Квантовая электроника

admin Рубрика: Оптимизм
Комментарии к записи Квантовая электроника отключены
.

Рп(‘.смотрим научно-технические тенденции, которые заставляют несколько развить и уточнить ранее сформулированную характеристику второй половины XX в. Атомная энергетика теснейшим образом связана с теорией относительности и сама по себе может дать основание назвать новую, вырастающую на наших глазах цивилизацию релятивистской цивилизацией. Другое фундаментальное направление современной научной мысли — квантовая физика — также связана с атомной энергетикой. Процессы, приводящие к делению и синтезу ядер, могут быть поняты лишь с помощью квантовых представлений.

Столь же тесная и, может быть, еще более явная связь соединяет квантовую физику с резонансами атомной энергетики. Квантовая электроника является определяющей линией перестройки промышленной технологии и связи в прогнозе на 2000 г. Как уже говорилось, эта условная дата означает существование некоторого комплекса связанных друг с другом научных, экономических и культурных проектировок. Для энергетики такая проектировка состоит в превращении атомных станций в основную составляющую энергетического баланса. Для промышленной технологии и связи общий приуроченный к 2000 г. комплекс исходит из превращения электроники в основную базу преобразования этих отраслей. Подобный прогноз опирается не только на тенденции теоретической физики. Он опирается и на возможности физического эксперимента, которые появятся в 70—80-е годы.
С этой стороны мы и подойдем к квантовой электронике.
После того как Максвелл отождествил свет с электромагнитными колебаниями, были открыты различные по частоте излучения. Излучения с наименьшей частотой применяются для передачи радиосигналов. Гораздо большей частотой (и соответственно меньшей длиной волны) отличаются тепловые, инфракрасные лучи, еще большей частотой — видимые лучи, свет в более узком смысле, занимающий диапазон от наибольшей частоты фиолетовых лучей до наименьшей в видимой части спектра частоты красных лучей. Излучение еще большей частоты, чем фиолетовый свет, уже не воспринимается глазом. Оно называется ультрафиолетовым излучением. Еще короче волны и еще больше частота рентгеновского излучения. Наиболее высокочастотное электромагнитное излучение — это гамма-лучи, испускаемые, в частности, ядрами атомов при некоторых ядерных реакциях.
В 1900 г. Планк открыл, что вещество излучает электромагнитные волны дискретными минимальными порциями. Энергия излучения не может возрастать сколь угодно малыми приращениями, она всегда является кратной минимальным порциям, которые получили название квантов. Но Планк вовсе не думал, что электромагнитное поле состоит из отдельных частиц, он предположил только, что это поле излучается наименьшими, далее неделимыми порциями — квантами и такими же квантами электромагнитные волны поглощаются. Отсюда еще не следует, что само электромагнитное поле состоит из неделимых частиц. Как писал Филипп Франк: «Если пиво всегда продают в бутылках, содержащих пинту, отсюда вовсе не следует, что пиво в бочонке состоит из неделимых частей, равных пинте»!. Весьма парадоксальное предположение о дискретности самого электромагнитного поля было высказано в 1905 г. Эйнштейном. В сущности, уже в этом предположении содержалась, как в зародыше, наиболее парадоксальная идея неклассической физики: свет, который является волнами континуальной среды (это доказывается интерференцией, исчезновением света там, где гребни волн одного луча совпадают с провалами другого луча, и усилением света там, где гребни одного луча совпадают с гребнями другого), вместе с тем оказывается множеством дискретных частиц. Эти частицы Эйнштейн назвал квантами света, а впоследствии они получили название фотонов. Если перейти от корпускулярной картины фотонов к континуальной картине электромагнитных колебаний, то энергия фотона соответствует частоте колебаний, она пропорциональна частоте.
Вскоре квантовая теория света пересеклась в своем развитии с теорией атома. В 1915 г. Бор создал модель атома, в котором вокруг ядра обращаются электроны, при переходе которых с одной орбиты на другую атом излучает электромагнитные волны той или иной частоты, иначе говоря, фотоны той или иной энергии. [49]
Ближайшей к ядру орбите соответствует наименьшая энергия, более отдаленным орбитам соответствуют еще большие энергии. Когда атом поглощает свет (имеется в виду не только видимый свет, но и электромагнитное излучение других типов), электроны переходят на орбиты с большей энергией, энергия атома возрастает за счет поглощенных фотонов. Когда атом излучает фотоны, электроны переходят на орбиты с меньшей энергией, энергия атома уменьшается. По энергии излучения, иначе говоря, по его частоте можно судить о том, что происходит в атоме. Частоты излучения образуют спектр излучения.
