Создать публикацию

Republic - Поджечь вакуум, взорвать сапфир: что умеют лазеры нобелевских лауреатов

https://t.me/res_publica

4 октября 2018 г. Борислав Козловский.

Ученых наградили за самый жесткий способ обращения с веществом.

История премии, которую присудили во вторник физикам Донне Стрикленд и Жерару Муру за их метод «генерировать мощные ультракороткие лазерные импульсы», начинается с заметки в научно-популярном журнале Scientific American про военные радары.

Идет 1985 год, огромная антенная решетка Cobra Dane размером с 12-этажный дом следит с Аляски за испытаниями советских баллистических ракет, которые прилетают на камчатский полигон Кура. Прежние радары ощупывали небо радиолучом, а новые, как этот, стреляют короткими импульсами. Настолько короткими, что радиосигнал, летящий со скоростью света, успевает за время импульса пройти расстояние меньше длины ракеты или любого другого объекта в небе, который предстоит опознать. И если он отразится от разных его частей, военные у себя на мониторах увидят не один всплеск, а много. Так можно собрать больше информации о том, что к вам летит.

Заметка попадается на глаза 26-летней аспирантке Донне Стрикленд, которая в Рочестерском университете занимается лазерами под руководством профессора Жерара Муру. Она будет идти первой ссылкой в их совместной статье 1985 года, которая потом сделает обоих нобелевскими лауреатами.

Как это ⁠работает?

Их задача – заставить лазер стрелять такими ⁠же короткими импульсами, как радар. ⁠Зачем? Прежде всего, такой ⁠импульс можно сделать сверхмощным. То есть добиться такой концентрации энергии, ⁠про какую ⁠нельзя и мечтать с обычными лазерами.

Какая мощность для лазера маленькая, а какая большая? Физики ⁠измеряют мощность в ваттах. 60 ватт – это старая лампочка на кухне с вольфрамовой нитью. Обычная лазерная указка – это 0,05 ватт или меньше. Указку в 0,2 ватта (то есть в 200 милливатт) можно направить из окна на заводскую трубу на горизонте и за много километров увидеть на ней расплывчатое зеленое пятно света. 1-ваттный лазер легко поджигает спичку. Военные испытывали лазеры мощностью порядка мегаватта, то есть миллиона ватт, способные сбивать ракеты.

Но это все обычные лазеры с непрерывным лучом. А вот для сравнения свежий рекорд китайской лазерной установки, стреляющей сверхкороткими импульсами: 5 петаватт, то есть 5 миллионов миллиардов ватт. В миллиарды раз больше, чем у лучшего «непрерывного» лазера.

Добиться такой мощности, действуя в лоб, невозможно. Лазер нельзя накачивать энергией до бесконечности – рано или поздно он разрушится. Открытие состояло в том, чтобы придумать обходной маневр. Берем ультракороткий импульс – и растягиваем его во времени, чтобы в каждый отдельный момент концентрация энергии не зашкаливала. Этот импульс усиливают в миллионы раз, а потом, на выходе, сжимают обратно.

Типичный импульс длится 0,000000000000001 секунду, одну миллионную от миллиардной доли. Для такого используют приставку «фемто» («нано» – это на шесть нулей после запятой меньше). Если вас избавили от близорукости фемтосекундным лазером – вы уже испытали эту технологию на себе.

Работающий лазер ассоциируется у нас с красным (или зеленым, или синим) лучом, который прорезает воздух. Но в случае с фемтосекундными лазерами этот образ сбивает с толку. За фемтосекунду свет успевает пройти всего 0,0003 миллиметра – слишком короткий отрезок, чтобы назвать его лучом. И ученые предпочитают говорить про «световые пули».


Перспективы

Когда из автомата Калашникова попадают в дыню, пуля не проделывает в ней дырку, а взрывает. Энергия пули – порядка тысячи джоулей. У лучших «световых пуль» она измеряется миллионами джоулей, то есть один лазерный импульс содержит в себе энергию тысячи выстрелов из автомата. И лазер дает возможность сосредоточить всю эту энергию в микроскопическом объеме.

Если сфокусировать фемтосекундный импульс внутри чего-нибудь твердого (например, драгоценного камня сапфира), случится имплозия, взрыв вовнутрь. Внутри сапфира образуется дыра. Вещество, которое ее наполняло, станет нагреваться со скоростью квинтиллион (1 с 18 нулями) градусов в секунду и быстро превратится в горячую плазму. Давление успеет вырасти до 100 миллионов атмосфер – это в 20 раз больше, чем в центре Земли.

