaften verleiht in diesem Jahr den Nobelpreis in Physik an drei
Wissenschaftler, die auf dem Gebiet der Optik arbeiten. Roy J. Glauber erhält
den Preis zur Hälfte, und zwar für seinen Beitrag zur Quantentheorie der
optischen Kohärenz. Die Experimentalphysiker John L. Hall und Theodor W. Hänsch
erhalten je ein Viertel des Preises für ihre Beiträge zur Entwicklung der
Laser-Präzisionsspektroskopie mit Einschluss der optischen
Frequenzkammtechniken.
Der US-amerikanische
Theoretiker Roy J. Glauber wurde 1925 in New York geboren und arbeitet an der
Harvard Universität. Er hat entscheidend unsere Vorstellung davon geprägt, wie
sich das Licht aus Photonen zusammensetzt. Genau 100 Jahre nach Einsteins Arbeit
über den Photoelektrischen Effekt, für die er 1921 den Nobel-Preis erhalten
hatte, wurde wieder eine Arbeit ausgezeichnet, die sich den Grundlagen des
Lichtes widmet. Glauber hat die Kohärenz des Lichtes, also den Zusammenhang der
elektromagnetischen Schwingungen an verschiedenen Orten und/oder zu
verschiedenen Zeiten, dadurch analysiert, dass er vom Detektionsprozess der
Photonen ausgegangen ist.
Demnach muss man
berücksichtigen, dass sich der Zustand des Lichtes ändert, sobald ein Photon
detektiert worden ist. Will man die Korrelationen des Lichtfeldes an n
verschiedenen Orten messen, so muss man (mindestens) n Photonen
absorbieren. Daher kann man für ein Lichtfeld, das nur n Photonen
enthält, auch nur Korrelationen bis zur n-ten Ordnung angeben.
Durch Glaubers Analyse wurde es möglich, über Experimente mit n
Photonen klare Vorhersagen zu machen bzw. die Messergebnisse eindeutig zu
interpretieren.
So zeigte sich beim
Zwei-Photonen-Korrelationsexperiment von Hanbury Brown und Twiss, dass das
„Zusammenklumpen“ der Photonen des thermischen Lichtes mit den Gesetzen der
klassischen Optik verträglich ist. Die Photonen des Laserlichts hingegen zeigen
keine Tendenz zusammenzuklumpen. Inzwischen kann man auch nichtklassisches Licht
erzeugen, dessen Photonen anti-bunching zeigen, also einander meiden.
All diese Erscheinungen lassen sich mit Glaubers Theorie erklären oder
wurden mit ihrer Hilfe vorhergesagt.
Mit der
Einführung der kohärenten Zustände des Lichtes, die auch Glauber-Zustände
genannt werden, hat Roy Glauber den Zusammenhang zwischen der klassischen Optik
und der Photonen-Optik deutlich gemacht. Kohärente Zustände besitzen sowohl eine
Amplitude als auch eine Phase, beide allerdings mit einer Unschärfe, die mit der
Heisenbergschen Unschärferelation in Einklang ist. Durch Verringern der einen
Unschärfe auf Kosten der anderen lassen sich so genannte gequetschte Zustände
herstellen, deren Eigenschaften sich wiederum mit Glaubers Theorie herleiten
lassen. So zeigt es sich, dass man diese Zustände für Präzisionsmessungen nutzen
kann, z. B. für Gravitationswellendetektoren.
Um Präzisionsmessungen geht es auch bei den jetzt
ausgezeichneten Arbeiten von John L. Hall, der 1934 in Denver geboren wurde und
am NIST in Boulder arbeitet, und von Theodor W. Hänsch, der 1941 in Heidelberg
geboren wurden und am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching forscht.
Beide Physiker haben die Messgenauigkeit für atomare Frequenzen in geradezu
atemberaubender Weise verbessert. Dabei sind Hänsch und Hall mit ihren Teams
sowohl parallel als auch in gemeinsamer Arbeit entscheidende Durchbrüche
gelungen.
Schon 1972 hatte Hänsch zusammen
mit dem späteren Nobelpreisträger Arthur L. Schawlow am Wasserstoffatom die
erste Laser-Präzisionsmessung der optischen Übergangsfrequenz zwischen dem 1s-
und dem 2s-Zustand gemacht. Für die Erhöhung der Messgenauigkeit erwies sich die
Frequenzstabilität des benutzten Lasers als äußerst wichtig. Mit Hilfe der von
Hall entwickelten Verfahren ließ sich die Stabilität soweit erhöhen, dass man
mit der optischen Spektroskopie eine Präzision von 10-15 erreicht hat, wie man sie von Atomuhren
kennt, die allerdings im leichter zu handhabenden Mikrowellenbereich arbeiten.
Es zeichnet sich ab, dass die heute gängigen Cäsium-Atomuhren in nicht zu ferner
Zukunft durch optische Atomuhren abgelöst werden, die eine noch wesentlich
höhere Genauigkeit erreichen können.
Den Weg
zu noch präziseren Atomuhren haben wiederum Hall und Hänsch geebnet. Beide haben
durch die Entwicklung von so genannten Frequenzkämmen ein Mittel gefunden,
optische Frequenzen mit Mikrowellenfrequenzen zu vergleichen und auszuzählen.
Damit ist es ihnen gelungen, optische Frequenzen mit einer Genauigkeit von
10-19 stabil zu halten. Dank der
erreichten Präzision konnten Hänsch und seine Mitarbeiter Naturkonstanten wie
die Feinstrukturkonstante auf eventuelle Änderungen hin untersuchen – allerdings
bisher mit negativem Ergebnis. Auch ein möglicher Unterschied zwischen den
physikalischen Eigenschaften von Materie und Antimaterie könnte durch
optische Präzisionsmessungen an Wasserstoff und Antiwasserstoff nachgewiesen
werden. Präzisere optische Atomuhren werden schließlich auch eine genauere
GPS-Navigation gestatten.
Rainer
Scharf
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