Марк Перельман - Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы

• Название: Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы
• Автор: Марк Перельман
• Издательство: Книжный дом «ЛИБРОКОМ»
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2012
• ISBN: 978-5-397-02592-8

Все мы знакомы с открытиями, ставшими заметными вехами на пути понимания человеком законов окружающего мира: начиная с догадки Архимеда о величине силы, действующей на погруженное в жидкость тело, и заканчивая новейшими теориями скрытых размерностей пространства-времени.

Но как были сделаны эти открытия? Почему именно в свое время? Почему именно теми, кого мы сейчас считаем первооткрывателями? И что делать тому, кто хочет не только понять, как устроено все вокруг, но и узнать, каким путем человечество пришло к современной картине мира? Книга, которую вы держите в руках, поможет прикоснуться к тайне гениальных прозрений.

Рассказы «Наблюдения и озарения, или Как физики выявляют законы природы» написаны человеком неравнодушным, любящим и знающим физику, искренне восхищающимся ее красотой. Поэтому книга не просто захватывает — она позволяет почувствовать себя посвященными в великую тайну. Вместе с автором вы будете восхищаться красотой мироздания и удивляться неожиданным озарениям, которые помогли эту красоту раскрыть.

Первая часть книги, «От Аристотеля до Николы Теслы», расскажет о пути развития науки, начиная с утверждения Аристотеля «Природа не терпит пустоты» и эпициклов Птолемея, и до гелиоцентрической системы Коперника и Галилея и великих уравнений Максвелла. Читатель проделает этот огромный путь рука об руку с гениями, жившими задолго до нас.

«От кванта до темной материи» — вторая часть книги. Она рассказывает о вещах, которые мы не можем увидеть, не можем понять с точки зрения обыденной, бытовой ЛОГИКИ' о принципе относительности, замедлении времени, квантовании энергии, принципе неопределенности, черных дырах и темной материи. История загадочной, сложной и увлекательной современной физики раскроется перед читателем.

Итак, вперед — совершать открытия вместе с гениями!

---

В 1958 г. Таунс и его шурин, муж младшей сестры, Артур Л. Шавлов (р. 1921, Нобелевская премия 1981 г.) сформулировали условия построения мазера, излучающего в инфракрасной, видимой и даже ультрафиолетовой областях спектра.

А в 1960 г. Теодор Г. Мейман (р. 1927) запустил первый твердотельный лазер (от английского выражения light amplification by stimulated emission оf radiation — световое усиление с помощью стимулированного излучения), излучавший красный свет, со стержнем из искусственного рубина с зеркальными концами. Рубин химически представляет собой прозрачный окисел алюминия (Al2O3), матрицу с примесями в виде атомов хрома, которые и создают его окраску, а в лазерах являются «работающими» трехуровневыми системами.

В дальнейшем были предложены и осуществлены различные схемы построения лазеров. Одной из самых популярных стало стекло с атомами неодима, работающее по четырехуровневой схеме — рабочим переходом является переход между третьим и вторым уровнями, что обеспечивает возможность получения больших мощностей[48] и т. д. Дальнейшее развитие лазеров носило лавинообразный характер, приведя к образованию новой области — квантовой электроники. Накачка лазеров может производиться током, светом, излучением других типов лазеров, а также в ходе химических реакций. Ныне лазеры — газовые, жидкостные, полупроводниковые, твердотельные — используются в связи, машиностроении, медицине, инструментальных и измерительных приборах, в искусстве и в военных областях.

Особую роль, включая сейчас уже даже домашнюю электронику, играют миниатюрные лазеры на так называемых гетеропереходах, созданные группой Жореса Ивановича Алферова (р. 1930). Он разделил Нобелевскую премию 2000 г. с Хербертом Кроемером за «работы по получению полупроводниковых структур, которые могут быть использованы для сверхбыстрых компьютеров», и с Джеком Килби за работы в области интегральных схем.

Нередко в ходе исследовании приходится придумывать какие-то необычные приспособления их подручных материалов. Так, поскольку измерить интенсивность излучения лазера было в начале работ не очень просто, в лабораториях стали использовать такую «единицу»: число лезвий безопасных бритв (выбирали стандартные), прожигаемых одиночным импульсом. И вот в серьезных докладах зазвучали слова типа: «Использовали лазер в три бритвы…»

Развитие физики лазеров привело к выделению такой области исследований как лазерная химия, возможно лазерное разделение изотопов, исследуются возможности лазерного индуцирования термоядерных реакций (А. Д. Сахаров, 1962) и т. д. Рассматриваются возможности объяснения ряда наблюдаемых небесных явлений с учетом мазерных эффектов в их излучениях.

Уже очень давно высказывались предположения, что, в принципе, можно было бы осуществить эффект индуцированного излучения не на атомных, а на ядерных уровнях — это позволило бы строить лазеры в рентгеновском и даже гамма-диапазонах (их заранее назвали разерами и газерами), однако до сих пор реальных результатов в этом направлении получено не было.

