Си­ла сві­тла

За що да­ли Но­бе­лів­ську пре­мію з фі­зи­ки-2018

Ukrainskiy Tyzhden - - Змiст Має Значення - Олег Фея

За що да­ли Но­бе­лів­ську пре­мію з фі­зи­ки-2018

Но­бе­лів­ський ко­мі­тет ви­рі­шив роз­ді­ли­ти пре­мію з фі­зи­ки між Ар­ту­ром Ашкі­ним та Же­ра­ром Му­ру з Дон­ною Стрі­кленд за «но­ва­тор­ські ви­на­хо­ди в га­лу­зі ла­зер­ної фі­зи­ки». Ашкін ви­на­йшов ла­зер­ний пін­цет, що мо­же ду­же обе­ре­жно ма­ні­пу­лю­ва­ти з на­но­ча­стин­ка­ми й на­віть ба­кте­рі­я­ми, не зав­да­ю­чи їм шко­ди, а Му­ру та Стрі­кленд — фем­то­се­кун­дний ла­зер, зда­тний фо­к­усу­ва­ти в одній то­чці по­ту­жність, що на по­ряд­ки пе­ре­ви­щує су­мар­ну всіх еле­ктро­стан­цій сві­ту.

У 1971 ро­ці на Оде­ській кі­но­сту­дії зня­ли фільм «Бла­ки­тне не­бо», при­свя­че­ний про­фе­со­ро­ві Ле­о­ні­ду Лін­ни­ку, укра­їн­це­ві, що впер­ше у сві­ті за­сто­су­вав ла­зер­не ви­про­мі­ню­ва­н­ня для лі­ку­ва­н­ня офталь­мо­ло­гі­чних за­хво­рю­вань. Ви­най­де­ний ним у 1963-му ме­тод ла­зер­ної ко­а­гу­ля­ції сі­тків­ки ви­ко­ри­сто­ву­ють і по­ни­ні, а ро­ком пі­зні­ше Но­бе­лів­ську пре­мію «за фун­да­мен­таль­ні ро­бо­ти в ца­ри­ні кван­то­вої еле­ктро­ні­ки, що при­ве­ли до ство­ре­н­ня кван­то­вих ге­не­ра­то­рів і під­си­лю­ва­чів на осно­ві ма­зер­но-ла­зер­но­го прин­ци­пу» здо­бу­ли аме­ри­ка­нець Чарльз Та­унс і ра­дян­ські вче­ні Алє­ксандр Про­хо­ров та Ні­ко­лай Ба­сов. Трі­ум­фаль­ний шлях ла­зе­рів по­чав­ся за 10 ро­ків до то­го, із ви­на­йде­н­ням пер­шо­го у сві­ті кван­то­во­го ге­не­ра­то­ра ма­зе­ра. А су­ча­сний світ уза­га­лі не­мо­жли­во без них уяви­ти. Зчи­ту­ва­н­ня штри­хко­дів, ком­пакт-ди­сків, ла­зер­ні указ­ки, прин­те­ри, тер­мі­чна й ме­ха­ні­чна оброб­ка ма­те­рі­а­лів, го­ло­гра­ми, во­ло­кон­но- опти­чний зв’язок. Ла­зе­ри ши­ро­ко ви­ко­ри­сто­ву­ють у ме­ди­ци­ні й мі­кро­еле­ктро­ні­ці, у ко­сме­то­ло­гії та енер­ге­ти­ці.

