22
Лазерное шоу

Гений и стипендиат Макартура Дэвид Андерхилл работает с Леонардом над новым лазерным детектором для изучения темной материи. Он не говорит Пенни, каким именно лазером он пользуется, но скорее всего это не имеет значения (особенно для нее), потому что в лаборатории, полной всяких крутых штук, лазеры и «все такое» скорее всего являются самым интересным.

Вот неполный список высокотехнических опытов, в которых лазеры использовались в «Теории Большого взрыва»: 

• прожигание дырочки в пластиковой игрушке;

• разогревание супа;

• прожигание дырочки в шарике;

• нейтрализация входящих баллистических ракет;

• изучение мягкой компоненты космического излучения;

• проекционный голографический дисплей, объединенный с лазерным датчиком движения;

• прожигание дырки в стене.

Луч лазера когерентен, то есть выделенные фотоны (частицы света) вибрируют синхронно друг с другом. Без когерентности некоторые фотоны гасили бы влияние соседних таким же образом, как звукоизолирующие наушники подавляют звуки, приходящие извне, добавляя свой собственный несинхронный шум (см. главу 3).

Лазерные лучи также высоко коллимированы, что означает, что фотоны путешествуют параллельными потоками, а не расходящимися (см. главу 18). Коллимированный луч фокусируется на одной точке, он предназначен для направления большого количества энергии на малую площадь с большого расстояния. Лазер используется в медицине, информационных технологиях, астрономии, обработке данных, обороне и многих других сферах. Он есть в каждом CD-плеере и лазерной указке. Но как они работают?

Хотя все лазеры используют некоторое количество излучения, которое они производят для создания бо́льшего излучения, они бывают разного вида, и все они работают по разным принципам. Самые первые опирались на светоизлучающие свойства твердых тел, газов и паров, но большинство современных лазеров теперь основаны на полупроводниках.

Большинство лазеров, с которыми работает Леонард, состоят из трубки с зеркальными концами. Трубка может содержать один тип атома или комбинацию нескольких. Фотоны из внешнего источника энергии освещают эти атомы, временно поднимая их электроны на более высокий уровень энергии.

Когда электрон возвращается на свой первоначальный уровень энергии, он выпускает фотон. Поскольку каждый тип атома позволяет электронам находиться только на определенных уровнях энергии, а на остальные им путь заказан, энергия выпущенного фотона ограничена определенным набором возможностей, связанных с особыми волнами (цветами) света (см. главу 9).

Атом поглощает фотон, повышая уровень энергии одного из его электронов. Ни один из элементов этого рисунка не стоит воспринимать буквально

Если возбужденный электрон оставить в покое, он обычно со временем вернется в свое обычное состояние. Но если следующий фотон ударит атом, то электрон может сразу же вернуться на свой первоначальный низкий уровень, заставляя его освободить свой фотон гораздо раньше. Более того, когда новый фотон освобождается, он вибрирует синхронно с фотоном, который его и освободил, и путешествует в одном с ним направлении.

Второй фотон заставляет атом выпустить синхронизированный фотон

Этот процесс освобождения фотонов не происходит лишь единожды для каждого атома. Еще один входящий фотон может снова возбудить электрон, а еще один – вернуть его в первоначальное состояние и так далее. В каком-то смысле электрон ведет себя как временное хранилище и распределение фотонов, где независимо от того, что делал первоначальный фотон, когда он досиг цели, оба фотона будут синхронизированы и путешествовать параллельно на выходе. (Это все равно как если бы вы пели «С днем рож-де-ни-я, до-ро-га-я про-фес-сор Ка-це-не-лен-бо-ген», когда все остальные поют «С днем рож-де-ни-я, до-ро-га-я Ре-не…» Это не песня, а хаос, и все смущенно оглядываются, но вдруг кто-то один очень громко запевает последнюю строчку, и все остальные подхватывают и заканчивают в унисон.)

И что же происходит с этими двумя фотонами, которые отправляются в путешествие рука об руку? Они отскакивают от зеркального конца трубки, по-прежнему рядом и синхронизированно, и возвращаются обратно по трубке, таща остальные фотоны за собой след в след. Число фотонов, двигающихся синронизированно и параллельно оси трубки, быстро начинает превышать остальные, и очень скоро уже ни один из них не вибрирует несинхронно с остальными и не путешествует под своим собственным углом.

