Лазер, лёд и пламень
Учёные применяют лазер, чтобы вызвать экстремальные состояния вещества. Куда это заведёт науку, выяснял Иван Охапкин
Точнейшие атомные часы, которые ошибаются на 1 секунду в миллиард лет. Мини-ускоритель в лаборатории. Замедление атомов до сверхнизких температур и разгон электронов до скоростей, близких к скорости света. Все это - «в руках» современных лазеров.
Рекорды - это всегда притягательно. Спортивные, технические и даже природные. Экстрим волнует и затягивает, будто говорит: «Посмотри - есть вещи, отличные от среднего, такое не для повседневности». Наука и техника плюс экономическая конкуренция - это настоящее Поле чудес для рекордов. Любой новый предмет обязан удивлять и демонстрировать уникальность, если его создатели хотят привлечь к нему интерес. Перечислять - отсохнет язык: батарейки с самым длительным ресурсом, Большой адронный коллайдер с самыми высокими энергиями частиц, шины с неповторимой износостойкостью… Впрочем, экономика и конкуренция не самый важный фактор - если брать чистую науку, то и здесь можно увидеть, что без экстремальных условий и здесь прогресс трудоемок. Создание таких условий во многих, если не во всех случаях - это необходимый (хотя и не достаточный) компонент развития. Не уйдем в область очень низких температур - останемся (пока еще) без сверхпроводимости, не нагреем газ до миллионов градусов - прощай, термоядерный синтез (другие способы - экзотика), не изобретем лазеров - микронная точность (и не только она) будет пределом мечтаний. Спросите, почему лазер - экстрим? Когерентный источник излучения на фоне любого другого - это гигантская флуктуация, несомненное отклонение от нормы.
Будучи экстримом, лазер сам порождает рекорды. Многие из них пока неизвестно, к чему нас приведут, но, что скучно не будет, - это точно. Пока же можно сказать, что с помощью лазеров достигаются и самые простые для воображения экстрим-рекорды: сверхнизкие скорости движения атомов (читай - температуры) и очень высокие - электронов.
Проблемы: первая и вторая
Как же «заморозить» атомы лазером? В первую очередь, их, конечно же, надо держать в виде газа. При обычных температурах каждый атом газа находится в беспорядочном (тепловом) движении, а его скорость составляет сотни метров в секунду. И двигаться он может в каком угодно направлении. Соответственно, он уменьшит свою скорость, если ему «в лоб» что-нибудь направить. И этим «в лоб», как можно догадаться, будет фотон лазерного луча. Поглощая фотон, атом теряет скорость и тормозится. Однако здесь появляется несколько проблем. Первая: поглотив фотон, атом потом его обязательно излучит, причем изотропно, то есть во всех направлениях. В итоге торможение произойдет вдоль лазерного пучка, а в других, перпендикулярных ему, направлениях атом, наоборот, ускорится. Поэтому вместо одного лазерного пучка строят целую трехмерную систему: куда бы частица ни полетела, ее везде настигнет вездесущий луч. В результате на атом действует сила, похожая на вязкое трение, поэтому такую трехмерную конфигурацию называют «оптическая патока». Вторая проблема - если фотон лазера летит не «в лоб» атому, а вслед. Тогда, в теории, атом должен ускориться? Все бы так и было, если бы не эффект Доплера. Многим знаком этот эффект, который заключается в том, что если свет нагоняет движущийся объект, то для наблюдателя его частота меньше, чем для объекта, и, наоборот, больше, если они движутся друг на друга (причем разница в частотах зависит от скорости движения объекта). Поэтому требуется подобрать лазер так, чтобы его частота была чуть меньше той частоты, при которой атом поглощает (назовем ее «нужной»). Если фотон и атом летят навстречу друг другу, то частота лазера «увеличится» до «нужной», атом эффективно поглотит свет и замедлится. А если они летят в одном направлении, частота станет еще меньше «нужной», а значит, эффективность поглощения и ускорения будет невысока. В итоге доминировать будет торможение, заморозка.
Далее о применении лазера читайте здесь