GIẢI NOBEL VẬT LÝ 2005

Chia sẻ: Ha Quynh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:13

Thêm vào BST

Báo xấu

105
lượt xem 12
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giải Nobel Vật lý năm 2005 được trao cho công dân Mỹ Roy J. Glauber tại Đại học Harvard (Cambridge, bang Massachusetts, Mỹ) “do đóng góp của ông cho lý thuyết lượng tử của sự kết hợp quang”, công dân Mỹ John L. Hall tại Viện Liên hợp thí nghiệm Vật lý thiên văn (JILA), Đại học Colorado và Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST)(Boulder, bang Colorado, Mỹ) và công dân Đức Theodor W. Hansch tại Viện Quang lượng tử Max Planck (Garching, Đức) và Đại học Ludwid-Maximilians (LMU)(Munich, Đức) “do đóng góp của họ (Hall và...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: GIẢI NOBEL VẬT LÝ 2005

GIẢI NOBEL VẬT LÝ 2005 Giải Nobel Vật lý năm 2005 được trao cho công dân Mỹ Roy J. Glauber tại Đại học Harvard (Cambridge, bang Massachusetts, Mỹ) “do đóng góp của ông cho lý thuyết lượng tử của sự kết hợp quang”, công dân Mỹ John L. Hall tại Viện Liên hợp thí nghiệm Vật lý thiên văn (JILA), Đại học Colorado và Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST)(Boulder, bang Colorado, Mỹ) và công dân Đức Theodor W. Hansch tại Viện Quang lượng tử Max Planck (Garching, Đức) và Đại học Ludwid-Maximilians (LMU)(Munich, Đức) “do đóng góp của họ (Hall và Hansch) cho sự phát triển nghiên cứu phổ chính xác trên cơ sở laze trong đó có kỹ thuật lược tần số quang (optical frequency comb technique)”. Giải Nobel Vật lý năm 2005 được trao cho ba nhà khoa học trong lĩnh vực quang học. Giải được trao cho công trình mô tả rõ nét ánh sáng laze và ứng dụng
của nó vào những phép đo chính xác. Roy Glauber được trao tặng một nửa Giải thưởng do mô tả lý thuyết của ông về dáng điệu của các hạt ánh sáng. Ông đã thiết lập cơ sở của Quang lượng tử trong đó lý tbuyết lượng tử bao hàm trường của quang học. Ông có thể giải thích những khác biệt cơ bản giữa các nguồn nóng của ánh sáng chẳng hạn như các bóng đèn phát sáng với sự trộn của các tần số và pha và các laze mà chúng tạo ra một tần số và pha riêng. John Hall và Theodor Hansch được trao tặng một nửa Giải thưởng do sự phát triển của họ về nghiên cứu phổ chính xác trên cơ sở laze nghĩa là xác định màu sắc ánh sáng của các nguyên tử và phân tử với độ chính xác cực kỳ cao. Những đóng góp của hai ông tạo ra khả năng đo được các tần số với độ chính xác tới 15 con số sau dấu phẩy. Bây giờ người ta có thể tạo ra các laze với các màu sắc cực kỳ rõ nét và hiểu rõ bản chất của ánh sáng với tất cả các màu sắc nhờ kỹ thuật lược tần số. Kỹ thuật này tạo ra khả năng tiến hành các nghiên cứu chẳng hạn như sự ổn định của các hằng số của tự nhiên qua thời gian, phát triển các đồng hồ siêu chính xác và cải thiện hệ thống thông tin và liên lạc toàn cầu. R.J.Glauber sinh năm 1921 tại New York (Mỹ), bảo vệ luận án tiến sĩ Vật lý năm 1949 tại Đại học Harvard và hiện nay là giáo sư Vật lý Mallinckrodt tại Đại học Harvard. Nghiên cứu gần đây của ông liên quan đến một số vấn đề trong quang lượng tử như các tương tác điện động lực lượng tử của ánh sáng và vật chất. Ông còn tiếp tục nghiên cứu một số đề tài trong lý thuyết va chạm năng lượng cao trong đó có phân tích các va chạm và tương quan thống kê của các hạt sinh ra trong các phản ứng năng lượng cao. Các chủ đề riêng trong nghiên cứu hiện nay của ông bao gồm dáng điệu cơ học lượng tử của các gói ion bị bẫy; tương tác của ánh sáng với các ion bị bẫy; các phương pháp đại số liên quan đến thống kê fecmion; các tương quan kết hợp của các nguyên tử bozon gần sự ngưng kết Bose- Einstein,… Ông bát đầu nghiên cứu về quang lượng tử từ năm 1955. J.L.Hall sinh năm 1934 tại Denver (Mỹ), bảo vệ luận án tiến sĩ Vật lý tại Viện Công nghệ Carnegie ở Pittsburgh năm 1961 và hiện nay là nhà khoa học cao cấp tại NIST và thành viên của JILA thuộc Đại học Colorado ở Boulder. Ông tốt nghiệp đại học năm 1956, bảo vệ luận án thạc sĩ năm 1958 và bảo vệ luận án tién sĩ năm 1961 đều từ Viện Công nghệ Carnegie. Hall thực tập sau tiến sĩ (1961-1962) và là nhà
