| |
 |
Теперь понятно, чем свет лазерного луча отличается от любого другого известного нам света.
Во-первых, лазерный луч состоит из очень сильного света. При порождении обычного светового излучения испускаются фотоны самых разных частот, а лазерный луч состоит из совершенно одинаковых фотонов. Лишь малая их часть принадлежит видимому отрезку светового спектра.
Во-вторых, лазерный луч очень однороден. Обычный свет состоит из фотонов самых разных частот, а лазерный луч – из совершенно одинаковых фотонов. Поэтому на всем своем протяжении луч имеет один ровный цвет. Такой цвет называется «монохромным» (от греческих слов «один» и «цвет»).
В-третьих, лазерный луч очень узок. Фотоны обычного света движутся во все стороны, и луч обычного света из-за этого трудно удержать от рассеивания. А фотоны лазерного луча движутся все строго в одном и том же направлении. Поэтому обычный свет можно уподобить толпе людей, каждый из которых движется туда, куда надо лично ему, а луч лазера – колонне марширующих в ногу солдат.
Естественное стремление фотонов лазерного луча двигаться в одном и том же направлении подчеркивается и устройством производящей его трубки. Концы этой трубки сделаны со всей возможной точностью плоскими, ровными и параллельными. Один из них посеребрен, и представляет собой идеальное зеркало, а второй посеребрен лишь слегка. Когда механизм лазера запускает производство фотонов, они движутся тоже во всех направлениях. Большинство таких фотонов сразу же свободно уходит сквозь стенки трубки. Однако те, которые оказываются направленными вдоль трубки, попадают сначала на одно отражающее зеркало, потом, отразившись от него – на второе, оттуда – опять на первое, все время по пути лавинообразно порождая новые фотоны, движущиеся в том же направлении.
В конце концов, когда фотонов становится достаточно много, их лавина прорывается сквозь тот конец трубки, что посеребрен лишь слегка, и получается лазерный луч. Составляющие этот луч фотоны настолько одинаковы между собой по частоте и направлению, что переходят один в другой практически незаметно, так, что весь луч можно изобразить, как одну непрерывную волну. Такое излучение называют «когерентным», от английского слова, означающего «сцепленный, связный».
Состоящий из когерентного света лазерный луч практически вообще не рассеивается. Пронизывая пространство, он тратит крайне мало энергии. Лазерный луч можно сфокусировать так, чтобы попасть им в чашку кофе, находящуюся на расстоянии в тысячу километров. В 1962 году лазерный луч, запущенный с Земли, достиг Луны. При этом он рассеялся до диаметра в три километра, пройдя расстояние примерно в четыреста тысяч километров.
Уникальным свойствам лазерного луча может найтись масса интересных применений. В частности, узость луча позволяет сфокусировать на малой площади достаточно большую энергию. Температура на этой площади так быстро возрастает до критических значений, что требуется прилично поработать, чтобы тепло успело в достаточном объеме улетучиться, не нанеся вреда.
В связи с этим лазер может стать средством профилактики некоторых глазных болезней – им можно успеть скрепить ослабевшую сетчатку так быстро, что окружающие ткани не успеют пострадать от высокой температуры. Точно так же можно уничтожать и опухоли на коже, не обжигая здоровой кожи.
Лазером можно выпарить кусочек металла, а пар – быстро подвергнуть спектрографическому анализу; можно быстро и чисто пробуравить отверстие в металле или даже в драгоценном камне. Возможно, с помощью лазерного луча удастся когда-нибудь добиться и температур, достаточно высоких, чтобы запустить управляемую реакцию слияния ядер водорода, и решить таким образом раз и навсегда энергетическую проблему (см. гл. 10).
Разумеется, к сожалению, все то же самое, что и с куском металла, лазер может сделать и с человеком. В 1965 году были разработаны лазеры, в которых частицы подталкиваются на высокий энергетический уровень с помощью химических реакций. Значит, мы можем представить себе и пистолет, в котором энергия химической реакции будет не толкать по стволу свинцовую пулю, а испускать вспышку лазерного луча? Такой луч бесшумно поразит человека намертво, не оставив следов и улик в виде пули, по которой можно было бы впоследствии произвести трассологическую экспертизу. Вот это получился бы воистину тот самый «луч смерти», о котором столько писали в фантастических рассказах.