Отлично, когда у вас трубка, полная когерентного и коллиминированного света, но нам к нему нужен доступ. Это достигается с помощью увеличения прозрачности: где-то 99% света, попадающего на него, отражается обратно, но 1% вытекает, образуя лазерный луч.

И нет, несмотря на то что вы слышите с экрана телевизора, когда там кто-то выстреливает лазером, они не издают звуков типа «з-з-з-з-з» или «пиу-пиу». Их блок питания может быть шумноватым, но сами лазеры работают бесшумно. К тому же независимо от того, что вас заставляют думать средства массовой информации – включая «Теорию Большого взрыва», – лазерный луч, как и луч любого другого источника света, невидим, если только он не касается или не проходит через что-то, что его рассеивает: дым, туман или оливковое масло, например. (Яркая точка на стене от вашей лазерной указки – практически единственное доказательство того, что она работает, что и делает ее таким идеальным инструментом для того, чтобы морочить голову вашему коту.) И именно поэтому Леонарду нужно распылять дезинфектор, чтобы увидеть, как пересекаются лазерные лучи в «Шахматах с лазерными препятствиями для секретных агентов» .

Совсем другой принцип лежит в работе лазера на свободных электронах, того самого прибора, который не давал ему спать во время эксперимента по дифракции рентгеновских лучей (см. главу 18) . Лазер на свободных электронах – это самый мощный прибор, когда-либо сконструированный для создания рентгеновских лучей, которые невозможно генерировать с помощью других типов лазеров, так как они легко пройдут сквозь зеркальные концы трубки . Эта самая лучшая из всех игрушек была впервые создана доктором Джоном Мейди в его студенческие годы в Калтехе. Мощный луч электромагнитного излучения, который он производит, рождается не в зеркальном зале, заполенном атомами, купающимися в отражении собственной славы, а в чехарде бушующих электронов, мчащихся по магнитному корридору почти со скоростью света. Обычно электроны в атоме независимо от их энергетического статуса никогда не уходят далеко от собственного положительно заряженного ядра. Если же их немного подбодрить электромагнитным излучением, то один или два можно уговорить оставить свой атом, превратив в свободные электроны (см. главу 14) и отправив их в удивительное приключение на это короткое мгновение свободы.

Свободный электрон имеет тенденцию путешествовать по прямой, но при воздействии электромагнитного поля он может отдать малую толику своей энергии движения. Эта частица кинетической энергии брызжет в стороны всплеском электромагнитного излучения (такого как свет, рентгеновские лучи или гамма-лучи).

Циклотронное излучение. Магнитное поле заставляет электроны излучать свет и менять направление

Тем временем отдача от этого выброса дает электрону небольшой толчок в противоположную сторону, заставляя его свернуть со своего прямолинейного пути и идти по дуге. То же самое происходило с Говардом, когда он парил на Международной космической станции и что-нибудь метал вверх (например, свой обед): его тело получало толчок и направлялось вниз . Поскольку такой тип излучения особенно драматичен в ускорителе частиц под названием циклотрон, то оно известно под именем циклотронное излучение. Хотя нам не нужен циклотрон: циклотронное излучение освобождается в любой момент, когда заряженная частица путешествует сквозь магнитное поле.

На более высокой скорости, если частица путешествует практически так же быстро, как и излучение, которое она выделяет, появляются некоторые дополнительные захватывающие эффекты. Излучение получает резкое ускорение и направляется четко вперед, а не в сторону. Это синхротронное излучение, названное в честь прибора, в котором оно впервые появилось: в высокоэнергетическом старшем брате циклотрона.

Синхротронное излучение

Но нам не нужен синхротрон для его производства – достаточно лазера на свободных электронах.

Представьте себе канал, выложенный двумя рядами сильных магнитов. Северные и южные полюса находятся напротив друг друга и чередуются в каждом ряду. Эта конструкция, называемая ондулятором, является одним из приборов класса вигглеров.

Высокоскоростной луч свободных электронов, похожий на луч внутри трубки старомодного телевизора, но с акселерацией практически до скорости света, направляется вдоль ондуляторного канала. Сила тяни-толкай, которую испытывают электроны, когда бегут через этот магнитный строй, мотает их вправо и влево паровозиком (или, если посмотреть на картинку со стороны, они летают вверх и вниз, как на большой прямой американской горке). Когда их путь искривляется, они выделяют синхротронное излучение, а когда их траектория поворачивает особо резко, их излучение получается особенно сильным, посылая вперед яркие лучи фотонов с высокой энергией.