vật lý(1962-1971) đều tại Cục Tiêu chuẩn Quốc gia. Từ năm 1964 đến nay, ông là cộng tác viên của Viện Liên hợp thí nghiệm vật lý thiên văn (JILA). Từ năm 1967 đến nay, ông là giảng viên tại khoa Vật lý của Đại học Colorado. Từ năm 1971 đến nay, ông là nhà khoa học cao cáp Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST). Ngoài Giải Nobel Vật lý năm 2005, ông đã được trao tặng nhiều giải thưởng và danh hiệu khác như Huy chương Vàng của Bộ Thương mại (1969, 1974, 2002), Giải thưởng Samuel W. Stratton (1971), Giải thưởng E.U.Condon (1979), Giải thưởng C.H.Townes (1984) của Hội Quang học Mỹ, Giải thưởng Davisson-Germer (1988) của Hội Vật lý Mỹ, Tiến sĩ danh dự (198) của Đại học Paris Nord, Huy chương Frederic Ives (1991) của Hội Quang học Mỹ, Giải thưởng Arthur V. Shawlow (1993) của Hội Vật lý Mỹ, Giải thưởng Khoa học đo lường Allen V. Astin (2000), Giải thưởng Max Born (2002) của Hội Quang học Mỹ, Giải thưởng Nhà nước (2002) từ Bộ Nội vụ, Bắc đẩu bội tinh (2004) và Giải thưởng I.I.Rabi (2004) của Hội IEEE. Bộ ổn định laze và mét theo bước sóng laze của ông được lựa chọn là một trong “100 sản phẩm tốt nhất của năm” (1975, 1977). Hall là hội viên Hội Vật lý Mỹ và Hội Quang học Mỹ, thành viên Ủy ban VII của Hiệp hội Quốc tế về khoa học vô tuyến, đại biểu Hội đồng tư vấn về định nghĩa của mét tại Sevres (Pháp) từ năm 1970 đến nay, thành viên Hội đồng kiểm tra đánh giá của Cơ quan nghiên cứu quân đội (1976-1979), thành viên Hội đồng nghiên cứu Quốc gia về các hằng số cơ bản (1976-1979), thành viên Hội đồng chương trình cho Hội nghị Quốc tế về điện tử lượng tử (1978,1996) và Hội nghị CLEO/QELS (1996). Hall là viện sĩ Viện Hàn lâm Khoa học từ năm 1984 đến nay. Những nghiên cứu hiện nay thuộc lĩnh vực vật lý nguyên tử và phân tử và phép đo chính xác và bao gồm sự ổn định laze và các kỹ thuật quét chính xác khi sử dụng phép đo giao thoa và các kỹ thuật heterođyn, sự ổn định biên độ gần mức “nhiễu đạn photon (photon shot noise)” với các phương pháp điện quang cổ điển và các chùm “nén *(squeezed)” của mức dưới nhiễu đạn (sub-shot-noise) hay của các photon có tương quan sinh ra trong các tương tác phi tuyến. Ông quan tâm đến các phương pháp sóng liên tục ứng dụng cho các anten sóng hấp dẫn và phép đo khúc xạ kép của chân không bị cảm ứng từ. Các đồng hồ nguyên tử quang trên cơ sở “vòi phun nguyên tử (atomic fountain)” stronti sẽ cho phép xác định với độ phân giải rất cao đối với các bề rộng vạch < 10 Hz. Một sự bố
trí dò biến điệu mới cho phép nghiên cứu phổ phi tuyến mà nó cho độ nhạy cực kỳ cao (sự hấp thụ < 10-12) khi sử dụng các chuyển tiếp quá âm (overtone) phân tử trong vùng gần hồng ngoại T.W.Hansch sinh năm 1941 tại Heidelberg (Đức), bảo vệ tiến sĩ Vật lý tại Đại học Heidelberg năm 1969 và từ năm 1986 đến nay ông là giám đốc Viện Quang lượng tử Max Planck ở Garching và giáo sư Vật lý tại LMU. Năm 1970 ông được NATO tài trợ để nghiên cứu quang phổ laze tại Đại học Stanford (Mỹ). Năm 1975 ông trở thành giáo sư của trường này. Năm 1985 Hansch trở về Đức và làm việc tại Viện Quang lượng tử