В начале нашего столетия было накоплено очень много данных о спектрах излучения атомов различных элементов. В 1913 г. Бор охватил все это множество наблюдений единой картиной дискретного излучения атомов. Мысль о дискретных уровнях энергии и соответственно о дискретной иерархии орбит, допускающих лишь скачки от одной орбиты к другой, могла быть высказана лишь на основе гениальной интуиции. Такова оценка модели Бора в автобиографических заметках Эйнштейна. Квантование орбит, т. е. выделение дискретных «разрешенных» орбит и дискретных уровней энергии, нельзя было вывести из более общего принципа. «Мне всегда казалось чудом, — пишет Эйнштейн, — что этой колеблющейся и полной противоречий основы оказалось достаточно, чтобы позволить Бору — человеку с гениальной интуицией и тонким чутьем — найти главнейшие законы спектральных линий и электронных оболочек атомов, включая их значение для химии. Это кажется мне чудом и теперь. Это — наивысшая музыкальность в области мысли»[50].
В 20-е годы дискретность уровней энергии атома и электронных орбит получила строгое обоснование. Если Эйнштейн в 1905 г. обнаружил корпускулярные свойства электромагнитного поля, то Луи де Бройль в 1923–1924 гг. пришел к мысли о волновых свойствах частиц, прежде всего электронов. Вскоре после этого, в 1926 г., Шредингер предложил уравнение, где некоторая величина — волновая функция — непрерывно меняется при переходе от одной точки пространства к другой и от одного момента времени к другому моменту, подобно тому как от точки к точке и от мгновения к мгновению меняются уровень воды в волнующемся море, плотность воздуха при распространении звука или напряженность электромагнитного поля. Но уравнение Шредингера определяет не распространение смещений или деформаций в какой-то среде. Оно определяет движение электрона или другой частицы вещества. Что же означает континуальная величина — волновая функция, если рассматривать корпускулярную картину — картину движущихся частиц? Ответ на этот вопрос был дан Максом Борном. Он рассматривает волновую функцию как меру вероятности найти электрон в данной точке в данный момент. Эта величина колеблется, и для каждой точки и момента мы получаем с помощью уравнения Шредингера значение амплитуды колебаний. По этой амплитуде можно судить о вероятности пребывания электрона в той точке и в тот момент, для которых вычислена амплитуда.
Разумеется, это самый радикальный переворот в характере физического мышления. Для классической науки природа подчинялась системе точных закономерностей, определяющих однозначным образом положение каждой частицы в любой момент времени. Идеал научного исследования состоял в максимально точном отображении таких однозначных локализаций частиц в пространстве-времени. Презумпция классической науки состоит в возможности сколь угодно близко подойти к объективным точным значениям положения частицы и ее импульса в любой момент. Оказывается, в природе нет однозначно определенных пространственно-временных локализаций и импульсов частиц. Идеалом является точное определение не самой локализации частицы и ее динамических переменных в целом, а лишь точное определение вероятности этих динамических переменных. Стремление к классическому идеалу вело науку к новым представлениям и воплощалось в практические применения, которые сами становились движущей силой научного прогресса. Теперь стремление к неклассическому идеалу ведет науку к новым представлениям о пространстве, времени, движении, веществе, эволюции Вселенной и эволюции жизни. Эти представления воплощаются в новые звенья технического прогресса, и эти звенья становятся исходными импульсами для дальнейшего развития науки.
Приведем следующий пример. В ядерной физике рассматривается такая ситуация, когда частица, чтобы приблизиться к ядру атома, должна преодолеть сильное отталкивайие, должна преодолеть потенциальный барьер, больший, чем ее кинетическая энергия. Это так же невозможно, как невозможно для шара, скатившегося с холма, взобраться на вершину более высокого холма и перекатиться через его вершину. Невозможно с классической точки зрения. В квантовой физике речь идет о вероятностях, и невозможность оказывается малой вероятностью проникновения частицы в атомное ядро. Но при бомбардировке большим числом частиц такие маловероятные проникновения будут иметь место, причем они вызовут ядерные реакции, чрезвычайно важные для новой неклассической техники.
Нечто аналогичное происходит и в других областях. Технически применимые процессы (и тем более процессы, которые в принципе, пока еще неопределенным образом, могут оказаться применимыми в будущем) нельзя найти, если не перейти к квантовым неклассическим представлениям.
