Лазер: открытая система с фазовым переходом

Можно ли любую лампу превратить в лазер, просто добавив к ней зеркала? Собственно, почти так оно и есть, однако следует подробнее рассмотреть один ключевой момент. Световые волны, испускаемые возбужденными электронами в обычной лампе, разбегаются прочь с такой быстротой, что другие электроны практически не имеют времени на то, чтобы поддержать колебания этих волн. Это значит, что вынужденное излучение состояться не может, и отдельные волновые цуги оказываются не в состоянии хоть сколько-нибудь «продлить себе жизнь». Лампа испускает самые различные волны таким образом, что они совершенно не зависят друг от друга. Зеркала в лазере предназначены для того, чтобы воспрепятствовать движущимся в осевом направлении волнам покинуть лазер — для того чтобы осталось достаточно времени для усиления волн посредством вынужденного излучения. Однако не существует зеркал, совершенных настолько, чтобы удержать свет в лазере вечно; кроме того, имеются и другие причины, по которым свет «теряется» (например рассеяние). Разумеется, при любом применении лазера часть света зеркала должны выпускать: в конце концов, лазерный свет нужен нам для того, чтобы что-нибудь им облучать.

Таким образом, задача генерации лазерного света становится задачей чисто количественной. Необходимо возбуждать световые электроны атомов газа с такой скоростью, чтобы они оказались в состоянии усиливать световые волны достаточно быстро и эффективно для того, чтобы компенсировать потери от несовершенства зеркал. Другими словами, мы должны постараться устроить все так, что потери энергии волн покрывались бы энергией, получаемой в результате вынужденного излучения. Итак, переход от света обычной лампы к лазерному свету происходит скачкообразно при повышении силы электрического тока, пропускаемого нами через газоразрядную трубку. Существует некое критическое значение силы тока, при котором состояние лазера радикально изменяется — даже в том случае, если ее изменение ничтожно мало. Работу лазера мы можем поддерживать единственным способом: постоянно снабжая его энергией (например в виде электрического тока). Одновременно лазер будет постоянно излучать энергию в виде лазерного света (не будем забывать и о тех неизбежных потерях энергии, которые уже упоминались). Лазер, таким образом, постоянно обменивается энергией с окружающим миром, а значит, является открытой системой. В то же время лазер является системой, чрезвычайно далекой от теплового равновесия — точно так же, как двигатель внутреннего сгорания.

Скачкообразное возникновение макроскопического состояния упорядоченности очень напоминает поведение ферромагнетика или сверхпроводника, при котором также возникают состояния с совершенно новыми физическими свойствами. Правда, эти системы находятся в состоянии теплового равновесия с окружающей средой, что и отличает их от нашего случая. Именно поэтому многие физики были поражены, когда мы в Штутгарте, одновременно с группой наших американских коллег, смогли установить, что фазовый переход в лазере демонстрирует все свойства, характерные для обычных фазовых переходов, в том числе критические флуктуации и нарушение симметрии. Таким образом, лазер стал как бы мостом между неживой и живой природой. Состояние упорядоченности в лазере поддерживается за счет процессов самоорганизации, протекающих благодаря притоку дополнительной энергии извне. Лазер — как и все биологические системы — система открытая.

Интересный мостик к физиологическим процессам выстраивается, прежде всего, в ходе исследований химических лазеров, где происходит своего рода обмен веществ. Химический лазер нуждается в водороде и фторе; эти вещества очень активно вступают в реакцию друг с другом. В результате между атомами водорода и фтора возникает новое «партнерство», причем химическая реакция протекает настолько бурно, что вызывает возбуждение световых электронов, а они, в свою очередь, генерируют лазерный свет уже знакомым нам способом.

