Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева - Сэм Кин

Несмотря на то, какой чистой красотой свет обладает в вакууме, он может искажаться в результате взаимодействия с некоторыми элементами. Натрий и празеодим способны снижать скорость света примерно до 17 метров в секунду – это в 20 раз меньше, чем скорость звука. Эти элементы даже могут захватывать свет, удерживать его несколько секунд, как мячик, а потом отбрасывать в другом направлении.

Лазеры производят со светом еще более тонкие манипуляции. Как вы помните, электроны движутся, как лифт: они не могут подняться с уровня 1 на уровень 3,5 или упасть с уровня 5 на уровень 1,8. Электронные переходы происходят только между целочисленными уровнями. Когда возбужденные электроны возвращаются на исходный уровень, они избавляются от избыточной энергии, испуская ее в виде света. Поскольку движение электрона настолько ограничено, невелик и диапазон цветов, которые могут при этом возникать. Такой свет должен быть монохромным – как минимум в теории. На практике же электроны в различных атомах могут одновременно падать с уровня 3 на 1, с 4 на 2 и т. д. И в каждом случае получается иной свет. Кроме того, разные атомы излучают свет в разное время. Нашему глазу этот процесс кажется синхронным, но на фотонном уровне он нескоординированный и беспорядочный.

Лазеры позволяют обойти проблему несогласованности во времени, ограничивая количество «этажей», на которых может останавливаться «лифт». Аналогичные устройства, мазеры, действуют точно так же, но они генерируют невидимый свет. Самые мощные современные лазеры порождают сверхмощные лучи, которые в долю секунды выдают больше энергии, чем все электростанции Соединенных Штатов. В таких лазерах используются кристаллы иттрия, начиненные неодимом. Внутри лазерного устройства стробирующий световой импульс завивается вокруг неодимово-иттриевого кристалла и проблескивает исключительно быстро с невероятно высокой интенсивностью. Такое впрыскивание света возбуждает электроны в неодиме и заставляет их прыгать гораздо выше, чем это бывает в естественных условиях. Ну, как будто они подпрыгивают с первого прямо на десятый этаж. Испытывая «головокружение», они сразу же падают обратно на безопасный уровень – скажем, на второй этаж. Но в отличие от естественных переходов электроны настолько возбуждены, что изменяют свое поведение и испускают избыточную энергию уже не в виде света, а в виде тепла. Очутившись на надежном втором этаже, они «с облегчением» покидают лифт и остаются на втором этаже, не торопясь вернуться на первый.

Прежде чем они будут готовы спуститься вниз, возникает новый световой импульс, в результате которого уже большее количество электронов неодима взлетает на десятый этаж, а потом сразу падает на второй. После того как этот процесс произойдет многократно, на втором этаже начинается сутолока. Как только на втором этаже окажется больше электронов, чем на первом, в лазере произойдет так называемая инверсия заселенности. В таком случае, если какие-то из бездействующих электронов успевают прыгнуть на первый этаж, они расталкивают своих взведенных столпившихся соседей и выталкивают на балкон, в результате чего каким-то электронам приходится упасть со второго уровня на первый. Оцените всю простоту и красоту этого явления: когда электроны неодима падают на этот раз, все падающие частицы попадают со второго уровня на первый одновременно и поэтому излучают свет одного и того же цвета. Такая когерентность – ключевое свойство лазера. Вся остальная аппаратура в лазерном устройстве нужна для очистки света и сглаживания лазера, лучи которого попеременно отскакивают от двух зеркал. Но к этому моменту неодимово-иттриевый кристалл уже справился со своей функцией – сгенерировал луч когерентного концентрированного света. Сила этих лучей такова, что они могут запустить термоядерную реакцию, а сфокусированы они так, что режут человеческую роговицу, не затрагивая остальные части глаза.

После такого описания читатель может подумать, что лазер скорее представляет собой техническое достижение, чем научное чудо. Тем не менее на этапе разработки в 50-е годы лазеры – и мазеры, которые исторически появились первыми, – были восприняты в научной среде с серьезным предубеждением. Чарльз Таунс вспоминает, что даже после того, как ему удалось сконструировать первую рабочую модель мазера, старшие коллеги устало смотрели на него и говорили: «Извините, Чарльз, но это невозможно». И ведь это были не профаны, не узколобые пораженцы, неспособные воспринять Новое Великое Открытие. И Джон фон Нейман, заложивший основы конструирования современных компьютеров (и современных атомных бомб), и Нильс Бор, который больше чем кто-либо сделал для объяснения принципов квантовой механики, отвергали мазер Таунса как «попросту невозможный».