По­ча­ло­ся все з ро­бо­ти Айн­штай­на, що в 1916-му опи­сав ви­му­ше­не кван­то­ве ви­про­мі­ню­ва­н­ня — осно­ву ро­бо­ти всіх ла­зе­рів. Вла­сне, са­ме сло­во «laser» — абре­ві­а­ту­ра від light amplification by stimulated emission of radiation (під­си­ле­н­ня сві­тла за до­по­мо­гою ви­му­ше­но­го ви­про­мі­ню­ва­н­ня). В ато­мах еле­ктро­ни зда­тні не­о­бме­же­но дов­го пе­ре­бу­ва­ти на ви­ді­ле­них ор­бі­тах, а будь-який пе­ре­хід між ни­ми су­про­во­джу­є­ться по­гли­на­н­ням або ви­про­мі­ню­ва­н­ням енер­гії. У зви­чай­но­му ста­ні в будь-якій кван­то­вій си­сте­мі зна­чно біль­ше ато­мів, чиї еле­ктро­ни пе­ре­бу­ва­ють на ниж­чих енер­ге­ти­чних рів­нях. Для ро­бо­ти ла­зе­ра по­трі­бно, щоб збу­дже­них ато­мів ста­ло біль­ше. То­ді, якщо крізь ре­чо­ви­ну пропу­сти­ти енер­ге­ти­чний про­мінь, йо­го фо­то­ни спри­чи­ня­ти­муть ви­му­ше­не ви­про­мі­ню­ва­н­ня ато­мів, пе­ре­во­дя­чи їхні еле­ктро­ни на ниж­чі рів­ні, що ви­віль­нить до­да­тко­ву енер­гію. Так утво­рю­є­ться ла­зер­ний про­мінь. Вузь­ко­спря­мо­ва­ний — усі фо­то­ни ру­ха­ю­ться в один бік. Мо­но­хро­ма- ти­чний — усі во­ни ма­ють біль­шменш одна­ко­ві дов­жи­ни хвиль. Ко­ге­рен­тний — пі­ки цих хвиль змі­ще­ні одне від­но­сно одно­го на пев­ну від­стань, що не змі­ню­є­ться. І над­зви­чай­но по­ту­жний. Най­про­сті­ші ла­зе­ри ма­ють три ро­бо­чі рів­ні енер­гії. Еле­ктро­ни пе­ре­хо­дять з ниж­чо­го на най­ви­щий, звід­ти май­же одра­зу пе­ре­мі­ща­ю­ться на по­се­ре­дній, ме­та­ста­біль­ний рі­вень, де на­ко­пи­чу­ю­ться де­який час й одно­ча­сно «па­да­ють». За ці­єю кла­си­чною схе­мою пра­цює, на­при­клад, са­пфі­ро­вий ла­зер, ле­го­ва­ний іо­на­ми хро­му.

Ви­на­хо­ди Ашкі­на та Му­ру із Стрі­кленд мо­жна на­зва­ти ла­зер­ни­ми пін­це­том та скаль­пе­лем. Ашкін, яко­му ни­ні 96 ро­ків (най­ста­рі­ший ла­у­ре­ат в істо­рії, до ре­чі), із мо­ло­до­сті по­лю­бляв на­у­ко­ву фан­та­сти­ку. По­ши­ре­ним при­ла­дом у фан­та­сти­чних книж­ках чи філь­мах є ла­зер­ний про­мінь, що зда­тен під­ні­ма­ти пре­дме­ти або лю­дей. І на­у­ко­вець уті­лив ці фан­та­зії в жи­т­тя. Ла­зер­ний пін­цет не змо­же під­ня­ти лю­ди­ну, за­те пі­ді­ймає ба­кте­рії та ві­ру­си, не зав­да­ю­чи їм шко­ди, що да­ло по­ту­жний ін­стру­мент у ру­ки біо­ло­гів.

У 1970-му Ашкін від­крив гра­ді­єн­тну си­лу, що діє на ча­стин­ки в ла­зер­но­му про­ме­ні. Во­на змі­щує об’єкти в бік збіль­ше­н­ня ін­тен­сив­но­сті про­ме­ня, яка ся­гає ма­кси­му­му на йо­го осі. При­ро­да ці­єї си­ли по­ля­гає в ти­ску сві­тла: без­ліч фо­то­нів бом­бар­дує ча­стин­ку, змі­ню­ю­чи її по­ло­же­н­ня. Сві­тло­вий тиск від­крив у 1900 ро­ці ро­сій­ський фі­зик Пьотр Лє­бє­дєв. Він сві­тив на шаль­ки кру­тиль­них те­ре­зів, за­ува­жу­ю­чи їхнє змі­ще­н­ня під ді­єю еле­ктро­ма­гні­тно­го ви­про­мі­ню­ва­н­ня. Під час про­го­ло­ше­н­ня пре­мії член Но­бе­лів­сько­го ко­мі­те­ту про­де­мон­стру­вав прин­цип дії опти­чної пас­тки, роз­мі­стив­ши в по­то­ці по­ві­тря фе­на не­ве­ли­чку куль­ку. У 1986-му Ар­тур Ашкін ре­а­лі­зу­вав пер­шу вер­сію опти­чної пас­тки, або ж ла­зер­но­го пін­це­та, як її на­зва­ли зго­дом. Він про­пу­скав ла­зер­ний про­мінь крізь лін­зу, а до­слі­джу­ва­ний об’єкт пе­ре­бу­вав у її фо­ку­сі. Там гра­ді­єн­тна си­ла ся­га­ла ма­кси­му­му й лег­кі мі­кро­ча­стин­ки, пи­лин­ки та на­віть ві­ру­си й ба­кте­рії опи­ня­ли­ся в пас­тці, не ла­дні зру­ши­ти з фо­ку­са.

