„Budeme měřit čas až na 20 desetinných míst,“ říká fyzik Theodor Hänsch

Theodor Hänsch, nositel Nobelovy ceny za fyziku za rok 2005, je ředitel Institutu Maxe Plancka pro kvantovou optiku. Současně působí také jako profesor fyziky na univerzitě Ludwiga Maxmiliana v Mnichově. Nobelovu cenu získal společně s fyzikem Johnem L. Hallem za "Přispění k rozvoji přesné laserové spektroskopie, včetně techniky optického frekvenčního hřebenu". Výzkumem laserového světla se Hänsch zabývá více než 40 let. Kromě toho se věnuje i předávání zkušeností začínajícím vědcům. Díky globálnímu vzdělávacímu projektu Honeywell Nobel Initiative přednášel mimo jiné i na pražské ČVUT. Ve futurologickém magazínu Milénium z 22. dubna přivítal Theodora Hänsche Jiří Václavek.

Nobelovu cenu jste získal v roce 2005 za „Přispění k rozvoji přesné laserové spektroskopie“. Co to vlastně laserová spektroskopie je?
Spektroskopie je stará doména. Jedná se o studium emisí a absorpce světla hmotou. A lasery nám potom umožnily studovat spektroskopii v nové přesnosti a rozlišení. Využili jsme monochromatických laserových vln, která mají skvělé schopnosti. Díky tomu se můžeme dívat na skutečně velice ostré rezonance molekul a můžeme být velice přesní. Z jednoho iontu můžeme sledovat velmi rychlé procesy až k attosekundám (asi 10-18 sekundy). Je to skvělý způsob, jak zkoumat látku.

Do jaké míry umíte této neuvěřitelné přesnosti využít?
Jedním z našich příspěvků bylo, že jsme přišli pomocí jednoduchých nástrojů s metodou určování frekvencí laserových vln a mikrovlnných paprsků. Lidé byli dlouho schopni produkovat vysoce přesné monochromatické světlo, ale nebyli schopni říci, jaká je jeho frekvence.

Váš optický frekvenční hřeben umožňuje sestavit hodiny přesnější, než jsou atomové hodiny. O co přesnější mohou být?
Hřeben představuje nový mechanismus. Aby to ovšem fungovalo, potřebujete nějaké kyvadlo. Atomové hodiny využívají určitých atomů, které fungují na mikrovlnné frekvenci. V našich hodinách použijeme ionty oscilující blízko rychlosti světla. Za tři až pět let tak budeme schopni měřit čas na 17, možná až 20 desetinných míst.

Co vám ještě chybí k sestrojení těchto hodin?
Optický frekvenční hřeben je dobře etablován a k dispozici. Většina práce je teď zaměřena na chránění oscilujících atomů od okolního prostředí, aby nedocházelo k ozařování, negativním vlivům, aby byla pole chráněná. V takto přesném režimu zatím nikdo nepracoval, takže se teprve učíme, co je v takovémto prostředí zapotřebí.

Nepohybujete se už v příliš teoretické rovině? Nejde jen o vědecké závody? K čemu je taková přesnost?
Možná máte pravdu. Je to takový sport - kam až se lze v určování přesnosti dostat. Ovšem už dnes máme spoustu aplikací, které vyžadují velmi přesné hodiny. Lidé si neuvědomují, že když používají mobil, navigaci GPS, ale také internet, jsou pro načasování signálu de facto závislí na atomových hodinách. Proto když budeme mít lepší hodiny, možná budeme mít i lepší aplikace, které by jinak nemohly vzniknout.
Uvidíme, k čemu dojedeme. Myslím si ale, že potřebujeme rozšířit objem skleněných vláken pro vysílání většího objemu dat. Můžeme si v této oblasti klást otázky. A jedna z nich je, jestli jsou fundamentální konstanty ještě konstantami, nebo se v čase mění.

Rozumím vám, že jako obyčejný uživatel navigace nebo internetu poznám větší přesnost v tom, že získám daleko větší objem dat ve stejném okamžiku?
Záleží to i na jiných fenoménech. Myslím, že právě Einstein jako první zdůraznil, že čas není absolutní, že musíte vědět, kde se hodiny nacházejí. Když budou jedny hodiny v údolí a druhé na vrcholu kopce, každé půjdou různě podle gravitační síly. Běžně nás to nezajímá. Když to však potřebujete pro navigační systém, bude mít vzdálenost kilometru větší dopad.
Samozřejmě probíhá spoustu práce zabývající se relativitou a přesnými hodinami. Běžného uživatele to ale zajímat nemusí, a to jen díky tomu, že na tom pracují vědci, kteří se snaží odhalit základní síly přírody.

Proč jste se vůbec začal zabývat laserovým světlem? Co vás na něm fascinovalo? Proč zrovna tento obor?
Nejprve jsem se chtěl stát jaderným fyzikem. Moje výzkumná skupina pracovala v roce 1964 na neutronovém urychlovači v Heidelbergu. Byla tam také skupina, která pracovala na iontových laserech. To bylo něco nového a zajímavého. A když jsem tento laser viděl (i to červené světlo), bylo to fascinující, jiné i krásné než cokoliv, s čím jsem měl zkušenosti. Tak jsem prostě změnil obor a moje doktorská práce se týkala práce s lasery právě v Heidelbergu.

