Fizyka dla każdego

 Kolejny raz nagroda Nobla zostaje przyznana za pomysły Einsteina. Rok temu były to fale grawitacyjne, w tym roku - znowu laser. 

Największe pomysły biorą się z prostych pytań. Kiedy młody adept w Biurze Patentowym w Bernie przysnąwszy spadl z krzesła*, zadał sobie pytanie, czym jest grawitacja.

Z pytania, jaka jest temperatura bardzo gorącego gazu, wziął się laser. Na wykładzie o Fizyce Współczesnej nazywam laser największym wynalazkiem XX wieku. 

Tegoroczna nagroda Nobla została przyznana za dwa [...]

Tegoroczna nagroda Nobla została przyznana za dwa osiągnięcia w zakresie technik laserowych:

1. Arthur Ashkin otrzymał Nagrodę za tzw. szczypce optyczne

W 1970 roku Ashkiin pokazał, że silne pole elektromagnetyczne (czyli światło lasera) może być wykorzystane do manipulowania micro-obiektami.

W szklanym naczyniu wypełnionym wodą umieścił dwie mikroskopijne kuleczki z kauczuku a następnie zogniskował w naczyniu promień silnego lasera argonowego. Kuleczki odsunęły się od siebie, wzdłuż promiena lasera.

Dziś można za pomocą tego typu szczypiec manipulować wirusami, nićmi DNA, organellami, śledzić procesy w żywych komórkach. 

2. Donna Strickland i Gerard Mourou otrzymali Nagrodę za konstrukcję ultraszybkiego lasera dużej mocy.

Strickland i Morou uzyskali impulsy laserowe o czasie trwania 2 ps i dużej mocy. Użyli do tego lasera pracującego na krysztale granatu itru domieszkowanego neodymem (Nd:YAG) emitującego w podczerwieni (długość fali 1,06 mikrometra). Pomysł polegał na rozciągnięciu w czasie impulsu 150 ps generowanego w krysztale, wzmocnieniu tego impulsu a następnie "ściśnięcia" go w czasie. 

Dziś ultraszybkie lasery o dużej mocy są wykorzystywane np. w operacjach zaćmy. Zaćma jest główna przyczyną utraty wzroku, u 2 mln osób na świecie. Ultraszybki laser (połączony z innymi zaawansowanymi technikami) pozwala na przeprowadzenie operacji w niecałe pół godziny.   

*Historia o Einsteinie, co spadł z krzesła, jest oczywiście zmyślona. Pomysł pochodzi od Ugo Amaldiego, z jego CD-ROM o Einsteinie (w zbiorach multimedialnych ZDF). 

Prawdziwe jest natomiast stwierdzenie, że największe pomysły biorą się z prostych pytań. Ogólna teoria względności wzięła się z pytania, czy w spadku swobodnym nie ma grawitacji?

Laser wziął się z pytania, jaka temperatura panuje w bardzo gorącym gazie.

Sprecyzujmy: Einstein spytał, co się dzieje, gdy wszystkie atomy w gazie znajdą się w stanie wzbudzonym (tzn. ich elektrony będą na wyższych poziomach energetycznych niż poziom podstawowy).  

Wydaje się, że wówczas nie można mówić o równowadze termodynamicznej w gazie. Konieczny jest więc dodatkowy proces, obok emisji i absorpcji światła: emisja wymuszona. Otóż, fotony mogą nie tylko wzbudzać atomy w stanie podstawowym ale też wymuszać na atomach wzbudzonych przejście do stanu podstawowego. Równania są banalnie proste, a działajacym urządzeniem (zbudowanym dopiero 50 lat po pomyśle Einsteina) jest Ligth Amplification by Stimulated Emission of Radiation, w skrócie LASER.  

(C) GK

Focus: Nobel Prize — Lasers as Tools (American Physical Society)

Nagroda Nobla w zakresie fizyki 2018 (Nobel Foundation)

Jak działa laser? ("On the track of Modern Physics", 2003)

Literatura: 

(C) American Physical Society. 

1. K. Schakenraad, A. S. Biebricher, M. Sebregts, B. ten Bensel, E. J. G. Peterman, G. J. L. Wuite, I. Heller, C. Storm, and P. van der Schoot, “Hyperstretching DNA,” Nat. Commun. 8, 2197 (2017).
2. A. Ashkin, J. M. Dziedzic, J. E. Bjorkholm, and Steven Chu, “Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles,” Opt. Lett. 11, 288 (1986).
3. A. Ashkin, Karin Schütze, J. M. Dziedzic, U. Euteneuer, and M. Schliwa, “Force generation of organelle transport measured in vivo by an infrared laser trap,” Nature 348, 346 (1990).
4. D. Strickland and G Mourou, “Compression of amplified chirped optical pulses,” Opt. Commun. 56, 219 (1985).