Kaip galima sukurti medžiagą iš nieko, o safyrą taip susprogdinti, kad atsirastų plazma: viskas prasidėjo nuo naujoviško karinio radaro, o baigėsi supergalingais lazeriais ir nuožmiausiais eksperimentais

Antradienį fizikams Donnai Strickland ir Gérardui Mourou už jų metodą „generuoti galingus ultratrumpus lazerio impulsus“ paskirtos Nobeliopremijos istorija prasidėjo nuo žinutės mokslo populiarinimo žurnalo Scientific American straipsnyje apie karinius radarus.

1985 metai, didžiulė, 12 aukštų namo dydžio tinklinė antena Cobra Dane iš Aliaskos stebi sovietinių balistinių raketų bandymus – jos atskrieja į Kamčiatkoje esantį Kura poligoną. Ankstesni radarai dangų čiupinėjo radijo spinduliu, o naujieji, kaip šis, šaudo trumpais impulsais. Tokiais trumpais, kad šviesos greičiu sklindantis radiosignalas, spėja nuskrieti mažesnį atstumą, nei raketos, ar bet kurio kito objekto, kurį reikia pastebėti, ilgis. Ir jeigu jis atsispindės nuo skirtingų to objekto dalių, kariškiai monitoriuose išvys ne vieną blyksnį, o daug. Taip galima surinkti daugiau informacijos apie skrendantį objektą.

Šią žinutę pastebėjo 26 metų aspirantė Donna Strickland, kuri Rochesterio universitete, studijuoja lazerius, vadovaujama Gérardo Mourou. Bendrame jų 1985 metų straipsnyje, kuris padarė juos Nobelio premijos laureatais, ji įrašyta pirmoji.

Kaip tai veikia?

Jų užduotis – priversti lazerį šaudyti tokiais pat trumpais impulsais, kaip radaras. O kam? Visų pirma, tokį impulsą galima padaryti labai galingą. Tai yra, energiją taip sukoncentruoti, kaip paprastais lazeriais negalima net svajoti.

Kokia lazerio galia maža, o kokia – didelė? Fizikai galią matuoja vatais. 60 vatų – virtuvėje kabanti senovinė kaitinimo lemputė su volframiniu siūleliu. Įprasta lazerinė rodyklė – 0,05 W arba mažiau. 0,2 W (tai yra, 200 milivatų) rodykle galima pašviesti į horizonte stovintį fabriko kaminą ir už daug kilometrų pamatyti ant jo išskydusią žalią dėmę. 1 vato lazeriu paprasta uždegti degtuką. Kariškiai yra išbandę megavatų, tai yra, milijonų vatų, galios lazerius, kuriais galima numušti raketas.

Tačiau visa tai – įprasti lazeriai su nenutrūkstamu spinduliu. O štai palyginimui šviežias rekordas kinų lazerio, leidžiančio ultratrumpus impulsus: 5 petavatai, tai yra 5 milijonai milijardų vatų. Milijardus kartų daugiau, nei geriausi „nepertraukiami“ lazeriai.

Tiesmukiškai tokią galią pasiekti neįmanoma. Į lazerį energiją pumpuoti be galo negalima – anksčiau ar vėliau jis suirs pats. Aplinkinio manevro sugalvojimas ir buvo atradimas. Paimamas ultratrumpas impulsas ir ištęsiamas, kad kiekvienu laiko momentu energijos koncentracija nebūtų per didelė. Tada šis impulsas milijonus kartų sustiprinamas, ir prieš išėjimą vėl suspaudžiamas.

Tipinis impulsas trunka 0,000 000 000 000 001 sekundės, vieną milijonąją milijardinės sekundės dalies. Tokios eilės dydžiui – tiksliau, mažumui – naudojamas priešdėlis „femto“ („nano“ – milijoną kartų ilgesnė trukmė. Palyginimui, tai toks pats santykis kaip viena sekundė ir 11,6 paros). Jeigu trumparegystės atsikratėte femtosekundiniu lazeriu – išbandėte šią technologiją.

Veikiantis lazeris mums asocijuojasi su orą skrodžiančiu raudonu (arba žaliu, arba mėlynu – nelygu kokius fantastinius serialus žiūrite) spinduliu. Tačiau femtosekundiniams lazeriams toks įvaizdis netinka. Per femtosekundę šviesa tespėja 0,0003 mm – pernelyg trumpa atkarpa, kad ją būtų galima vadinti spinduliu. Ir mokslininkai linkę ją vadinti „šviesos kulka“.

Perspektyvos

Kai iš automato paleista kulka pataiko į arbūzą, ji ne padaro skylutę, o susprogdina uogą. Kulkos energija yra ~1000 džaulių. Geriausių „šviesos kulkų“ energija matuojama milijonais džaulių, tai yra, viename lazerio impulse sukaupta tūkstančio automato šūvių energija. Ir lazeriu visą šią energiją galima sutalpinti mikroskopiniame tūryje.

Sufokusavus femtosekundinį impulsą kieto objekto – pavyzdžiui, brangakmenio safyro – viduje, įvyksta implozija, sprogimas vidun. Susiformuoja skylė. Ją užpildžiusi medžiaga ima kaisti kvintilijono (1 su 18 nulių) laipsnių per sekundę greičiu ir kaip mat tampa karšta plazma. Slėgis spėja pakilti iki 100 milijonų atmosferų – tai 20 kartų daugiau, nei Žemės centre.