Важнейшими особенностями лазерного излучения являются его высокая монохроматичность, т. е. строгая одинаковость частоты всего излучения, когерентность, т. е. равенство фаз по всему излученному импульсу (напомним, что только когерентные волны могут интерферировать), краткость импульсов и их мощность, острая направленность луча, выходящего из резонатора. Так, еще 9 мая 1962 г. луч лазера, направленный на Луну, создал на ее поверхности освещенное пятно диаметром около 6,4 км, видное с Земли. Современные лазеры могли бы послать «зайчик» меньшего размера, но гораздо большей яркости.

В 1985 г. Чу и его коллеги создали такое пересечение лазерных лучей (его назвали «оптической патокой»), в котором скорость атомов газа уменьшалась в несколько тысяч раз, а это соответствует уменьшению температуры в сотни раз. Разработанная ими же атомная ловушка, использующая лазеры и магнитные катушки, могла фиксировать охлажденные атомы и давала возможность их исследования. Между 1988 и 1995 гг. Коэн-Тануджи и его коллеги добились охлаждения атомов до температуры в 1 микрокельвин, что соответствует скорости их колебаний всего в 2 см/с. Среди других прикладных программ методы, которые они разработали, позволяют создать атомные часы чрезвычайно высокой степени точности, порядка одной секунды за три миллиарда лет.

Стоит упомянуть еще одно направление лазерных исследований.

Представляется естественным, попытаться использовать лазеры для ускорения частиц, например электронов. И такие попытки, конечно, делались и продолжают делаться. Но вот совсем не тривиальной представляется постановка обратной задачи: использовать лазерное излучение для охлаждения вещества — так послать лучи, чтобы они тормозили тепловое движение атомов.

Эту задачу поставили и решили Стивен Чу и Уильям Дэниел Филлипс (оба род. 1948) в США и Клод Нессим Коэн-Тануджи (р. 1933) во Франции, удостоенные Нобелевской премии 1997.

3, Нелинейная оптика

В 1962 г. Н. Бломберген опубликовал, вместе с коллегами, общую теорию нелинейной оптики, которую впоследствии он и многие другие исследователи существенно расширили (работы по нелинейным эффектам в оптике, которые вели до того — например, С. И. Вавилов — упирались в малую мощность существовавших источников излучения).

Бломберген показал, что в лазере или в среде, через которую проходит его излучение, могут появиться гармоники, кратные основной частоте и подобные обертонам в звуке, в результате чего можно получить излучение более высоких частот. Описав предполагаемое взаимодействие трех лазерных пучков, в результате которого образуется четвертый пучок, частотой которого можно управлять с высокой точностью, Бломберген заложил теоретические основы для создания лазера с перестраиваемой частотой. А это позволило Шавлову развивать лазерную спектроскопию, получить новые, весьма подробные сведения о строении атомов и молекул: отмечая, какие именно частоты предпочтительно поглощаются или испускаются, спектроскопист может определить характеристические энергетические уровни, т. е. строение исследуемого материала. Точное знание частоты пучка, что обеспечивается монохроматической (одночастотной) природой лазерного света, а также возможность точно настраивать частоту на различные энергетические уровни позволяют проводить более глубокий анализ веществ.

Нелинейные оптические процессы можно попытаться разделить на две группы: первая — это те, которые определяются взаимодействием света со многими атомами и через это — самих атомов друг с другом, а вторая группа определяется взаимодействием многих фотонов с одним атомом, когда влиянием соседей можно пренебречь, эту группу явлений называют многофотонными процессами.

Один из самых красивых эффектов первого типа — это явление самофокусировки (Г.А. Аскарян, 1967): сходящийся пучок света в веществе так увеличивает показатель преломления на своем пути, что в среде возникает «световод» — луч далее не расходится, а распространяется в виде трубки или пучка нитей.

Среди многофотонных процессов особенно примечательны два: образование высших гармоник и многофотонная ионизация. Дело в том, что как уже отмечалось, прямым путем не удается построить лазер, генерирующий достаточно мощное излучение в ультрафиолете, не говоря уж о более высокочастотных частях спектра. Поэтому основные надежды возлагаются на получение гармоник достаточно высокого порядка — к настоящему времени получены уже более чем сотые гармоники, но с малыми КПД. В этой области остается еще очень много неясного, и поэтому она интенсивно исследуется.

Глава 4 Приборы для физики ядра и частиц

1. Для чего они нужны?

Аппаратура, используемая исследованиях ядра и частиц, состоит из детекторов частиц (приборов для их регистрации) и устройств для их создания и ускорения. Но помимо того, разработка таких приборов ведет к созданию энергетических установок (ядерных реакторов), а в будущем, возможно, к термоядерным реакторам и, не исключено, — к новым типам двигателей, новому оружию и т. д.

Простейшим способом регистрации является, конечно, метод фотоэмульсий. Он был в значительной степени инициирован С.Ф. Пауэллом, настаивавшим на разработке более чувствительных фотоматериалов — именно такие фотопластинки позволили ему открыть пионы в космических лучах, прорыв здесь был технологическим, и потому мы его не рассматриваем. Однако метод фотоэмульсий является безальтернативным: на пленке фиксируется все, что через нее проходит, и хотя вам, быть может, интересен всего один случай из многих-многих миллионов, его следы могут затеряться на фоне бесполезных треков.

Еще раньше были придуманы счетчики Гейгера, а затем камера Вильсона. Позже были созданы и другие камеры, которые мы постараемся чуть подробнее рассмотреть.