Физика невозможного - Мичио Каку

В 1925 г., с появлением квантовой механики и революционных работ Эрвина Шрёдингера, Вернера Гейзенберга и многих других, родилась почти полная теория атома. Согласно квантовой теории электрон представлял собой частицу, но обладал также ассоциированной волной, что придавало ему одновременно свойства частицы и волны. Волна эта подчинялась так называемому волновому уравнению Шрёдингера, позволявшему рассчитать свойства атома, включая все постулированные Бором «прыжки» электронов.

До 1925 г. атомы считались загадочными объектами; многие, подобно философу Эрнсту Маху, вообще не верили в их существование. После 1925 г. у человека появилась возможность не только заглянуть глубоко в динамику атома, но и вполне достоверно предсказать его свойства. Как ни поразительно, это означало, что, имея под рукой достаточно мощный компьютер, можно вывести свойства химических элементов непосредственно из законов квантовой теории. Точно так же, как ньютонова физика при наличии достаточно большой вычислительной машины позволила бы ученым рассчитать движение всех небесных тел вселенной, квантовая физика, по утверждениям ученых, давала принципиальную возможность рассчитать все без исключения свойства химических элементов Вселенной. Кроме того, имея достаточно мощный компьютер, можно было бы составить полную волновую функцию человеческого существа.

В 1953 г. профессор Чарльз Таунс из Университета Калифорнии в Беркли сумел вместе с коллегами получить первый пучок когерентного излучения, а именно микроволн. Устройство назвали мазером (maser — по первым буквам слов фразы «microwave amplification through stimulated emission of radiation», т.е. «усиление микроволн через стимуляцию излучения».) Позже, в 1964 г., Таунс вместе с русскими физиками Николаем Басовым и Александром Прохоровым получил Нобелевскую премию. Вскоре результаты ученых были распространены и на видимый свет. Так родился лазер. (А вот фазер — это фантастическое устройство, получившее известность благодаря сериалу «Звездный путь».)

Основой лазера служит особая среда, которая собственно и будет передавать лазерный луч; это может быть специальный газ, кристалл или диод. Затем нужно закачать в эту среду энергию извне — при помощи электричества, радиоволн, света или химической реакции. Неожиданный приток энергии возбуждает атомы среды, заставляя электроны поглощать энергию и перепрыгивать на более высокоэнергетичные внешние электронные оболочки.

В таком возбужденном, накачанном состоянии среда становится нестабильной. Если после этого направить сквозь нее луч света, то фотоны луча, сталкиваясь с атомами, вызовут внезапное сваливание электронов на более низкие орбиты и высвобождение при этом дополнительных фотонов. Эти фотоны, в свою очередь, заставят еще большее число электронов испустить фотоны — и вскоре начнется цепная реакция «схлопывания» атомов до невозбужденного состояния с практически одновременным высвобождением громадного количества фотонов — триллионов и триллионов их — все в тот же луч. Принципиальная особенность этого процесса состоит в том, что в некоторых веществах при лавинообразном высвобождении все фотоны вибрируют в унисон, т. е. когерентны.

(Представьте себе выстроенные в ряд костяшки домино. В самом низкоэнергетическом состоянии каждая костяшка лежит плашмя на столе. В высокоэнергетическом, накачанном состоянии костяшки стоят вертикально, подобно накачанным атомам среды. Толкнув одну костяшку, вы можете вызвать внезапное одновременное высвобождение всей этой энергии, точно так же, как это происходит при рождении лазерного луча.)

В лазере способны работать лишь некоторые материалы; это означает, что только в особых веществах при столкновении фотона с возбужденным атомом излучается фотон, когерентный первому. Это свойство вещества приводит к тому, что все фотоны в рождающемся потоке вибрируют в унисон, создавая тонкий лазерный луч. (Вопреки распространенной легенде лазерный луч не вечно остается таким же тонким, как в самом начале. К примеру, лазерный луч, выпущенный в Луну, будет по дороге постепенно расширяться и даст на поверхности Луны пятно размером в несколько километров.)

Простой газовый лазер представляет собой трубку со смесью гелия и неона. Когда через трубку пропускают электричество, атомы поглощают энергию и возбуждаются. Затем, если происходит внезапное высвобождение всей запасенной газом энергии, рождается луч когерентного света. Этот луч усиливается при помощи двух зеркал, установленных в обоих концах трубки, так что луч отражается от них по очереди и мечется по трубке из стороны в сторону. Одно из зеркал совершенно непрозрачно, но другое пропускает небольшую долю падающего на него света, выпуская таким образом луч наружу.

