Nobelova cena za hřeben

Martina Mašková: Jak byste podstatu práce s lasery, za niž jste v roce 2005 získal Nobelovu cenu, vysvětlil dítěti?

Theodor Hänsch: Pokud to někdo dokáže (úsměv), cenu bych mu asi musel přenechat. Ale zjednodušeně vzato, našli jsme nový způsob jak určit barvu světla. Světlo je elektromagnetické vlnění, které kmitá neuvěřitelně rychle. Čím rychleji kmitá, tím více modrá. Červené světlo kmitá pomalu, žluté rychleji, zelené ještě rychleji a modré světlo nejrychleji. Ovšem i to červené pulzuje rychlostí několika trilionů kmitů za sekundu. A my jsme našli způsob jak měřit počet kmitů tohoto světelného vlnění.

M. M.: Umožňuje vám to přístroj zvaný optický frekvenční hřeben, který generuje velmi krátké světelné pulzy. Čím je dáno, že je tak přesný?

T. H.: Měli jsme svým způsobem štěstí. Za normálních okolností funguje Murphyho zákon: všechno, co se může pokazit, se pokazí. S optickým frekvenčním hřebenem jsme ale zatím na žádné potíže nenarazili, nevíme o žádném zdroji chyb. Je to myslím nejpřesnější měřicí přístroj, jaký byl kdy vynalezen. Svou přesností překvapil i mnohé odborníky.

M. M.: A proč mu říkáte hřeben?

T. H.: Pulzy světla, které tento laser vyzařuje, jsou pravidelné. Když pozorujete různé barvy, z nichž se skládá, zjistíte, že nejde o souvislé spektrum, jaké vytváří např. sluneční světlo. Pravidelná řada ostrých spektrálních linií se svým vzhledem skutečně podobá hřebenu. Proto jsme přístroj nazvali optický frekvenční hřeben.

M. M.: Vaše metoda velmi přesných měření přispěla k devalvaci metru coby jednotky délky. Jak je to možné?

T. H.: To se stalo ještě předtím, než jsme začali používat optický frekvenční hřeben. Mezinárodní výbor, v němž zasedalo třiapadesát zemí, v roce 1983 rozhodl, že rychlost světla ve vakuu bude nově definována takto: „Jeden metr je vzdálenost, kterou urazí světlo ve vakuu za 1/299 792 458 sekundy.“ Když chcete znát délku metru, musíte změřit vlnovou délku a frekvenci světla. Dlouho se ale nevědělo jak to udělat v praxi. Deset let se laboratoře ve Spojených státech pokoušely změřit frekvenci laseru. Neuspěly. Hned na několika vědeckých pracovištích využívali badatelé tovární haly plné laserů, dokázali však získat jen jednu spektrální linii. S optickým frekvenčním hřebenem můžeme změřit frekvenci jakékoliv barvy. Je praktické, když vlnovou délku světla umí určit přístroj velikosti videopřehrávače.

M. M.: V televizním rozhovoru po udělení Nobelovy ceny jste ilustroval svou metodu tím, že jste přinesl do studia pudink. Proč?

T. H.: To bych se musel vrátit někam na počátek sedmdesátých let… Tehdy jsme poprvé zkoušeli vyrobit širokopásmové lasery, jejichž barvu by šlo měnit podle potřeby. Ty se měly stát užitečnými nástroji ve spektroskopii. Hráli jsme si s organickými barvivovými lasery a zkoušeli, zda je dokážeme vyrobit i z pudinků. V Americe je pudink oblíbená dětská pochoutka, a tak jsme nakoupili pudinky různých příchutí a míchali je, abychom zjistili, zda dokážou vyzařovat fialové světlo. Bohužel s žádným z těchto výrobků se nám to nepodařilo. Tak jsme smíchali pudink s fluoridem sodným a vznikla směs pro barvivový laser, která se dá krájet. V novinách o něm psali jako o prvním „jedlém“ laseru (úsměv).