Причина, по которой Бор и фон Нейман отвергали возможность существования лазера, очень проста: они забывали о дуализме света. Точнее, их дезориентировал знаменитый принцип неопределенности, действующий в квантовой механике. Поскольку этот принцип, сформулированный Вернером Гейзенбергом, так легко понять неправильно – но, с другой стороны, как только он понят, этот принцип становится важнейшим инструментом для создания новых форм вещества, – в следующем разделе я постараюсь прояснить эту небольшую загадку Вселенной.

Ничто так не восхищает эстетическое чувство физиков, как дуализм света, но есть и вернейший способ заставить физика вздрогнуть от отвращения: они терпеть не могут, когда кто-то пытается рассуждать о принципе неопределенности в ситуациях, где этот принцип совершенно неприменим. Чтобы вам ни говорили, он не имеет (почти[153]) ничего общего с историей о наблюдателе, который изменяет вещь самим актом ее наблюдения. Суть этого принципа такова:

∆х ∆р ≥ h/4π

Вот и все.

Теперь, если попытаться перевести это с квантово-механического на человеческий язык (что априори рискованно), то это уравнение читается так: произведение неопределенности положения частицы (Ах) и неопределенности ее скорости и направления движения (ее импульса, Ар) всегда будет больше или равно значению «h, деленному на 4л», где h обозначает постоянную Планка. Постоянная Планка – это чрезвычайно маленькое число, примерно в сто триллионов раз меньше единицы, поэтому принцип неопределенности применяется лишь к сверхмалым предметам – например, к электронам или фотонам. Иными словами, если вы совершенно точно знаете положение частицы, то не можете с определенностью установить ее импульс, и наоборот.

Обратите внимание: данная неопределенность не имеет ничего общего с неточными измерениями, которые могут получиться, если пользоваться плохой линейкой. Это неопределенность, неотъемлемая от нашего мироздания. Давайте вновь вспомним о переменчивой природе света, который ведет себя то как частица, то как волна. Отвергая возможность существования лазера, Бор и фон Нейман не вполне понимали, в каких ситуациях проявляется волновая, а в каких – корпускулярная природа света. В их времена лазер казался столь точным и сфокусированным источником энергии, что неопределенность положения фотонов в нем должна была практически отсутствовать. Это означало, что неопределенность импульса должна была быть настолько огромной, что фотоны разлетались бы с любой энергией в любом направлении, а это, казалось бы, противоречило идее плотного сфокусированного луча.

Они забывали, что свет может вести себя и как волна, а движение волн определяется другими законами. Во-первых, как можно узнать, где находится волна? Природа волны такова, что она одновременно распространяется во всех направлениях – а это сама неопределенность. Кроме того, в отличие от частиц, одни волны могут поглощать другие и объединяться друг с другом. Если бросить два камня в пруд, то самые большие волны возникнут там, где сойдутся круги от них. Ведь именно эта маленькая область будет получать энергию от волн, идущих с двух сторон одновременно.

В случае с лазером речь идет не о двух, а о триллионах триллионов «камней» (то есть электронов), запускающих волны света, которые постоянно смешиваются друг с другом. Важно понять, что принцип неопределенности неприменим к множествам частиц, а только к отдельно взятым частицам. В луче света, который как раз представляет собой множество частиц, мы не можем сказать, где находится любой отдельно взятый фотон. А при такой огромной неопределенности положения фотона внутри луча мы можем очень, очень точно направить его энергию, превращая свет в лазер. Такую лазейку очень сложно использовать, но, если овладеть ею, она дает человеку огромную силу. Именно поэтому журнал Time отметил заслуги Таунса, назвав его в 1960 году одним из «людей года» (в одном ряду с Полингом и Сегре). В 1964 году Таунс был удостоен Нобелевской премии по физике за свою работу над мазером.