Сегодня лазеры можно найти повсюду — и в кассовом аппарате продуктового магазинчика, и в оптико-волоконном кабеле, который обеспечивает вам доступ в Интернет, и в лазерном принтере или CD-плеере, и в современном компьютере. Лазеры используются в хирургии глаза, при удалении татуировок, и даже в косметических салонах. В 2004 г. в мире продано лазеров больше чем на 5,4 млрд долл.

Новые лазеры сейчас открывают едва ли не каждый день; как правило, речь идет об обнаружении нового вещества, способного работать в лазере, или изобретении нового метода закачки энергии в рабочее тело.

Вопрос в том, годятся ли эти технологии для создания лучевых ружей или световых мечей? Можно ли построить лазер, достаточно большой для обеспечения энергией Звезды смерти? На сегодняшний день существует ошеломляющее разнообразие лазеров, которые можно классифицировать по материалу рабочего тела и способу закачки энергии (это может быть электричество, мощный световой луч, даже химический взрыв). Перечислим несколько типов лазеров.

• Газовые лазеры. Эта категория включает и чрезвычайно распространенные гелий-неоновые лазеры, дающие очень знакомый красный луч. Накачивают их при помощи радиоволн или электричества. Гелий-неоновые лазеры обладают небольшой мощностью. А вот газовые лазеры на углекислом газе можно использовать при подрывных работах, для резки и плавки металлов в тяжелой промышленности; они способны давать чрезвычайно мощный и совершенно невидимый луч;

• Химические лазеры. Эти мощные лазеры заря жаются от химической реакции — к примеру, горения этилена и трифторида азота NF3. Такие лазеры достаточно мощны, чтобы найти применение в военной области. В США химический принцип накачки применяется в воздушных и наземных боевых лазерах, способных давать луч мощностью в миллионы ватт и предназначенных для сбивания в полете ракет малой дальности.

• Эксимерные лазеры. Эти лазеры получают энергию также от химической реакции, в которой обычно задействованы инертный газ (т.е. аргон, криптон или ксенон) и какой-нибудь фторид или хлорид. Они дают ультрафиолетовый свет и могут использоваться в элек тронной промышленности для вытравливания кро хотных транзисторов на полупроводниковых чипах, а также в хирургии глаза для проведения тончайших операций по технологии Lasik.

• Полупроводниковые лазеры. Диоды, которые мы так широко используем во всевозможных электрон ных устройствах, могут давать мощные лазерные лучи, которые используются в промышленности для резки и сварки. Эти же полупроводниковые лазеры работа ют и в кассовых аппаратах, считывая штрихкоды с выбранных вами товаров.

• Лазеры на красителях. В этих лазерах в качестве рабочего тела используются органические красите ли. Они исключительно полезны в получении ультра коротких импульсов света, которые часто имеют длительность порядка одной триллионной доли секунды.

Принимая во внимание огромное разнообразие коммерческих лазеров и мощь лазеров военных, трудно не задаться вопросом: почему у нас нет лучевых ружей и пушек, пригодных к использованию на поле боя? В фантастических фильмах лучевые ружья и пистолеты того или иного сорта, как правило, являются самым распространенным и привычным оружием. Почему мы не работаем над созданием такого оружия?

Простой ответ на этот вопрос заключается в отсутствии у нас портативных источников энергии достаточной мощности. Это не пустяк. Для лучевого оружия потребовались бы миниатюрные батареи размером с ладонь, но соответствующие при этом по мощности громадной электростанции. В настоящее время единственный способ получить в пользование мощность крупной электростанции—построить таковую. А самый маленький военный прибор, способный служить вместилищем для подобных энергий, — миниатюрная водородная бомба, которая, к несчастью, может уничтожить не только цель, но и вас самих.

Существует и вторая проблема — стабильность излучающего вещества, или рабочего тела. Теоретически количество энергии, которое можно закачать в лаз ер, ничем не ограничено. Но проблема в том, что рабочее тело ручного лазерного пистолета оказалось бы нестабильным. Кристаллические лазеры, к примеру, перегреваются и трескаются, если закачать в них слишком много энергии. Следовательно, для создания чрезвычайно мощного лазера — такого, что способен был бы испарить предмет или нейтрализовать противника, — потребуется, возможно, использовать энергию взрыва. В этом случае, естественно, о стабильности рабочего тела можно уже не думать, ведь наш лазер будет одноразовым.