Serge Haroche a David Wineland otevřeli ostatním fyzikům nové dveře. Podařilo jim vyvinout postupy na měření kvantových stavů jednotlivých částic, aniž by je zničili. Jejich výsledky vedou jak k novým fyzikálním objevům, tak praktickým aplikacím.
Nobelovy cenyPrestižní ceny se letos rozdávají od pondělí 8. října. Uvedené časy označují zahájení vyhlašování, které můžete sledovat v přímém přenosu na stránkách Nobelovy nadace. Nobelova cena za fyziologii a medicínu: v pondělí 8. října v 11:30. Získali ji John Gurdon a Šinja Jamanaka za výzkum v oboru kmenových buněk (více zde). Nobelova cena za fyziku: v úterý 9. října v 11:45. Laureáty jsou Francouz Serge Haroche a Američan David Wineland za práci v oboru kvantové fyziky. Nobelova cena za chemii: ve středu 10. října v 11:45 Nobelova cena míru: v pátek 12. října v 11:00 Cena Švédské národní banky za rozvoj ekonomické vědy na památku Alfreda Nobela: v pondělí 15. října ve 13:00 (nejdříve, píše se na stránkách nadace) Nobelova cena za literaturu: ve čtvrtek 11. října ve 13:00. Datum vyhlášení bylo jako obvykle oznámeno až v první den udělování cen. |
"Je to trochu překvapení, že cenu dostali letos, ale o těchto dvou jménech se už delší dobu mluvilo jako o kandidátech na Nobelovy ceny," říká Zdeněk Hradil z Katedry optiky na Univerzitě Palackého v Olomouci.
V podivném světě
Přínos práce obou vědců je pro laika na první pohled nejasný. Nobelova komise je ocenila i za to, že dokázali měřit stav částic bez toho, aniž by je narušili. Co to znamená? Proč by měření nějakého jevu mělo vést k jeho ničení?
Odpověď je ve velikosti pracovních nástrojů letošních laureátů - oba se pracovně pohybují ve světě jednotlivých částic. Ty se v mikrosvětě chovají zcela jinak než "ve stádě", tedy jako součást velkých souborů částic (třeba předmětů), se kterými se setkáváme v běžném životě.
V kvantovém světě například platí, že částice může být v několika stavech najednou (můžeme si představit, že je na více místech najednou). Pokud se nám ji podaří izolovat od okolí, může to tak zůstat po celou dobu jejího života. Ve chvíli, kdy její "soukromí" narušíme, například se jí pokusíme změřit, částice se zhroutí jen do jednoho stavu ("na jedno místo"). Fyzikové mají rádi provokativní příklady a často mluví o tzv. stavech "Schrödingerovy kočky", která by se mohla nacházet v živém a mrtvém stavu současně.
Myšlenka není vůbec nová, zlatá doba rozvoje kvantové teorie byla zhruba mezi dvěma světovými válkami 20. století. Podíleli se na ní teoretici jako Schrödinger a Einstein, abychom jmenovali dva nejznámější (ne nutně zcela nejzasloužilejší). Pole však zůstávalo v podstatě výhradně hájemstvím teoretiků. Shrödinger si ve své době také povzdechl, že experimentální stránka kvantové fyzice hodně chybí.
Měnilo se to jenom pomalu a v podstatě až o půl století později. Vědci nejprve vyvinuli teoretický popis kvantových jevů a poté i praktický postup, jak jednotlivé částice měřit a sledovat. Za teoretickou část kvantové optiky byla udělena Nobelova cena v roce 2005. (Podíl na ceně obdržel tehdy fyzik Roy Glauber známý jako zametač vlaštovek při ceremoniálu žertovných Ig Nobelových cen.)
Zrodil se tak obor nazývaný kvantová optika. Odborníci se v něm nezabývají posíláním svazků či paprsků, ale také počítáním jednotlivých fotonů či atomů. Obor se rychle dostal do laboratorní praxe a během této fáze (v 80. a hlavně 90. letech) vznikly zásadní práce letošních laureátů, Harocheho a Winelanda.
Oba dokázali vytvořit jakési kvantové vězení, do kterého mohli zavírat částice jednu po druhé, a tak přesně kontrolovat, co se v jeho prostoru děje. Díky tomu mohli pozorovat částice při kvantovém chování, tedy obrazně řečeno třeba "na několika místech najednou". Jde o nesmírně náročný experimentální úkol, pro který vyvinuli každý ve své laboratoři jinou techniku. Důležité je, že měli shodné výsledky, rozdíly mezi jednotlivým technikami nejsou až tak důležité.
Zatímco tým profesora Winelanda se zabýval přípravou stavů iontů v elektromagnetické pasti a měřil a kontroloval jejich vlastnosti právě prostřednictvím fotonů, tým profesora Haroche postupoval přesně opačně. Stav fotonu v rezonátoru proměřil právě pomocí atomů aniž přitom došlo k absorbci a tedy i zničení fotonu tak, jako k tomu běžně dochází například při detekci na čipu CCD kamery. Oba týmy byly schopny vytvořit situaci, kdy se částice nacházely v podobném stavu jako výše zmíněné "Schrödingerova kočka", která byla zároveň živá i mrtvá.
David Wineland na smínku z roku 2008. Vědec pracuje pro National Institute of Standards and Technology (Národní ústav pro standardy a technologii) a Coloradskou univerzitu v Boulderu.
Serge Haroche (vpravo) v laboratoři při École normale supérieure
K čemu to?
