Fysik: De satte ljus på ljuset

Halva priset delar amerikanen John Hall med den tyske forskaren Theodor Hänsch. De utvecklade extremt precisa laserinstrument för att bestämma ljusets frekvens och därmed färg hos ljus. Andra halvan får amerikanen Roy Glauber vars insatser inom teorin för ljus lade grunden för ett nytt forskningsfält – kvantoptiken. Detta skedde redan på 1960-talet, kort efter att de första laserstrålarna sett dagens ljus.

I dag läser studenter om Glaubers teori i sina kursböcker, och kvantoptik har blivit ett aktivt område inom fysikforskningen. Men ännu för fem decennier sedan hade man inget behov av att tillämpa kvantfysiken på ljusfenomen. Att betrakta ljus som vågor räckte till i de praktiska tillämpningarna, även om Max Planck och Albert Einstein, och andra efter dem, redan i början av 1900-talet förstod att ljus är kornigt: att det förutom som vågor även kan betraktas som partiklar, fotoner. Det var först när man började undersöka laserljusets välordnade fotoner som behovet av att räkna med kvanta dök upp.

Den direkta inspirationen till kvantoptiken fick Glauber från observationer av ljusstrålar från Sirius. Dessa anländer till två närliggande mottagare på jorden i ett bestämt mönster i stället för att droppa in slumpvis som man förväntat sig. Glauber publicerade år 1963 sin teori, där han bland annat kunde förklara hur detta mönster uppstår.

Med hjälp av de nya beräkningarna kunde man beskriva skillnader mellan olika ljuskällor – vanliga glödlampor som sänder vitt ljus med frekvenser blandade huller om buller och lasrar vars ljus är ordnat och enfärgat. Ljusets kvantegenskaper är på gott och ont i tillämpningarna: de ger brus som kan sätta gränser för hur exakta mätningar det går att göra. Men man gör även försök att utnyttja dem i nya krypteringstekniker för säker kommunikation och informationsbehandling.

Trots sina 80 år är Roy Glauber fortfarande aktiv vid Harvard University, hans arbetsplats sedan 1976. Telefonsamtalet från Kungl. Vetenskapsakademien om Nobelpriset överraskade honom i gryningen men hindrade honom inte från att senare på dagen genomföra sitt seminarium som planerat. Med sina studenter skulle han bland annat diskutera Manhattanprojektet, det amerikanska atombombsbygget som han som mattebegåvad tjugoåring deltog i ett par år i slutet av andra världskriget. Till våren går hans mest populära kurs för unga studenter: en kurs i optik med lasershow.

Laser har ända sedan den uppfanns på 1960-talet blivit optikens nyckelinstrument, och John Hall och Theodor Hänsch har utvecklat mätmetoderna till perfektion. Nobelpriset får de för sitt ”bidrag till utvecklingen av laserbaserad precisionsspektroskopi, inkluderande den optiska frekvenskamstekniken”.

Hänsch och Hall har arbetat jämsides, ibland som kolleger som publicerade artiklar ihop, ibland som konkurrenter. Båda byggde upp sin forskarbana genom att stegvis flytta gränsen för det mätbara mot allt högre precision. Till skillnad från Roy Glaubers pris, som kom överraskande mer än dryga fyrtio år efter att hans arbeten publicerades, var belöningen till Hänsch och Hall väntad, trots att frekvenskammen som omnämns i prismotiveringen bara är några år gammal. Med den har fysiken fått ett instrument att testa sina gränser på nytt. Det här är de kortaste ögonblick som någonsin har skapats av människan.

Ljus av olika färg svänger olika många gånger i sekunden, vilket i fysiken beskrivs med olika frekvenser. Frekvenskammen sänder ut ljus i regnbågens alla färger vilka separeras med extrem precision. Frekvenskammen används som mätsticka eller snarare som optisk stämgaffel för att bestämma färg, alltså frekvens, hos andra ljuskällor med hittills oöverträffad exakthet.

Men Nobelpristagarna har lyckats med ett konststycke till – de har inte bara kunnat jämföra frekvenser, man kan numera även tala om frekvensens absoluta värde. Genom att sträcka sin frekvenskam över en hel oktav – från rött ljus ända ut till blått – lyckades de fördubbla frekvensen och på ett fiffigt sätt komma fram till var exakt på mätstickan nollan ligger.

Och ju mer exakt frekvens, desto mer exakt mått kan man få på tid, och därmed även avstånd. Det hänger ihop med att ljusets hastighet i vakuum är konstant och har fastslagits till exakta 299 792 458 meter i sekunden. Utifrån detta mått definieras en meter i dag som den sträcka som ljuset tillryggalägger under 1/299 792 458 sekund. Att mäta så snabba svängningar krävde länge omständliga procedurer med apparater i en lång kedja, så behovet av en bättre frekvensmätning var uppenbar. Än så länge är många av de nyaste experimenten rätt svårtillgängliga. Men förmodligen kommer definitionen av sekunden att ändras relativt snart.

I år är det 50 år sedan den första cesiumklockan presenterades. Därmed trädde tiden in i atomåldern. Men det tog ytterligare 12 år innan man år 1967 definierade en sekund som 9 192 631 770 svängningar mellan två olika energinivåer i en cesiumatom. De noggrannaste cesiumklockorna i dag kan mäta tid med ett mätfel som är mindre än en sekund på 30 miljoner år.

Denna häpnadsväckande precision kan dock överträffas tusenfalt av den moderna optiska tidmätningen som den nu Nobelprisbelönade tekniken har lett till. Dessutom är den optiska klockan mer stabil än det traditionella atomuret.

Allt noggrannare tidmätningar är väsentliga för moderna tillämpningar både i rymden för noggrannare navigeringssystem och på marken, där till exempel internet behöver samma tidsstandard världen över. Atomklockorna på de 24 satelliter som tillsammans bygger upp positionsmätningssystemet GPS i kombination med tidmätningar på jorden tillåter att piloter, vandrare, seglare och alla andra på bara några meter när kan bestämma var de befinner sig.

Med denna noggrannhet i mätning blir vi påminda om att vi lever i en relativistisk värld. Enligt Einsteins allmänna relativitetsteori går klockor långsammare ju närmare jorden de befinner sig. Har man två perfekta klockor kan frekvenserna, beroende på jordens gravitationsfält, skilja sig mellan dem om de befinner sig på olika platser. En höjdskillnad på en centimeter innebär en skillnad på ungefär 1 på 10-18. Snart är denna gräns nådd med de superexakta optiska klockorna.

Planen är nu att undersöka fysikkonstanterna, som ju inte ska ändras över huvud taget, och mäta hur konstanta de faktiskt är. Från observationer av avlägsna kvasarer har astronomer fått idén att en av dessa fysikens pelare, den så kallade finstrukturkonstanten, faktiskt kan ha ändrats under årmiljarderna.

Finstrukturkonstanten kombinerar ljushastigheten med elektronens laddning och Plancks konstant, och misstanken är att den under loppet av 7 miljarder år kan ha ändrat sitt värde med 0,00001. Alltså att någon eller flera av de ingående storheterna ska ha ändrat sig under universums utveckling. Frekvenskammen kan stå till tjänst när kosmologerna ska lösa sådana problem.

Och är konstanten föränderlig innebär det att kosmologins världsbild kommer att skakas i grunden.