РЕФЕРАТ
ЛАЗЕРНИЙ СВІТЛО
Спроба створити джерело світла, який володів би абсолютно новими властивостями. Поштовх до цих розробок було дано в 1958 році публікацією результатів Артура Шавлова і Чарлза Таунса. Ще раніше, в 1954 році, Таунс спільно зі своїми співробітниками сконструював прилад, генеруватися так звані мікрохвилі абсолютно новим способом. Ці мікрохвилі, так само як і радіохвилі, є електромагнітними. Такі хвилі не сприймаються нашими органами чуття, проте це анітрохи не применшує реальності їх існування. Уявіть себе на березі моря темної - хоч око виколи - вночі: самих хвиль ви не бачите, проте цілком здатні зробити висновок про їх наявність, якщо на хвилях гойдається вгору-вниз човен з ліхтарем. Приблизно так само йде справа і з електромагнітними хвилями. Доказом їх існування можна вважати, наприклад, радіо: після певних перетворень електромагнітні коливання стають чутними для людини.
Завдання Bell Telephone Laboratories полягала в тому, щоб виготовити джерело світлових хвиль, заснований на принципі Таунса. Принцип цей отримав назву «мазер». «Мазер» - як і багато інші терміни в сучасній науці - слово придумане; можна навіть сказати, що це лінгвістична жарт. Воно складене з початкових літер англійських слів (сенс яких для більшості непідготовлених читачів до цих пір залишається кілька туманним): Microwave Amplification (by) Stimulated. Emission (of) Radiation. У перекладі це означає «посилення мікрохвиль в результаті вимушеного випромінювання» - так зрозуміліше, але ненабагато. А от слово «лазер» (light Amplification (by) Stimulated emission (of) Radiation) прижилося дуже швидко, хоча вся різниця полягає в заміні «мікрохвиль» на «світло».
Щоб гідно оцінити прорив, здійснений людством завдяки цьому відкриттю, слід спочатку коротко обговорити лампи і випромінюється ними світло. Цей короткий екскурс не відверне нас від головної мети - навпаки, в ході міркувань читач отримає чітке уявлення про ідеї, що лежать в основі синергетики.
Як приклад звичайної лампи візьмемо так звану газорозрядну трубку - скляну трубку, заповнену яких-небудь інертним газом (наприклад, неоном). Атом газу складається з позитивно зараженого ядра і кількох негативно заряджених електронів, що кружляють навколо цього ядра подібно планет навколо Сонця. Для простоти і стислості надалі ми будемо розглядати поведінку тільки одного електрона, так званого «світлового» електрона (рис. 1). Датський фізик Нільс Бор в 1913 році встановив, що електрон може займати тільки строго певну орбіту, всі ж інші для нього виявляються «під забороною». Обгрунтування такої поведінки було дано квантовою теорією, згідно з якою електрон веде себе не тільки як частка, але ще і як хвиля, яка при зверненні навколо ядра атома змушена ловити власний «хвіст»; в цьому і полягає причина існування для кожного електрона тільки однієї чітко визначеної орбіти. У нормальних умовах електрон рухається по самій «глибокій колії» - у певному сенсі, по дну потенційної ями (рис. 2). Якщо пропустити через трубку електричний струм, що передається, як відомо, безліччю вільно рухаються, то ці електрони будуть стикатися з окремими атомами газу. При цьому світловий електрон атома може «перескочити» зі своєї орбіти на іншу, більш високу (з більш високим енергетичним рівнем) (рис. 3), а потім спонтанно (тобто абсолютно спонтанно, в непередбачуваний момент часу) повернутися на колишню орбіту . Звільнену при цьому енергію він віддасть у вигляді світлового випромінювання (рис. 4) і продовжить рух по низькій орбіті (рис. 5). Таким чином виникає світлова хвиля - точно так само, якщо кинути у воду камінь, виникає хвиля на поверхні води.
Рис. 1. Схема будови атома на прикладі атома водню: негативно заряджений електрон рухається по орбіті навколо позитивно зарядженого ядра
Рис. 2. Рух електрона (чорний кружок) навколо атомного ядра.