В 40-е годы радиотехника вплотную подошла к задачам, которые нельзя было решить без квантовых представлений. В обычных радиоприемниках прием передачи затрудняется изменением частоты, «наползанием» одной станции на другую, вообще тем обстоятельством, что «спектральная линия» радиопередатчика широка, т. е. интервал частот очень велик.
Многие применения радиотехники (в их числе — наиболее перспективные, определяющие будущее) требуют, чтобы интервал частот электромагнитных колебаний при радиопередаче был очень узким, чтобы радиостанции не мешали друг другу при одновременной работе. В спектроскопии существует представление о монохроматическом свете с очень узкой спектральной полосой. Теперь понятия спектроскопии проникли в радиофизику. Оказалось, что. при разработке новых методов получения весьма монохроматических и стабильных по частоте колебаний нужно пользоваться понятиями квантовой физики. Дело в том, что широкие интервалы частот объясняются макроскопическим характером передатчиков. Этот макроскопический характер радиотехники заслоняет дискретный характер излучения, существование отдельных квантов электромагнитного поля. В 50-е годы стали подходить к очень слабым сигналам, представляющим собой весьма стабильные по частоте волны с очень малым разбросом частот. Их научились усиливать. Но теория таких сигналов оказалась в значительной мере за пределами классической физики. За ее пределами оказались новые принципы генерации когерентного излучения квантовых систем, которое имеет не только одну и ту же частоту, но и одну й ту же фазу в каждый момент.
Ключом к получению монохроматического и когерентного излучения были созданные в середине 50-х годов приборы, основанные на индуцированных переходах атомных систем с одних энергетических уровней на другие. Теория таких переходов — квантовая теория. Она вытекает из модели Бора, а сами переходы были предсказаны Эйнштейном. Речь идет о так называемом индуцированном излучении. В 1916 г. Эйнштейн опубликовал статью «Испускание и поглощение излучения по квантовой теории» [51]. В ней речь идет о квантовой системе, т. е. системе частиц, которая испускает и поглощает кванты излучения, изменяя свою структуру. В качестве конкретного примера квантовой системы можно взять атом, состоящий из ядра и электронов и обладающий двумя уровнями энергии. Эти уровни можно представить себе как две электронные орбиты, одна из которых ближе к ядру (нижний уровень), а другая дальше от него (верхний уровень). Разумеется, можно было бы взять не атом, а молекулу, которая при одной конфигурации атомов обладает более высокой, а при другой — меньшей энергией. Но мы будем пока рассматривать в качестве примера излучения не молекулы, а атома.
Переходы электронов с одного уровня на другой могут быть спонтанными, но могут быть вызваны и действием излучения, потока фотонов. Существует двоякое взаимодействие атома с излучением. В одном случае фотон просто поглощается атомом, а в другом — атом излучает новый фотон. В 1927 г. Дирак заметил, что новый фотон неотличим от старого, он обладает той же энергией и тем же направлением. Если на верхнем уровне находится большое число электронов, они все синхронно переходят на более низкий уровень и тогда излучаются фотоны той же энергии и того же направления, но таких фотонов будет больше, чем в падающем излучении. Таким образом, создается возможность усиления излучения-за счет индуцированного излучения квантовых систем. Подобная возможность реализована в лазерах (название «laser» составлено из начальных букв английского названия эффекта: light amplification by stimulated emission of radiation — усиление света вынужденным излучением).
Лазеры — это приборы, основанные на принципе индуцированного излучения в оптическом диапазоне. Этим они отличаются от мазеров, использующих такое излучение в радиодиапазоне и представляющих собой другую ветвь квантовой электроники. Применение индуцированного излучения в оптическом диапазоне ближе и более явным образом связано с неклассической физикой, с квантовыми представлениями, чем в радиодиапазоне.
В чем же состоят особенности этого светового луча, усиленного вынужденным, индуцированным излучением, позволяющие видеть в нем провозвестника новой эпохи научного и технического прогресса?
Это прежде всего узкая полоса частот, высокая монохроматичность излучения. Далее, когерентность — тот факт, что вынужденное, индуцированное излучение разных атомов происходит согласованно, в одной фазе. Лазер позволяет получить мощное монохроматическое излучение. Свойством лазерного луча является его острая направленность, тот факт, что луч лазера не расширяется, вернее, очень мало расширяется. Лазер может давать пучок света большой мощности и высокой направленности излучения[52].
