Немыслимые для Гейзенберга возможности

Политолог, публицист Александр Механик – о лауреатах Нобелевской премии по физике 2023 года.

Нобелевская премия по физике 2023 года присуждена Пьеру Агостини (Университет Огайо, США), Ференцу Краузу (физик венгерского происхождения, работает в Германии) и Анн Л’Юйе (француженка, профессор атомной физики в Лундском университете Швеции) «за экспериментальные методы генерации аттосекундных импульсов света для изучения динамики электронов в веществе».

Десять в минус восемнадцатой секунды

Пьер Агостини, Ференц Крауз и Анн Л’Юйе продемонстрировали способ создания чрезвычайно коротких импульсов света, которые можно использовать для измерения быстрых процессов, когда электроны движутся или меняют энергию. Лауреаты разработали методы генерации аттосекундных импульсов света (аттосекунда — 10−18 секунды). В популярных пояснениях, приведенных на сайте Нобелевского комитета, приведено такое сравнение: аттосекунда соотносится с секундой, как секунда соотносится с возрастом Вселенной.

В решении комитета отмечено, что Анн Л'Юйе открыла новый эффект взаимодействия лазерного света с атомами инертного газа, в результате которого как раз и возникают аттосекундные импульсы света. Это открытие позволило ей сгенерировать рекордно короткий импульс продолжительностью 170 аттосекунд. Ее результаты способствовали теоретическому пониманию этого явления, заложив основу следующего экспериментального прорыва. А Пьер Агостини и Ференц Крауз разработали метод, который позволял выделять такой одиночный импульс, и процедуру, позволившую им измерить длительность таких импульсов в последовательности и показать, что каждый импульс действительно длился всего 250 аттосекунд, то есть они создали основу для использования этих импульсов в различных исследованиях.

Объясняя важность этих открытий, председатель Нобелевского комитета по физике Ева Олссон сказала, что «теперь мы можем открыть дверь в мир электронов. Аттосекундная физика дает нам возможность понять механизмы, которые управляют электронами. Следующим шагом будет их использование». И действительно, уже ясно, что у этих достижений есть потенциальные возможности для применения в электронике, где важно понимать и контролировать поведение электронов в материале. Аттосекундные импульсы также можно использовать для идентификации различных молекул, например в медицинской диагностике.

Авторы документа под названием «Научное обоснование Нобелевской премии по физике 2023 года» отмечают, что «когда в 1925 году Вернер Гейзенберг сформулировал новую квантовую механику, его основным аргументом было то, что старая квантовая механика вынуждала физиков использовать величины, которые были в принципе ненаблюдаемы, такие как положение и период обращения электрона в атоме водорода. Гейзенберг утверждал, что новая теория должна основываться на “наблюдаемых величинах”, таких как частоты квантовых переходов.

Статья Гейзенберга 1925 года — одна из самых важных в физике XX века, но он не мог предвидеть, что то, что когда-то было “в принципе” ненаблюдаемым, теперь становится доступным в лабораторных экспериментах. Возможно, мы еще не способны наблюдать в строгом смысле положение и вращение электрона вокруг ядра, но сегодня мы можем «увидеть» динамику электронов в атомах, молекулах и веществе в конденсированной фазе в лабораторных экспериментах. Нобелевская премия по физике этого года открывает немыслимые для Гейзенберга возможности исследовать явления, которые столетие назад невозможно было наблюдать».

Совершенно другая физика

В России одним из ведущих центров разработки и исследования лазеров, излучающих сверхкороткие импульсы, является Институт прикладной физики РАН (НИИПФ) в Нижнем Новгороде, о котором мы неоднократно писали. Мы обратились к научному руководителю Национального центра физики и математики (г. Саров), академику и экс-президенту РАН Александру Сергееву (в 2015‒2017 годах — директор НИИПФ) с просьбой прокомментировать решение Нобелевского комитета. Сергеев сказал, что, по его мнению, премия присуждена заслуженно, и напомнил, что пять лет назад Нобелевскую премию получили Дональд Тригланд и Жерар Муру за создание источников сверхмощного лазерного излучения. «А тематика сверхмощных короткоимпульсных лазеров и еще более короткоимпульсных лазеров, за которую в этом году дали Нобелевскую премию, неразрывно друг с другом связаны». Однако Сергеев, так же как и главный научный сотрудник НИИПФ, академик РАН Ефим Хазанов, выразили удивление, что премию не получил канадский физик Пол Коркум, который дал теоретическое обоснование эффектам, открытым сегодняшними лауреатами. Хазанов предположил, что, возможно, это связано с тем, что премия дана именно за экспериментальные методы изучения таких эффектов. И заметил, что хотя работы Муру и НИИПФ идеологически связаны с теми, за которые сегодня дана премия, перед их разработчиками стояли разные задачи. Для Муру и ученых НИИПФ главным было получение импульсов огромных мощностей, а для сегодняшних лауреатов главное — получение именно сверхкоротких импульсов. И в первом случае речь шла о получении фемтосекундных (10−15 секунды) импульсов, а во втором — аттосекундных. А это уже, как сказал Хазанов, совершенно другая физика и другие возможности для различных экспериментов.

Но и в России, как отметил Сергеев, в рамках программы мегасайенс-проектов, утвержденной президентом, запланировано строительство аттосекундных лазеров.

Заметим, что имя Жерара Муру возникло в разговоре не случайно. В 2010‒2014 годах он работал в Нижнем Новгороде по программе грантов правительства Российской Федерации для государственной поддержки научных исследований, проводимых под руководством ведущих ученых, возглавлял лабораторию по изучению экстремальных световых полей и тесно работал с Сергеевым и Хазановым, а также с тогдашним директором института, ныне его научным руководителем академиком РАН Александром Литваком, работы которого Муру в интервью автору этих строк назвал исследованиями нобелевского масштаба.

Ранее опубликовано на: https://stimul.online/articles/science-and-technology/geyzenberg-byl-by-dovolen/