Kam v dnešní době směřuje vývoj laserů? Co nám umožní?
Velice rychle postupujeme v různých směrech laserové technologie. Učíme se, jak realizovat kompaktní a spolehlivé lasery v různých oblastech. Objevujeme, jak aplikovat laserové světlo, aniž byste musel být přímo vědec - jde o jednoduché nástroje.
Máme světlo, které nám umožňuje zpracovávat hmotu. Například u polovodičů dnes pracujeme v oblasti velice krátkých pulsů. Můžeme proto zdokonalovat různé produkty, třeba mikroprocesory.
Nabízí se skutečně pestrá paleta budoucího využití. Například budeme mít velmi silné pulsní lasery, které vytvoří podmínky blízké okamžiku velkého třesku. Na základě toho budeme moci studovat chování hmoty v takto extrémních podmínkách.
Jedná se i o evropský projekt ELI, kdy můžeme spolupracovat i s důležitými kolegy v Praze. Jde nám o to přijít s jednoduššími a menšími lasery, včetně integrování nanotechnologií. Neustále objevujeme nové použití těchto zařízení.

Vidíte z hlediska praktického využití laseru největší možnost v oblasti medicíny?
Existujemnoho použití. Když například vyrábíte automobily, použijete zřejmě lasery na řezání. V medicíně by mohly být použity při operacích. Při diagnostice můžete s využitím fluorescentních charakteristik laseru sledovat metabolismus buněk.
Také metoda frekvenčního hřebenu lze použít při diagnóze určitých chorob. Jde o analýzu, která nevyžaduje žádné operace. Každý přece může fouknout do trubičky, z čehož pak počítač zanalyzuje, jaké riziko chorob existuje. Z výzkumných laboratoří se to pomalu přesouvá do nemocnic a k lékařům. Takže doufám, že z toho budeme mít v budoucnosti všichni užitek.

O váš optický frekvenční hřeben se zajímají i astronomové. Údajně jim umožní najít i planety, které jsou podobné Zemi a které dosud neznáme?
Přesně tak. Hovoříme třeba s kolegy na observatoři poblíž našeho institutu. Jeden z nich navštívil Chile, kde je dalekohled s průměrem 3,6 metru a vysoce přesný spektrograf, který byl vybudován přímo na vyhledávání planet. Jde o mechanismus založený na detekci oběhu kolem společného gravitačního centra, kdy vidíme, že tam jsou určité projevy na spektrálních čarách.
Tímto způsobem už byly nalezeny planety, zejména ty velké (třeba jako Jupiter). Ale když hledáte něco menšího, něco jako Zemi, potřebujete mnohem větší citlivost. A to vyžaduje mnohem lepší kalibraci, než kterou máme dnes. Proto spolupracujeme s astronomy, abychom adaptovali optické frekvenční hřebeny a mohli je využít pro kalibraci spektrografů.

Účastníte se také projektu, který zkoumá antihmotu na základě porovnávání atomů odíku a antivodíku. K čemu je zkoumání antihmoty? Jaké by mohlo být praktické využití?
Nevidím žádné praktické využití. Víme, že žijeme ve vesmíru, který je složen zřejmě pouze z hmoty - neexistuje důkaz, že ve vesmíru existuje antihmota. Věříme ale, že při velkém třesku vzniklo stejné množství antihmoty jako hmoty. Bylo by zajímavé zjistit, proč jsou tyto „hmoty“ tak odlišné nebo proč nevznikla žádná antihmota.
Například atomy vodíku zdokonalily naši laserovou techniku, takže jsme schopni pracovat s větší přesností. Kdyby existovaly atomy antivodíku, bylo by zajímavé zjistit, jak je možné je měřit, porovnávat optické frekvence, hledat rozdíly. Možná bychom se tím dozvěděli, jak mezi sebou interaguje hmota a antihmota.

Před dvěma lety jste řekl, že kdyby se vám podařilo najít rozdíly mezi atomy vodíku a antivodíku (hmoty a antihmoty), bylo by to na Nobelovu cenu. Přiblížili jste se za tu dobu k nalezení těchto rozdílů?
Pokouším se nepředbíhat. Samozřejmě kdyby rozdíly existovaly, byla by to senzace, protože většina vědců v něco takového nevěří. Někdo by mohl říci: „My jsme to říkali.“ Každopádně bychom se alespoň dozvěděli, do jaké úrovně se antihmota a hmota chovají stejně, jaké jsou kosmologické modely a další teorie. Ovšem teď máme nové experimentální překážky, takže je třeba vyhnout se spekulacím.

Přednášíte na celém světě, setkáváte se s mladými studenty. Rodí se nadějná generace kvantových fyziků?
Na dvou institutech v Německu, kde působím, jsou velmi nadějní kvantoví fyzici. Ale díky iniciativě Honeywell mám také možnost navštěvovat laboratoře na dalších technických univerzitách. Byl jsem na ČVUT v Praze a setkal jsem se s mladými, zajímavými a nadšenými lidmi, kteří mají skvělé znalosti a pracují na velice zajímavých projektech. Kdyby zde byla možnost pro spolupráci, nabízí to možnost dalších úspěchů pro studenty.

Věda se dnes dostává do neuvěřitelných dimenzí (vesmírných i maximálně mikroskopických). Nemůže nastat doba, kdy v tomto směru nebude už co zkoumat?
Tomu nevěřím. Je zde velký svět, který fyzici v minulosti poněkud zanedbávali. Je to svět komplexních kvantových fenoménů, které například ovládají vlastnosti materiálů. Těmto kvantovým efektům dosud nerozumíme.
Začínáme se učit a na základě experimentů s ultrachladnými atomy simulujeme chování elektronů v kondenzovaných krystalech hmoty. Snažíme se zjistit, jaké fenomény by mohly být využity k něčemu smysluplnému. Je to nekonečný prostor nových efektů, materiálů, které můžeme studovat a objevovat. Ale také když se podíváme na biologii, nevíme třeba, jak fungují buňky. A jako fyzikové máme spoustu nástrojů, jak tyto aspekty kvantifikovat.

(redakčně kráceno)