Про­те не тіль­ки біо­ло­ги вхо­пи­ли­ся за ви­на­хід. Цьо­го ро­ку в Nature ви­йшла ста­т­тя з опи­сом те­хно­ло­гії три­ви­мір­них го­ло­грам, роз­ро­бле­них на осно­ві ла­зер­них пін­це­тів. Ще один ви­на­хід із на­у­ко­вої фан­та­сти­ки! А в 1997-му Но­бе­ля з фі­зи­ки отри­мав Сті­вен Чу, спів­ав­тор від­кри­т­тя Ашкі­на. Чу при­ду­мав, як охо­ло­джу­ва­ти ре­чо­ви­ну за до­по­мо­гою ла­зер­них па­сток, і до­сяг най­ниж­чої тем­пе­ра­ту­ри в істо­рії.

Якщо ла­зер­ним пін­це­том мо­жна ні­жно взя­ти ві­рус і не на­шко­ди­ти йо­му, то ви­на­хід Му­ру й Стрі­кленд — кон­цен­тро­ва­на енер­гія, що ви­па­лює все на вла­сно­му шля­ху. У сво­їй пер­шій на­у­ко­вій пу­блі­ка­ції в 1986 ро­ці аспі­ран­тка Ро­че­стер­сько­го уні­вер­си­те­ту Дон­на Стрі­кленд ра­зом зі сво­їм на­у­ко­вим ке­рів­ни­ком Же­ра­ром Му­ру за­про­по­ну­ва­ла ме­тод під­си­ле­н­ня та ско­ро­че­н­ня ла­зер­них про­ме­нів без зни­ще­н­ня актив­но­го се­ре­до­ви­ща ла­зе­ра. Так з’явив­ся фем­то­се­кун­дний ла­зер — най­кра­щий в істо­рії при­стрій для кон­цен­тру­ва­н­ня енер­гії. По­ту­жність у цен­трі йо­го про­ме­ня ся­гає пе­та­ва­та (1015 Вт), що в кіль­ка со­тень ра­зів біль­ше за су­мар­ну по­ту­жність усіх еле­ктро­стан­цій сві­ту.

Ще в 1970-х на­у­ков­ці зі­ткну­ли­ся з про­бле­мою: те­о­ре­ти­чно по­ту­жність ла­зе­рів мо­жна збіль­шу­ва­ти скіль­ки зав­го­дно, а пра­кти­чно ви­ни­кли тру­дно­щі, адже ве­ли­кі енер­гії про­сто зни­щу­ва­ли ро­бо­че се­ре­до­ви­ще при­стро­їв. Му­ру та Стрі­кленд при­ду­ма­ли, як еле­ган­тно обі­йти ці обме­же­н­ня. Їхній ме­тод на­зва­ли під­си­ле­н­ням чір­по­ва­них ім­пуль­сів ( chirped pulse AMPLIFICATION). Сло­во «chirp» пе­ре­кла­да­ють як «цві­рінь­ка­н­ня». У спів­ах ма­лень­ких пта­шок одра­зу йдуть ви­со­кі ча­сто­ти, по­тім се­ре­дні, і за­кін- чу­ю­ться во­ни низь­ки­ми — та­кий со­бі роз­тя­гну­тий ім­пульс. Му­ру мір­ку­вав так: якщо по­ту­жні ім­пуль­си спа­лю­ють ла­зе­ри, то чо­го б не роз­кла­сти ім­пульс за ча­сто­та­ми, ко­жна з яких не­сти­ме мен­шу енер­гію, а по­тім не скла­сти все до­ку­пи?

Про­хо­дя­чи крізь призму, сві­тло роз­кла­да­є­ться на рі­зно­ко­льо­ро­вий спектр. Пі­сля до­щу ін­ко­ли мо­жна по­ми­лу­ва­ти­ся дис­пер­сі­єю сві­тла в чи­сто­му ви­гля­ді — рай­ду­гою. У при­змі хви­лі сві­тла з рі­зни­ми дов­жи­на­ми (а са­ме від дов­жи­ни, або ж ча­сто­ти, за­ле­жить те, який ко­лір ми ба­чи­мо) йти­муть із тро­хи рі­зни­ми швид­ко­стя­ми. Так, на ви­хо­ді з при­зми ім­пульс ні­би роз­тя­гу­є­ться, а йо­го по­ту­жність змен­шу­є­ться, бо ж те­пер енер­гія ні­би «роз­ма­за­на» по біль­шо­му об’єму. Та­кий ім­пульс мо­жна під­си­ли­ти, і при цьо­му сам ла­зер не зго­рить, а по­тім зі­бра­ти до­ку­пи всі скла­до­ві, пропу­стив­ши їх че­рез ди­фра­кцій­ну ґра­тку. До­во­лі про­ста ідея спри­чи­ни­ла справ­жню ре­во­лю­цію в ла­зер­них те­хно­ло­гі­ях.