Max Planck và giảng dạy tại khoa Vât lý của LMU. Ông đã được trao tặng Giải thưởng Otto Hahn (2005) và Giải thưởng Frederic Ives (2005) của Hội Quang học Mỹ. Hansch còn được trao tặng Giải thưởng Gottfried Wilhelm Leibniz của Hiệp hội nghiên cứu Đức, Giải thưởng Philip Morris, Huy chương Danh dự hạng Nhất của Nhà nước Đức và Huy chương Khoa học và Nghệ thuật Bavarian Maximilian. Hansch là người thứ 13 của LMU được trao Giải Nobel và ông được xếp ngang hàng với các nhà vật lý nổi tiếng của LMU như Wilhelm Contrad Rontgen, Wilhelm Wien, Max von Laue, Werner Heisenberg và Gerd Binnig. Chúng ta có được phần lớn hiểu biết của mình về thế giới xung quanh chúng ta nhờ ánh sáng mà nó bao gồm các sóng điện từ. Nhờ có ánh sáng, chúng ta có thể tự định hướng trong cuộc sống hàng ngày của mình hoặc quan sát thấy hầu hết các thiên hà xa xôi trong vũ trụ. Quang học trở thành công cụ của nhà vật lý để xem xét các hiện tượng ánh sáng. Nhưng ánh sáng là gì và các loại ánh sáng khác nhau như thế nào? Làm thế nào để phân biệt ánh sáng phát ra từ một ngọn nến và chùm sáng phát ra một nguồn laze? Theo Albert Einstein, vận tốc ánh sáng trong chân không là một hằng số. Có thể sử dụng ánh sáng để đo thời gian với độ chính xác cao hơn so với các đồng hồ nguyên tử hiện nay được không? Các nhà khoa học đoạt Giải Nobel Vật lý năm 2005 có thể giải đáp các câu hỏi nói trên. Vào cuối thế kỷ XIX, các nhà khoa học tin tưởng rằng các hiện tượng điện từ có thể giải thích được bằng lý thuyết của nhà vật lý người Xcốtlen James Clerk Maxwell trong đó ông quan niệm ánh sáng như là các sóng. Nhưng một vấn đề không mong muốn nảy sinh khi người ta cố gắng hiểu bức xạ phát ra từ các vật
cháy sáng chẳng hạn như Mặt Trời. Sự phân bố về độ đậm nhạt của màu sắc không phù hợp với các lý thuyết được phát triển dựa trên cơ sở lý thuyết Maxwell. Lượng bức xạ tím và cực tím phát ra từ Mặt Trời xác định được từ các lý thuyết đó cao hơn nhiều so với lượng bức xạ thu được trong thực tế. Max Planck (đoạt Giải Nobel Vật lý năm 1918) đã giải quyết được sự không phù hợp nói trên khi tìm ra một công thức hoàn toàn thỏa mãn sự phân bố phổ thực nghiệm. Planck mô tả sự phân bố phổ như là kết quả của trạng thái dao động bên trong của vật bị nung nóng. Ở một trong các công trình nổi tiếng của mình vào năm 1905, Einstein cho rằng năng lượng ánh sáng cũng bức xạ theo các gói năng lượng riêng biệt gọi là các lượng tử. Khi một gói năng lượng kiểu này tiến đến bề mặt của một kim loại, năng lượng của nó được truyền cho một electron và electron này thoát ra khỏi vật liệu. Đó chính là hiệu ứng quang điện. Nhờ giải thích được hiệu ứng này, Einstein được trao tặng Giải Nobel vật lý năm 1921. Giả thuyết của Einstein có nghĩa là một gói năng lượng đơn giản sau đó gọi là một photon sẽ cung cấp toàn bộ năng lượng của nó cho một electron. Do đó, chúng ta có thể đếm được các lượng tử trong bức xạ bằng cách quan sát và đếm số các electron nghĩa là có một dòng điện đi ra khỏi bề mặt kim loại. Hầu hết các bộ dò ánh sáng sau này đều dựa trên hiệu ứng đó. Khi các nhà khoa học phát triển lý thuyết lượng tử vào những năm 20 của thế kỷ trước, nó gặp phải những khó khăn ở dạng của các biểu thức vô hạn và vô nghĩa. Vấn đề này không được giải quyết cho đến sau chiến tranh thế giới lần thứ II khi Tomonaga, Schwinger và Feynman (đoạt Giải Nobel Vật lý năm 1965) phát triển điện động lực lượng tử (QED). Lý thuyết này trở thành lý thuyết chính xác nhất trong vật lý và là trung tâm cho sự phát triển vật lý hạt cơ bản. Tuy nhiên, lúc đầu người ta cho rằng không cần thiết phải áp dụng QED cho ánh sáng nhìn thấy. Ánh sáng nhìn thấy được nghiên cứu như là một chuyển động sóng thông thường với một số các biến đổi ngẫu nhên về cường độ. Một sự mô tả lý thuyết lượng tử chi tiết được xem là không cần thiết. Cho đến khi phát triển laze và các thiết bị tương tự, phần lớn các hiện tượng ánh sáng có thể được giải thích bằng lý thuyết cổ điển của Maxwell. Một ví dụ được
