Страница 13 из 17
Мечта обуздать энергию излучения на самом деле совсем не нова; ее корни уходят в древнюю религию и мифологию. Греческий бог Зевс знаменит тем, что стрелял в смертных молниями. Северный бог Тор владел волшебным молотом, Мьеллниром, способным метать молнии, а индуистский бог Индра выстреливал энергетическим лучом из волшебного копья.
Представление о луче как реальном практическом оружии впервые появилось в работах великого греческого математика Архимеда, возможно, величайшего ученого античности, которому удалось разработать собственный вариант примитивного дифференциального исчисления за две тысячи лет до Ньютона и Лейбница. Считается, что в легендарном сражении 214 г. до н.э. против войска римского генерала Марцелла во время Второй Пунической войны Архимед, помогая защищать Сиракуз ское царство, соорудил большую батарею солнечных рефлекторов, сфокусировал солнечные лучи на парусах вражеских кораблей и таким образом поджег их. (Ученые до сих пор спорят, действительно ли такое лучевое оружие могло работать; несколько групп ученых пытались, с разными результатами, воспроизвести это достижение.)
Лучевые ружья ворвались на страницы научной фантастики в 1889 г. с классическим романом Герберта Уэллса «Война миров». В этом романе пришельцы с Марса уничтожали целые города, направляя на них лучи тепловой энергии из пушек, установленных на их треножниках. Во время Второй мировой войны нацисты[3], всегда готовые исследовать и взять на вооружение последние достижения техники, чтобы использовать их для завоевания мира, тоже экспериментировали с различными типами лучевых пушек, в том числе с акустическими устройствами, которые при помощи параболических зеркал фокусировали мощные звуковые лучи.
Оружие, представляющее собой сфокусированный световой луч[4], захватило воображение публики после выхода фильма «Голдфингер» про Джеймса Бонда; это был первый голливудский фильм, где фигурировал лазер. (В нем легендарного британского шпиона привязали к металлическому столу, и мощный лазерный луч медленно приближался к нему, постепенно расплавляя стол у него между ногами и угрожая разрезать героя пополам.)
Первоначально физики только посмеялись над идеей лучевых пушек, высказанной в романе Уэллса, поскольку такие пушки нарушали известные законы оптики. Согласно уравнениям Максвелла, свет, который мы видим вокруг, некогерентен (т.е. представляет собой мешанину из волн с различными частотами и фазами) и быстро рассеивается. Когда-то считалось, что когерентный, сфокусированный, однородный луч света — такой, как луч лазера, — получить невозможно.
Все изменилось после появления квантовой теории. Уже в начале XX в. стало ясно, что, хотя законы Ньютона и уравнения Максвелла весьма успешно описывают движение планет и поведение света, существует целый класс явлений, которые они объяснить не в силах. Как ни прискорбно, они ничего не говорили о том, почему материалы проводят электричество, почему металлы плавятся при определенных температурах, почему газы при нагревании излучают свет, почему некоторые вещества при низких температурах обретают сверхпроводимость. Чтобы ответить на любой из этих вопросов, необходимо понимать внутреннюю динамику атомов. Назрела революция. Ньютонова физика после 250 лет владычества ждала своего ниспровержения; одновременно крушение старого кумира должно было возвестить о начале родовых схваток новой физики.
В 1900 г. Макс Планк в Германии высказал предположение о том, что энергия не непрерывна, как считал Ньютон, но существует в виде маленьких дискретных «порций», получивших название «квантов». Затем в 1905 г. Эйнштейн постулировал, что свет тоже состоит из этих крошечных дискретных пакетов (или квантов), позже названных фотонами. При помощи этой простой, но мощной идеи Эйнштейн сумел объяснить фотоэлектрический эффект, а именно почему металлы при облучении светом испускают электроны. Сегодня фотоэлектрический эффект и фотон служат основой для телевидения, лазеров, солнечных батарей и значительной части современной электроники. (Эйнштейнова теория фотона была настолько революционной, что даже Макс Планк, обычно горячо выступавший в поддержку Эйнштейна, поначалу не мог поверить в нее. Планк писал об Эйнштейне: «Тот факт, что иногда он промахивается... как, к примеру, получилось у него с гипотезой световых квантов, нельзя, по совести, ставить ему в вину».)
