Про лазер і напрями його практичного застосування, а також про наукові здобутки, відзначені Нобелівською премією в галузі фізики 2018 року, науково-популярній передачі «Академія наук» із Дмитром Сімоновим та Юрієм Пустовітом, яка виходить в ефір на хвилях радіостанції «Радіо НВ», розповів завідувач відділу лазерної спектроскопії Інституту фізики НАН України член-кореспондент НАН України Анатолій Негрійко.
 Член-кореспондент НАН України Анатолій Негрійко (у центрі) з ведучими передачі «Академія наук» Дмитром Сімоновим (ліворуч) і Юрієм Пустовітом у студії радіостанції «Радіо НВ» (фото – з Facebook-сторінки Дмитра Сімонова: https://www.facebook.com/dmytro.simonov.7) |
«Лазер є джерелом світла, звичайного світла, але з незвичайними властивостями, отримуваного, так би мовити, у дещо парадоксальний спосіб. На відміну від того, як випромінюють світло, скажімо, зорі, полум’я чи блискавка, у лазері може не відбуватися ні горіння, ані вибуху, а проходить, наприклад, електричний струм, якого навіть не видно, і в результаті народжується яскравий промінь. Він може мати зелене, червоне, синє чи інше забарвлення або взагалі бути невидимим, – пояснює вчений. – Лазерне світло має унікальні властивості, його іще називають когерентним. Що це таке? У ХІХ ст. Джеймс Максвел показав, що за своєю природою світло – це електромагнітні коливання. У звичайних, або ж теплових, джерелах ці коливання цілком незалежні і відбуваються хаотично. У лазері ж вони узгоджені, впорядковані. Саме така узгодженість уможливила унікальні характеристики лазерного світла, яких немає у природного. Тобто лазерне світло є просто світлом, але світлом із дещо незвичайними властивостями.
Якщо будь-яке джерело, наприклад, наше Сонце, випромінює світлові хвилі вусебіч, то лазер може генерувати добре напрямлене світло, яке за допомогою лінзи можна сфокусувати, сконцентрувати, зібравши всю його енергію у маленькому об’ємі. Немає жодного матеріалу на Землі, який не можна було б розплавити, розрізати, випарувати за допомогою лазера достатньої потужності.
Учені мають давню мрію – використати лазери для отримання невичерпного джерела енергії, керованого термоядерного синтезу. Так, за допомогою термоядерного синтезу тільки з 1 км3 океанічної води можна було б отримати енергію в обсязі, що дорівнює енергії, котра виробляється всіма нинішніми світовими джерелами, разом узятими. Поки що цю задачу не розв’язано, але вчені активно над цим працюють».
Як зауважив Анатолій Негрійко, в основі роботи лазера – ефект підсилення світла, який спостерігається майже винятково у штучно створених умовах, оскільки зазвичай у природі при поширенні через будь-яке, навіть прозоре середовище світло розсіюється, поглинається і, зрештою, ослаблюється. Щоправда, у Всесвіті є віддалені аналоги лазерів – космічні мазери, які за таким самим принципом підсилюють не світло, а радіохвилі – електромагнітні коливання, котрі мають більшу довжину хвилі порівняно зі світлом. Таке підсилення радіохвиль спостерігається тоді, коли міжзоряний газ переходить у стан із так званою інверсією населеності – так само, як і підсилююче середовище лазера. Однак, за словами гостя радіостудії, це явище є дуже рідкісним і ключової ролі в космічних процесах не відіграє.
Лазер має безліч різноманітних застосувань. Наприклад, із його допомогою вдається відслідковувати параметри орбіти Місяця – з точністю до десятих частин сантиметра. Цього важко досягти іншими відомими способами. Лазер також використовують для відстеження траєкторій штучних супутників. «Це – інструмент, який у найнесподіваніших обставинах може дати феноменальні результати. Скажімо, 2017 року Нобелівську премію в галузі фізики було присуджено за реєстрацію гравітаційних хвиль, які утворилися внаслідок злиття двох надмасивних чорних дір. Так от, цей результат було отримано завдяки лазерному інтерферометру LIGO, який здатен реєструвати зміщення його дзеркала на відстань, меншу 10-19 м», – говорить Анатолій Негрійко.
Як відомо, Нобелівську премію в галузі фізики 2018 року було присуджено «за новаторські винаходи в галузі лазерної фізики». Її розділили Артур Ешкін, з одного боку («за розроблення оптичних пінцетів і їхнє застосування у біологічних системах»), і Жерар Муру та Донна Стрікленд, з іншого («за їхній метод отримання високоінтенсивних ультракоротких оптичних імпульсів»).