chỉ ra trên hình 1a trong đó ánh sáng đi qua hai khe hở tạo ra một hình ảnh tuần hoàn của cường độ trên một màn chắn. Nếu ánh sáng chỉ có một bước sóng (nghĩa là ánh sáng kết hợp), cường độ của nó nói chung bằng không ở các điểm cực tiểu của hình ảnh cường độ. Cần một sự mô tả thực tế hơn khi xem xét ánh sáng phát ra từ một bóng đèn. Các sóng ánh sáng trong trường hợp này có tần số, bước sóng và pha khác nhau. Chúng ta nhận thấy nguồn sáng như bị ảnh hưởng bởi một nhiễu ngẫu nhiên. Ánh sáng không kết hợp này có thể được mô tả như trên hình 2b. Do đó, sự không két hợp làm cho hình ảnh giao thoa trên hình 1a ít khác biệt hơn. Trước đây, phần lớn các nguồn ánh sáng dựa trên cơ sở sự bức xạ nhiệt và cần phải có những cách sắp đặt đặc biệt để quan sát thấy hình ảnh giao thoa. Điều này thay đổi khi sử dụng laze với ánh sáng kết hợp hoàn toàn. Laze vào những năm 60 của thế kỷ trước đã cung cấp cho chúng ta nguồn ánh sáng đặc trưng. Ánh sáng laze là đơn sắc và có thể mang năng lượng cao. Nó có màu sắc xác định và sự lệch pha không đổi theo thời gian và trong không gian. Các nguồn sáng khác phát ra ánh sáng “không thuần khiết” theo nhiều cách khác nhau. Trong khi đó, nguồn sáng laze là nguồn sáng “thuần khiết”. Những tính chất đặc trưng của laze rất khó hoặc không thể đạt được bằng cách khác khác ngoài việc sử dụng laze. Những tính chất này mở ra khả năng rất lớn cho những phép đo chính xác và những quan sát. Chính vì thế mà laze có rất nhiều ứng dụng chẳng hạn như các ứng dụng trong y học, thu và phát đĩa CD, DVD hoặc các phòng nghiên cứu. Tuy nhiên, để thiết kế những thí nghiệm khác nhau với sự tham gia của laze cần phải hiểu biết rõ về ánh sáng đồng pha. Nhà khoa học Roy J. Glauber đã đề nghị sử dụng thuyết lượng tử để mô tả ánh sáng laze. Từ công nghệ vô tuyến, người ta đã biết rõ bức xạ với một tần số và pha xác định. Nhưng thực là khó hiểu néu coi ánh sáng từ một nguồn sáng nhiệt như là một chuyển động sóng. Có vẻ dễ dàng hơn nếu mô tả sự hỗn độn bắt nguồn từ nó như là các photon phân bố một cách ngẫu nhiên. Roy J. Glauber có những công trình nghiên cứu tiên phong khi áp dụng vật lý lượng tử cho các hiện tượng quang học. Năm 1963 ông đã thông báo các kết quả
nghiên cứu của mình trong đó ông đã phát triển một phương pháp nhằm sử dụng sự lượng tử hóa điện từ để hiểu các kết quả quan sát quang học. Ông đã đưa ra một sự mô tả phù hợp đối với sự dò quang điện (photoelectric detection) nhờ lý thuyết trường lượng tử. Về sau, ông đã chứng minh rằng “sự bó (bunching)” mà R. Hambury Brown và R. Twiss phát hiện ra là một hệ quả tự nhiên từ bản chất ngẫu nhiên của bức xạ nhiệt. Một chùm laze kết hợp hoàn toàn không hề biểu thị cùng một hiệu ứng. Nhưng làm cách nào để một dòng của các photon gồm các hạt độc lập sinh ra hình ảnh giao thoa? Ở đây chúng ta có một ví dụ về bản chất hai mặt của ánh sáng. Năng lượng điện từ được phát ra trong các hình ảnh giao thoa xác định bởi quang học cổ điển. Những phân bố năng lượng theo kiểu này tạo thành cảnh quan mà các photon có thể được đưa vào trong đó. Chúng là những cá thể tách rời nhưng chúng cần phải đi theo những con dường do quang học chỉ ra. Điều này giải thích thuật ngữ “quang