Nobelpreis 2005 für Glauber, Hall und Hänsch

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

Weitere Infos:

• Physik Nobelpreis 2005:
  http://nobelprize.org/physics/laureates/2005/index.html      
• Thomas Udem, Ronald Holzwarth und Theodor W. Hänsch: Uhrenvergleich auf der Femtosekundenskala. Physik Journal 2/2002, S. 39:
  http://www.pro-physik.de/Phy/pdfs/ISSART14184DE.PDF      
• Zehn Fragen an ... Theodor W. Hänsch, Physik in unserer Zeit, 3/2002, S. 145:
  http://www.pro-physik.de/Phy/pdfs/NEWS_PDF_GER_1942.pdf    
• Homepage von Roy J. Glauber:
  www.physics.harvard.edu/people/facpages/glauber.html      
• Homepage von John L. Hall:
  http://jilawww.colorado.edu/www/faculty/#hall      
• Homepage von Theodor W. Hänsch:
  www.mpq.mpg.de/~haensch/htm/Haensch.htm