При отриманні енергії ззовні (наприклад, при освітленні) електрон, що рухається по нижньому жолобу, може залишити його і піднятися на більш високий енергетичний рівень
Природно, таку долю поділяють безліч світлових електронів, що знаходяться в газорозрядної трубці. Вони виробляють світлові хвилі; загальна картина при цьому подібна до тієї, що виходила б на поверхні води від безладного закидання її камінням, тобто абсолютно хаотичний рух, що складається з окремих хвильових цугов, нагадують спагетті. При збільшенні сили струму, що пропускається через газ, в збуджений стан переходить все більша кількість атомів; можна очікувати, що щільність цугов також збільшиться. Багато фізиків саме так і вважали.
Рис. 3. Електрон рухається по більш високій орбіті; такий стан атома називається збудженим
Рис. 4. З верхнього жолоби електрон переходить назад на нижній, випускаючи при цьому енергію у вигляді світлової хвилі
У лазері ж відбувається щось зовсім інше. Замість безладної штовханини в лазері виникне абсолютно упорядкований, практично нескінченний хвильової цуг. Експерименти, які потім проводилися в різних лабораторіях по всьому світу, цілком і повністю підтвердили цей прогноз. У цьому, власне, і полягає разюча відмінність світла звичайної лампи від випромінювання лазера. Пояснимо відбувається при цьому диво, використовуючи аналогію.
Уявімо собі атоми у вигляді маленьких чоловічків, які стоять з жердинами на березі наповненого водою каналу (рис. 6); вода при цьому буде символізувати світлове поле. Що знаходиться в стані спокою поверхню води відповідає випадку, в якому світлове поле відсутнє, тобто темряві. Коли чоловічки занурюють свої держаки в воду, стан спокою порушується, і поверхня приходить в рух - з'являються хвилі. Ця ситуація відповідає виникненню навколо атомів світлових полів. Це рух цілком невпорядковані - таке має місце в звичайній лампі. Проте уявімо, що чоловічки діють узгоджено, як по команді, і опускають держаки в воду одночасно, від чого на поверхні води виникає рівномірний рух. Будь наші атоми-чоловічки справжніми людьми, було б зрозуміло, яким чином досягається злагодженість дій: поруч стоїть якийсь бос або шеф і викрикує команду, точно регулюючу моменти спуску і підйому держаків. У той же час лазер є прикладом упорядкованого стану, реалізованого за допомогою самоорганізації: хаотичний рух тут перетворюється на впорядковане; для синергетики лазер виявляється просто незамінним, зразково-показовим прикладом, який можна використовувати як алегорії для дуже багатьох процесів аж до соціальних.
Рис. 5. Електрон знову рухається по раніше, низькоенергетичне, жолобу
Рис. 6. Принцип дії лампи і лазера
Чоловічки з жердинами стоять на березі каналу, наповненого водою. На верхній картинці вони опускають свої держаки у воду незалежно один від одного. Бурхливий рух водної поверхні відповідає світловому полю звичайної лампи. Зображені на нижній картинці чоловічки занурюють свої держаки у воду синхронно; виникає при цьому синхронна хвиля відповідає світла лазера.
На прикладі лазера ми можемо без зайвих ускладнень розібратися в деяких питаннях, і це - хай всього на крок - наблизить нас до розуміння процесів, що протікають в живій природі.
Рис. 7. Пристрій типовою лазерної установки
Самоорганізація в лазері
Розглянемо докладніше процеси, що протікають в лазері - це допоможе нам розкрити таємницю самоорганізації. Лазер відрізняється від звичайної газорозрядної трубки тільки наявністю дзеркал (рис. 7). Дзеркала потрібні для того, щоб світло, що рухається вздовж осі трубки, як можна довше залишався всередині трубки (рис. 8). При цьому одне із встановлених дзеркал частково проникності, завдяки чому деяка кількість світла випромінюється назовні. Чому ж бажано якомога довше утримувати світло всередині лазерної установки?