học lượng tử”. Đối với các cường độ ánh sáng thấp, trạng thái sẽ được mô tả chỉ bởi một ít photon. Các quan sát hạt riêng sẽ xây dựng lên các hình ảnh của quang học sau khi quan sát được một số lượng đủ các quang điện tử. Thay vì như trên hình 1a, vật lý lượng tử sẽ mô tả hình ảnh giao thoa như trên hình 1b. Một đặc tính cơ bản của sự mô tả lượng tử lý thuyết đối với các quan sát quang học là ở chỗ khi quan sát thấy một quang điện tử, một photon bị hấp thụ và trạng thái của trường photon bị thay đổi. Khi một số bộ dò có tương quan với nhau, hệ sẽ trở nên nhạy với các hiệu ứng lượng tử và các hiệu ứng này thể hiện rõ rệt hơn nếu chỉ có một ít photon có mặt ở trong trường. Sau đó, người ta đã thực hiện các thực nghiệm bao gồm một vài bộ dò quang và chúng hoàn toàn thoả mãn lý thuyết của Glauber. Công trình nghiên cứu năm 1963 của Glauber đã đặt cơ sở cho những phát triển tương lai trong lĩnh vực mới là quang lượng tử. Một điều sớm trở nên rõ ràng là những phát triển kỹ thuật làm cho quang lượng tử cần phải sử dụng sự mô tả lượng tử mới đối với các hiện tượng. Một hiệu ứng có thể quan sát được về bản chất lượng tử của ánh sáng là sự đối lập của “sự bó” đã đề cập trên đây mà các photon thể hiện. Nó được gọi là “sự
phản bó (anti-bunching)”. Thực tế là trong một số trường hợp, các photon tạo thành trong các cặp không thường xuyên hơn như trong một tín hiệu ngẫu nhiên thuần túy. Các photon như thế xuất phát từ một trạng thái lượng tử mà nó không thể được mô tả theo bất kỳ cách nào bằng các sóng cổ điển. Điều này là do một quá trình lượng tử có thể sinh ra một trạng thái trong đó các photon được tách biệt rõ rệt và điều đó ngược lại với các két quả của một quá trình ngẫu nhiên thuần túy. Các hiệu ứng lượng tử thường có rất ít ứng dụng kỹ thuât. Trạng thái trường được lựa chọn sao cho nó có thể đưa ra các tính chất biên độ và pha định rõ. Trong các phép đo phòng thí nghiệm, sự bất định của vật lý lượng tử hiếm khi thiết lập giới hạn. Nhưng sự bất định mặc dù tồn tại nhưng nó xuất hiện như một biến đổi ngẫu nhiên trong các quan sát. “Sự nhiễu lượng tử” này thiết lập giới hạn cơ bản đối với độ chính xác của các quan sát quang học. Trong các phép đo tần số với độ phân giải cao, các bộ khuếch đại lượng tử và các chuẩn tần số, sự nhiễu này cuối cùng chỉ do bản chất lượng tử của ánh sáng mà nó thiết lập một giới hạn của độ chính xác mà các dụng cụ thí nghiệm của chúng ta có thể đạt được. Hiểu biết của chúng ta về các trạng thái lượng tử cũng có thể được sử dụng một cách trực tiếp. Chúng ta có thể đạt được các ứng dụng kỹ thuật hoàn toàn mới của các hiện tượng lượng tử chẳng hạn như bảo vệ an toàn các thông điệp trong công nghệ viễn thông và xử lý thông tin. Lịch sử chứng minh rằng các nhà khoa học phát hiện ra các hiện tượng và cấu trúc mới sau khi nâng cao độ chính xác của phép đo. Một ví dụ tuyệt vời là nghiên cứu phổ nguyên tử mà nó nghiên cứu cấu trúc của các mức năng lượng trong các nguyên tử. Việc nâng cao độ phân giải đem lại cho chúng ta một sự hiểu biết sâu sắc hơn cả cấu trúc tế vi của nguyên tử lẫn tính chất của hạt nhân nguyên tử. Quang phổ mà trường hợp đặc biệt là quang phổ laze cho phép quan sát đối tượng dựa trên cơ sở ánh sáng phát ra hoặc phản xạ từ đối tượng đó. Đôi khi, đó là cách duy nhất để tìm hiểu đối tượng nhất là khi đối tượng ở quá xa chẳng hạn như các thiên hà hoặc đối tượng quá nhỏ bé chẳng hạn như các nguyên tử. Sự phát triển của quang phổ laze kéo theo sự phát triển của các ngành khoa học khác thậm chí sinh ra một số ngành mới chẳng hạn như ngành tin học lượng tử.