«Лазерний пінцет – досить нескладна річ, – стверджує український фізик, – це не колайдер і не гігантський телескоп. Це прилад, який поміщається на звичайному столі та складається з лазера, причому такого, що не має якихось унікальних характеристик. Його потужність зовсім невелика, і він є цілком безпечним, не здатен ані випалювати, ані різати. З подібним лазером у лабораторіях працюють студенти. У 1971 році Артур Ешкін опублікував перші результати своїх наукових досліджень. Він сфокусував лазер за допомогою лінзи і в отриманий світловий промінь помістив прозору кульку розміром кілька мікрон. Виявилося, що промінь здатен захопити й утримувати об’єкт такого розміру. Інша схема експерименту Артура Ешкіна була трохи складнішою, бо передбачала використання двох світлових променів. Але результат був цікавий: поблизу фокусів таких пучків світла кулька зависала і нею можна було маніпулювати. Так з’явився лазерний пінцет, який спершу застосували на модельних об’єктах – кульках, виготовлених із латексу або полістиролу. Пізніше Артур Ешкін вирішив іще одну важливу проблему: якщо мікрооб’єкт підсвічувати лазером знизу, то кулька утримується спільною дією гравітації та світлового тиску і такий лазерний пінцет можна ефективно використовувати виключно за наявності гравітації, але якщо дещо змінити схему, підсвітити мікрокульку згори, то здійснювати маніпуляції можна буде також за умов невагомості».
Крім того, у своїх роботах Артур Ешкін висловив припущення, що лазерний пінцет за таким же принципом застосовуватиметься для керування рухом атомів. І справді, згодом відкритий ним ефект було покладено в основу лазерного охолодження атомів до наднизьких температур. «Це теж парадокс, – зауважує Анатолій Негрійко, – адже всі вважають, що лазерний промінь може тільки нагрівати. Однак це не так. Лазер може охолоджувати атоми до наднизьких температур, які відрізняються від абсолютного нуля лише на частки мікрокельвіна. На явищі лазерного охолодження базується, наприклад, функціонування сучасних атомних годинників. На основі таких охолоджених атомів можна створити атомний гравіметр – прилад для вимірювання прискорення земного тяжіння».
Загалом, лазерний пінцет придатний для маніпулювання частинками завбільшки від 25 нанометрів до 10 мікрон. У цей діапазон вкладається більшість живих клітин. До того ж, вони є переважно прозорими, за винятком хіба що клітин крові. Однак навіть останніми вдається успішно рухати: за допомогою лазерних пінцетів наближають один до одного два еритроцити і вимірюють силу, з якою вони склеюються (ця сила дуже мала – її вимірюють у піконьютонах). Отриманий результат дає змогу вивчати процес зсідання крові. Інших інструментів для маніпулювання такими тендітними мікроскопічними об’єктами наразі не існує.
Відповідаючи на запитання ведучих, учений пояснив, що світлу – як природному, так і штучному (на зразок лазера) – властиво не лише давати тепловий ефект, а й здійснювати тиск. Цю властивість світла відкрив 1901 року російський учений, професор Московського університету Петро Лебедєв. Пізніше вчені продемонстрували, що якщо сфокусувати сонячне світло або світло від іншого джерела спрямувати на об’єкт невеликого розміру, котрий перебуває у вакуумі, то можна дослідити його рух, а також виміряти силу, з якою світло тисне на цей об’єкт. Для експерименту вони сконструювали щось подібне до водяного млина, і світло, яке падало на одну з його лопатей, штовхало її й обертало всю конструкцію. Виміряна таким чином сила тиску світла виявилася дуже малою. Наразі відомо, що на відстані від Сонця, що дорівнює радіусу орбіти Землі, на 1 м2 припадає близько 1 кВт енергії сонячної світлової енергії. Всі знають про перспективи ефективного використання цієї енергії, які дають людству надію на поступову заміну сучасних джерел енергії альтернативними, які не забруднюють довкілля. «Згідно із законом збереження енергії, перетворення сонячної енергії не повинно призвести до негативних наслідків. Адже частина сонячного світла в певній формі і так залишається на Землі. Тож якщо ми вже наявну енергію перетворимо на якийсь інший вид енергії – додаткового тепла не з’явиться», – зауважує Анатолій Негрійко. А сила світлового тиску від такого світлового потоку дуже мала і складає близько чотирьох мікроньютонів – приблизно стільки важить крапля води діаметром один міліметр.
Явище світлового тиску розглядається як можлива основа проектування так званих «сонячних вітрил» для космічних кораблів майбутнього. Передбачається, що тиск сонячного світла зможе допомогти їм розігнатися до значної швидкості.