Рис. 8. Світлові хвилі, опинившись між дзеркалами, можуть вести себе по-різному: ті, що рухаються в напрямку, точно збігається з віссю трубки, відбиваються від дзеркал і залишаються в лазері більш тривалий час, а всі інші швидко покидають межі трубки
За таких умовах починається процес, ще на початку двадцятого століття передвіщений Ейнштейном. Вже виникли світлові хвилі можуть примусити порушені світлові електрони до синхронним коливань. З електронами відбувається те ж саме, що і з захопилися чечеточніком, який посилює ритм, що задається музикантами, і під кінець, знесилені і цілком виклавшись, буквально валиться з ніг. Електрон посилює світлову хвилю, тобто піднімає її гребінь, до тих пір, поки не віддасть хвилі всю свою енергію і не повернеться в початковий стан - стан спокою.
Рис. 9. «Хвиля хвилі ворожнечу»: приклади хвиль з різними фазами, тобто з різними відстанями між гребенями
Оскільки завдяки дзеркалам світлові хвилі відносно довго залишаються всередині лазера, вони можуть підпорядковувати собі все більше і більше світлових електронів, використовуючи їх для того, щоб збільшити власну амплітуду, тобто висоту гребеня хвилі. Але і хвилі з однаковою амплітудою все ж таки можуть відрізнятися один від одного: однакові по висоті гребені хвиль можуть прямувати на різній відстані один від одного (рис. 9). Таким чином, у «витоків» кожного лазерного випромінювання стоять одночасно абсолютно різні хвилі, що встигли на даний момент сформуватися завдяки зусиллям декількох особливо «прудких» електронів. Хвилі вступають у конкурентну боротьбу за посилення свого впливу на збуджені електрони. Самі електрони теж по-різному ставляться до різних хвилях, найчастіше при передачі енергії віддаючи якоїсь певної хвилі деяка перевага; перевагою цим користуються ті хвилі, частота яких виявляється ближче всього до «внутрішнього ритму» самого електрона. І хоча такі особливі хвилі часто мають лише дуже невелику перевагу, ступінь їх впливу лавиноподібно зростає, і врешті-решт вони беруть гору над іншими. У результаті такого тотального придушення вся енергія світлових електронів виявляється зібрана в єдину абсолютно рівномірно коливається хвилю. І навпаки: варто лише якийсь хвилі домогтися успіху, як вона підпорядковує собі кожен знову порушуваний електрон, нав'язуючи йому свою власну частоту коливань. Виникає в такий спосіб нова хвиля визначає своєю поведінкою порядок у лазері - вона грає роль параметра порядку; термін цей вже не раз нами згадувався.
Оскільки параметр порядку змушує окремі електрони рухатися абсолютно синхронно і тим самим визначає їх дії, ми знову можемо сказати, що параметр порядку «поневолює», підпорядковує собі окремі елементи системи. Вірно і зворотне: параметр порядку (тобто світлова хвиля) є результат синхронних коливань окремих електронів. Виникнення параметра порядку, з одного боку, і когерентного поведінки електронів - з іншого, взаємно обумовлюють один одного; в таких випадках прийнято говорити про циклічної причинності. Перед нами ще один типовий приклад синергетичного поведінки. Для забезпечення синхронності коливань електронів повинен існувати параметр порядку (в даному разі цю роль виконує світлова хвиля). Проте існування самої світлової хвилі можливо тільки завдяки синхронним коливань електронів. Словом, все виглядає так, що ми повинні б задіяти якусь вищу силу, один раз створила якесь початковий стан впорядкованості, яке потім зможе самостійно підтримувати своє існування. Проте в дійсності все відбувається інакше. На самому початку має місце конкурентна боротьба і процес відбору, в результаті якого всі електрони стають «рабами» якоїсь певної хвилі. При цьому цікаво відзначити, що всі хвилі, зовсім випадково - спонтанно - породжені електронами, повинні бути розсортовані відповідно до законів конкурентної боротьби, тобто пройти через якийсь відбір. Перед нами типовий для синергетики приклад взаємин між випадковістю і необхідністю: «випадковість» тут втілена у спонтанному випромінюванні, а «необхідність» - в нестримному законі конкуренції та відбору.