Та не по­спі­шай­те ро­би­ти з фем­то­се­кун­дно­го ла­зе­ра зброю із «Зір­ки Смер­ті». Дов­жи­на са­мих ім­пуль­сів — кіль­ка фем­то­се­кунд, 10– с.

15 Уся ця скон­цен­тро­ва­на по­ту­жність де­ся­тків ти­сяч еле­ктро­стан­цій від­по­від­ає енер­гії ли­ше в кіль­ка Джо­у­лів, адже діє про­тя­гом фем­то­се­кунд. Для по­рів­ня­н­ня: щоб на­грі­ти літр во­ди ли­ше на один гра­дус, не­об­хі­дно 4200 Дж.

Не­мов над­тон­кий і то­чний скаль­пель, фем­то­се­кун­дний ла­зер мо­же ро­би­ти юве­лір­ні на­дрі­зи в ре­чо­ви­ні. Він зна­чно кра­ще під­хо­дить для опе­ра­цій на очах ніж, на­при­клад, на­но­се­кун­дні ла­зе­ри. Пе­та­ва­тний ім­пульс діє в міль­йон ра­зів мен­ше за ча­сом, ніж ім­пульс дов­жи­ною в на­но­се­кун­ди, і не всти­гає на­грі­ти й ура­зи­ти тка­ни­ни. Їхню ро­бо­ту мо­жна по­рів­ня­ти з уко­лом зви­чай­ним шпри­цом та уда­ром мо­ло­тком. Та­кож мо­жна по­кра­щи­ти си­сте­ми збе­рі­га­н­ня да­них, для чо­го ви­ко­ри­сто­ву­ва­ти не ли­ше їхні по­верх­ні, а й ство­ре­ні ла­зе­ром ді­ро­чки в об’ємі.

На­ра­зі Му­ру пра­цює над ще по­ту­жні­ши­ми ла­зе­ра­ми. У пла­нах — до­сяг­ти по­ту­жно­сті в 10 ПВТ і 100 ПВТ. Та­кі ла­зе­ри від­кри­ють две­рі до фі­зи­ки екс­тре­маль­них енер­гій. У їхньо­му фо­ку­сі мо­жна бу­де отри­му­ва­ти уль­тра ре­ля­ти­віст­ську пла­зму й те­плу щіль­ну ре­чо­ви­ну — ек­зо­ти­чний і ма­ло­до­слі­дже­ний вид ма­те­рії. Це збіль­шить мо­жли­во­сті ви­вча­ти про­це­си, що від­бу­ва­ли­ся в пер­ші се­кун­ди пі­сля по­яви Все­сві­ту, не ви­хо­дя­чи з ла­бо­ра­то­рії.

59-рі­чна ж Стрі­кленд до­слі­джує не­лі­ній­ну опти­ку й за­сто­су­ва­н­ня ла­зе­рів для лі­ку­ва­н­ня хво­роб кри­шта­ли­ка ока, на­при­клад прес­біо­пії, ко­ли лю­ди­на не мо­же сфо­к­усу­ва­ти­ся на дрі­бно­му текс­ті, роз­мі­ще­но­му по­бли­зу. Во­на ста­ла третьою жінкою в істо­рії, що здобула Но­бе­лів­ську пре­мію з фі­зи­ки. Ра­ні­ше її ви­да­ва­ли Марії Кюрі за до­слі­дже­н­ня радіоактивності, а та­кож Марії Ґепперт-маєр за вивчення оболонкової структури атомних ядер.

ДОН­НА СТРІ­КЛЕНД СТА­ЛА ТРЕТЬОЮ ЖІНКОЮ В ІСТО­РІЇ, ЩО ЗДОБУЛА НО­БЕ­ЛІВ­СЬКУ ПРЕ­МІЮ З ФІ­ЗИ­КИ. РА­НІ­ШЕ ЇЇ ВИ­ДА­ВА­ЛИ МАРІЇ КЮРІ ЗА ДО­СЛІ­ДЖЕ­Н­НЯ РАДІОАКТИВНОСТІ, А ТА­КОЖ МАРІЇ ҐЕППЕРТ-МАЄР ЗА ВИВЧЕННЯ ОБОЛОНКОВОЇ СТРУКТУРИ АТОМНИХ ЯДЕР

Пра­кти­чне за­сто­су­ва­н­ня. Три­ви­мір­ні го­ло­гра­ми

Як це пра­цює. Схе­ма ла­зер­но­го пін­це­та

Newspapers in Ukrainian

Newspapers from Ukraine

© PressReader. All rights reserved.