Алексей Шилейко - Информация или интуиция?

Нобелевская премия по физике за 1964 год была присуждена советским ученым Н. Басову и А. Прохорову совместно с американским физиком Ч. Таунсом за открытие физических явлений, положенных в основу, создания технических устройств — лазеров. Авторы популярных статей и книг очень любят, говоря о лазерах, вспоминать роман А. Толстого «Гиперболоид инженера Гарина». В то же время между принципом действия лазера и гиперболоида инженера Гарина существует весьма отдаленная аналогия, касающаяся лишь конечного результата их работы. И с помощью лазера и с помощью гиперболоида можно получить световой луч с чрезвычайно малым, практически нулевым углом рас хождения. Но вот способы получения такого луча существенно различны.В гиперболоиде параллельный луч получался за счет отражения от поверхности специальной формы. Читатель, внимательно разобравшийся в четвертой главе книги А. Толстого, легко поймет, что построить подобный прибор принципиально невозможно. Атомы любого вещества находятся в непрерывном движении. Они колеблются относительно своих положений равновесия. Поэтому принципиально не может быть двух фотонов, отражающихся от сколь угодно гладкой поверхности под в точности одинаковыми углами. Все это говорится отнюдь не затем, чтобы преуменьшить заслугу А. Толстого, который проявил гениальное предвидение (опять предвидение!) и намного опередил свое время. Просто важно оттенить принцип действия лазера.Так как же действует лазер? Мы уже говорили, что атом, находящийся в возбужденном состоянии, рано или поздно возвращается в основное состояние и испускает при этом квант электромагнитного излучения. Переход в основное состояние может совершиться и сам по себе. Но известно также явление вынужденного излучения. Если поблизости от возбужденного атома пролетает фотон, характеризуемый данной энергией и, следовательно, данной частотой, и при этом разность энергий между возбужденным и основным состояниями атомов в точности равна энергии фотона, происходит то, что называется вынужденным излучением. Атом излучает фотон, имеющий в точности то же самое направление движения, ту же частоту и ту же фазу, что и пролетающий мимо него, то есть исходный фотон, вызвавший вынужденное излучение. Два фотона, исходный и испущенный, представляют собой две когерентных волны. Амплитуды этих волн складываются.Два образовавшихся таким образом фотона вызывают переход еще двух возбужденных атомов — фотонов становится четыре. После перехода еще четырех возбужденных атомов фотонов становится восемь, и так далее. Чем большее расстояние проходят фотоны в веществе, содержащем возбужденные атомы, тем больше эффективность результирующего светового луча.Таким образом, лазер представляет собой не что иное, как некоторое количество вещества (твердого или газообразного), содержащего большое количество возбужденных атомов. В отличие от широко распространенного мнения основная функция лазера — это функция усиления (а не создания, то есть генерирования) световых колебаний. Само слово «лазер» состоит из начальных букв английских слов «усиление света за счет вынужденного излучения». Поступает один фотон, а вылетает много.Чтобы удлинить путь, который проходит свет в веществе лазера, вещество (его обычно называют активным) помещают между двумя строго параллельными зеркалами. Свет испытывает многократное отражение и только после этого через небольшое отверстие в одном из зеркал выходит наружу. И, повторим здесь еще раз, фотоны излучаются в том же направлении, что и первоначальный. Поэтому сам собой получается идеально параллельный световой луч.Все это общеизвестно и описывалось сотни раз, в том числе и в популярных изданиях. Но мы даем здесь столь подробное описание, чтобы читатель мог самостоятельно подметить аналогию с тем, что говорилось в главе 4 (страница 126). Из всего только что сказанного следует, что лазер вырабатывает когерентное излучение, а когерентность, как мы это обнаружили в свое время, есть основное условие информативности.Если первоначальный фотон не поступает извне, рано или поздно один из атомов самопроизвольно переходит из возбужденного состояния в основное с излучением фотона. Правда, годится не всякий фотон, а лишь такой, направление движения которого строго перпендикулярно поверхности зеркал. Но и такой фотон рано или поздно будет получен, причем, если учесть астрономически большое число атомов даже в малых количествах вещества, долго ждать этого события не приходится. Поэтому, кроме функции усиления, лазер может выполнять также функцию создания, генерирования световых колебаний.Но на этом не исчерпываются функции лазера. Вспомним, что все фотоны, как первоначальный, так и полученные в результате вынужденного излучения, по определению, имеют строго одинаковую частоту. Поэтому лазер представляет собой источник строго одноцветного (монохроматического) света. Этим обусловливается ряд его применений, в частности применение в голографии, позволяющее создавать истинно объемное изображение предмета.И это еще не все. Если прекратить действие источника, вызывающего возбуждение атома (такое первоначальное возбуждение называют накачкой), то при многократных прохождениях светового луча все атомы очень быстро перейдут в основное состояние и излучение прекратится. Таким образом, лазер может работать в режиме импульсного излучателя. Причем здесь происходит то же самое, что и в случае радиолокатора. Можно в течение относительно долгого времени производить накачку от источника малой мощности. Когда энергии накопится достаточно (большое число атомов перейдет в возбужденное состояние), она быстро израсходуется на образование мощного светового импульса.Различные возможности применения лазеров неисчислимы. От инструмента, позволяющего хирургу совершать тончайшие операции на роговице глаза и на нервных волокнах, и кончая одним из самых грозных среди различных видов современного оружия. Нас же интересует следующее. Лазеры, а также родственные им технические устройства — мазеры, представляют собой в чистом виде информационные приборы. Каждый возбужденный атом узнает о направлении, частоте и фазе пролетающего мимо фотона и излучает фотон с точно таким же направлением, частотой и фазой. Энергия, вырабатываемая лазером, обладает самым высоким качеством среди всех известных на сегодня видов энергии.