• +7 (495) 911-01-26
  • Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.
От Архимеда до «Звезды смерти»?

От Архимеда до «Звезды смерти»?

Трудно назвать открытия и разработанные на их основе технологии, которые не могли бы быть использованы как во благо, так и во вред человеку. Такого рода «дуалистичность» в

дифференциации категорий добра и зла, по всей видимости, отражает глубинные свойства Мироздания. Тем не менее эволюция некоторых технологий весьма характерна как иллюстрация двойного использования достижений науки. К их числу относится и история создания квантовых генераторов – лазеров.

Автор материала: Марина Геворкян

1

Согласно легендам, во время осады города Сиракузы на Сицилии древнегреческий учёный и изобретатель Архимед (287–212 до н. э.) сжёг флот римлян с помощью зеркал, сосредотачивая солнечные лучи на кораблях. Трудно себе представить, чтобы в условиях боевых действий с помощью бронзовых или медных отражателей можно было поочерёдно фокусировать световые пятна на кораблях. Даже современным гелиостанциям, которые могут плавить металл, требуется синхронная координация множества хороших зеркал. Правда, в 1973 году греческий учёный Иоаннис Саккас для поддержания реноме своего земляка смог поджечь модель римского корабля из фанеры, обмазанную смолой (наподобие древних деревянных судов), с помощью 70 медных зеркал на расстоянии 50 метров…

                Ярко представлены лазерные технологии и в литературе. Взять хотя бы тепловые лучи боевых марсианских треножников из знаменитого романа «Война миров» Герберта Уэллса (1897). А детальную практику боевого использования теплового луча, с чертежами и технологией изготовления, описал Алексей Толстой в не менее знаменитом романе «Гиперболоид инженера Гарина» (1927). В различных публикациях того времени специалисты увлечённо объясняли, почему такие устройства в принципе невозможны. Однако лет за десять до книги Толстого Альбертом Эйнштейном уже была сформулирована теория вынужденного (или индуцированного) излучения, которая, собственно, и легла в основу создания первых лазеров. Эйнштейн предложил создать некий электромагнитный излучатель, который сможет заставить электроны одновременно перейти с «высокой» орбиты на «низкую» и тем самым излучать свет определённой длины волны. Вообще-то «орбитальная» схема, при всей наглядности, не вполне корректна, правильно говорить о степени «возбуждения» электрона.

                Технически это выглядит просто. Для начала необходимо, чтобы электрон или частица перешли в возбуждённое состояние, получив дополнительную энергию и перейдя на более высокий энергетический уровень. Если электрон или частица сами по себе перейдут на низкий уровень, то возникнет так называемое спонтанное (ненаправленное, хаотическое) излучение. А вот если на них воздействовать светом определённой длины волны, то произойдёт вынужденное излучение. При этом фотон (квант света) будет такой же, как и спровоцировавший это излучение. Тогда мы получим когерентное (согласованное) излучение, при котором волны равны друг другу и монохромны, то есть одного цвета. Грубо говоря, при спонтанном излучении фотоны летят кто во что горазд, при когерентном – практически параллельно.

                В реальности же первое устройство, которое можно назвать квантовым генератором когерентного излучения, было создано в 1954 году профессором Колумбийского университета Чарльзом Таунсом. Это было довольно внушительное сооружение, которое излучало в микроволновом, а не в световом диапазоне, а потому было названо мазер (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление микроволн с помощью вынужденного излучения).

                В 1955 году советские учёные Александр Прохоров и Николай Басов из Института физики Академии наук CCCP совершенствуют конструкцию мазера, изменяя метод накачки электронов. А в 1964 году вместе с Таунсом получают за свои открытия Нобелевскую премию.