Лазер: відкрита система з фазовим переходом
Чи можна будь-яку лампу перетворити на лазер, просто додавши до неї дзеркала? Власне, майже так воно і є, однак варто докладніше розглянути один ключовий момент. Світлові хвилі, що випускаються збудженими електронами у звичайній лампі, розбігаються геть з такою швидкістю, що інші електрони майже не мають часу на те, щоб підтримати коливання цих хвиль. Це означає, що вимушене випромінювання відбутися не може, і окремі хвильові цуги виявляються не в змозі хоч скільки-небудь «продовжити собі життя». Лампа випускає найрізноманітніші хвилі таким чином, що вони абсолютно не залежать один від одного. Дзеркала в лазері призначені для того, щоб перешкодити рухомим в осьовому напрямку хвилях покинути лазер - для того щоб залишилося достатньо часу для посилення хвиль за допомогою вимушеного випромінювання. Однак не існує дзеркал, скоєних настільки, щоб утримати світ у лазері вічно; крім того, є й інші причини, за якими світло «губиться» (наприклад розсіювання). Зрозуміло, при будь-якому застосуванні лазера частина світу дзеркала повинні випускати: врешті-решт, лазерний світло потрібне нам для того, щоб що-небудь їм опромінювати.
Таким чином, задачу генерації лазерного світла стає завданням суто кількісною. Необхідно порушувати світлові електрони атомів газу з такою швидкістю, щоб вони опинилися в стані посилювати світлові хвилі досить швидко і ефективно для того, щоб компенсувати втрати від недосконалості дзеркал. Іншими словами, ми повинні постаратися влаштувати все так, що втрати енергії хвиль покривалися б енергією, що отримується в результаті вимушеного випромінювання. Отже, перехід від світла звичайної лампи до лазерного світла відбувається стрибкоподібно при підвищенні сили електричного струму, що пропускається нами через газорозрядну трубку. Існує якесь критичне значення сили струму, при якому стан лазера радикально змінюється - навіть у тому випадку, якщо її зміна мізерно мало. Роботу лазера ми можемо підтримувати єдиним способом: постійно забезпечуючи його енергією (наприклад у вигляді електричного струму). Одночасно лазер буде постійно випромінювати енергію у вигляді лазерного світла (не будемо забувати і про тих неминучих втратах енергії, які вже згадувалися). Лазер, таким чином, постійно обмінюється енергією з навколишнім світом, а значить, є відкритою системою. У той же час лазер є системою, надзвичайно далекій від теплового рівноваги - точно так само, як двигун внутрішнього згоряння.
Стрибкоподібне виникнення макроскопічного стану впорядкованості дуже нагадує поведінку феромагнетика або надпровідника, при якому також виникають стану з абсолютно новими фізичними властивостями. Правда, ці системи знаходяться в стані теплової рівноваги з навколишнім середовищем, що й відрізняє їх від нашого випадку.
Саме тому багато фізиків були вражені, коли ми в Штутгарті, одночасно з групою наших американських колег, змогли встановити, що фазовий перехід в лазері демонструє всі властивості, характерні для звичайних фазових переходів, в тому числі критичні флуктуації і порушення симетрії. Таким чином, лазер став як би мостом між неживою і живою природою. Стан впорядкованості у лазері підтримується за рахунок процесів самоорганізації, що протікають завдяки припливу додаткової енергії ззовні. Лазер - як і всі біологічні системи - система відкрита.
Цікавий місток до фізіологічних процесів вибудовується, перш за все, в ході досліджень хімічних лазерів, де відбувається свого роду обмін речовин. Хімічний лазер потребує водні та фтор; ці речовини дуже активно вступають в реакцію один з одним. У результаті між атомами водню і фтору виникає нове «партнерство», причому хімічна реакція протікає настільки бурхливо, що викликає збудження світлових електронів, а вони, у свою чергу, генерують лазерне світло вже знайомим нам способом.
