Koherents ja laserkamm tõid Nobeli autasu

Tänavuse Nobeli füüsikapreemia määras Rootsi Kuninglik Teaduste Akadeemia kahele ameeriklasele ja ühele sakslasele. Väljavalituiks osutusid Harvardi ülikooli professor Roy Glauber, Colorado ülikooli professor John Hall ja Max Plancki nimelise kvantoptika instituudi direktor, Müncheni Maximilliani ülikooli professor Theodor Hänsch. Glauber sai 10 miljoni Rootsi krooni suurusest preemiasummast poole, Hall ja Hänsch kumbki veerandi.

Kõik tänavused füüsikalaureaadid on üsna eakad: Glauberil on aastaid 80, Hallil 71 ja noorimal, Hänschil – 63. Tööd, mida peeti maailma väärikaimat autasu pälvivaks, on kõik tehtud juba aastakümneid tagasi. See on muidugi vastuolus Alfred Nobeli testamendiga, milles dünamiidi leiutaja sätestas, et autasu antakse “inimkonnale kõige enam head teinud saavutuse eest eelmisel aastal”. See üle sajandi tagasi (1895) sõnastatud nõue on muidugi üsna naiivne. Tänapäeval oleks enamasti võimatu välja selekteerida silmapaistvaimat nii värskete saavutuste hulgast. Tollal võis see ju näida reaalne. Ja ega seda nõuet kunagi järgitud olegi.

Kvantoptika isa

Roy Glauber sai nobelistiks “andami eest optilise koherentsi teooriasse”.

Ladinakeelne cohaerentia tähendab eesti keeli "tihe kooskõla, seostatus". Kui visata vette üheaegselt kaks kivi, moodustuvad veepinnal koherentsed lained (joonis trükinumbris). Kokku sattudes moodustavad nad korrapärase interferentsmustri. Vette heidetud peotäis kivikesi tekitab ebakoherentsed lained. Neist moodustub korrapäratu säbru. Koherentseid laineid võiks võrrelda taktsammu marssivate sportlaste rühmaga. Sedasorti valguslaineid kiirgavad ka laserid, mittekoherentseid – kõik muud valgusallikad: Päike, küünal, elektrilambid.

Interferents on lainete ühinemine. Kui ruumis satuvad kokku kaks laineharja või -nõgu, laine tugevneb. Kui aga lainehari satub kokku nõoga, hävivad nad vastastikku. Sama lugu on valguslainetega. Koherentsed valguslained võivad anda ajas püsiva interferentsmustri, nt tumedate ja heledate triipude jada. Heledusgraafikul tähendab see maksimumide ja miinimumide vaheldumist.

On aga teada, et valgus on kahese, dualistliku loomusega, olles nii lainetus kui ka valgusosakeste ehk footonite voog. Mõnes nähtuses, nagu interferents, ilmneb valguse laineloomus, mõnes teises, nagu fotoefekt, aga valguse diskreetsus, teralisus, osakestest koosnemine. Iga footon vallandab fotoefektis metalli pinnalt ühe elektroni, mille energia on määratud ainuüksi footoni energiaga ega sõltu valguse heledusest. Nõnda siis on tegemist nähtuste komplementaarsuse ehk täienduslikkusega. Kord on määrav laineloomus, teisal jälle – teralisus.

Kui lainepildis on koherentsust ja interferentsi hõlpus mõista, siis footonite pildis on see hoopis raskem.

Glauberi saavutus selles seisnebki, et ta andis koherentsile (ja interferentsile) järjekindla seletuse footonite kui osakeste pildist lähtudes, tuginedes seejuures kvantelektrodünaamikale (väljade kvantteooriale). Ta näitas, et koherentsetele valguslainetele vastavad üksteisega seostatud (korreleeritud) footonid ja lõi sedakaudu järjekindla, täpse optilise koherentsi kvantteooria. Interferentsikatseis koonduvad footonid just sinna, kus lainepildis kujunevad interferentsmaksimumid, ja väldivad miinimume. See võimaldas seletada mitmeid peenefekte, mis lainepildis jäid hägusaks. Asjata ei nimetata Glauberit kvantoptika isaks. Nüüdseks on kvantoptika kujunenud mitmekesiseks ja haaravaks uurimisväljaks. Kvantoptikale toetudes on tehtud hulk teravmeelseid katseid, mis näitavad valgussignaalide kvantloomust. Glauberi ja tema järgijate tööd on heitnud uut valgust ka kvantteooria seni vaieldavatele telgprobleemidele. Kvantoptika tulemustel on tegemist nüüdsete aktuaalsete tehnikaväljadega – kvantsidega, ja ka kvantarvutitega. Alles loomisjärgus kvantarvutid töötlevad üheaegselt terveid andmemassiive, mitte üksikandmeid järjestikku, nagu praegu toimivad raalid. Glauberi arvutused lõid soliidse teoreetilise põhja ka kahe ülejäänud laureaadi, Halli ja Hänschi töödele.

Kammitehnika loojad

Halli ja Hänschi tunnustati “nende panuste eest laser-täppis-spektroskoopiasse, sh optiliste sageduste kammitehnikasse”.