В этой книге последовательно, с различных сторон раскрывается концепция начальных условий и ноозон. Общая тенденция неклассической науки и ее применений состоит в переходе за пределы классической иерархии дискретных частей вещества. Эта классическая иерархия оканчивалась, с одной стороны, атомами, перегруппировка которых создает разнообразие химических соединений, а с другой — механикой небесных тел. Ноозоной этой иерархии были перегруппировки атомов в молекулах в макроскопических масштабах, т. е. химические процессы и движения макроскопических тел в узком слое литосферы, гидросферы и атмосферы. В этом слое и создалась то, что В. И. Вернадский назвал ноосферой. Ноосфера, т. е. совокупность скомпонованных макроскопических структур, охватывала очень небольшой интервал атомных, молекулярных и макроскопических процессов. Этот интервал был ограничен небольшими концентрациями энергии.
Наряду с ноозоной иерархии дискретных частей вещества существовала ноозона континуальных процессов. Это совокупность целесообразно скомпонованных гидродинамических процессов, тепловых потоков и других перебросок энергии (электрический ток), включая радиосигналы, акустические и оптические явления. Здесь атомистические представления, констатации существования атомов и молекул не были существенными для целесообразной компоновки макроскопических процессов. Атомистические представления не фигурировали в качестве целевых представлений, определяющих выбор тех или иных начальных условий. В свою очередь конкретные представления, определяющие ноозоны дискретной иерархии, не включали континуальных концепций. Целесообразная компоновка дискретных тел могла игнорировать континуальную картину мира, а компоновка континуальных процессов — атомистическую.
Классическая иерархия дискретных частей вещества оканчивается атомным миром, где дискретные элементы атома обладают явными и существенными волновыми, континуальными свойствами. Классическая иерархия континуальных процессов оканчивается там, где излучения обладают явными и существенными корпускулярными свойствами. Неклассические зоны находятся в ультра-микроскопических порах классической иерархии, и они же объемлют ее: когда речь идет о возникновении и гибели звезд и галактик, наука уже не может обойтись без неклассических представлений.
Научно-техническая революция XX столетия состояла в выходе ноозон за пределы классической иерархии. Ноо-зоны дискретного мира и ноозоны континуального мира потеряли свою независимость. Корпускулярно-волновой дуализм стал не только физическим, но и физико-техническим принципом. Неклассическая модель, где корпускулярные и волновые характеристики неотделимы друг от друга, это уже не только констатация того, что происходит в мире, но и целевая модель, определяющая активные воздействия разума на ход объективных процессов. Конкретная история и предыстория атомной энергетики и квантовой электроники показывает, что ни один из этих основных фарватеров современной научно-технической революции не мог появиться без заранее сформулированных существенно неклассических моделей, в одном случае модели ядерного деления или синтеза, а в другом — переходов квантовых систем на более высокие уровни и индуцированного излучения фотонов той же энергии. Когда цель — отличие труда от стихийных процессов — может быть сформулирована лишь в виде существенно неклассической модели, последняя приобретает не только физическое, но и физико-техническое бытие, характеризует не только сущее, но и должное, входит в область, где применимы понятия «лучше» и «хуже», понятия оптимума и оптимизма.
Деление атома — совокупность процессов, объясняющих этот эффект, — неклассическая зона, продолжающая дискретную иерархию, зона, где дискретные представления уже не могут существовать без синтеза с волновыми. Индуцированное излучение — это неклассическая зона иерахии континуальных представлений, где волновая картина невозможна без дискретного, корпускулярного аспекта.
Отметим еще, что в квантовой электронике — ноозоне электромагнитного спектра — мы видим связь между широтой, общностью и неклассичностыо новых идеальных физических схем, с одной стороны, и ускорением научно-технического прогресса — с другой.
Посмотрим теперь, что означают перечисленные особенности лазерного луча (оставляя в стороне другие, быть может столь же существенные, особенности) для применения лазеров. Мы постараемся разграничить воздействие такого применения, во-первых, на ускорение технического прогресса и, во-вторых, на неопределенное, не имеющее количественного выражения возрастание ускорения технического прогресса.
Лазер может резко изменить систему связи и передачи информации. Уже давно радиосвязь переходит от длинных волн ко все более коротким. Это позволяет по одной линии связи передавать, например, большее число телефонных разговоров, радиосообщений, телевизионных программ и т. д. Объем передаваемой информации растет очень быстро при переходе от диапазона сантиметровых волн к во много раз более коротким волнам оптического диапазона.
