Сергей Бердышев - Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек
Эволюция вела высших теплокровных животных к умению пользоваться главным каналом оптической информации — световым. Инфракрасные волны передаются сравнительно хуже и сообщают только о нагретых объектах, ультрафиолет поступает лишь от Солнца и поглощается веществом. Жесткие лучи (гамма- и рентгеновские) редко встречаются в природе, т. к. они зарождаются далеко в космосе и гасятся земной атмосферой, не достигая поверхности нашей планеты. Вот почему жесткое излучение интересует среди нефизиков почти единственно астрономов.
Но и они вынуждены признать, что свет несет куда больше информации о звездах и галактиках, чем прочие виды электромагнитного излучения. Именно поэтому самый большой космический телескоп «Хаббл», запущенный на орбиту в 1990 г., работает в оптическом диапазоне. Свет информативен, живым существам, включая и человека, выгоднее воспринимать этот вид волн.
Эффекты, связанные с корпускулярными свойствами света, долгое время оставались необъясненными. Лишь в начале XX в. А. Эйнштейн создал теорию корпускулярно-волнового дуализма, в которой объединил на основе новейших научных представлений все проявления двойственной природы излучения. Свет действительно распространяется волнами, но при этом сохраняет способность квантоваться, т. е. делиться на энергетические порции (кванты), ведущие себя как элементарные частицы. Эти частицы получили название фотонов.
С позиций новой теории света легко доказать, в чем состояла ошибка Ньютона, полагавшего, что преломление цветов неизменно. Угол преломления зависит от частоты, которая напрямую связана с энергией фотонов и одновременно определяет длину световой волны. Частота же меняется в силу разных причин, отчего в спектре может происходить смещение. Известно, к примеру, что фотоны излучения сверхмассивных звезд меняют свою частоту. Чтобы преодолеть гравитационное поле светила, им приходится затрачивать колоссальную энергию, а это немедленно сказывается на частоте.
Другим случаем изменения частоты световых волн является т. н. эффект Допплера. Они распространяются со скоростью 300 000 км/с. Если источник света движется, то волны смещаются относительно друг друга. Одна отстает от предшествующей или, напротив, стремится опередить ее. Соответственно меняется в большую или меньшую сторону длина волны. Поскольку источники света в большинстве случаев движутся на ничтожно малых скоростях в сравнении со световой, то заметных изменений длины волны не происходит. Зато если источник обладает субсветовой скоростью, то его излучение меняет свой истинный цвет.
В 1929 г. американский астрофизик Э. Хаббл, в честь которого назван вышеупомянутый крупный орбитальный телескоп, открыл красное смещение в спектрах галактик. На основании своего открытия ученый пришел к выводу о разбегании галактик. Вселенная расширяется, и звездные системы стремительно разлетаются друг от друга. В каждой точке мирового пространства наблюдателю откроется одинаковая картина — удаляющиеся галактики.
Астрономия способна преподносить и другие сюрпризы. Скажем, в 1978 г. в созвездии Водолея астрономы открыли странный объект. И сейчас трудно сказать, является ли он звездой или далекой галактикой. Известный под номером 88 433, он имеет в своем спектре линии смещения в красной и фиолетовой области. А это надлежит понимать так, что космическое тело одновременно приближается к нашей планете и удаляется от нее.
Скорость загадочного объекта равняется, судя по величине смещения длины волн, 80 000 км/с, т. е. 0,27с (0,27 скорости света). Возможное объяснение феномена следующее. Объект выбрасывает в мировое пространство газовые струи, движущиеся на колоссальной скорости. Одна струя направлена к Земле, другая летит в противоположную сторону. Отсюда двойное смещение в спектре удивительного космического тела.
Лазерные технологии
Открытие двойственной природы света позволило физикам прийти к идее создания оптического квантового генератора. В 1954–1955 гг. отечественными учеными Г. Н. Басовым и А. М. Прохоровым, канадским специалистом Дж. Вебером и американскими физиками Ч. Таусоном, X. Цайгером и Дж. Гордоном был разработан первый мазер, иначе, молекулярный квантовый генератор. Это устройство, предназначенное для генерации и усиления сверхвысокочастотных радиоволн (СВЧ-радиоволн).