Ондулятор – аллигатор

Но эти фотоны не вибрируют синхронно, они выпускаются произвольно, когда электрон попадает на один из магнитных виражей. Но интересная вещь происходит, когда фотоны, выпущенные в дальнем конце линии, несутся вперед, как сухие листья, которые летят перед ураганом, обгоняя впереди идущие электроны. Фотоны стягивают и сталкивают электроны в группы, подталкивая впереди идущих и подтягивая отстающих. Что началось как постоянный поток частиц, быстро становится гроздьями электронов, находящимися на расстоянии одной волны фотона. Чем плотнее связки электронов, тем когерентнее будет луч, который направляется вперед и создает еще более тесное скопление электронов впереди, создавая бо́льшую когерентность луча и так далее в самый конец очереди.

Большинство уровней лазерной энергии связаны состояниями переходов их соответствующих атомов и электронов, которые строго предопределены природой. Но лазер на свободных электронах может быть настроен на широкий диапазон волн, меняя или размеры ондулятора, или скорость электронов.

К сожалению, они очень дорогие, и поэтому их всего несколько штук в мире. Скорее всего, Леонард не спал всю ночь не потому, что он занимался долговременным экспериментом, а потому, что долго стоял в очереди. Такова ваша жизнь, если вы (по словам Шелдона) «всего лишь специалист по дешевым лазерным указкам» .

Трубка с двумя с зеркальными концами – это самая распространенная конструкция видимого света, но она не единственная в своем роде. Калтеховский профессор в области прикладной физики Керри Вахала создает крошечные О-образные оптические приборы, которые могут добиться того же эффекта, направляя свет в путешествие на карусели. Каждый из его кольцевых микрорезонаторов (крошечных пончикообразных лазеров) состоит из кремнийорганического волокна тонщиной в паутинку, завернутого в колечко, едва ли достаточного для того, чтобы через него можно было протянуть человеческий волос. Свет, проникнувший в это кольцо из ближайшего оптоволокна, беспрепятственно мчится по кругу, набирая силу перед тем, как вырваться через другое прилежащее волокно. Добавление необходимых материалов к кремнию в процессе производства дает твердотельный генератор, который благодаря своим крошечным размерам поглощает только малую толику мощности обычного прибора.

Микрорезонаторы Вахалы настолько тонко изготовлены, что, когда свет совершает один оборот по кольцу, ускользает только одна миллионная процента мощности. Если бы колокольчик работал с такой же эффективностью, то он бы звенел целыми днями после одного только удара.

Лазерное светило Уильям Бриджес является первооткрывателем/изобретателем лазеров на ионах благородных газов, первым из которых был аргоновый лазер. Будучи ярым защитником женщин в науке, он повлиял на возобновление калтеховского Общества женщин-инженеров в 1980 году.

Бриджеса можно увидеть наслаждающимся обедом в кафетерии в шестом сезоне «Теории Большого взрыва» .

Вопрос: Не учитывая мимолетный интерес Пенни, женщины продолжают оставаться в стороне от высоких научных и инженерных постов. Что бы вы сказали молодой женщине, попадающей в эту сферу и спрашивающей, оглядываясь по сторонам: «Почему я не вижу таких, как я?»

Уильям Бриджес: Так было не всегда. В 1943-м моя внучатая тетя Мэри была «клепальщицей Рози», собирая бомбардировщики B-25, пока русские женщины выполняли военные миссии над Европой. Но десять лет спустя, когда я был студентом в Беркли, в моей группе на инженерном абсолютно не было женщин. Я не мог этого понять, ведь инженерное дело – это так интересно!

В начале 80-х, когда их число немного выросло, я попросил несколько молодых женщин-инженеров из отдела разработки ракетных систем «Хьюз Эйркрафт» выступить для Общества женщин-инженеров в Калтехе. Они описывали свои проекты по разработке ракетных систем с большим энтузиазмом, и это было восхитительно. Но я понял, что многие слушатели не могли отвлечься от мысли, что то, над чем работали эти женщины, может быть использовано для того, чтобы убивать. Я не осуждаю – это всего лишь замечание.

Так что нам нужно преодолеть еще несколько препятствий. Или мы просто даем девочкам не те игрушки.