Aišku, mokslininkus daug labiau domina ne safyro skylėjimas (nors mikroskopinių tunelių pjovimas kristaluose ir stikluose laboratorinėms užduotims – visom prasmėm naudinga užsiėmimas), o medžiagų savybių tyrimai tokiuose ekstremaliose sąlygose. Kažką panašaus tikimasi aptikti planetų gelmėse – pavyzdžiui, seniai įtariama, kad Jupiterio centre vandenilio dujos virsta į lengvą metalą, kuris išlaiko superlaidumą ir kambario temperatūroje. Tačiau tai patikrinti galima tik lazeriu – joks hidraulinis presas tokio slėgio nesukuria.

Аstronomams atsivėrė galimybė užsiimti savo mokslu ne tik teleskopų bokštuose, bet ir rūsiuose su lazeriais.

Jei pražiopsojote pirmuosius Visatos momentus ir tūkstantmečius (jei tiksliau – 379 000 metų), kol ji dar buvo karšta – ne bėda, procesą galima pakartoti lazeriu. Lazerių fizikai žada, kad anksčiau ar vėliau jiems pavyks sukurti netgi kvarkų-gliuonų plazmą – įprastų mums dalelių, tokių, kaip neutronai ir protonai, atsarginių dalių buljoną.

Kita užduotis – sukurti medžiagą iš nieko. Tai yra, iš vakuumo. Tinkamai pačirškinus, iš jo turėtų pažirti dalelių ir antidalelių poros (pavyzdžiui, elektronų ir pozitronų). Kinijoje, kur statomas 100 petavatų lazeris Station of Extreme Light, rimtai rengiamasi, 2023 metais tai padaryti.

Yra žinoma, kad baltųjų nykštukių, – sudegusių žvaigždžių liekanų – medžiagos vieno kubinio centimetro masė yra tona. Koks rekordinis medžiagos tankis Žemėje? Kubinis centimetras švino sveria 11 gramų, kubinis centimetras tankiausio natūralaus elemento osmio – 22,6 gramus. Bet lazeriu medžiagą galima suspausti iki tūkstančio gramų kubiniame centimetre. Tokius rezultatus skelbia Nacionalinio uždegimo komplekso (NIF) – JAV lazerinio įrenginio, skirto paleisti valdomą termobranduolinę sintezę – komanda.

Tam tikra prasme, fizikams pavyko ir tai. Termobranduolinė sintezė – reakcija, dėl kurios Saulė šviečia, o Žemėje – sprogsta galingiausios bombos. Tik sprogimų energijos į elektros tinklus nesutalpinsi, o išgauti ją kitu režimu kol kas neišmokome. Kur termobranduolinę reakciją įžiebti pavyksta, energija pernelyg sparčiai išsisklaido ir plazmos palaikymui jos nebeužtenka. Atsirado viltis, kad lazeriai kaip mat viską sutvarkys. 2013 metais netgi pasirodė iškilmingas NIF pranešimas, kad reakcija pirmą kartą davė daugiau energijos, nei buvo sunaudota jai pradėt – tačiau, deja, paaiškėjo, kad kol kas tai – revoliucinis energijos balanso skaičiavimo būdas, o ne galutinis proveržis.

Nuo tada gigantiškus lazerius imta statyti vieną po kito – Šanchajuje, Rumunijoje (šiuo projektu būtent ir užsiima naujasis Nobelio premijos laureatas Gérardas Mourou – turėtų būti didžiausias lazerinei fizikai skirtas visos Europos lazerių įrenginys). Nižnij Novgorode pastatytas Ekstremalių šviesos laukų tyrimų centras – būtent ten, 2010 metais, laimėjęs RF dotaciją ir atvyko dirbti Mourou.

Supergalingais lazeriais, be mokslininkų, domisi ir kariškiai, tad mokslininkai tokių įrenginių darbo laiką su jais dalinasi pusiau, kaip tai yra Prancūzijoje. Mat nuo 1990-ųjų bet kokie branduoliniai sprogdinimai, tiek antžeminiai, tiek požeminiai, draudžiami. Tačiau pačių branduolinių bandymų niekas nedraudžia. Norint suprasti, kas vyksta su plutoniu branduolinio sprogimo metu, kai bombos trotilo apvalkalas jau sprogo ir spaudžia patį branduolinį užtaisą – galima bandyti suspausti jį lazerio įrenginiu. Dalį laiko tokiais kariniais tyrimais užsiima ir NIF – gali būti, kad ir Rusijoje tas pats atliekama. Kas, žvelgiant plačiau, yra menkesnis blogis, nei bandymai atvirose vietovėse.

Gali pasirodyti, kad iki pačių garsiausių pažadų – apie ankstyvosios Visatos sąlygų su jos kvarkų-gliuonų plazma pakartojimą laboratorijoje ar valdomą termobranduolinę sintezę – įgyvendinimo dar toli, nes šiuolaikiniams lazeriams paprasčiausiai neužtenka galios. Bet, panašu, kad būtent šviesa ir būtent tunelio gale garantuota, ir ji, kaip Kinijoje statomame lazerių įrenginyje – ekstremali.

republic.ru