John L. Hall và Theodor W. Hansch đã tiến hành nghiên cứu phổ chính xác trên cơ sở laze trong đó đặc biệt là kỹ thuật lược tần số quang. Tiến bộ tạo ra trong lĩnh vực khoa học này có thể đem lại cho chúng ta sự không tưởng trước đây về khả năng nghiên cứu các hằng số của tự nhiên, phát hiện sự khác biệt giữa vật chất và phản vật chất và đo được thời gian với độ chính xác không thể vượt qua được. Những kỹ thuật laze chính xác sẽ cải thiện đáng kể hệ thống thông tin liên lạc và định vị toàn cầu. Điều quan trọng hơn cả là nhờ những phép đo chính xác cao mà chúng ta có nhiều thông tin cơ bản về cấu trúc của thế giới. Chẳng hạn chúng ta có thể chụp ảnh từng nguyên tử với độ chính xác rất cao và điều đó có ý nghĩa rất lớn trong việc tìm hiểu bí mật của chúng. Độ nét của những bức ảnh như vậy có thể đạt được nhờ vào việc gửi đi những xung cực ngắn. Điều đó giúp cho chúng ta có thể ghi lại từng giai đoạn của những phản ứng phức tạp xảy ra trong những khoảng thời gian cực ngắn. Gần đây Hall và Hansch còn khởi động được chiếc đồng hồ laze và nhờ đó họ có trong tay một dụng cụ đo lường rất chính xác. Nghiên cứu phổ chính xác dã được phát triển khi Hall và Hansch cố gắng giải quyết một số vấn đề khá tường minh và dễ hiểu dưới đây. Vấn đề xác định chiều dài chính xác của 1 mét minh họa một trong các thách thức do nghiên cứu phổ laze đề xuất. Hội nghị thế giới về cân đo mà nó có quyền quyết định về các định nghĩa chính xác từ năm 1889 đã từ bỏ thanh đo bằng vật liệu tinh khiết vào năm 1960. Bằng cách sử dụng các phép đo phổ, định nghĩa của mét trên cơ sở nguyên tử được đưa ra như sau:1 mét được định nghĩa như là một số bước sóng nhất định của một vạch phổ nhất định trong khí trơ krypon. Một vài năm sau, người ta đua ra định nghĩa của giây cũng trên cơ sở nguy ên tử như sau: 1 giây là thời gian của một số dao động nhất định với tần số cộng hưởng của một sự chuyển tiếp riêng trong xesi. Thời gian này được xác định bởi các đồng hồ nguyên tử trên cơ sở xesi. Các định nghĩa nói trên tạo ra khả năng xác định vận tốc ánh sáng như là tích của bước sóng và tần số. John Hall là một gương mặt hàng đầu trong các nỗ lực đo vận tốc ánh sáng bằng cách sử dụng các laze với sự ổn định tần số cực kỳ cao. Tuy nhiên, độ chính
xác của phép đo vận tốc ánh sáng bị giới hạn bởi định nghĩa của mét trên đây. Do đó, năm 1983 vận tốc ánh sáng được xác định chính xác là 299792458 m/ s và giá rị này phù hợp với các phép đo tốt nhất. Vì thế, 1 mét là khoảng cách mà ánh sáng đi được trong 1/ 299 792 458 s. Tuy nhiên, việc đo các tần số quang khoảng chừng 1015Hz là cực khó do đồng hồ xesi có các dao động thấp hơn khoảng 105lần. Người ta sử dụng một dãy dài gồm các laze có độ ổn định cao và các nguồn vi sóng để khắc phục vấn đề này. Việc sử dụng định nghĩa mới của mét trong thực tế ở dạng của các bước sóng chính xác còn là một vấn đề khó giải quyết và xuất hiện một nhu cầu hiển nhiên về việc cần có một phương pháp đơn giản hóa để đo tần số. Song song với các sự kiện này là sự phát triển nhanh chóng của laze như là một thiết bị nghiên cứu phổ phổ biến. Người ta đã phát triển các phương pháp nhằm loại trừ hiệu ứng Doppler vì nếu không nó sẽ dẫn đến các đỉnh rộng hơn và nhận dạng kém ở trong phổ. Năm 1981 N. Bloembergen và A.L.Schawlow đã được trao tặng Giải Nobel Vật lý do đóng góp của họ cho sự phát triển của nghiên cứu phổ laze. Điều này trở nên đặc biệt lý thú vì có thể đạt được mức