В данном случае энергия создается в ходе химических реакций. Химическая энергия, высвобождаемая в виде тепла, преобразуется при этом в конечном счете в строго упорядоченную энергию синхронного движения волн лазерного света. Перед нами своего рода обмен веществ, при котором низкоуровневая энергия горения преобразуется в высокоуровневую энергию лазерного света. Нечто похожее происходит в двигателе, цилиндр которого наполнен газовой смесью. Тепловая энергия, распределенная по многим степеням свободы, преобразуется здесь в кинетическую энергию поршня, которая, собственно, и заставляет автомобиль двигаться. В дальнейшем мы еще не раз столкнемся с тем, что подобная трансформация микроскопических энергий в макроскопическую энергию с меньшим числом степеней свободы оказывается одним из основных принципов протекания биологических процессов.

Лазер можно заставить работать не только повышая силу тока и увеличивая тем самым частоту возбуждений отдельных электронов. Следует обратить внимание и на другой процесс, при котором мощность накачки остается прежней, но число атомов в лазере постоянно увеличивается. Исследования показывают, что до тех пор, пока количество атомов в лазере не достигает определенного значения, он действует в режиме обычной лампы, но как только число атомов увеличится до критического, возникает лазерный свет. В сущности, перед нами переход количества в качество.

Приведенные примеры показывают, что процессы самоорганизации могут быть запущены различными способами. В дальнейшем, обратившись к биологии, мы займемся этой темой подробнее.

^{Рис. 5.10. Между двумя зеркалами распространяются только совершенно определенные волны}

С другой стороны, мостик к биологии можно перебросить и на основе уже имеющихся примеров. Благодаря использованию зеркал в лазере мы создаем для атомов и генерируемых ими световых волн специфическую «окружающую среду». Физикам известно, что между двумя параллельными зеркалами могут существовать только совершенно определенные световые волны (рис. 5.10). Это означает, что изначально ясно, какие именно волны могут рассматриваться в качестве лазерных. Вполне может случиться так, что волны, «пользующиеся успехом» у световых электронов, окажутся неспособны распространяться между зеркалами. Однако это не приведет к отказу электронов от участия в генерации лазерного света; электроны просто выберут волну с такими характеристиками, которые окажутся ближе всего к «полюбившимся» им ранее волнам (правда, это срабатывает лишь до определенных пределов). При медленном изменении расстояния между зеркалами изменится, соответственно, и процесс испускания электронами лазерного света — электроны приспособятся к новой окружающей среде. Здесь может произойти нечто, достойное весьма пристального рассмотрения. Возможно, что новая волна между зеркалами окажется больше похожа на «предпочитаемую» электронами волну, чем на ту, которой электроны подчинялись и которую поддерживали до сего момента. В этом случае сначала отдельные электроны спонтанно, в виде флуктуации, отдадут новой волне свою энергию, а вскоре и все остальные электроны поддержат именно эту волну, полностью отказав в поддержке прежней: адаптация к новому «зеркальному окружению» прекратится посредством флуктуации.

В лазере, как и в жидкости, состояние макроскопической упорядоченности может быть достигнуто увеличением количества поступающей энергии. В случае с жидкостью мы повышаем температуру, получая в результате все более и более сложные структурные образования вплоть до возникновения турбулентности; то же и с лазером: при дальнейшем повышении мощности накачки лазер внезапно начинает испускать регулярные невообразимо короткие и интенсивные световые вспышки. Выходная мощность каждой вспышки при этом может быть сопоставима с мощностью всех вместе взятых электростанций США. Длительность же такой вспышки составляет всего триллионную долю секунды. Описанные световые вспышки, называемые также ультракороткими лазерными импульсами, возникают в результате кооперации множества различных волн. Конкуренция между ними прекращается, вытесненная общим мощным усилием. Кроме того, наша теория предсказывает, что лазеры способны генерировать еще один новый тип света — турбулентный свет, что открывает обширную новую область исследования для экспериментальной физики.

Спустя несколько лет после первой публикации этой книги турбулентный, или, как еще его называют, детерминистски-хаотический свет был открыт экспериментально, что блестяще подтвердило прогноз, основанный на нашей теории (см. также главу 12).