Hall ja Hänsch said Nobeli autasu, osalt kumbki eraldi oma uurimiskaaslastega, osalt ka ühistöös, viisid laserspektroskoopia uuele, kõrgeima täpsuse tasandile. Laserite kasutuselevõtt spektroskoopias on üldse tohutult tõstnud spektrimõõtmiste taset. (Väärib märkimist, et ka Tartu Ülikooli Füüsika Instituudi uuringud on suurelt osalt laserspektroskoopia vallast.) Põhjuseks on laserikiirguse spektrijoonte ülim kitsus. Hall ja Hänsch viisid valguse sageduste (ühtlasi lainepikkuste, seega aatomeist/molekulidest kiiratava valguse värvuse) mõõtmistäpsuse rekordilisele kõrgusele. Suhteline katseviga nende mõõtmistes on määratud arvuga 10 astmes miinus 15, teisisõnu – üks jagatud miljoni miljardiga. Laureaatide töödele tuginedes loodetakse katseviga vähendada veelgi, suuruseni 10 astmes miinus kaheksateist, mis kõlab juba lausa ulmeliselt. Eriti Hall on oluliselt edasi arendanud laserspektroskoopia aparatuuri stabiilsust ja täpsust.

Oluline on siinjuures laserkammi tehnika rakendamine. Mida tähendab laserkamm? Veider termin johtub sellest, et eriliselt konstrueeritud laser kiirgab valgust, mille spektri ülipeen struktuur meenutab kammi, mille iga pii on ülikitsas spektrijoon (joonis trükinumbris). Selle kammi eripäraks on tema “küürakus” – keskmised jooned (“piid”) on kõrgemad, kammi äärte poole nad kahanevad. See kamm on nagu mõõdulint, iga kammipii mõõdukriipsuks. Selle mõõdikuga saab võrrelda teiste laserite kiirgusjooni ja määrata ülitäpselt nende sageduse.

Võrdlusmeetod meenutab tuiklemisi akustikas. Nimelt, kui panna vibreerima kaks heliharki, mis tekitavad ligilähedase sagedusega helivõnkumisi, siis hakkab summaarne helitugevus justkui lainetama, pulseerima, tugevam heli vaheldub korrapäraselt nõrgemaga – s.o tuiklema. Pulseerimissageduse järgi saab täpselt määrata heliharkidelt tulevate lainete sagedusi. Midagi analoogilist toimub ka valguslainetega. Ka need võivad lähedastel sagedustel hakata tuiklema. Seda äsjakerkinud nobelistid rakendasidki valguse sageduse ülitäpseiks määranguiks.

Omaette probleem oli selle laser-mõõdulindi nullpunkti määramine. Sellest saadi üle valgussageduste kahekordistamist kasutades (mittelineaarse optika võte).

Halli ja Hänschi tööd on juba leidnud hulgaliselt rakendusi ja kindlasti leiavad veelgi, seda nii nii fundamentaalteadustes kui ka tehnikas. Loetlegem mõnesid.

- On loodud võimalus aatomkellade täpsuse edasiseks tõstmiseks. (Aatomkellas on “pendliks” elektronsiirete “takt” aatomis.

- Saab täiustada GPS-süsteemi seadiseid (GPS – Global Positioning Systems, eksisteeriv süsteem, mis 24 tehiskaaslase kogumile tuginedes võimaldab määrata GPS-aparaati omava laeva, auto, lennuki, kas või eksinud marjulise täpse asukoha.) Põhiliste füüsikateooriate, nt relatiivsusteooria üha täpsem kontroll.

- Võimaldub luua täiustatud kosmosenavigatsiooni süsteeme, eriti kestvaiks ruumilendudeks süvakosmosse.

- Ruumi isotroopia järelekatsumine, et teha kindlaks, kas ruumi omadused on ikka igas suunas ühetaolised.

- Võimalike erisuste otsimine mateeria ja antimateeria vahel. Tavamateerias on aatomituumad positiivse, nende ümber tiirlevad elektronid negatiivse laenguga, antimateerias vastupidi, tuumades on negatiivsed antiprootonid, ümbritsetud positiivsetest positronidest. Peale selle põhilise ja drastilise erinevuse võiks ilmneda veel pisemaid, mille jälile suudaks jõuda uudne ülitäppis-laserspektroskoopia.

- Saab kontrollida, kas füüsika põhikonstandid, nagu valguse kiirus, Plancki konstant, algosakeste massid jpm, ikka tõesti on püsisuurused või muutuvad nemadki ajas tasapisi. Laureaadid koos järgijatega on juba selgitanud, et mõne aasta jooksul muutusi ei ilmnenud.

Tuleb rõhutada, et nobelistid polnud oma töödes üksi, neil on hulk kaastöölisi, järgijaid, edasiarendajaid. Paraku määras Alfred Nobel nii, et iga-aastast autasu võib jaotada üksnes kolme laureaadi vahel.

Tänavused autasud on otseseoses laserite ja nende rakendamisega. Koos äsjastega on nobelistideks saanud juba 16 laserimeest. Paraku pole nende hulgas ikka veel esimese laseri – rubiinlaseri – loojat Theodore Maimani (1927), kes kindlasti seda autasu väärinuks. Aga kõigi preemiate määramises on tihti palju juhuslikku, vaieldavat ja inimlikku ebatäiust.

HENN KÄÄMBRE (1935) töötab Tartu Ülikooli Füüsika Instituudis, füüsika-matemaatikadoktor, paljude populaarteaduslike raamatute autor ja tõlkija, üks eestikeelse füüsikaterminoloogia täiustajaist.