độ chính xác cực cao và cho phép giải quyết các câu hỏi cơ bản liên quan đến bản chất của thực tế. Hall và Hansch mở đầu cho quá trình này thông qua việc phát triển các hệ laze có sự ổn định tần số cực cao và các kỹ thuật đo hiện đại. Điều đó có thể làm sâu sắc hơn sự hiểu biết của chúng ta về các tính chất của vật chất, không gian và thời gian. Việc đo các tần số với độ chính xác cực cao đòi hỏi một laze mà nó phát ra một số lớn các dao động tần số kết hợp. Nếu các dao động với tần số khác nhau một chút như thế được liên kết đồng thời với nhau, chúng ta sẽ có các xung cực ngắn sinh ra bởi sự giao thoa. Tuy nhiên, điều này chỉ xảy ra nếu các dạng dao động (mốt (mode)) khác nhau bị khóa lại với nhau trong cái gọi là sự khóa mốt (mode-locking) (xem hình 3). Các dao động có thể bị khóa càng khác nhau thì các xung càng ngắn. Một xung dài 5 fs (fs là femto giây và 1 fs = 10-15s tức là 1 fs bằng một phần triệu tỷ của 1 giây) khóa khoảng một triệu tần số khác nhau mà nó cần để bao trùm một phần lớn khoảng tần số ánh sáng nhìn thấy. Hiện nay, điều này có thể đạt được trong môi trường laze chẳng hạn như thuốc nhuộm (dye) hay tinh
thể sa phia pha tạp titan. Một “quả bóng ánh sáng (ball of light)” nhỏ nảy giữa các gương trong laze sinh ra do một số lớn các mốt tần số sắc nhọn và phân bố bằng phẳng luôn luôn chiếu sáng! Một ít ánh sáng được giải phóng ra như một đoàn tàu (train) của các xung laze đi qua gương trong suốt một phần ở một đầu. Do các laze tạo xung cũng phát ra các tần số cao, chúng có thể được sử dụng cho nghiên cứu phổ laze có độ phân giải cao. Hansch đã làm cho điều đó trở thành hiện thực từ cuối những năm 70 của thế kỷ XX và ông cũng thành công trong việc chứng minh nó bằng thực ghiệm. V.P.Chebotayev ở Novosibirsk (mất năm 1992) cũng đi đến một kết luận tương tự. Tuy nhiên, một bước ngoặt thực sự không xảy ra cho đến khoảng năm 1999 khi Hansch nhận thấy rằng các laze với các xung cực ngắn mà chúng sẵn có vào thời gian đó có thể được sử dụng để đo trực tiếp các tần số quang đối với đồng hồ xesi. Điều đó là vì các laze như thế có một lược tần số bao gồm toàn bộ phạm vi tần số ánh sáng nhìn thấy. Do dó, kỹ thuật lược tần số quang dựa trên cơ sở một khoảng tần số phân bố bằng phẳng và ít nhiều giống như các răng của một cái lược hay các chỗ đánh dấu trên một cái thước. Một tần số chưa biết mà nó cần được xác định có thể liên quan đến một trong các tần số dọc theo “que đo (measuring stick)”. Hansch và các cộng sự đã chứng minh một cách thuyết phục rằng các chỗ đánh dấu tần số thực sự phân bố bằng phẳng với độ chính xác cực cao. Tuy nhiên, một vấn đề nảy sinh là làm thế nào để xác định giá trị tuyệt đối của tần số. Thậm chí nếu có sự tách rất rõ rệt giũa các răng lược thì vẫn xảy ra một sự dịch chuyển tần số chung chưa biết. Sự lêch này cần phải được xác định một cách chính xác nếu cần đo một tần số chưa biết. Nhằm mục đích này, Hansch đã phát triển một kỹ thuật trong đó tần số cũng có thể được làm ổn định nhưng bài toán không được giải quyết một cách đơn giản trên thực tế cho đến khi Hansch và các cộng sự đưa ra một lời giải vào khoảng năm 2000. Nếu lược tần số có thể được tạo ra rộng đến mức các tần số cao nhất cao gấp đôi so với các tần số thấp nhất (một octa (octave) của các dao động), độ dịch chuyển tần số f0có thể tính được bằng phép trừ đơn giản từ các tần số tại các đầu của octa (xem hình 3): 2fn- f2n= 2(nfr+ f0) - (2nfr+ f0) = f0.