У даному випадку енергія створюється в ході хімічних реакцій. Хімічна енергія, що вивільняється у вигляді тепла, перетворюється при цьому в кінцевому рахунку в строго впорядковану енергію синхронного руху хвиль лазерного світла. Перед нами свого роду обмін речовин, при якому низькорівнева енергія горіння перетворюється на високорівневу енергію лазерного світла. Щось схоже відбувається в двигуні, циліндр якого наповнений газовою сумішшю. Теплова енергія, розподілена по багатьом ступенями свободи, перетворюється тут у кінетичну енергію поршня, яка, власне, і змушує автомобіль рухатися. Надалі ми ще не раз зіткнемося з тим, що подібна трансформація мікроскопічних енергій у макроскопічну енергію з меншим числом ступенів свободи виявляється одним з основних принципів протікання біологічних процесів.
Лазер можна змусити працювати не лише підвищуючи силу струму і збільшуючи тим самим частоту збуджень окремих електронів. Слід звернути увагу і на інший процес, при якому потужність накачування залишається колишньою, але число атомів у лазері постійно збільшується. Дослідження показують, що до тих пір, поки кількість атомів у лазері не досягає певного значення, він діє в режимі звичайної лампи, але як тільки число атомів збільшиться до критичного, виникає лазерний світло. По суті, перед нами перехід кількості в якість.
Рис. 10. Між двома дзеркалами поширюються тільки абсолютно певні хвилі
Наведені приклади показують, що процеси самоорганізації можуть бути запущені різними способами. Надалі, звернувшись до біології, ми займемося цією темою докладніше.
З іншого боку, місток до біології можна перекинути на основі вже наявних прикладів. Завдяки використанню дзеркал в лазері ми створюємо для атомів і генеруються ними світлових хвиль специфічну «навколишнє середовище». Фізикам відомо, що між двома паралельними дзеркалами можуть існувати тільки абсолютно певні світлові хвилі (рис. 10). Це означає, що з самого початку зрозуміло, які саме хвилі можуть розглядатися в якості лазерних. Цілком може статися так, що хвилі, «що користуються успіхом» у світлових електронів, виявляться неспроможними розповсюджуватися між дзеркалами. Однак це не призведе до відмови електронів від участі в генерації лазерного світла; електрони просто виберуть хвилю з такими характеристиками, які виявляться найближче до «улюбленим» ім раніше хвилях (правда, це спрацьовує лише до певних меж). При повільному зміні відстані між дзеркалами зміниться, відповідно, і процес випускання електронами лазерного світла - електрони пристосуються до нового навколишнього середовища. Тут може відбутися щось, гідне дуже пильного розгляду. Можливо, що нова хвиля між дзеркалами виявиться більше схожа на "бажану» електронами хвилю, ніж на ту, якій електрони підпорядковувалися і яку підтримували до цього моменту. У цьому випадку спочатку окремі електрони спонтанно, у вигляді флуктуації, віддадуть нової хвилі свою енергію, а незабаром і всі інші електрони підтримають саме цю хвилю, повністю відмовивши в підтримці колишньою: адаптація до нового «дзеркальному оточенню» припиниться допомогою флуктуації.
У лазері, як і в рідині, стан макроскопічної впорядкованості може бути досягнуто збільшенням кількості енергії, що надходить. У випадку з рідиною ми підвищуємо температуру, отримуючи в результаті все більш і більш складні структурні утворення аж до виникнення турбулентності; те саме і з лазером: при подальшому підвищенні потужності накачування лазер раптово починає випускати регулярні неймовірно короткі та інтенсивні світлові спалахи. Вихідна потужність кожної спалаху при цьому може бути порівнянна з потужністю всіх разом узятих електростанцій США. Тривалість ж такого спалаху складає всього трильйонну частку секунди. Описані світлові спалахи, звані також ультракороткими лазерними імпульсами, виникають в результаті кооперації безлічі різних хвиль. Конкуренція між ними припиняється, витіснена загальним потужним зусиллям. Крім того, наша теорія передбачає, що лазери здатні генерувати ще один новий тип світла - турбулентний світло, що відкриває велику нову галузь дослідження для експериментальної фізики.