De ware aard van licht

Het Nobelcomité heeft de toepassing van quantumtheorie op optica beloond en de verfijning van de optische klok. Handig voor in de auto.

De Nobelprijs voor de natuurkunde gaat dit jaar naar drie fysici die zich hebben beziggehouden met optica: de studie van licht. Zowel theoretisch als experimenteel werk is bekroond. Roy Glauber, verbonden aan Harvard University, krijgt de helft van de prijs voor theoretisch onderzoek naar fotonen of lichtdeeltjes. John Hall van de University of Colorado en Theodor Hänsch van het Max Planck-Institut für Quantenoptik in Garching delen de overige helft van de 1,1 miljoen euro voor het ontwikkelen van een techniek waarmee de kleur (frequentie) van het licht dat atomen of moleculen uitzenden met extreem grote precisie is te bepalen.

Wat is licht? In de negentiende eeuw stelde de Schotse fysicus James Clerck Maxwell zijn theorie van het elektromagnetisme op. Licht, zo bleek, is een vorm van elektromagnetische straling, golven die zich (in vacuüm) met een snelheid van 300.000 kilometer per seconde uitbreiden. Zenders en ontvangers in moderne communicatieapparatuur zijn hierop gebaseerd. Het was Albert Einstein die in 1905, honderd jaar geleden, aantoonde dat licht zich ook als een soort deeltjes kan gedragen: pakketjes energie, ook quanta genoemd, waarvan de grootte afhangt van de kleur van het licht. Dit foto-elektrisch effect, dat Einstein in tegenstelling tot zijn speciale relativiteitstheorie (ook uit 1905), ,,sehr revolutionär'' noemde en waarvoor hij in 1921 de Nobelprijs kreeg, vindt zijn toepassing o.a. in lichtmeters in fototoestellen. Kortom, licht heeft een dubbele natuur: het kan zich als golven voordoen, maar ook als een stroom deeltjes.

Het was Roy Glauber die in de jaren zestig van de vorige eeuw de basis legde voor de quantumoptica: de theorie waarbij de quantumtheorie wordt toegepast op optica. Na de Tweede Wereldoorlog deed in de fysica de quantumelektrodynamica (QED) zijn intrede, waarbij elektromagnetisme en speciale relativiteitstheorie samengaan. Aanvankelijk zagen fysici weinig noodzaak tot een quantumtheorie van zichtbaar licht. De uitvinding van de laser bracht daarin verandering. Het was Roy Glauber die in 1963 een baanbrekend artikel publiceerde waarin hij het detecteren van fotonen beschreef aan de hand van quantumtheorie. Het legde het fundament voor nieuwe ontwikkelingen op het gebied van quantumoptica.

Nieuwe verschijnselen in de natuurkunde komen niet zelden aan het licht door toedoen van verbeterde waarneemtechnieken. Een voorbeeld is de techniek van de atoomspectroscopie, waarmee de mogelijke energietoestanden van een atoom met grote precisie zijn te bepalen. Die nauwkeurigheid biedt zicht op de inwendige structuur van het atoom en op de eigenschappen van de atoomkern. Dankzij de `kam-techniek' die Theodor Hänsch eind jaren negentig ontwikkelden is die precisie enorm opgevoerd. Door hun methode is de frequentie van licht zo nauwkeurig te bepalen dat de bepaling van universele natuurconstanten er van profiteert.

Basisidee is een laser die ultrakorte lichtpulsjes uitzendt, ter lengte van een femtoseconde (een miljoenste van een miljardste van een seconde). In die situatie gaat licht zich anders gedragen. Dat heeft te maken met de onzekerheidsrelatie van Heisenberg, nog zo'n mijlpaal uit de quantumtheorie. Die zegt dat hoe korter een lichtpuls duurt, hoe groter de onbepaaldheid is van zijn energie, en daarmee ook van zijn kleur. Waar een gewone laser die continu een heel bepaalde kleur uitzendt (hét kenmerk van een laser), bevat zo'n pulslaser alle kleuren van de regenboog. Maar alleen de kleuren waarvan de bijbehorende golflengte past tussen de evenwijdige spiegels in de laser worden versterkt. De laser produceert aldus honderdduizenden verschillende kleuren die qua frequentie steeds evenver van elkaar liggen: een `kam' of, beter gezegd, een optische lineaal met maatstreepjes.

Met behulp van zo'n `kam' is het mogelijk de frequentie van het licht dat een bepaald atoom absorbeert extreem nauwkeurig te bepalen. Deze techniek is toe te passen in een optische klok, waarbij de `tikken' zijn afgeleid van de frequentie van het atoomlicht. Op dit moment zijn optische klokken al een factor tien nauwkeuriger dan de beste atoomklokken. En de verwachting is dat het nog een stuk beter kan. En daarmee zijn we bij de toepassingen van de `kam'-techniek. Nauwkeurige klokken zijn onontbeerlijk in bijvoorbeeld het Global Positioning System of GPS. Dit systeem bestaat uit een netwerk van zo'n twintig satellieten die op 20.000 kilometer hoogte om de aarde draaien. Via de signalen die ze uitzenden en met elementaire driehoeksmeting kan uit het tijdverschil waarmee die signalen door een ontvanger in bijvoorbeeld een autonavigatiesysteem worden teruggerekend waar de auto zich precies bevindt. Hoe nauwkeuriger de klokken in de satellieten, des te nauwkeuriger de plaatsbepaling op aarde. Zo heeft fundamentele natuurkunde altijd zijn onverwachte praktische toepassingen.