Теория Большого взрыва: гид по сериалу по версии Kuraj-Bambey - Диппер Екатерина (книги бесплатно без регистрации txt) 📗

Шелдону больше нравятся суперструны, а Ли Смолину, популярные статьи которого всем интересующимся навязчиво рекомендуется прочитать, — дискретное, разбитое на мельчайшие составные части пространство.

Работы Леонарда отличаются большим разнообразием, чем математическое конструирование многомерных пространств у Шелдона. Или, быть может, он просто склонен больше разбрасываться. В любом случае, тут мы видим и работы с Бозе-Эйнштейновским конденсатом, и подтверждение эффекта Ааронова-Бома, и изучение мягкой составляющей космического излучения на уровне моря, и даже неудачную (бедный лифт!) попытку создания нового вида ракетного топлива. Но главное — это безуспешные попытки опровержения существующих взглядов на мир, в частности — отрицание наличия темной материи и работы с его любимыми лазерами.

Кстати, о последних: лазеры настолько прочно вошли в нашу жизнь, что многими воспринимаются, как совершенно обыденный предмет, впрочем, не лишенный доли магического очарования. Что-то среднее между мощным фонариком и световым мечом из «Звездных войн». Между тем, даже простейшая копеечная лазерная указка просто сбила бы с ног создателя классической электродинамики Джеймса Клерка Максвелла, не говоря уже о создателе волновой оптики Кристиане Гюйгенсе. Дело в том, что в рамках классических представлений о природе света, такой предмет, как лазер, просто не может существовать! Представьте себе этих вне всякого сомнения выдающихся ученых, живших на планете, когда им показывают светящийся карандаш со словами: «А вот тут у нас находится источник когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения». А пока Кристиан и Джеймс Клерк приходят в себя, попытаемся осознать смысл сказанных слов и понять, что их так потрясло, одновременно принеся двум нашим соотечественникам Нобелевскую премию по физике в 1964 году.

Итак, поставим себя на место Гюйгенса, уверенного, что свет распространяется волнами, и разберем каждый из сказанных терминов по отдельности:

• когерентность означает, что все волны в этом пучке имеют одинаковую фазу, то есть не набегают и не отстают друг от друга;

• монохроматичность ведет к тому, что волны оказываются точно одного цвета, без малейших отклонений;

• в отличие от волн в море, световые волны могут колебаться в разных пространственных направлениях, а поляризация как раз и говорит о том, что какое-то из этих направлений свет почему-то «считает» предпочтительным;

• узконаправленность является больше делом техники, тем не менее у лазера есть впечатляющее (по крайней мере для Гюйгенса) свойство самофокусироваться.

Что же получается? Мы имеем световой океан, заполненный четко следующими друг за другом абсолютно одинаковыми волнами. Сами понимаете, что даже человек с полным отсутствием физического воображения, каким считает Леонарда Шелдон, способен придумать тысячу применений такому прибору, из которых кипячение жестянки с супом будет далеко не самым интересным.

Но все же мы еще не ответили на вопрос, что находится внутри у этой штуковины. Для ответа вспомним предыдущий параграф, а именно ту его часть, где говорится, что все сущее обязано иметь свою самую малую часть. Такой малой частью для света является фотон, причем процессы излучения и поглощения этих фотонов квантовыми объектами носят сильно отличающийся от классического характер. Главным тут является то, что любой объект, будь то молекула или атом, не может ни излучить, ни запросто поглотить фотон произвольной энергии [34]. Испускаемая энергия обязана иметь одно из строго определенных значений. А в случае поглощения атом склонен «выбирать», какой фотон он согласен «принять», и он однозначно любит те фотоны, энергия которых близка к той, которую он сам излучает.

Поначалу это может показаться неудобным, но именно тут и находится ключ к тому, чтобы создать источник излучения с вышеописанными свойствами. Надо просто подойти к этому явлению с другого конца и спросить: «А что будет, если в веществе уже есть какое-то количество возбужденных, готовых излучиться фотонов?» Оказывается, что такие фотоны испускаются с той же легкостью, с которой на голову великих ученых падают созревшие яблоки, особенно в том случае, если мимо пролетает их собрат с таким же количеством энергии. Самое приятное следствие этого заключается в том, что «сорванный с ветки» фотон оказывается полностью идентичным пролетевшему. Это явление, получившее название индуцированного излучения,и лежит в основе действия лазера.

К сожалению, как это часто бывает, от понимания принципа до создания работающего лазера прошло больше пятидесяти лет, что, впрочем, еще не самый впечатляющий разрыв между идеей и ее воплощением в физике. Дело в том, что для создания лазера были нужны две вещи: первое — переполненная возбужденными фотонами, или, другими словами, накачанная среда, и второе — резонатор, который не дал бы фотонам выскочить из накачанного объема раньше, чем они сами в свою очередь заставят кого-то из своих соседей тоже излучить. Для накачки рабочего тела было предложено много различных методов, но наиболее простым оказался метод оптической накачки (автор которого, кстати, тоже не остался без Нобелевской премии). В этом случае объем, в котором находятся атомы, облучается источником света, длина волны которого близка к расстоянию между уровнями вещества будущего лазера. Как мы помним, такие фотоны атомам симпатичны, и они поглощают их, накачивая вещество, как рота солдат, проходя по мосту в ногу, раскачивает мост.

Если говорить начистоту, таким методом не удается получить сколь-нибудь существенного количества атомов в неравновесном состоянии, так как возбужденная таким методом среда немедленно излучает. Но если между основным и нагретым нами уровнем имеется еще один, сравнительно долго живущий, то атомы, скатываясь на него, оказываются в ловушке. Сверху напирают их высоковозбужденные соседи, а падать вниз на основное состояние им еще рановато. Именно эта схема, получившая название трехуровневой накачки, и была реализована в первом рубиновом лазере.

Что же касается резонатора, упрощенно его можно представить как два параллельных зеркала, между которыми и ходит наша постепенно разгоняющаяся волна. Очень важным требованием оказывается строго определенное расстояние между зеркалами — тогда даже при многократном отражении каждой точки волна будет проходить с одной и той же фазой, а ее минимумы и максимумы будут совпадать.

По поводу применения лазеров любой может рассказать достаточно много, просто оглянувшись вокруг. Мы же остановимся на продолжении идеи Леонарда с консервной банкой. Действительно, лазеры позволяют концентрировать достаточно мощные пучки излучения в рекордно малом объеме, поэтому можно поразмыслить над тем, что нам нужно так сильно нагревать. Один из возможных примеров — термоядерный синтез, в случае удачного осуществления которого человечество получит безопасный и практически неисчерпаемый источник энергии. И, опять же, положа руку на сердце, ученые уже несколько раз получали результат, пока, правда, только в виде бомбы. А вот с получением управляемой термоядерной реакции не ладится уже очень долго. С одной из главных трудностей на пути к ее осуществлению, а именно созданию в малом объеме сверхвысокой температуры, — и могут помочь справиться лазеры, только вместо упаковки супа нагревать придется газообразный гелий, и не до 100 градусов, а до температуры немногим меньше температуры Солнца. Сразу видно, что эта задачка будет существенно посложнее.

Что же касается темной материи, то это вещь совсем из другой области (кажется, Леонард и правда хватается то за одно, то за другое). Заниматься этим стоит скорее Раджу, как астрофизику, а не тратить время на поиски следов суперструнной теории в гамма-вспышках. Впрочем, это тема следующего параграфа.