Между тем, хоть мазеры и использовались в некоторых исследованиях, их мощности на длине волны в один сантиметр достигала максимум 10 нановатт. И встал вопрос о переходе на оптический диапазон. В 1960 появился первый лазер (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление света посредством вынужденного излучения). Его собрал американский физик Теодор Майман из рубинового кристалла сантиметрового диаметра и двухсантиметровой длины (торцы его были покрыты серебром) и лампы-вспышки. Посеребрённые торцы играли роль зеркал, причём одно было полупрозрачным, а другое – глухим. С тех пор эта схема стала классической – два зеркала, между которыми находится активное вещество, и система накачки, которая возбуждает частицы активного вещества.

С тех пор развитие лазерных технологий пошло семимильными шагами, но в некоторых областях ожидания оказались завышенными, а в некоторых результаты, наоборот, ожидания превзошли.

 

2

Разумеется, в первую очередь заинтересовались военные. Разработки лазерного оружия шли поначалу в СССР (а затем в России) и в США, а позже подключились Германия, Франция, Израиль и Китай. Время от времени появляется информация об успешном испытании того или иного вида устройства, но о массовом создании боевых лазеров пока говорить не приходится. Для них нужны постоянные источники питания большой мощности.

Тут невольно вспоминается одна грандиозная афера... Речь идёт о СОИ – Стратегической оборонной инициативе, которую объявил президент США Рональд Рейган в марте 1983 года. Предполагалось создать широкомасштабную систему противоракетной обороны с элементами космического базирования, исключающую или ограничивающую возможное поражение наземных и морских целей из космоса, и таким образом нарушить баланс сил между противостоящими военными блоками. На орбиту якобы должны были быть выведены особо мощные лазеры, накачка которых осуществлялась  не «лампами-вспышками», а ядерными зарядами, а система отражателей как бы распределит излучение по летящим боеголовкам. Поскольку к этому времени на мировых киноэкранах уже шли три эпизода из знаменитой саги Джорджа Лукаса, неудивительно, что СОИ назвали проектом «Звёздные войны».

Позже выяснилось, что инициатором проекта был Эдвард Теллер, участник «Манхэттенского проекта» и один из «отцов» американской водородной бомбы. С середины 70-х он был советником правительства в области ядерных вооружений. Теллер обратил внимание на выпускника Массачусетского технологического института Питера Хагелстайна, одержимого идеей получить Нобелевскую премию за разработку медицинского рентгеновского лазера. Теллер соблазнил Хагелстайна длинным долларом, но на создание не медицинского, а боевого лазера. В Ливерморской национальной физической лаборатории имени Лоуренса сформировали секретную «группу “О”», которая в 1984 году якобы впервые в мире, используя для накачки ядерный взрыв малой мощности, получила мощный лазерный луч в рентгеновском диапазоне.

Через год в штате Невада прошла демонстрация боевых возможностей такого оружия. На ядерном полигоне взорвали термоядерную бомбу, к которой пристроили стержень из сплава железа, цинка и меди, который, наподобие рубинового кристалла, направляет поток рентгеновских лучей строго вверх, туда, где в расчётное время в воздухе находится бомбардировщик B-17 с системой зеркал и неких оптических устройств для «фокусировки» рентгеновского излучения. Сенатская комиссия увидела, как после подземного взрыва в небе пронёсся бомбардировщик, а на земле макетная установка с муляжом ракеты «Першинг» чуть ли не испарилась в мощной вспышке. И никто из сенаторов не поинтересовался, как, собственно, умудрились сфокусировать рентгеновские лучи, которые проникают сквозь материалы без отражения и преломления, в отличие от световых…

Короче говоря, это была постановка – «Першинг» взорвали мощным зарядом тротила, напалма и белого фосфора. Как выяснилось в 90-е годы из переписки Теллера и Рейгана, президент тоже не был в курсе обмана, а Теллер утверждал, что может «признать свою вину лишь в том, что был чрезмерно оптимистичен в отношении Ливермора. “Группе “О” требовалось ещё 10 лет и миллиарды долларов, чтобы выяснить, возможно ли вообще использование лазера на таких принципах работы в военных целях».