Затем в 1913 г. датский физик Нильс Бор дал нам совершенно новую картину атома; атом у Бора напоминал миниатюрную солнечную систему. Но, в отличие от настоящей Солнечной системы электроны в атоме могут двигаться вокруг ядра только в пределах дискретных орбит или оболочек. Когда электрон «перепрыгивает» с одной оболочки на другую, более близкую к ядру и обладающую меньшей энергией, он испускает фотон энергии. И наоборот, когда электрон поглощает фотон с определенной энергией, он «прыгает» выше, на оболочку, расположенную дальше от ядра и обладающую большей энергией.
В 1925 г., с появлением квантовой механики и революционных работ Эрвина Шрёдингера, Вернера Гейзенберга и многих других, родилась почти полная теория атома. Согласно квантовой теории электрон представлял собой частицу, но обладал также ассоциированной волной, что придавало ему одновременно свойства частицы и волны. Волна эта подчинялась так называемому волновому уравнению Шрёдингера, позволявшему рассчитать свойства атома, включая все постулированные Бором «прыжки» электронов.
До 1925 г. атомы считались загадочными объектами; многие, подобно философу Эрнсту Маху, вообще не верили в их существование. После 1925 г. у человека появилась возможность не только заглянуть глубоко в динамику атома, но и вполне достоверно предсказать его свойства. Как ни поразительно, это означало, что, имея под рукой достаточно мощный компьютер, можно вывести свойства химических элементов непосредственно из законов квантовой теории. Точно так же, как ньютонова физика при наличии достаточно большой вычислительной машины позволила бы ученым рассчитать движение всех небесных тел вселенной, квантовая физика, по утверждениям ученых, давала принципиальную возможность рассчитать все без исключения свойства химических элементов Вселенной. Кроме того, имея достаточно мощный компьютер, можно было бы составить полную волновую функцию человеческого существа.
В 1953 г. профессор Чарльз Таунс из Университета Калифорнии в Беркли сумел вместе с коллегами получить первый пучок когерентного излучения, а именно микроволн. Устройство назвали мазером (maser — по первым буквам слов фразы «microwave amplification through stimulated emission of radiation», т.е. «усиление микроволн через стимуляцию излучения».) Позже, в 1964 г., Таунс вместе с русскими физиками Николаем Басовым и Александром Прохоровым получил Нобелевскую премию. Вскоре результаты ученых были распространены и на видимый свет. Так родился лазер. (А вот фазер — это фантастическое устройство, получившее известность благодаря сериалу «Звездный путь».)
Основой лазера служит особая среда, которая собственно и будет передавать лазерный луч; это может быть специальный газ, кристалл или диод. Затем нужно закачать в эту среду энергию извне — при помощи электричества, радиоволн, света или химической реакции. Неожиданный приток энергии возбуждает атомы среды, заставляя электроны поглощать энергию и перепрыгивать на более высокоэнергетичные внешние электронные оболочки.
В таком возбужденном, накачанном состоянии среда становится нестабильной. Если после этого направить сквозь нее луч света, то фотоны луча, сталкиваясь с атомами, вызовут внезапное сваливание электронов на более низкие орбиты и высвобождение при этом дополнительных фотонов. Эти фотоны, в свою очередь, заставят еще большее число электронов испустить фотоны — и вскоре начнется цепная реакция «схлопывания» атомов до невозбужденного состояния с практически одновременным высвобождением громадного количества фотонов — триллионов и триллионов их — все в тот же луч. Принципиальная особенность этого процесса состоит в том, что в некоторых веществах при лавинообразном высвобождении все фотоны вибрируют в унисон, т. е. когерентны.
3
Кроме того, нацисты направили экспедицию в Индию для исследования некоторых мифологических утверждений индуизма (примерно как в сюжете фильма «Искатели утраченного ковчега»). Нацистов очень интересовало описанное в «Махабхарате» странное и весьма мощное оружие, в том числе летательный аппарат.
4
Подобные фильмы стали также причиной распространения множества ложных представлений о лазерах. На самом деле лазерный луч невидим; видимым он становится только в том случае, если рассеивается частицами пыли в воздухе. Поэтому когда Тому Крузу в фильме «Миссия невыполнима» приходится пробираться сквозь паутину лазерных лучей, лучи эти по идее должны были бы быть невидимыми, а не красными, как в фильме. Кроме того, во многих кинематографических сражениях с применением лучевого оружия мы видим, как лазерный импульс летит через комнату — а это невозможно, поскольку свет лазера движется, понятно, со скоростью света 300 000 км/с.