В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность

Когда Эйнштейн в 1916 году исследовал такие процессы и выводил статистическое обоснование квантовой теории, которую он впоследствии счел столь неприятной, он понял, что есть и другая возможность. Возбужденный атом можно заставить испустить лишнюю энергию и вернуться на основной уровень, если его подтолкнуть, так сказать, пролетающим мимо фотоном. Этот процесс называется вынужденным излучением и совершается только в том случае, если пролетающий фотон обладает ровно той же длиной волны, что и тот, который готов испустить атом. Подобно каскаду нейтронов, которые задействованы в цепной реакции ядерного деления, мы можем представить массив возбужденных атомов и всего один фотон с правильной длиной волны, который стимулирует один атом к излучению, после чего оригинальный фотон вместе с новым стимулируют к излучению еще два атома, четыре фотона стимулируют еще четыре атома и так далее. В результате получается каскад излучения, частота которого в точности совпадает. Более того, учитывая способ, которым запускается излучение, все волны точно синхронны друг другу: они вместе поднимаются «вверх», на гребень волны, и опускаются «вниз», в провал волны, создавая очень чистый пучок когерентного излучения. Так как ни один из гребней и провалов такого излучения не уничтожает другой, вся энергия, выпущенная атомами, остается в пучке и может передаваться на маленькую область вещества, куда направлен этот пучок.

Когда группа атомов или молекул возбуждается теплом, они заполняют диапазон энергетических уровней и, брошенные на произвол судьбы, излучают энергию с разными длинами волн беспорядочным и некогерентным образом. В таком процессе эффективной энергии гораздо меньше, чем энергии, которую испустили атомы и молекулы. Однако существуют способы выборочного заполнения узкой полосы энергетических уровней, с тем чтобы затем вызвать возврат возбужденных атомов на этой полосе на основной уровень. Катализатором для этого каскада является слабое внешнее излучение правильной частоты. На выходе получается гораздо более сильный пучок, имеющий ту же частоту. Эти методы были впервые разработаны в конце 1940-х годов независимо командами в США и СССР с использованием радиочастотного излучения с длиной волны от 1 до 30 сантиметров, которое называется микроволновым излучением. В 1954 году первооткрыватели получили за свою работу Нобелевскую премию. Поскольку излучение на этом участке называется микроволновым излучением, а также из-за того, что процесс включает в себя усиление радиоволн индуцированным излучением в соответствии с идеями Эйнштейна 1917 года, первооткрыватели использовали акроним МАЗЕР (от microwawe

amplification by

stimulated emission

of radiation

- «усиление микроволн с помощью индуцированного излучения»).

Потребовалось еще десять лет, чтобы найти способ, при котором этот трюк работал бы для оптических частот излучения, но в 1957 году почти одновременно эта идея пришла в голову двум людям. Одним из них (судя по всему, первым) был студент Колумбийского университета Гордон Гулд, а вторым - один из пионеров мазера Чарлз Таунс, который получил часть Нобелевской премии 1964 года. Спор о том, кто именно что и когда открыл, лег в основу судебной баталии за патент, так как лазеры, оптический эквивалент мазеров (от light amplification... т. e. «усиление света.»), теперь стали очень прибыльным изобретением. Впрочем, нас, к счастью, не слишком волнуют юридические тяжбы. Сегодня существует несколько типов лазера, и самым простым из них является твердотельный лазер с оптической накачкой.

В таком лазере небольшой стержень материала (например, рубина) обтачивается и полируется для получения плоской грани, а затем окружается ярким источником света - газоразрядной трубкой, которая может быстро включаться и выключаться, создавая световые импульсы, обладающие достаточной энергией, чтобы возбуждать атомы стержня. Весь прибор охлаждается, чтобы удостовериться в минимальном влиянии теплового возбуждения на атомы стержня, и яркие вспышки лампы используются для того, чтобы стимулировать (или накачивать) атомы до возбужденного состояния. Когда лазер запущен, с плоской грани стержня испускается импульс чистого рубинового света, в котором содержатся тысячи ватт энергии.