РЕФЕРАТ
ЛАЗЕРНЫЙ СВЕТ
Попыткасоздать источник света, который обладал бы совершенно новыми свойствами. Толчокк этим разработкам был дан в 1958 году публикацией результатов Артура Шавлова иЧарлза Таунса. Еще раньше, в 1954 году, Таунс совместно со своими сотрудникамисконструировал прибор, генерировавший так называемые микроволны абсолютно новымспособом. Эти микроволны, так же как и радиоволны, являются электромагнитными.Такие волны не воспринимаются нашими органами чувств, однако это ничуть неумаляет реальности их существования. Представьте себя на берегу моря темной —хоть глаз выколи — ночью: самих волн вы не видите, однако вполне способны сделатьвывод об их наличии, если на волнах качается вверх-вниз лодка с фонарем.Примерно так же обстоит дело и с электромагнитными волнами. Доказательством ихсуществования можно считать, например, радио: после определенных преобразованийэлектромагнитные колебания становятся слышимыми для человека.
ЗадачаBell Telephone Laboratoriesзаключалась в том, чтобы изготовить источник световых волн, основанный напринципе Таунса. Принцип этот получил название «мазер». «Мазер» — как и многиедругие термины в современной науке — слово придуманное; можно даже сказать, чтоэто лингвистическая шутка. Оно составлено из начальных букв английских слов(смысл которых для большинства неподготовленных читателей до сих пор остаетсянесколько туманным): Microwave Amplification (by)Stimulated.Emission (of) Radiation.В переводе это означает «усиление микроволн в результате вынужденногоизлучения» — так понятнее, но ненамного. А вот слово «лазер» (light Amplification (by) Stimulated emission(of) Radiation) прижилось очень быстро,хотя вся разница заключается в замене «микроволн» на «свет».
Чтобыпо достоинству оценить прорыв, совершенный человечеством благодаря этомуоткрытию, следует сначала вкратце обсудить лампы и излучаемый ими свет. Этоткраткий экскурс не отвлечет нас от главной цели — напротив, в ходе рассужденийчитатель получит ясное представление об идеях, лежащих в основе синергетики.
Вкачестве примера обычной лампы возьмем так называемую газоразрядную трубку —стеклянную трубку, заполненную каким-либо инертным газом (например, неоном).Атом газа состоит из положительно зараженного ядра и нескольких отрицательнозаряженных электронов, кружащихся вокруг этого ядра подобно планетам вокругСолнца. Для простоты и краткости в дальнейшем мы будем рассматривать поведениетолько одного электрона, так называемого «светового» электрона (рис. 1).Датский физик Нильс Бор в 1913 году установил, что электрон может заниматьтолько строго определенную орбиту, все же прочие для него оказываются «подзапретом». Обоснование такого поведения было дано квантовой теорией, согласнокоторой электрон ведет себя не только как частица, но еще и как волна, котораяпри обращении вокруг ядра атома вынуждена ловить собственный «хвост»; в этом изаключена причина существования для каждого электрона только одной строгоопределенной орбиты. В нормальных условиях электрон движется по самой «глубокойколее» — в некотором смысле, по дну потенциальной ямы (рис. 2). Если пропуститьчерез трубку электрический ток, передающийся, как известно, множеством свободнодвижущихся электронов, то эти электроны будут сталкиваться с отдельными атомамигаза. При этом световой электрон атома может «перескочить» со своей орбиты надругую, более высокую (с более высоким энергетическим уровнем) (рис. 3), азатем спонтанно (т.е. совершенно самопроизвольно, в непредсказуемый моментвремени) вернуться на прежнюю орбиту. Освобожденную при этом энергию он отдаств виде светового излучения (рис. 4) и продолжит движение по низкой орбите (рис.5). Таким образом возникает световая волна — точно так же, если бросить в водукамень, возникает волна на поверхности воды.
/>
Рис.1. Схема строения атома на примере атома водорода: отрицательно заряженныйэлектрон движется по орбите вокруг положительно заряженного ядра
/>
Рис.2. Движение электрона (черный кружок) вокруг атомного ядра.
