Читать книгу Социальный Лазер. Оружие массового поражения 21-го века - Андрей Юрьевич Хренников - Страница 8

Хотя я и попытался изложить физическую подложку нашей социофизической модели,, как можно проше, я подозреваю, что некоторых читателей так замучала школьная физика, что они могут испугаться даже моего сверхупрошенного изложения принципов работы физического лазера. (Хотя почему бы не узнать, как работает лазер, скажем в лазерной указке? Если появилась такая возможность.) Поэтому забоявшийся читатель ничего особо не потеряет, перепрыгнув в §4, и начав с принципов работы социального лазера. Для таких читателей замечу, что человек это аналог атома, а информационное поле аналог электромагнитного поля.

Напомним схему работы лазера. Слово лазер это аббревиатура от английского «усиление света за счет стимулированной эмиссии». Ключевую роль играет слово «усиление», создание мощного потока излучения. Стимуляция тоже очень важна: поток возникает не сам по себе, его стимулируют. «Свет» не особенно важен, можно создавать мощные потоки не только фотонов (частичек света), но других квантов энергии. В аббревиатуре слова лазер, по-русски УССЭ, отсутсвует очень важная буква, первая буква слова «когерентность». Как мы знаем, лазерный луч очень узко направлен, все кванты энергии – фотоны в случае электромагнитного поля – движутся в одном направлении, не разлетаются в разные стороны. Это результат стимулирования фотонов. Фотоны, инициирующие излучение, задают его направление, а также другие его свойства.

В общем в квантовой физике когерентность означает однородность по отношению к какому-то фиксированному набору характеристик; например, лазерный луч имеет конкретное направление и цвет, он когерентен по этим характеристикам. Вместо когерентности можно было бы просто говорить однородность. Когерентность предполагает также однородность по времени. Например, в лазерном луче нет каких-то временных неоднородностей, сгушений и разряжений.

Как работает обычный лазер? Имеется активная среда, большой ансамбль атомов. В эту среду заканчивается энергия, атомы переводятся в возбужденное состояние. Сразу стоит заметить, что этот процесс энергетической накачки не прост. Накачка происходит квантами световой энергии, фотонами. Невозбужденный атом, съев фотон, переходит в состояние возбуждения. Однако, атом может в любой момент самопроизвольно брякнутся обрятно в невозбужденное состояние, выплюнув заглоченную порцию энергии. В общем, нужно исхитриться, чтобы активная среда достигла состояния, когда больше половины атомов возбуждены. Это состояние называется состоянием инверсии заселения. Сначала почти все атомы были в невозбужденном состоянии, а потом в процессе энергетической накачки большинство стало возбуждено.

Очень важно, что все атомы имеют одну и ту же структуру энергетических уровней. В простейших случаях атомы двухуровневые. В реальности с такой средой лазер создать трудно, то есть мы все очень идеализируем. Предполагается, что разница энергий между уровнями, E=Е1-Е0, одна и та же. Здесь Е1 энергия возбужденного состояния, Е0 энергия состояния релаксации. Атом в состоянии релаксации может поглотить квант энергии (фотон) только величины E=Е1-Е0 и при этом перейти в возбужденное состояние. Он, будучи в возбужденном состоянии, может излучить квант энергии той же величины.

В работах Эйнштейна было изучено два процесса излучения (эмиссии): самопроизвольное (спонтанное) и вынужденное (стимулированное). Кванты энергии, излучаемые самопроизвольно, не когерентны: они, в частности, летят в разные стороны. Кванты энергии имеют и другие свойства, например, свет имеет поляризацию. Самоизлучаемые фотоны разнятся и в этих свойствах. Вынужденное излучение возникает при облучении атомов пульсом когерентных фотонов. Возбужденный атом обладает таким свойством: Если мимо него летит фотон, энергия которого равна энергии возбуждения атома, то атом испускает фотон такой же энергии и переходит в невозбуженное состояние.

Важнейшей характеристикой этого процесса является то, что испущенный фотон во своим свойствам идентичен фотону, который стимулировал излучение. Например, он летит в том же направлении. Это свойство когерентности стимулированного излучения. Можно добавочно рассматривать когерентность и по другим свойствам, например, поляризации.

Эти исходные стимулирующие фотоны, «впрыснутые» в активную среду, генерируют каскадный процесс излучения: возбужденные атомы среды тоже испускают фотоны. Последние копируют один к одному все свойства фотонов, вынуждающих излучение. И каждый из испущенных фотонов вынуждает возбужденные атомы тоже излучать. Сила энергоизлучения нарастает каскадно. Один стимулирующий фотон, взаимодействуя с возбужденным атомом, подталкивает последний к испусканию фотона. Получается два когерентных фотона. Каждый из них еще взаимодействует с возбужденными атомами, подталкивая их к излучению. Итак, уже 4 фотона, затем 8, далее 16, после, скажем, 20 шагов, 2 в 20-й степени фотонов. Это очень большое число, около миллиона. И, главное, что эти фотоны когерентны; летят в одном направлении («на Болотную площадь»). Генерируется мощнейший узконаправленный поток фотонов и все фотоны имеют один и тот же цвет, соответсвующий частоте излучения. О его (цвета) роли мы расскажем позже.

Дополнительно заметим, что если мощность накачки энергии в активную среду превосходит некоторое пороговое значение, то вся энергия накачки переходит в энергию излучения. Потери, скажем в виде спонтанного излучения в различных направлениях, сводятся к минимуму; возникает узконаправленный световой луч,

мощность его совпадает с мощностью накачки. Заметим, что уж слишком сильной накачку сделать нельзя – сгорит активная среда.

Для усиления пучка используется лазерный резонатор, состоящий из двух зеркал, они гонят пучок фотонов через активную среду, туда-обратно, туда-обратно, пока не будет достигнута очень высокая мощность излучения. Потом пучок выпускается наружу.

Функционирование лазера базируется на важнейшем свойстве квантовых систем, их неразличности. Атомы, как и фотоны, неразличимы, с точностью до нескольких показателей, скажем, энергии. Фотоны могут отличаться направлением распространения, поляризацией. Но, любые два фотона с одинаковыми наблюдаемыми характеристиками неразличимы, у них нет своего «я».

А сейчас обратим внимание на одно фундаментальное свойство процессов поглощения и излучения фотонов атомами. Важнейшей связью между характеристиками фотонов и атомов является согласование их энергий. Атом может поглотить только фотон, энергия которого равна разнице энергий между уровнями в атоме, но и излучит он лишь фотон с такой же энергией. Поэтому стимулировать излучение нужно квантами той же энергии, что кванты накачки, а они в свою очередь должны соответствовать структуре энергетических уровней атомов в активной среде.

Однако, другие характеристики квантов накачки и стимуляции не должны совпадать; например, направление распространения излучения или поляризации фотонов. «Атом, сьев фотон с какими-то характеристиками, переваривает его и превращает в чистую энергию.» А излучаемый фотон, сгусток энергии, приобретает все характеристики фотона, стимулируюшего эмиссию. Для функционирования физического лазера это свойство процесса накачки излучения не так уж и важно, какая разница, чем накачивать? А вот для социального лазера очень важно иметь возможность отделить содержание накачки от содержания излучаемого импульса или потока социальных действий.