Ученых, конечно, больше всего интересует не дырявый сапфир (хотя вырезать микроскопические туннели в кристаллах и стеклах для лабораторных задач – полезное во всех смыслах дело), а поведение вещества при таких запредельных температурах и давлениях. Нечто подобное рассчитывают встретить в недрах планет – например, давно подозревают, что в центре Юпитера газ водород превращается в легкий металл, который остается сверхпроводником при комнатной температуре. Но проверить это без лазеров нет никакой возможности – ни один гидравлический пресс такого давления не даст.

Астрономы увидели здесь возможность заниматься своей наукой не только в башнях с телескопами, но и в подвале с лазерной установкой.

Если вы не застали Вселенную в первые секунды и тысячелетия после Большого взрыва, когда она была еще горячей – не проблема, это можно повторить при помощи лазера. Рано или поздно, обещают лазерные физики, у них получится воссоздать даже кварк-глюонную плазму – бульон из запчастей, из которых образуются привычные частицы вроде протонов и нейтронов.

Отдельная задача – заставить вещество рождаться из ничего. То есть из вакуума. Если его как следует подготовить, оттуда должны начать сыпаться пары из частиц и античастиц (например, электронов и позитронов) – и в Китае, где строят 100-петаваттный лазер под названием Станция чрезвычайного света (Station of Extreme Light), всерьез рассчитывают, что в 2023 году научатся это делать.

Про вещество белых карликов, остатков от выгорания звезд, известно, что оно спрессовано до невообразимых плотностей – порядка тонны на кубический сантиметр. Какая рекордная плотность вещества на Земле? Кубический сантиметр свинца весит 11 граммов, кубический сантиметр металла иридия – 22 грамма. Но с помощью лазера можно сжать вещество до плотности порядка тысячи граммов на тот же самый кубический сантиметр. О таком результате отчиталась команда Национального комплекса зажигания – американской лазерной установки, построенной с целью запустить управляемый термоядерный синтез.

В каком-то смысле у физиков получилось и это. Термоядерный синтез – та самая реакция, которая заставляет Солнце светиться, а самые мощные на Земле бомбы взрываться. Другое дело, что энергию взрыва не пустишь по городским электросетям, а добывать ее в другом режиме (кроме взрывного) пока не научились. Всюду, где термоядерную реакцию удается запустить (это, например, токамаки), энергия слишком быстро рассеивается, и ее не хватает на то, чтобы плазма сама себя разогревала. Появилась надежда, что лазеры придут и немедленно исправят все. В 2013 году даже появился на свет торжественный пресс-релиз Национального комплекса зажигания о том, что реакция впервые дала больше энергии, чем было потрачено на ее запуск – но, к сожалению, оказалось, что пока речь идет просто о революционном способе высчитывать баланс энергии, чтобы выйти в плюс, а не об окончательном прорыве.

С тех пор гигантские лазеры строят один за другим – в Шанхае, в Румынии (этим проектом как раз занимается новый нобелевский лауреат Жерар Муру – должна получиться самая большая общеевропейская лазерная установка для нужд лазерной физики). В Нижнем Новгороде построили Центр исследований экстремальных световых полей – и Муру, выигравший российский мегагрант в 2010-м, приезжал работать именно туда.

В истории со сверхмощными лазерами кроме ученых есть и вторая заинтересованная сторона – военные, и ученые часто делят с ними время работы таких установок поровну, как во Франции. Дело в том, что с 1990-х любые ядерные взрывы, надземные и подземные, запрещены. Но не ядерные испытания как таковые. Если вам надо понять, как себя ведет плутоний в условиях ядерного взрыва, когда тротиловая оболочка бомбы уже взорвалась и сдавливает сам ядерный заряд, вы можете попробовать сдавить его внутри лазерной установки. Часть времени такими же военными исследованиями занимаются в Национальном комплексе зажигания – и не исключено, что и в России тоже. Что, в общем, в любом случае меньшее зло, чем взрывы на открытом воздухе.

Может показаться, что до выполнения самых громких обещаний – про повторение в лабораторном подвале условий ранней Вселенной с ее кварк-глюонной плазмой или про управляемый термоядерный синтез – еще далеко, потому что современным лазерам просто не хватает мощности. Но тут, кажется, именно свет и именно в конце туннеля гарантирован, и он, как у строящейся китайской лазерной станции, чрезвычайный.

Читайте ещё больше платных статей бесплатно: https://t.me/res_publica