Поскольку радиоволны являются наряду с видимым светом разновидностью электромагнитных колебаний, то физики сразу после создания молекулярных генераторов задумались о возможности создавать вынужденное излучение в оптическом диапазоне. В природе вещество очень часто излучает свет. От нагрева светится спираль лампы накаливания, в лесу мигают огоньки гнилушек, испускают в темноте холодное люминесцентное свечение вещества, побывавшие долгое время под прямыми солнечными лучами.
Причиной такого излучения является самопроизвольное испускание световых квантов возбужденными атомами вещества. Среди атомов любого физического тела есть т. н. энергетически возбужденные частицы. Эти атомы обладают избыточной энергией, от которой со временем избавляются путем испускания фотонов. Генератор оптических колебаний, следовательно, должен быть построен по тому же принципу. То есть он должен содержать вещество, активные атомы которого будут служить источником излучения.
Однако генератор не может самопроизвольно излучать видимый свет так, как это делает гнилушка. Ученым требовался постоянный мощный источник колебаний. В обычной системе частиц преобладают атомы с низкой энергией. Чтобы И вещество непрерывно светилось, в нем, наоборот, должны преобладать возбужденные частицы. Такую систему, называемую активной, можно получить при помощи электромагнитного поля.
Искусственное энергетическое возбуждение атомов, носящее название индуцированного, т. е. наведенного, приводит к еще одному выгодному последствию. Самопроизвольное излучение становится не только усиленным, но и когерентным. Обычное свечение гнилушки некогерентно, стало быть, фазы световых колебаний и направления движения фотонов не согласованы. Когерентное излучение отличается согласованием и по фазе, и по направлению. Дальнейшее изучение поведения фотонов и свойств активной среды показало пути к созданию оптических генераторов.
Если в активную среду попадает фотон, то он заставляет возбужденные атомы вокруг него светиться. Они выделяют энергию в виде световых квантов и переходят, таким образом, в свое обычное состояние. Причем выделяющиеся фотоны по направлению и свойствам подобны своему прародителю. Если поместить активную среду между двумя плоскими параллельными зеркалами, то такие фотоны станут многократно отражаться и переотражаться, а в результате по нескольку раз пересекут активную среду. Они, в свою очередь, вызовут излучение других атомов.
В веществе начнется лавинообразный процесс образования одинаковых фотонов. Возникающее в ходе данного процесса излучение называется стимулированным. Одно из плоских зеркал делают полупрозрачным, чтобы стимулированное и усиленное излучение выходило из активной среды в виде тонкого луча. Генератор порождает световой луч, обладающий массой достоинств и уникальных характеристик.
Во-первых, выходящее из активной среды излучение отличается ничтожно малой конусностью, другими словами — малым углом расхождения. Всякий видел, как расширяется луч прожектора, превращаясь в конус. Стимулированное излучение расходится слабо, луч напоминает по форме острейшую иглу, толщина которой равняется зачастую долям микрометра. Если направить такой луч на Луну, то он высветит на ее поверхности окружность диаметром 4 м. Трудно вообразить себе световой конус с диаметром основания 4 м и высотой 384 тыс. км!
Благодаря своей «игольчатости», как образно называют ученые особенность излучения, оно максимально концентрирует в себе энергию и обладает заданной частотой и фазой. Теоретическое обоснование работы квантовых генераторов было одновременно осуществлено Басовым и Таунсом независимо друг от друга. В 1960 г. американским ученым Т. Мейманом был построен первый квантовый генератор, активной средой которого служил синтетический рубин.
Физическое явление, на котором основаны принципы работы установки, по-английски называется light amplification by stimulated emission of radiation, что переводится как усиление световых волн путем стимулированного излучения. По начальным буквам слов, входящих в состав этого названия, оптический квантовый генератор окрестили на Западе лазером. Позднее это короткое и удобное название прижилось и в нашей стране.
Большой интерес к лазерам со стороны обывателей объясняется в немалой степени стараниями фантастов. У ученых же интерес особый. Специалистов самых разных направлений привлекают невероятные возможности применения лазерного луча в научных исследованиях и промышленности. Справедливо будет заметить, что лазеры изменили оптику, обогатив ее новыми знаниями и новыми методами исследования свойств света.