Приполучении энергии извне (например, при освещении) электрон, движущийся понижнему желобу, может покинуть его и подняться на более высокий энергетическийуровень
Естественно,такую судьбу разделяют множество световых электронов, находящихся вгазоразрядной трубке. Они производят световые волны; общая картина при этомсходна с той, что получалась бы на поверхности воды от беспорядочногозабрасывания ее камнями, т.е. совершенно хаотичное движение, состоящее изотдельных волновых цугов, напоминающих спагетти. При увеличении силы тока,пропускаемого через газ, в возбужденное состояние переходит все большееколичество атомов; можно ожидать, что плотность цугов также увеличится. Многиефизики именно так и полагали.
/>
Рис.3. Электрон движется по более высокой орбите; такое состояние атома называетсявозбужденным
/>
Рис.4. С верхнего желоба электрон переходит обратно на нижний, испуская при этомэнергию в виде световой волны
Влазере же происходит нечто совершенно иное. Вместо беспорядочной толкотни влазере возникнет абсолютно упорядоченный, практически бесконечный волновой цуг.Эксперименты, которые затем проводились в разных лабораториях по всему миру,целиком и полностью подтвердили этот прогноз. В этом, собственно, и заключаетсяразительное отличие света обычной лампы от излучения лазера. Пояснимпроисходящее при этом чудо, используя аналогию.
Вообразимсебе атомы в виде маленьких человечков, стоящих с шестами на берегунаполненного водой канала (рис. 6); вода при этом будет символизироватьсветовое поле. Находящаяся в состоянии покоя поверхность воды соответствуетслучаю, в котором световое поле отсутствует, т. е. темноте. Когда человечкипогружают свои шесты в воду, состояние покоя нарушается, и поверхность приходитв движение — появляются волны. Эта ситуация соответствует возникновению вокругатомов световых полей. Это движение совершенно неупорядочено — такое имеетместо в обычной лампе. Однако представим, что человечки действуют согласованно,как по команде, и опускают шесты в воду одновременно, отчего на поверхностиводы возникает равномерное движение. Будь наши атомы-человечки настоящимилюдьми, было бы понятно, каким образом достигается слаженность действий: рядомстоит какой-то босс или шеф и выкрикивает команду, точно регулирующую моментыспуска и подъема шестов. В то же время лазер является примером упорядоченногосостояния, реализуемого посредством самоорганизации: хаотичное движение здесьпереходит в упорядоченное; для синергетики лазер оказывается простонезаменимым, образцово-показательным примером, который можно использовать вкачестве аллегории для очень многих процессов вплоть до социальных.
/>
Рис.5. Электрон снова движется по прежнему, низкоэнергетическому, желобу
/>
/>
Рис.6. Принцип действия лампы и лазера
Человечкис шестами стоят на берегу канала, наполненного водой. На верхней картинке ониопускают свои шесты в воду независимо друг от друга. Бурное движение воднойповерхности соответствует световому полю обычной лампы. Изображенные на нижнейкартинке человечки погружают свои шесты в воду синхронно; возникающая при этомсинхронная волна соответствует свету лазера.
Напримере лазера мы можем без лишних усложнений разобраться в некоторых вопросах,и это — пусть всего на шаг — приблизит нас к пониманию процессов, протекающих вживой природе.
/>
Рис.7. Устройство типичной лазерной установки
Самоорганизацияв лазере
Рассмотримподробнее процессы, протекающие в лазере — это поможет нам раскрыть тайнусамоорганизации. Лазер отличается от обычной газоразрядной трубки тольконаличием зеркал (рис. 7). Зеркала нужны для того, чтобы свет, движущийся вдольоси трубки, как можно дольше оставался внутри трубки (рис. 8). При этом одно изустановленных зеркал частично проницаемо, благодаря чему некоторое количествосвета излучается наружу. Почему же желательно по возможности дольше удерживатьсвет внутри лазерной установки?