«Цікаво, що українські науковці з харківського Інституту радіофізики та електроніки АН УРСР [нині – Інститут радіофізики та електроніки імені О.Я. Усикова НАН України] Олександр Усиков, Павло Бліох, Віктор Конторович і Еммануїл Канер – теж висловлювали ідею щодо можливості маніпулювання окремими атомами на основі використання явища світлового тиску. Причому за 8 років до Артура Ешкіна – у 1962 році, – говорить Анатолій Негрійко. – Вони запропонували створити лазерний насос для сортування газів різного типу. Передбачалося, що, оскільки різні гази мають різні характеристики, то й світло тиснутиме на них із різною силою. У 1965 року ці четверо науковців навіть отримали авторське свідоцтво СРСР, але впродовж деякого часу не публікували свою роботу – очевидно, з міркувань секретності. Річ у тім, що висловлену ними ідею можна було покласти в основу розділення ізотопів, яке завжди вважалося «критичною технологією». Стаття харків’ян побачила світ лише 1972 року – вона вийшла друком в «Українському фізичному журналі», після піонерських робіт А. Ешкіна».
Гість радіопередачі також пояснив суть наукових результатів, за які Нобелівською премією в галузі фізики 2018 року було нагороджено Жерара Муру та Донну Стрікленд. За його словами, лазери – починаючи з найперших – генерували короткі імпульси тривалістю в мікросекунди. Пізніше тривалість імпульсів скоротилася до лічених нано- й пікосекунд. Використання таких лазерів, наприклад, давало змогу пришвидшити процес кінозйомки. Що коротший лазерний імпульс, то швидший процес можна чітко побачити й розділити. Можна зняти миттєвий кадр – стоп-кадр, – підсвітивши лазером фільмований об’єкт і зафіксувавши його стан у мить спалаху. «Ви можете сфотографувати такі надшвидкі процеси, як політ кулі чи будь-який вибух, а також докладно дослідити, що відбувається під час хімічних реакцій (скажімо, визначити час перебудовування електронної оболонки молекул) – це важливо знати для належного здійснення синтезу, каталізу тощо. За це свого часу також було присуджено Нобелівську премію, але вже в галузі хімії», – зазначає Анатолій Негрійко.
Водночас, практичне застосування коротких лазерних імпульсів мало й обмеження: вони несли в собі велику кількість енергії, практично одномоментна дія якої нерідко руйнувала об’єкти, до яких застосовувалися ці імпульси, а також елементи самого лазера, обмежуючи подальше збільшення його потужності. У 1985 році було опубліковано спільну роботу Жерара Муру та його аспірантки Донни Стрікленд, в якій автори спробували вирішити означену проблему. «Вони зробили диво, – підкреслює Анатолій Негрійко. – Їм вдалося розтягти у часі лазерний імпульс, подовжити його тривалість у сотні разів. При цьому, відповідно, й процес виділення енергії теж став довшим. І далі вже можна було безперешкодно підсилювати лазерне світло, не руйнуючи елементів лазера. Більше того, ці вчені змогли також перетворити отриманий ними високоенергетичний імпульс у зворотному напрямі, тобто знову зробити його коротким. Якщо образно, то лазерні імпульси відтепер можна було розтягувати і стискати, наче міхи акордеона. Після повернення подовженого імпульсу до вихідного стану, відновлення його тривалості, енергія в ньому зберігалась, а потужність радикально зростала. Застосування цієї техніки дозволило підняти максимальну потужність лазера на десять порядків. Зараз приладами, що генерують імпульси, які вперше було отримано нобеліатами 2018 року (так звані посилені чірповані імпульси; від англійського «chirp» – «цвірінькання», «свист»), – фемтосекундними лазерами, – обладнано всі провідні світові наукові лабораторії».
«Зараз ми оперуємо інструментом, якого раніше не мали, й досі не баченими потужностями. Тож учені хочуть дізнатись, як поводитиметься речовина, до якої ці світлові імпульси застосовуватимуться, які нові процеси і явища можна буде спостерігати. Звичайно, при цьому уважно пильнують, чи не можна отримати з цього щось корисне», – посміхається Анатолій Негрійко. Суттєве зростання потужності лазерних імпульсів вже сьогодні відкрило можливості здійснення точних операцій в офтальмології, а у майбутньому є кроком до керованого термоядерного синтезу, до отримання ще коротших світлових імпульсів (так званих аттосекундних) і, в цілому, до нової фізики.
Більше дізнавайтеся з відеозапису інтерв’ю: https://youtu.be/hY6egLtwmu8
Додаткові корисні посилання з теми:
https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2018/press-release/ (прес-реліз Нобелівського комітету)
https://life.pravda.com.ua/society/2018/10/2/233407/ (публікація Інтернет-видання «Українська правда. Життя»)