Квант. Путеводитель для запутавшихся

Отличная идея ищет применение

Именно так физики отнеслись к лазеру, когда он был изобретен в 1958 году. Сегодня лазер применяется во множестве сфер, от строительства кораблей до глазной хирургии, работы CD-плееров и кассовых аппаратов. Но его действие не ограничивается испусканием мощного пучка света. Физика лазера представляет собой чистую квантовую механику. В отличие от микрочипа, который во многом основывается на свойствах электронов и их строгом подчинении принципу исключения, лазер полагается на товарищество и кооперацию фотонов.

Когда электрон получает энергию, поглощая фотон, он получает возможность перепрыгнуть на более высокую атомную орбиту. Разница в энергии между двумя орбитами равняется энергии поглощенного фотона, которая, в свою очередь, зависит от его частоты согласно формуле Планка. Вскоре после этого «возбужденный» электрон спонтанно опускается обратно, испуская фотон той же самой энергии. Этот процесс называется спонтанным излучением и лежит в основе работы электрической лампочки. Идущий по вольфрамовой нити ток нагревает ее, заставляя электроны атомов вольфрама набирать энергию и в возбужденном состоянии перескакивать на более высокие орбиты. Снова падая обратно, они испускают фотоны широкого диапазона частот, включая и те, что находятся в видимом световом спектре.

Лазер работает иначе. Если не позволять электрону самому упасть на изначальный уровень, а стимулировать его к этому путем столкновения с входящим фотоном, на выходе мы получим два фотона – оригинальный и новый, испущенный электроном. Два этих фотона затем могут подталкивать к падению и другие возбужденные электроны, которые будут выпускать все новые и новые фотоны, что в некотором роде будет напоминать цепную реакцию. Этот процесс называется вынужденным излучением и дает название лазеру (акроним от англ. light amplification by stimulated emission of radiation – усиление света посредством вынужденного излучения).

Будучи бозонами, вылетающие фотоны пребывают в том же квантовом состоянии, что и налетающие фотоны. У них одинаковая длина волны, они находятся в одной фазе и движутся в одном направлении. В связи с этим свет лазера считается когерентным[64]. Он может обладать очень высокой интенсивностью и фокусироваться в узкий пучок.

Первый лазер был создан в 1960 году, и с тех пор ему было найдено множество применений. Лазеры могут сваривать, разрезать и плавить. Их можно найти на автомобильных конвейерах и в текстильной промышленности. С их помощью можно проверять, ровно ли проложены каналы, и точно подгонять друг под друга крупные детали тяжелой промышленности. Их точные длины волн можно настроить и применять в областях вроде интерферометрии для сверхточного измерения длин. (К примеру, лазеры использовались для определения расстояния от Земли до Луны с точностью до нескольких сантиметров.) Они также используются для создания голограмм – трехмерных изображений с широким спектром применения, в том числе, возможно, даже в качестве невероятно эффективных устройств для хранения информации.

Лазеры также можно изготовить из полупроводниковых диодов способом, который напоминает производство светодиодов. Эти дешевые и сердитые твердотельные лазеры характеризуются стойкостью и надежностью, а по размерам сравнимы с песчинкой. Сегодня такие устройства используются в коммуникациях для передачи света по оптоволокну, а также в CD – и DVD-плеерах и кассовых аппаратах, где они сканируют штрихкоды.

В отличие от обычного света, излучаемого фонариком, который представляет собой путаницу электромагнитных волн множества различных длин, распространяющихся во всех направлениях, свет лазера очень упорядочен. Все волны имеют одинаковую длину, соответствующую характерной частоте испускающих их атомов. Свету лазера также свойственна высокая интенсивность из-за процесса амплификации. Кроме того, он не рассеивается после испускания, благодаря чему им можно светить на очень длинные расстояния.

Благодаря своей способности фокусировать энергетические фотоны с такой выдающейся точностью, лазеры также нашли широкое применение в компьютерной промышленности. Они используются в процессе, называемом фотолитографией, чтобы вытравливать бороздки интегральных микросхем на кремниевых чипах.

Лазерная фиброоптика скоро станет обычным способом передачи информации по миру – именно в ней и заключается будущее Интернета. Мы почти достигли того момента, когда наше интерактивное телевидение и компьютеры сольются воедино. Сейчас уже можно скачивать фильмы из Интернета и смотреть их на компьютере. Оптоволоконные кабели, передающие лазерный свет, скоро смогут менее чем за секунду переносить миллиарды бит информации, что эквивалентно объему всех произведений Уильяма Шекспира![65]

Возможно, примечательнее всего здесь то, что лазеры сегодня можно использовать для контроля отдельных атомов различными способами, открывающими совершенно новую сферу квантовой технологии, которая будет описана в последней главе.