Тем не менее военные продолжают разработки, хоть и менее масштабные. Так, например, в 2017 году компания Lockheed Martin продемонстрировала работу тактического лазера мощностью 60 кВт, который можно устанавливать на автомобильную платформу. Во время испытаний была получена мощность одного луча в 58 кВт! В 2020 году в видеоролике истребитель четвёртого поколения F-16 с помощью лазерной пушки перехватил ракету. В том же году командование Тихоокеанского флота США выпускает видеоролик испытания системы твердотельного лазерного оружия, размещённого на борту десантно-транспортного корабля, с помощью которого удаётся повредить беспилотный летательный аппарат. Насколько картинки соответствуют реальности – трудно сказать…

 

3

У нас военные тоже не отставали. С середины 50-х годов велись разработки и испытания лазерного оружия высокой мощности как средства непосредственного поражения целей для задач противокосмической и противоракетной обороны. В СССР первым боевым прототипом стал в 1982 году лазерный самоходный комплекс 1К11 «Стилет», размещённый на танковом шасси. Во время боя он должен был поражать мощным импульсом приборы оптико-электронных систем наведения. Через год появился лазерный комплекс «Сангвин», ослепляющий оптические прицелы самолётов и вертолётов. Развитием этих проектов стал комплекс 1К17 «Сжатие» – на шасси самоходной гаубицы устанавливались 12 направляющих, которые генерировали лазерные лучи. Не отставали и моряки. Были созданы экспериментальные лазеры морского базирования. Первый боевой лазер такого типа установили на вспомогательном судне Черноморского флота «Диксон». При разделе Черноморского флота корпус «Диксона» стал собственностью Украины и был продан как металлолом в США.

В 2018 году наш Президент в послании Федеральному собранию рассказал о лазерном комплексе, которому в результате голосования дали имя «Пересвет». В том же году Минобороны сообщило, что российский лазерный комплекс впервые в мире заступил на опытно-боевое дежурство. Комплекс используется для прикрытия передвижных российских ракетных комплексов, а также для решения задач противовоздушной и противоракетной обороны. По мнению экспертов, «Пересвет» способен ослеплять военные спутниковые системы разведки на орбитах до 1500 километров. В прошлом году вице-премьер Юрий Борисов в эфире одного из телеканалов сообщил, что в реальных боевых условиях были испытаны первые образцы комплексов «Задира» – лазерного устройства, которое не просто ослепляет, а поражает цель тепловым ударом. Тут невольно вспомнишь о «Звезде смерти» из киносаги Лукаса.

Но в основном лазерные технологии используются всё же в мирных целях. В 1961 году с помощью рубинового лазера впервые произвели сварку наручных часов. Появление мощных лазеров быстро вывело на новый уровень технологии резки и раскроя практически любых материалов на промышленных производственных линиях. Сейчас такое устройство, правда, небольшой мощности, можно приобрести для домашней мастерской по цене не самого дорогого телевизора. Несложно приобрести и лазерный прицел, практически ничем не отличающийся от лазерной указки.

Наособицу стоит тема лазеров в медицине. Отсчёт лазерной хирургии в нашей стране можно начать с создания в 1964 году углекислотного лазера «Скальпель-1». Он был разработан под руководством профессора М.Ф. Стельмаха, который вместе с профессором О.К. Скобелкиным внёс большой вклад в создание лазерной медицинской техники для здравоохранения. Большим прорывом в медицине стало рассечения ткани с одновременной коагуляцией (фактически – прижиганием) крови в зоне разреза, что препятствовало кровопотере и уменьшало риск инфекции. Используются лазерные скальпели и для коррекции зрения.

В 1987 году была проведена большая работа по созданию Центров лазерной хирургии в различных регионах СССР, открыты лазерные хирургические и терапевтические отделения на базе НИИ и крупных многопрофильных городских больниц… Сейчас в России функционирует около 50 Центров лазерной хирургии и медицины. В начале 90-х годов впервые у нас были разработаны новые уникальные лазерные технологии в хирургии органов желудочно-кишечного тракта, в эндоскопической, кожно-пластической, экстренной и неотложной хирургии… С каждым годом такие средства становятся более эффективными и, что немаловажно, более доступными.