/>
Рис.8. Световые волны, оказавшись между зеркалами, могут вести себя по-разному: те,что движутся в направлении, точно совпадающем с осью трубки, отражаются отзеркал и остаются в лазере более продолжительное время, а все остальные быстропокидают пределы трубки
Притаких условиях начинается процесс, еще в начале двадцатого века предсказанныйЭйнштейном. Уже возникшие световые волны могут принудить возбужденные световыеэлектроны к синхронным колебаниям. С электронами происходит то же самое, что ис увлекшимся чечеточником, который усиливает ритм, задаваемый музыкантами, ипод конец, обессилев и целиком выложившись, буквально валится с ног. Электронусиливает световую волну, т.е. поднимает ее гребень, до тех пор, пока не отдастволне всю свою энергию и не вернется в начальное состояние — состояние покоя.
/>
Рис.9. «Волна волне рознь»: примеры волн с различными фазами, т. е. с разнымирасстояниями между гребнями
Посколькублагодаря зеркалам световые волны относительно долго остаются внутри лазера,они могут подчинять себе все больше и больше световых электронов, используя ихдля того, чтобы увеличить собственную амплитуду, т. е. высоту гребня волны. Нои волны с одинаковой амплитудой все же могут отличаться друг от друга:одинаковые по высоте гребни волн могут следовать на разном расстоянии друг отдруга (рис. 9). Таким образом, у «истоков» каждого лазерного излучения стоятодновременно совершенно разные волны, успевшие на данный момент сформироватьсяблагодаря усилиям нескольких особо «прытких» электронов. Волны вступают вконкурентную борьбу за усиление своего влияния на возбужденные электроны. Самиэлектроны тоже по-разному относятся к различным волнам, зачастую при передачеэнергии отдавая какой-то определенной волне некоторое предпочтение;предпочтением этим пользуются те волны, частота которых оказывается ближе всегок «внутреннему ритму» самого электрона. И хотя такие особые волны часто имеютлишь очень небольшое преимущество, степень их влияния лавинообразно растет, и вконце концов они одерживают верх над остальными. В результате такого тотальногоподавления вся энергия световых электронов оказывается собрана в единуюабсолютно равномерно колеблющуюся волну. И наоборот: стоит только какой-товолне добиться успеха, как она подчиняет себе каждый вновь возбуждаемыйэлектрон, навязывая ему свою собственную частоту колебаний. Возникающая такимобразом новая волна определяет своим поведением порядок в лазере — она играетроль параметра порядка; термин этот уже не раз нами упоминался.
Посколькупараметр порядка вынуждает отдельные электроны двигаться совершенно синхронно итем самым определяет их действия, мы снова можем сказать, что параметр порядка«порабощает», подчиняет себе отдельные элементы системы. Верно и обратное:параметр порядка (т. е. световая волна) есть результат синхронных колебанийотдельных электронов. Возникновение параметра порядка, с одной стороны, икогерентного поведения электронов — с другой, взаимно обуславливают друг друга;в таких случаях принято говорить о циклической причинности. Перед нами еще одинтипичный пример синергетического поведения. Для обеспечения синхронностиколебаний электронов должен существовать параметр порядка (в данном случае этуроль выполняет световая волна). Однако существование самой световой волнывозможно только благодаря синхронным колебаниям электронов. Словом, всевыглядит так, что мы должны бы задействовать некую высшую силу, единождысоздавшую некое изначальное состояние упорядоченности, которое затем сможетсамостоятельно поддерживать свое существование. Однако в действительности всепроисходит иначе. В самом начале имеет место конкурентная борьба и процессотбора, в результате которого все электроны становятся «рабами» какой-тоопределенной волны. При этом интересно отметить, что все волны, совершеннослучайно — спонтанно — порожденные электронами, должны быть рассортированы всоответствии с законами конкурентной борьбы, т. е. пройти через некий отбор. Переднами типичный для синергетики пример взаимоотношений между случайностью инеобходимостью: «случайность» здесь воплощена в спонтанном излучении, а«необходимость» — в неумолимом законе конкуренции и отбора.