Далее, лазеры в будущем смогут значительно увеличить эффект счетно-решающих и управляющих машин. Здесь тоже речь идет по существу об информации. Сложные счетные машины могут быть более эффективными и быстродействующими при такой скорости передачи информации от одного элемента счетной машины к другому, которая доступна лазеру.
Одной из наиболее важных тенденций технического прогресса в последней четверти нашего столетия будет распространение лазеров в область промышленной технологии. По-видимому, механические методы обработки металлов и других материалов уступят первенство лазерным лучам. Тонкий, монохроматический и в то же время мощный лазерный луч позволяет довести размеры деталей и точность этих размеров до нескольких микронов. Квантовая электроника открывает, кроме того, возможность очень глубокой перегруппировки молекул в кристаллических решетках и атомов в молекулах. Такая перегруппировка может дать сверхтвердые детали, сверхтвердые поверхности. Поэтому совершенствование лазеров является источником широкой реконструкции, охватывающей все основные технологические отрасли. Квантовая электроника находится только в начале инженерного воплощения той идеальной физической схемы, которая вытекала из идеи, высказанной в 1916 г. Эйнштейном, и приобрела конкретные формы в середине столетия. Можно представить себе, что за оставшиеся до конца века десятилетия появятся лазеры, превращающие энергию самых различных рассредоточенных источников в энергию, концентрированную в сколь угодно мощные направленные потоки когерентных электромагнитных волн. Расширится диапазон лазерного излучения, будут созданы лазеры, работающие в новых диапазонах. Быть может, лазерные лучи, достигнув большой мощности, заменят в будущем металлические провода при передаче электроэнергии.
Теперь отметим существенную обратную связь научного прогресса с индуцируемым им техническим прогрессом. В квантовой электронике мы видим очень мощное и перспективное воздействие технического воплощения физических идей на развитие самих этих идей. Лазеры могут стать эффективным средством эксперимента для разработки фундаментальных проблем. Тот факт, что экспериментальные установки в квантовой электронике отделены от практически применимых очень небольшим интервалом, увеличивает сумму интеллектуальных и материальных усилий, направляемых человечеством в эту область. В последнем счете это приближает решение фундаментальных проблем. В одной из следующих глав этой книги при анализе указанных проблем мы увидим, что их решение связано со все более точным отсчетом пространственных и временных интервалов в ультрамикроскопических и космических пространственно-временных областях. Лазерное излучение позволяет измерять время и пространство с очень большой точностью. Не исключено, что такие измерения позволят пролить свет па структуру Вселенной и на процессы, происходящие в ультрамикроскопических (может быть, минимальных, далее неделимых) пространственно-временных клетках.
Квантовая электроника является частью более общего направления современного научного прогресса. Современная наука все глубже изучает потоки частиц различного типа, которые она рассматривает как кванты различных по своей природе полей. Уже в 1905 г. выяснилось, что электромагнитные поля представляют собой потоки фотонов. Как уже говорилось, двадцать лет спустя де Бройль нашел, что электроны, ноторые являются дискретными частицами, обладают волновыми свойствами и некоторые закономерности их поведения можно обнаружить, рассматривая электроны как средоточия колебаний другого, уже не электромагнитного поля. Эти волны де Бройля интерферируют, как и всякие другие волны: там, где на экран попадают гребни двух волн, интенсивность света возрастает, а там, где гребень одной волны совпадает с впадиной другой волны, свет исчезает и такие точки образуют на экране темную интерференционную полосу. Волны дифрагируют; дифракция состоит в изменении их фронта, когда волны огибают края помещенного перед ними тела, или в изменении первоначального направления при проходе сквозь узкое отверстие. Двойная корпускулярно-волновая природа электрона была использована при создании электронного микроскопа, позволяющего увидеть такие детали структуры и поведения вещества, которые недоступны оптическому микроскопу.
Впоследствии было открыто большое число элементарных частиц различных типов (помимо тех, о которых нам уже известно из этой книги) и соответственно большое число волновых полей, средоточиями которых служат эти частицы. Современная техника использует потоки этих частиц в технологии и в медицине; эксперимент пользуется ими для изучения атомных ядер, атомов, молекул и клеток; астрономия и астрофизика исследуют эти излучения, чтобы определить строение и проследить эволюцию звезд, галактик и Метагалактики.
Мы можем считать растущее изучение и применение мощных излучений различной природы основным (наряду с использованием цепных ядерных реакций) направлением научно-технического прогресса в атомном веке.

« »

Comments are closed.