Có thể tạo ra các xung thuộc loại này với một khoảng tần số đủ rộng trong cái gọi là các sợi tinh thể photon (photonic crystal) mà trong đó vật liệu bị thay thế một phần bởi các kênh chứa đầy không khí. Một phổ rộng của các tần số có thể phát sinh bởi ánh sáng trong các sợi này. Hansch và Hall cùng các cộng sự sau đó đã hoàn thiện các kỹ thuật này (một phần trong công trình hợp tác giữa hai nhóm này) thành một thiết bị đơn giản mà nó đã được sử dụng rộng rãi và sẵn có trên thị trường. Một tần số laze cao chưa biết bay giờ có thể đo được bằng cách quan sát sự giao thoa (beat) giữa tần số này và răng gần nhất trong lược tần số. Sự giao thoa này sẽ xảy ra trong một khoảng tần số vô tuyến dễ quản lý. Điều này tương tự với thực tế là sự giao thoa giữa hai âm thoa có thể nghe được ở một tần só thấp hơn nhiều so với các âm riêng. Các kỹ thuật lược tần số gần đây đã được mở rộng cho khoảng tần số ánh sáng cực tím rất cao mà nó có thể đạt được bằng cách tạo ra các siêu âm từ các xung ngắn. Điều này có thể có nghĩa là độ chính xác cực cao có thể đạt được tại các tần số rất cao và bằng cách đó dẫn đến khả năng tạo ra các đồng hồ có độ chính xác cao hơn so với đồng hồ nguyên tử tại các tần số tia X. Một khía cạnh khác của kỹ thuật lược tần số là ở chỗ việc điều khiển pha ánh sáng mà kỹ thuật này cho phép cũng có tầm quan trọng đặc biệt trong các thực nghiệm với các xung femto giây cực ngắn và trong tương tác cực mạnh giữa laze và vật chất. Các siêu âm cao phân bố bằng phẳng về tần số có thể bị khóa pha (phase- locked) với nhau và bằng cách đó các xung atto giây (as và 1 as = 10-18s) riêng biệt có độ dài khoảng 100 as có thể được sinh ra bởi sự giao thoa theo cùng một cách như trong sự khóa mốt đã mô tả trên đây. Do đó, kỹ thuật lược tần số quang lien quan nhiều nhất đến các phép đo chính xác cả về tần số và thời gian. Hiện nay, với kỹ thuật lược tần số dường như có thể tạo ra các phép đo tần số trong tương lai với độ chính xác tiến đến 10-18 s. Điều này sớm dẫn đến việc đưa vào sử dụng một đồng hồ chuẩn quang mới. Các hiện tượng và vấn đề đo đạc nào có thể tận dụng được độ chính xác cực cao này? Độ chính xác cực cao này sẽ làm cho các hệ thống hàng không trên cơ sở vệ tinh (GPS) chính xác hơn. Đọ chính xác này sẽ trở nên cần thiết chẳng hạn như đối
với các chuyến bay dài ngày trong vũ trụ và các dàn kính thiên văn trong không gian để quan sát các sóng hấp dẫn hoặc tiến hành các thử nghiệm chính xác về thuyết tương đối. Cũng có thể có các ứng dụng trong viễn thông. Độ chính xác được nâng cao trong các phép đo cũng có thể được sử dụng trong nghiên cứu mối quan hệ giữa vật chất và phản vật chất. Người ta đặc biệt quan tâm đến hyđrô. Khi phản hyđrô có thể được nghiên cứu về mặt thực nghiệm giống như hyđrô thông thường, chúng ta có thể so sánh các tính chất phổ cơ bản của chúng. Cuối cùng là độ chính xác cao hơn trong các phép đo cơ bản có thể được sử dụng để kiểm tra những thay đổi khả dĩ đối với các hằng số của tự nhiên qua thời gian. Các phép đo như thế cũng đã bắt đầu được tiến hành nhưng người ta chưa phát hiện được sự sai lệch nào. Tuy nhiên, độ chính xác được nâng cao sẽ tạo cho nó khả năng rút ra các kết luận ngày càng rõ ràng về vấn đề cơ bản nay.