Лазер:открытая система с фазовым переходом
Можноли любую лампу превратить в лазер, просто добавив к ней зеркала? Собственно,почти так оно и есть, однако следует подробнее рассмотреть один ключевоймомент. Световые волны, испускаемые возбужденными электронами в обычной лампе,разбегаются прочь с такой быстротой, что другие электроны практически не имеютвремени на то, чтобы поддержать колебания этих волн. Это значит, чтовынужденное излучение состояться не может, и отдельные волновые цугиоказываются не в состоянии хоть сколько-нибудь «продлить себе жизнь». Лампаиспускает самые различные волны таким образом, что они совершенно не зависятдруг от друга. Зеркала в лазере предназначены для того, чтобы воспрепятствоватьдвижущимся в осевом направлении волнам покинуть лазер — для того чтобы осталосьдостаточно времени для усиления волн посредством вынужденного излучения. Однаконе существует зеркал, совершенных настолько, чтобы удержать свет в лазеревечно; кроме того, имеются и другие причины, по которым свет «теряется»(например рассеяние). Разумеется, при любом применении лазера часть светазеркала должны выпускать: в конце концов, лазерный свет нужен нам для того,чтобы что-нибудь им облучать.
Такимобразом, задача генерации лазерного света становится задачей чистоколичественной. Необходимо возбуждать световые электроны атомов газа с такойскоростью, чтобы они оказались в состоянии усиливать световые волны достаточнобыстро и эффективно для того, чтобы компенсировать потери от несовершенствазеркал. Другими словами, мы должны постараться устроить все так, что потериэнергии волн покрывались бы энергией, получаемой в результате вынужденногоизлучения. Итак, переход от света обычной лампы к лазерному свету происходитскачкообразно при повышении силы электрического тока, пропускаемого нами черезгазоразрядную трубку. Существует некое критическое значение силы тока, прикотором состояние лазера радикально изменяется — даже в том случае, если ееизменение ничтожно мало. Работу лазера мы можем поддерживать единственнымспособом: постоянно снабжая его энергией (например в виде электрического тока).Одновременно лазер будет постоянно излучать энергию в виде лазерного света (небудем забывать и о тех неизбежных потерях энергии, которые уже упоминались).Лазер, таким образом, постоянно обменивается энергией с окружающим миром, азначит, является открытой системой.В то же время лазер является системой, чрезвычайно далекой от тепловогоравновесия — точно так же, как двигатель внутреннего сгорания.
Скачкообразноевозникновение макроскопического состояния упорядоченности очень напоминаетповедение ферромагнетика или сверхпроводника, при котором также возникаютсостояния с совершенно новыми физическими свойствами. Правда, эти системынаходятся в состоянии теплового равновесия с окружающей средой, что и отличаетих от нашего случая.
Именнопоэтому многие физики были поражены, когда мы в Штутгарте, одновременно сгруппой наших американских коллег, смогли установить, что фазовый переход влазере демонстрирует все свойства, характерные для обычных фазовых переходов, втом числе критические флуктуации и нарушение симметрии. Таким образом, лазерстал как бы мостом между неживой и живой природой. Состояние упорядоченности влазере поддерживается за счет процессов самоорганизации, протекающих благодаряпритоку дополнительной энергии извне. Лазер — как и все биологические системы —система открытая.
Интересныймостик к физиологическим процессам выстраивается, прежде всего, в ходеисследований химических лазеров, где происходит своего рода обмен веществ.Химический лазер нуждается в водороде и фторе; эти вещества очень активновступают в реакцию друг с другом. В результате между атомами водорода и фторавозникает новое «партнерство», причем химическая реакция протекает настолькобурно, что вызывает возбуждение световых электронов, а они, в свою очередь,генерируют лазерный свет уже знакомым нам способом.
