Лазерный мир

В нашем новом проекте «Кто придумал», посвященном научным достижениям российских ученых рассказываем историю лазера: как советские физики придумали первое лазерное устройство, при чем здесь Эйнштейн и почему люди до сих пор не изобрели тот самый «гиперболоид инженера Гарина»

С чего все началось

В 214 году до нашей эры корабли римской армии приблизились к восточному берегу Сицилии, чтобы начать осаду Сиракуз — эллинистического города Великой Греции. Жители Сиракуз отчаянно сопротивлялись и продержались целых два года, в том числе благодаря идее математика и инженера Архимеда, имя которого знают даже первоклассники. Как пишет Плутарх, по приказу Архимеда воины с помощью зеркал и отполированных до блеска медных щитов сфокусировали солнечные лучи на кораблях римлян и подожгли их. По другой версии, лучи использовали как указатели цели для метательных машин — они и стреляли горящими снарядами по кораблям противников. Как бы то ни было, именно эти события стали той самой точкой опоры, благодаря которой спустя 2 тысячи лет мир действительно перевернулся.

Как ученые развили идею Архимеда

Как и многие другие открытия физики XX века, изобретение лазера не обошлось без участия Альберта Эйнштейна. В 1916 году ученый начал публиковать очередную серию статей, суть которых кроме него могли понять, пожалуй, всего несколько человек на планете. Эйнштейн рассказывал о «вынужденном излучении‎». Миру понадобилось еще 40 лет, чтобы осознать смысл и потенциал описанного явления. ‎Срок, казалось бы, огромный для современной науки. Но, как говорится, все относительно.

Эйнштейн предположил, что минимальная частица света — фотон — при столкновении с атомом определенного типа может выбить с его орбиты электрон, который станет почти точно таким же фотоном и вместе с первым устремится в пространство. Сконцентрированный пучок света из множества фотонов, созданный за счет вынужденного излучения, грубо говоря, и есть лазер. Но проблема в том, что в обычном мире с точно такой же вероятностью фотон не выбьет из атома электрон, а будет им поглощен и исчезнет. Чтобы бо́льшая часть фотонов выбивала электроны, нужно было создать особую среду. Ее-то и пытались придумать ученые.

Первым такую среду придумал советский физик Валентин Фабрикант. Свои опыты он начал в 1930-х годах, как раз после выхода книги Алексея Толстого «‎Гиперболоид инженера Гарина» об изобретении мощного луча, способного уничтожать любые преграды. В 1951-м Фабрикант подал заявку на изобретение нового метода усиления электромагнитного излучения, то есть способа сконструировать среду, в которой возможен лазер.

Через год состоялось еще одно ключевое событие в ‎истории науки: советский ученый Александр Прохоров, который тоже изучал работы Эйнштейна о вынужденном излучении, как-то раз, катаясь на лыжах, придумал лазерное устройство. Чтобы визуализировать и зафиксировать мысль, Прохоров тут же нарисовал на снегу лыжной палкой схему прибора. Над его созданием физик работал вместе со своим аспирантом и ближайшим коллегой Николаем Басовым.

В 1954 году независимо друг от друга в двух разных точках планеты ученые построили приборы, которые впоследствии назвали мазерами. В СССР это сделали физики Прохоров и Басов, в США — группа исследователей Колумбийского университета под руководством Чарльза Таунса. Мазер — это аббревиатура, образованная от полного названия Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation («усиление микроволн с помощью вынужденного излучения»).

Итак, физики придумали среду, в которой можно было вызвать вынужденное излучение, описанное Эйнштейном. Но речь пока шла только о микроволнах. Открытие значимое — за него Прохоров, Басов и Таунс в 1964 году получили Нобелевскую премию по физике. Однако люди, уже знавшие о гиперболоиде Гарина, хотели создать видимый луч. Для этого из СВЧ-диапазона нужно было перейти в световой, microwave заменить на light, чтобы на смену мазеру пришел лазер — Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. В переводе с английского — «усиление света посредством вынужденного излучения»‎.

Когда мир увидел первый лазер

Лучшие друзья физиков — это рубины. По крайней мере, в том, что касалось первого «‎настоящего»‎ импульсного лазера — такого, который можно увидеть. Прохоров, Басов и Таунс показали, как использовать вынужденное излучение, чтобы получить электромагнитное излучение в радиодиапазоне. Теперь нужно было построить генератор оптического — видимого — диапазона. На основе исследований трех ученых американский физик Теодор Майман в 1960 году первым в мире получил лазерный эффект в твердом теле.

Твердым телом был маленький рубиновый кубик размером 1x1x1 см, две противоположные грани которого были покрыты серебром. Он периодически облучался зеленым светом от лампы-вспышки высокой мощности. Получался красный луч, выходивший через небольшое отверстие в одной из граней куба.

Впоследствии Майман создал компанию по производству лазеров и неплохо заработал на своем изобретении. А саму технологию лазера продолжили развивать ученые по всему миру.

Где сегодня применяется лазер

Сегодня лазер активно используется в медицине. Многие процедуры, от коррекции зрения и хирургии до эпиляции и пилинга кожи, выполняются лазером. Среди наиболее новых и значимых разработок — специальные приборы для борьбы с раком. В 2005 году в НИИ онкологии начались испытания лазерного хирургического стенда — установки для автоматизированного проведения операций по удалению раковых опухолей. Хирурги иногда могут удалить не всю опухоль, потому что бывает сложно понять, где она заканчивается. В таком случае рак может распространиться вновь. Лазер исключает подобные ошибки: датчики на лазерном скальпеле считывают информацию о вырезаемой ткани и могут точно определить границы опухоли.

Режущие свойства лазера используют и в промышленности, например, для очень тонкой обработки металлов.

Научившись резать лазером, люди пошли дальше и выяснили, что световой луч умеет «считывать» информацию. Это открытие во второй половине 1970-х привело к появлению лазерных дисководов, которые быстро вытеснили виниловые пластинки и магнитные дискеты. Луч лазера в дисководе падает на поверхность диска и отражается по-разному в зависимости от коэффициента отражения. Определив коэффициент, луч меняет свою интенсивность, потом преображается в электрические импульсы и передается в оперативную память устройства. Диски позже заменили на более компактные носители информации, но умение лазера «читать» применяется сегодня во многих устройствах, например, для считывания штрихкодов на упаковках товаров. Сердце лазера продолжает биться, пока по всему миру пикают магазинные кассы.

Но, конечно, не только благодаря им. Лазерные технологии сегодня используются и в принтерах: световой луч сканирует изображение и помогает перенести его на барабан, позволяющий печатать в домашних условиях материалы высокого качества.

Технология, применение которой люди наблюдают каждый день, не могла не отразиться на массовой культуре. Самый известный пример — светящиеся джедайские мечи в «‎Звездных войнах»‎. По сюжету, их изготавливают сами джедаи с помощью кристаллов и Силы — особого энергетического поля.