 

4

Сегодня существует много разновидностей лазеров: твердотельные, полупроводниковые, волоконные, газовые, химические, жидкостные, лазеры на свободных электронах и т.п. В нашем быту мы чаще всего имеем дело с лазерами полупроводниковыми.

Впервые концепция полупроводникового лазера была выдвинута в 1961 году Басовым и его коллегами. Они предложили для возбуждения излучения использовать р–n-переход (область соприкосновения двух полупроводников с разными типами проводимости) при протекании через него электрического тока. Впоследствии наш выдающийся учёный Жорес Алфёров с сотрудниками разработал так называемые многослойные гетероструктуры, на основе которых и производят современные полупроводниковые лазеры, в том числе и малогабаритные, которые широко применяются в волоконных линиях связи, в устройствах записи, считывания и хранения информации в компьютерах, лазерных принтерах, в бытовой технике (CD- и DVD-проигрыватели), в системах сигнализации, геодезических устройствах, дальномерах и т.п. За разработку быстродействующих опто- и микроэлектронных устройств на основе гетероструктур в 2000 году Алфёрову была присуждена Нобелевская премия (2000).

При упоминании CD и DVD читатель может иронично хмыкнуть – оптические диски практически исчезли из широкого пользования. Но дело в том, что в лазерных микротехнологиях полупроводниковые лазеры используются для сверхбыстрой и сверхточной резки и штамповки интегральных схем. Некоторые из означенных схем лежат в основе производства твердотельной памяти, в том числе привычных нам флешек. А современные флешки по объему памяти намного превосходят не только полузабытые CD и DVD, но и чуть более продвинутые Blu-Ray-диски. Такой вот тупичок эволюции, в который завели полупроводниковые лазеры своё же детище.

Мы только вскользь коснулись применения лазерных технологий, не вдаваясь в такие детали, как волоконно-оптическая связь, сканирование земной поверхности, космических объектов и штрих-кодов на кассе магазина…

Недавно выяснилось, что с помощью лазера можно в какой-то мере управлять траекторией движения молнии. Гипотеза заключалась в том, чтобы использовать лазерные лучи в качестве молниеотводов, поскольку традиционные металлические громоотводы имеют ограничения по высоте, да и не везде их можно установить. Была сформирована группа из 25 учёных, которые в рамках проекта Laser Lightning Rod (лазерный громоотвод) разместили в Швейцарских Альпах, на вершине горы Сентис, специально созданный мощный лазер рядом с телекоммуникационной вышкой, в которую часто ударяют молнии. Один из исследователей, Жан-Пьер Вольф, так пояснил воздействие лазера: «Когда в атмосферу излучаются лазерные импульсы очень высокой мощности, внутри луча образуются нити интенсивного света. Они ионизируют молекулы азота и кислорода в воздухе, которые затем высвобождают свободные электроны для движения. Этот ионизированный воздух, называемый “плазмой”, становится электрическим проводником». В течение лета 2021 года, когда был включён лазер, лишь четыре молнии попали в башню. Как и ожидалось, именно его луч принял на себя все остальные удары.

Казалось бы, многообещающий эксперимент. Но слегка настораживает возможность ионизации атмосферы с помощью лазерного излучения. Нет ли опасности воздействовать на ионосферу посредством лазера? И насколько здесь оправданны ассоциации с HAARP (High Frequency Active Auroral Research Program – программа исследования ионосферного рассеяния высокочастотных радиоволн), американским научно-исследовательским проектом по изучению взаимодействия ионосферы с мощным электромагнитным излучением? Ведь некоторые эксперты считают HAARP работающим прототипом климатического оружия. Будем надеяться, что эксперты ошибаются, хотя в наши времена любая конспирологическая теория имеет шанс внезапно оказаться вполне реальной.

 


© 2024 Наука и религия | Создание сайта – UPix