Вданном случае энергия создается в ходе химических реакций. Химическая энергия,высвобождаемая в виде тепла, преобразуется при этом в конечном счете в строгоупорядоченную энергию синхронного движения волн лазерного света. Перед намисвоего рода обмен веществ, при котором низкоуровневая энергия горенияпреобразуется в высокоуровневую энергию лазерного света. Нечто похожеепроисходит в двигателе, цилиндр которого наполнен газовой смесью. Тепловаяэнергия, распределенная по многим степеням свободы, преобразуется здесь вкинетическую энергию поршня, которая, собственно, и заставляет автомобильдвигаться. В дальнейшем мы еще не раз столкнемся с тем, что подобнаятрансформация микроскопических энергий в макроскопическую энергию с меньшимчислом степеней свободы оказывается одним из основных принципов протеканиябиологических процессов.
Лазерможно заставить работать не только повышая силу тока и увеличивая тем самымчастоту возбуждений отдельных электронов. Следует обратить внимание и на другойпроцесс, при котором мощность накачки остается прежней, но число атомов влазере постоянно увеличивается. Исследования показывают, что до тех пор, покаколичество атомов в лазере не достигает определенного значения, он действует врежиме обычной лампы, но как только число атомов увеличится до критического,возникает лазерный свет. В сущности, перед нами переход количества в качество.
/>
Рис.10. Между двумя зеркалами распространяются только совершенно определенные волны
Приведенныепримеры показывают, что процессы самоорганизации могут быть запущены различнымиспособами. В дальнейшем, обратившись к биологии, мы займемся этой темойподробнее.
Сдругой стороны, мостик к биологии можно перебросить и на основе уже имеющихсяпримеров. Благодаря использованию зеркал в лазере мы создаем для атомов игенерируемых ими световых волн специфическую «окружающую среду». Физикамизвестно, что между двумя параллельными зеркалами могут существовать толькосовершенно определенные световые волны (рис. 10). Это означает, что изначальноясно, какие именно волны могут рассматриваться в качестве лазерных. Вполнеможет случиться так, что волны, «пользующиеся успехом» у световых электронов,окажутся неспособны распространяться между зеркалами. Однако это не приведет котказу электронов от участия в генерации лазерного света; электроны простовыберут волну с такими характеристиками, которые окажутся ближе всего к «полюбившимся»им ранее волнам (правда, это срабатывает лишь до определенных пределов). Примедленном изменении расстояния между зеркалами изменится, соответственно, ипроцесс испускания электронами лазерного света — электроны приспособятся кновой окружающей среде. Здесь может произойти нечто, достойное весьмапристального рассмотрения. Возможно, что новая волна между зеркалами окажетсябольше похожа на «предпочитаемую» электронами волну, чем на ту, которойэлектроны подчинялись и которую поддерживали до сего момента. В этом случаесначала отдельные электроны спонтанно, в виде флуктуации, отдадут новой волнесвою энергию, а вскоре и все остальные электроны поддержат именно эту волну,полностью отказав в поддержке прежней: адаптация к новому «зеркальному окружению»прекратится посредством флуктуации.
Влазере, как и в жидкости, состояние макроскопической упорядоченности может бытьдостигнуто увеличением количества поступающей энергии. В случае с жидкостью мыповышаем температуру, получая в результате все более и более сложныеструктурные образования вплоть до возникновения турбулентности; то же и слазером: при дальнейшем повышении мощности накачки лазер внезапно начинаетиспускать регулярные невообразимо короткие и интенсивные световые вспышки.Выходная мощность каждой вспышки при этом может быть сопоставима с мощностьювсех вместе взятых электростанций США. Длительность же такой вспышки составляетвсего триллионную долю секунды. Описанные световые вспышки, называемые такжеультракороткими лазерными импульсами, возникают в результате кооперациимножества различных волн. Конкуренция между ними прекращается, вытесненнаяобщим мощным усилием. Кроме того, наша теория предсказывает, что лазерыспособны генерировать еще один новый тип света — турбулентный свет, что открываетобширную новую область исследования для экспериментальной физики.