Obor si získal nesmírnou popularitu. Fyzikům poskytl velmi zajímavé okno do jinak těžko přístupného kvantového světa. Na celém světě vznikají tisíce fyzikálních prací ročně od stovek týmů. Zabývají se jak ryze teoretickými úvahami o kvantové fyzice, tak vývojem lepších zařízení. "Je to velmi dynamický a široký obor," říká český fyzik Zdeněk Hradil. Dokládá to i skutečnost, že kvantová optika hrála nějakou roli v práci zhruba poloviny laureátů Nobelovy cena za poslední desetiletí.
Obor má také celou řadu možných praktických aplikací. Už byla použita například pro vývoj nového typu hodin, které zpřesní měření času, které se zase používá například v systémech GPS (a ty se používají i jinde než jen v navigacích a celý segment představuje miliardový byznys).
Hodně se také mluví o důležitosti tohoto objevu pro vývoj kvantových počítačů. Ty by měly být schopné zpracovat řadu informací paralelně a pracovat diametrálně odlišně než dnešní výpočetní technika. Ale plnohodnotné počítače tohoto typu jsou věcí vzdálené budoucnosti.
Mnohem upřímnější by asi bylo říci, že nevíme, jak bude aplikace těchto poznatků a postupů vypadat, souhlasí Zdeněk Hradil: "Mezi pochopením základů nějakého jevu a jeho technologickým zvládnutím pro použití v praxi je zapotřebí zhruba obměny jedné vědecké generace."
Ohlédnutí za loňským rokemV loňském roce ocenění získali tři vědci, kteří se zabývali zkoumáním vzdálených supernov. Polovinu cen si odnesli Brian Schmidt a Adam Riess, druhou polovinu měl sám pro sebe Saul Perlmutter. Tito tři odborníci vedli dva týmy pracující na hledání vzdálených supernov (tj. vybuchujících hvězd). Šlo o zdlouhavý a náročný proces, díky němu ale vzniklo dost pozorování, abychom mohli odpovědět na jednu základní otázku: co dělá nyní vesmír? Zvětšuje se, zmenšuje, je neměnný? Týmy objevily po letech práce zhruba pět desítek vzdálených supernov, jejichž jasnost byla menší, než by odpovídalo jejich vzdálenosti. Předpokládáme, že je to dáno vývojem vesmíru. Můžeme si velmi zjednodušeně říci, že supernova explodovala v určité vzdálenosti od nás, ale než k nám její světlo dolétlo, celý vesmír se trochu zvětšil. Z tzv. červeného posuvu světla (změn jeho vlnové délky), který prozradí analýza jeho spektra, lze vypočítat, jak se prostor mezi supernovou a námi za dobu letu světla zvětšil. Výsledky vedly astronomy k závěru, že mezigalaktický prostor se rozpíná, a to stále rychleji. Kdyby se naopak rozpínání vesmíru zpomalovalo, projevovalo by se to opačně, hvězdy by byly jasnější. |
Podle něj by se použití postupů kvantové optiky mohlo v blízké budoucnosti najít například ve vývoji nových postupů zpracování dat. Díky tomu, že dokážeme spolehlivě a přesně číst i nejmenší možná kvanta světla, mohli bychom třeba stejným optickým kabelem poslat více informací najednou. Ale přesněji to asi ukáže teprve budoucnost: "Já myslím, že jsme zhruba ve stejné situaci jako na konci 19. století, kdy jsme věděli, jak funguje elektromagnetická síla, ale nebylo jasné, jaké podoby najde její praktické použití," uzavírá Zdeněk Hradil.
Proč cenu nedostane objev roku
Největší fyzikální událostí letošního roku zřejmě bylo oznámení o pravděpodobném objevu částice (více v našem předchozím článku), kterou teoretičtí fyzici předpověděli zhruba před půl stoletím: Higgsova bosonu (někdy nazývaného božská částice).
Jeho pozorování má být dokladem toho, že rozumíme mechanismu, kterým část hmoty (ne všechna) získává hmotnost. Podle fyzikálního úzu nejde o zcela ověřený objev, ale nyní si lze jen těžko představit, že by se objevily informace, které by příslušná pozorování vyvrátily.
Nobelova cena ve fyzice se i teoretikům uděluje pravidelně až po experimentálním ověření jejich hypotéz, takže by se zdálo, že letos je ideální příležitost ocenit právě teoretiky, kteří s představou Higgsova bosonu přišli. Bylo by to ale velké překvapení.
Hlavní důvod je časový. Objev Higgsova bosonu byl oznámen na počátku července, ale nominace na Nobelovu cenu se pravidelně uzavírá už na konci ledna. Změna v tomto procesu je těžko představitelná.
Navíc je tu velmi zamotaný problém, kdo by měl cenu za Higgsův boson obdržet. V tomto ohledu je situace ještě složitější, než tomu bývá obvykle, a případně by muselo nejspíše dojít na kreativní rozdělování podílů mezi několik vědců. Včetně celkem téměř šesti tisíc vědců, kteří se podíleli na stavbě zařízení pro urychlovač LHC, na kterém byl objev učiněn. Dodejme, že počet laureátů je také omezen na tři. Více se dozvíte v samostatném článku po skončení udělování letošních Nobelových cen.
Miliardář platí víc než Nobelova nadace
Letos poprvé také Nobelova cena není nejlukrativnějším vědeckým oceněním světa. Jak jsme již také psali, internetový miliardář Jurij Milner či přesněji řečeno jeho nadace (více v zde) poprvé vyhlásil Cenu základní fyziky. Dostalo ji devět vědců v oboru teoretické fyziky a s ní spojená prémie činí tři miliony dolarů, tedy cca 60 milionů korun.
Autoři Higgsova bosonu mají trochu smůlu, že cena vznikla až nyní, uděluje se totiž i objevům, které nebyly experimentálně ověřeny. Kdyby platily Milnerovy standardy, mohli ji dostat už před několika desítkami let.