M. M.: Vaše metoda měření by se mohla uplatnit například v oblasti systémů GPS, které s velmi přesnými atomovými hodinami pracují. Jak?

T. H.: Přesnější hodiny můžeme sestrojit tak, že rozdělíme čas na kratší intervaly. To vědci vědí už dlouho. Jenže dosud neuměli vyrobit hodinový stroj, který by dokázal spočítat počet vln, tedy změřit frekvenci světelného záření v optické oblasti. Když stabilizujete laser, můžete získat dobře pozorovatelnou optickou rezonanci. Optická rezonance je známa už celá desetiletí, ale odpovídající hodiny, které by ji měřily, nikoliv. Do deseti let bychom proto chtěli vyrobit optické atomové hodiny. Měly by být tisíckrát přesnější než mikrovlnné, které se používají dnes. Jejich vývoj pochopitelně sledují výrobci aplikací, jako jsou GPS a telekomunikační firmy. Náš způsob měření by mohl být užitečný také ve spektroskopii.

M. M.: Jaké nové aplikace vaší metody v telekomunikacích se připravují?

T. H.: Řada lidí tvrdí, že dále zpřesňovat atomové hodiny už nepotřebujeme. Neuvědomují si však, že když třeba hledáme na internetu nebo používáme mobilní telefon, jsme na atomových hodinách závislí. Čím více dat chceme posílat po komunikačních linkách, tím přesnější navigaci, tedy i hodiny, potřebujeme.

M. M.: Cítil jste někdy jako morální dilema to, že vaši metodu mohou využívat také armády?

T. H.: Jistě. Tak to je ale se vším: všechno užitečné může být zneužito. My vědci se „jen“ pokoušíme novým přístrojům porozumět. Věříme, že světu prospějí a že politikové budou dost moudří.

M. M.: Vrátím-li se k úvahám o vlastnostech vašeho laseru: Jak si představit přesnost na patnáct desetinných míst. Jak jí můžeme docílit v laboratoři?

T. H.: To se dá snadno spočítat. Přesnost na patnáct desetinných míst mají dnes ty nejpřesnější mikrovlnné atomové hodiny. My ale doufáme, že se dostaneme na osmnáct desetinných míst. Když hodiny necháte běžet celý den, ustálí se na určitém počtu kmitů. A když je uložíte na různá místa na planetě, mohou pomoci například v astronomům při hledání planet či vzdálených hvězd…

M. M.: V jakých oblastech astronomie se podle vás atomové hodiny uplatní nejvíc? Daly by se s jejich pomocí měřit třeba i vzdálenosti nebeských těles?

T. H.: NASA má síť observatoří, které už s nimi pracují. Telekomunikace jsou založeny na sítích optických vláken a načasování je pro ně důležité, stejně jako pro satelitní navigaci. A to vše běžně používáme už teď, s využitím dosavadních poznatků vědy. V budoucnu, s ještě přesnějšími hodinami, snad dokážeme přijít na další praktické využití naší metody. Velmi kvalitní hodiny s přesností deset na minus osmnáctou budou tak citlivé, že dokážou zaznamenat i změny zemské gravitace. Dokážeme díky nim rozeznat pohyby na úrovni planet, změny tvaru zeměkoule, signály přicházejícího zemětřesení a kdovíco ještě jiného… Jde o nový svět, který teprve začínáme objevovat…

M. M.: Svou nobelovskou přednášku jste nazval „Vášeň pro přesnost“. Chodíte včas do laboratoře? (úsměv)

T. H.: Samozřejmě (úsměv), byť ne s přesností na patnáct či osmnáct desetinných míst. Přesná měření mě ale moc baví. Žijeme v mimořádně komplexním a komplikovaném světě. Když v něm dokážeme něco změřit mimořádně přesně a založit na tom nové teorie, lépe porozumět světu, a to je povzbudivé…

Otázky kladla Martina Mašková, Český rozhlas.