А если появятся лазерные пистолеты, то почему бы не появиться и лазерным пушкам? Вспышка излучения огромного лазера вполне сможет продырявить броню танка или корабля. Такой «снаряд», состоящий из света, пролетит точно по прямой к цели со скоростью 300 000 километров в секунду, и не будут ему помехой ни ветер, ни температура, ни вращение Земли, ни сила тяготения, ни любой другой параметр из тех, что осложняют прицел материальных снарядов.
В качестве оружия дальнего радиуса действия луч смерти имеет ряд ограничений. Облака, туман, дым или пыль могут рассеять и ослабить его. А идеально прямая траектория делает неуязвимой для такого оружия любую цель, расположенную за горизонтом, ведь луч не будет изгибаться, повторяя округлость земной поверхности.
Но если попытаться заглянуть в будущее, можно увидеть там все условия для использования лучей смерти в космосе. В вакууме, лежащем за пределами атмосферы, нет ни облаков, ни тумана, ни пыли и никакие горизонты не ограничивают область применения оружия. Ожидают ли человечество в будущем, несколько поколений спустя, межзвездные баталии, где космические корабли будут обмениваться вспышками лазерных орудий, и любой попадание будет означать смертельное поражение цели?
Для создания таких мощных лазерных лучей потребуется очень много энергии, но сейчас идет работа над созданием лазеров, которые будут получать энергию из солнечного света. В космическом пространстве Солнце никогда не скрывается и не заходит за тучу, так что там его энергия всегда под рукой.
Но будем надеяться, что к тому моменту общество созреет до такой степени, что лазерное оружие, ни тяжелое, ни легкое, никогда не будет использовано. Лазерному лучу найдутся и мирные способы применения. Например, можно использовать лазер в сфере коммуникаций, которая сейчас полагается на низкочастотные фотоны микроволн и радиоволн.
Эти низкочастотные фотоны можно модулировать, то есть – заставлять поток фотонов регулярным образом изменяться для того, чтобы производить с их помощью механические вибрации диафрагмы, которые, в свою очередь, порождают звуковые волны в воздухе. Аналогично с помощью колебаний электрического тока можно порождать свет с изменяющейся заданным образом интенсивностью. Таким образом мы получаем радио и телевизионное изображение, тоже сопровождаемое звуком.
Чтобы сигналы разных передач не путались между собой, их следует передавать с помощью фотонов достаточно сильно различающихся между собой частот. В низкочастотном диапазоне спектра таких четко разделяемых участков мало, поэтому количество теле- и радиоканалов, способных вещать в длинноволновом диапазоне, ограничено.
Если же использовать в качестве передаточных волн свет, частота которого гораздо выше, то появится возможность для передачи гораздо большего количества различных сигналов одновременно. Для наглядности представим себе, что диапазон радиоволн – от 1 до 10, а диапазон световых волн – от 1 000 000 000 до 10 000 000 000. И в том, и в другом случае последняя цифра в 10 раз больше, чем первая, но в первом случае в разницу между ними укладывается только десять целых чисел, а во втором – девять миллиардов и одно.
Для того, чтобы служить каналом передачи информации, излучение должно иметь упорядоченную частоту и четкую направленность. Добиться этого от длинных радиоволн было несложно, но для очень коротких и высокочастотных световых волн – невозможно. Пока не появился лазер. Остается проблема модуляции световых волн лазерного луча, но над ней сейчас активно работают. В 1965 году в Нью-Йорке была создана рабочая установка, в которой по одному лазерному лучу толщиной в карандаш через целую комнату транслировались семь телевизионных каналов одновременно.
Придет ли время, когда лазерный луч будет служить человечеству, направляемый и усиливаемый с помощью специальных коммуникационных космических спутников? Если это случится, то таким образом можно будет передавать все существующие в мире теле- и радиоканалы, и останутся ресурсы еще на сколько угодно новых.
Атмосферные помехи не будут оказывать никакого влияния в космосе. Космические корабли и орбитальные станции смогут основывать на лазерной связи все коммуникации друг с другом и со станциями на безвоздушных небесных телах (например, на Луне).
