Втретє за 117 років Нобелівську премію з фізики отримала жінка

З 1901 року Нобелівську премію з фізики отримало лише дві жінки: Марія Кюрі (1903) та Марія Гепперт-Маєр (1963). І ось 2018 року цей список поповнився ще однією леді – Донною Стрікленд, котра разом з двома іншими лауреатами (Артуром Ешкіном та Жераром Муру) розділила премію. То що ж такого зробила Донна?

Премія була вручена фізикам за новаторські винаходи в області лазерної фізики. І в порівнянні з відкриттям бозона Хіггса та темної матерії, це не виглядає таким вже новаторством. Сьогодні лазери є практично всюди й не є чимось незвичайним. Вони є важливим компонентом інерційного утримання плазми (одного зі способів отримати ядерний синтез на Землі), використовуються в лазерному охолодженні, при конструкції зброї, в медичному обладнанні, в копіювальних машинах, для зчитування штрих-кодів в супермаркеті і т.д. Й це при тому, що сама ідея лазера — відносно нова: перший був винайдений лише в 1958 році. Тож, варто лише поглянути на досягнення вчених ближче, як починаєш розуміти чому вони такі важливі для людства.

Посилення світла та сила контролю
В основі роботи лазера — коливання електронів між двома допустимими станами, через що вони, опускаючись з більш високоенергетичного стану в нижчий, випромінюють фотон з особливою енергією. Ці коливання електрона викликають випромінювання світла, котрі ми називаємо лазером, що скорочено від англійського “Light Oscillation by Stimulated Emission of Radiation” (“посилення світла за допомогою вимушеного випромінювання”).

Й оскільки це відносно недавній винахід було декілька способів, зроблених людством для покращення роботи лазера: починаючи від винайдення різноманітних матеріалів, оптимізації дизайну та закінчуючи їх контролем. І якщо зміна дизайну та матеріалів дозволяла отримати більш потужні лазери, то контроль відкрив зовсім новий світ можливостей для подальших досліджень та маніпулювання матерією й іншими фізичними явищами у Всесвіті. Й цьогорічна премія відзначила досягнення саме у сфері контролю.

Артур Ешкін
Світло, незалежно від того, якого воно типу та як отримане, є електромагнітною хвилею. А це означає, що подорожуючи простором воно створює електричні та магнітні поля. Вони, у свою чергу, мають певні коливання та є перпендикулярними одне до одного. Якщо вам вдасться керувати полями, що виникають з цього світла, контролювати їх напрям та величину в певній частині простору, то ви зможете маніпулювати матеріалами в цьому місці. Ця здатність знайшла своє відображення в науково-фантастичній ідеї силового променя. Й оптичний пінцет, винайденим Артуром Ешкіном, є її реальним втіленням.

З його допомогою можна маніпулювати крихітними об’єктами: починаючи від невеликих молекул, закінчуючи бактеріями. Оптичний метод захоплення живих бактерій без найменшої шкоди для них Ешкін вперше використав в 1987 році. Й з того часу оптичні пінцети широко застосовуються в біологічних дослідженнях.

Жерар Муру та Донна Стрікленд
Проте іноді контролювати потрібно не лише електричне чи магнітне поле, а потужність та частоту імпульсу лазера. Можна зекономити світло лазера та випромінювати всю енергію за один короткий імпульс. Проте тут криється велика небезпека, адже створений таким чином ультрапотужний імпульс здатний зруйнувати матеріал, що використовується для посилення світла. Таким чином здатність випромінювати короткочасні, високоенергетичні імпульси була ще одним “святим граалем” лазерної фізики. Й саме його “знайшли” Жерар Муру та Донна Стрікленд.

У 1985 році вони опублікували спільну статтю. В ній вчені детально розповіли про свій досвід створення ультракороткого, ультраінтенсивного лазерного імпульсу, що повторюється. При цьому підсилювальний матеріал, який вони використовували лишився цілим.

В основі їх базової системи було чотири простих, проте монументальних кроки:

створення стандартних лазерних імпульсів;
розтягнення імпульсів в часі, що зменшує їх пікову потужність та робить їх менш руйнівними;
посилення розтягнутих в часі імпульсів з меншою потужністю, котре використаний для підсилення матеріал міг витримати;
стиснення підсилених імпульсів у часі.
При скороченні імпульсу, більше світла стає розміщеним разом в одному місці. Це призводить до значного збільшення інтенсивності імпульсу. Ця новаторська методика, відома як підсилення чирпованих імпульсів, стала новим стандартом для високоінтенсивних лазерів. Й вона, наприклад, широко використовується в медицині під час операцій з корекції зору.

На хвилі боротьба за гендерну рівність, цього року шум піднятий довкола Нобелівської премії з фізики зосереджений не так на відкриттях учених, як на їх статі. Безумовно це цікавий прецедент, і тепер приклад Донни Стрікленд, наряду з прикладом Кюрі та Гепперт-Маєр, надихатиме не одне покоління дівчаток на наукові подвиги та пошуки, проте забудемо про стать та віддамо шану їй, Ешкіну й Муру перш за все, як великим науковцям, досягнення яких вже змінили світ.