100 великих достижений цивилизации - Станислав Эдуардович Ермаков

нахождении компактных и чрезвычайно могучих источников лучевой энергии. <..> Вы представляете, какие открываются возможности? В природе не существует ничего, что бы могло сопротивляться силе “лучевого шнура”… Здания, крепости, дредноуты, воздушные корабли, скалы, горы, кора земли – все пронижет, разрушит, разрежет мой луч» (А. Толстой, «Гиперболоид инженера Гарина»). В знаменитом романе, впервые опубликованном в 1927 году, скорее всего, использована идея другого великого писателя – Герберта Уэллса, который снабдил своих марсиан из «Войны миров» некими тепловыми лучами. Но прошло не так уж много времени, как предугаданная фантастами идея стала реальностью, и сейчас без «усиленных световых лучей» наша жизнь практически немыслима.

Устройства для получения таких лучей называют лазерами (от англ. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – «усиление света посредством вынужденного испускания»). В части своих возможностей лазеры (они же оптические квантовые генераторы) уникальны, и их создание стало одним из самых замечательных достижений квантовой физики второй половины прошлого века.

Косвенным образом на идею возможности создания подобных устройств повлиял Альберт Эйнштейн, когда еще в 1917 году сформулировал тезис о вынужденном испускании.

В 1939 году советский физик Валентин Александрович Фабрикант показал возможность вынужденного испускания для усиления электромагнитного излучения при его прохождении через вещество. Он вернулся к своей идее уже после Великой Отечественной войны и в 1951 году подал заявку на изобретение способа усиления излучения при помощи вынужденного испускания. В выданном патенте предмет изобретения был описан так: «Способ усиления электромагнитных излучений (ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и радиодиапазонов волн), отличающийся тем, что усиливаемое излучение пропускают через среду, в которой с помощью вспомогательного излучения или другим путем создают избыточною по сравнению с равновесной концентрацию атомов, других частиц или их систем на верхних энергетических уровнях, соответствующих возбужденным состояниям».

В мае 1952 года советские физики Н.Г. Басов и А.М. Прохоров сообщили о принципиальной возможности создания усилителя излучения, названного ими «молекулярным генератором». Он действовал в СВЧ-диапазоне. С небольшим запозданием о подобном открытии заявил и Ч. Таунс из Колумбийского университета.

Н.Г. Басов и А.М. Прохоров – создатели лазера. 1966 г.

Два года спустя одновременно и независимо появился молекулярный генератор, получивший название «мазер». Собственно, первая буква, «м», здесь означает «микроволновой» (microwave), отсюда было взято и слово «лазер», где «микроволновой» заменили на английское light – «световой». И там и там в основе лежали принципы, сформулированные В.А. Фабрикантом. Так на свет появилось новое научное направление: квантовая радиофизика, или квантовая электроника.

Продолжение исследований привело к открытию в 1957 году эффекта оптического квантового усилия в опытах с электрическим разрядом в смеси паров ртути и малых количествах водорода и гелия, а год спустя – вновь почти одновременно и независимо друг от друга – советские и американские физики теоретически обосновали возможность применения явления вынужденного испускания в оптическом диапазоне.

Все это привело к созданию в самом конце 50-х годов прошлого века лазера – устройства, способного излучать в оптическом диапазоне. Первый образец лазера, созданный американцем Тедом Мейманом, представлял собою маленький рубиновый кубик с длиной грани 1 сантиметр. Две его противоположные грани были покрыты серебром и играли роль зеркала резонатора. Периодически их облучали зеленым светом от лампы-вспышки высокой мощности, которая спиралью охватывала рубиновый кубик. Небольшое отверстие в одной из посеребренных граней кубика испускало излучение в виде красных световых импульсов. В том же году американцам А. Джавану, В. Беннету и Э. Эрриоту удалось добиться генерации оптического излучения в электрическом разряде, который создавался в смеси гелия и неона. Это был первый газовый лазер.

Начался совершенно новый этап развития науки. С 1961 года лазеры разных типов начали занимать прочное место в физических лабораториях. Технология их изготовления постоянно совершенствовалась, уже через год с небольшим ученые из СССР и США одновременно сумели изготовить первые полупроводниковые лазеры.

Одним из самых замечательных достижений квантовой физики второй половины XX века явилось создание лазеров.

Лазеры, или оптические квантовые генераторы – это современные когерентные источники излучения.

Лазерное излучение уникально. При спонтанном излучении атом испускает спектр конечной ширины, а при лавинообразном нарастании числа вынужденно испущенных в особой среде фотонов интенсивность излучения такой лавины будет возрастать в центре спектральной линии данного атомного перехода. Как следствие, ширина спектральной линии первоначального спонтанного излучения будет уменьшаться. Физика научилась получать спектральной линии лазерного излучения, ширина которой в 107–108 раз меньше, чем ширина самых узких наблюдаемых в природе линий спонтанного излучения. Получившийся луч почти не рассеивается и высокоэнергетичен, даже при малой средней мощности излучения или малой энергии импульса его эффективная температура очень высока.

Эти и другие свойства позволили начать широкое использование лазеров в самых разных областях науки и техники.

Лазерная сварка, маркировка и гравировка, нанесение микроизображений, голография, лазерная связь, навигация и локация, хирургия (лазеры способны производить почти бескровные разрезы тканей), запись и обработка информации… Вот лишь небольшой перечень наиболее освоенных областей применения лазеров сегодня.

Конечно, это отнюдь не «тепловые лучи» Герберта Уэллса и уж точно не гиперболоид, придуманный великим писателем Алексеем Толстым. Вымышленная им конструкция, по большому счету, вообще неработоспособна, но в данном случае это и не важно. В принципе, над созданием лучевого оружия, подобного «разработанным» писателями, уже трудятся. Вот буквально в мае 2015 года средства массовой информации сообщили, что Международная космическая станция (МКС) может получить лазерную пушку для уничтожения космического мусора, который становится все большей и большой проблемой. Так что область мирного применения этих удивительных устройств куда важнее и обширнее военной. Интересно, чему люди научат лазеры завтра?

Начало мирного атома

Семьдесят лет назад мир содрогнулся. На японские города Хиросиму и Нагасаки ВВС США были впервые в истории нашей цивилизации сброшены ядерные бомбы. Число жертв этого подлого поступка составило от 90 до 166 тысяч человек в Хиросиме и от 60 до 80 тысяч человек в Нагасаки, но это только те, кто погиб немедленно, в момент взрыва. Это скорбное число должно быть увеличено в разы, если считать погибших от последствий применения ядерного оружия. Последствия бомбардировки ощущаются до сих пор. Но атом – не только оружие, ядерная реакция может служить источником и мирной энергии. Работы над созданием устройства по ее получению начались практически одновременно с попытками создания атомной бомбы. Ведь для получения энергии в ядерном реакторе используется способность ядер урана делиться под действием нейтронов, при этом делении энергия и выделяется. Очень приближенно можно даже сказать, что реактор – это такая ядерная бомба, в которой взрыв взят под контроль и очень сильно растянут во времени.

Над созданием ядерных реакторов трудились лучшие физики мира. Еще