Передавать таким образом можно не только словесную информацию. Будучи абсолютно прямым, лазерный луч может стать средством четкого географического позиционирования одного корабля или станции по отношению к другому такому же объекту. Более того, отразившись от обследуемого объекта, луч немного изменит свою частоту в зависимости от того, удаляется объект или приближается, и насколько быстро при этом движется. Таким же образом по изменению частоты луча можно будет определить, вращается ли обследуемый объект, и если да, то с какой скоростью.
Конечно, запустить для обследования далекого предмета можно и обычный свет – если только его удастся каким-то образом сжать в плотный луч, обладающий достаточной энергией, чтобы преодолеть большое расстояние и вернуться обратно отраженным без значительных потерь. Но обычный свет состоит из фотонов столь широкого спектра частот, что в нем невозможно будет заметить те малые изменения частот, о которых идет речь. Представим себе толпу людей, где все куда-то спешат по своим делам. Если каждый в такой толпе сделает шажок влево, скорее всего, на фоне общего мельтешения это пройдет незамеченным. Если же колонна марширующих солдат сдвинется на тот же шаг влево, то это невозможно будет упустить. Думаю, аналогия достаточно наглядна.
Так что вполне вероятно, что к тому моменту, когда космическая эра достигнет своей зрелости, все коммуникации, которые неизбежно при этом возрастут до невероятных объемов, будут осуществляться с помощью лазерных лучей. Лучи эти будут непрестанно сновать в пространстве от одного форпоста человечества к другому. Скорее всего, без использования лазера полноценное освоение космоса попросту не состоится.
Но давайте спустимся с небес на землю. Область применения лазера, лежащая в самой ближайшей перспективе – фотография. При обычном фотографировании свет записывается на пластинку или пленку благодаря оказываемому им воздействию на соответствующие химикаты. Чем ярче свет, тем сильнее его воздействие. Соответственно, на химических веществах образуется рисунок, соответствующий тому шаблону света и теней, который отображают световые волны, испускаемые или отражаемые предметом. Этот рисунок и есть фотография.
Теперь предположим, что лазерный луч попадает на зеркало, а с зеркала отражается без искажений на фотографическую пластинку. Одновременно с этим другой лазерный луч отражается от некоего фотографируемого предмета и тоже попадает на фотопластинку, но уже в искаженном виде. Искажение объясняется тем, что поверхность предмета неровна, и отражается только часть луча, а другая часть - поглощается при попадании на предмет. Кроме того, отраженная часть луча еще и рассеивается, отражаясь в различных направлениях.
На фотографической пластинке оба луча, сохранившийся и искаженный, встречаются. При этом записывается, как и при обычной фотографии, общая яркость света. При пересечении и наложении друг на друга волн обоих лучей тоже вырисовываются точные подробности фотографируемого предмета. Такое наложение называется «интерференцией». На пластинке в таком случае запишется не только яркость света, но и шаблон интерференции.
Физики теоретически предполагали такую возможность уже много лет назад, но обычный свет не подходит для таких целей. Многочисленные разночастотные фотоны обычного света, двигаясь в различных направлениях, произвели бы такую мешанину интерференции, что извлечь из нее полезную информацию оказалось бы просто невозможно.
Но вот с помощью лазерного луча уже можно воспроизвести четкий рисунок интерференции, зависящий только от природы фотографируемого предмета. На пластинке сохраняется информация и о яркости света, и об интерференции – и такой фотографический процесс получил название «голография», где «голо-» означает «целостный».
Но при взгляде на саму пластинку мы ничего пока не поймем. Рисунок интерференции – микроскопичен.
Если теперь через эту пластинку, именуемую голограммой, пропустить лазерный луч, то образуется изображение, соответствующее первоначально сфотографированному предмету. Оно может быть частично трехмерным, если сфотографировать его под разными углами. Впервые это было осуществлено в 1964 году, а к 1966 уже отпала необходимость в лазерном луче для создания изображения – теперь это можно делать и с помощью обычного света, так что весь процесс стал дешевле и практичнее. Однако, в целом лазерный луч все же остается необходимым – для воспроизведения самой голограммы.
Теперь можно сфотографировать голографическим образом быстро движущийся предмет, или, скажем, короткоживущий предмет, чтобы потом не торопясь изучить его голограмму (предоставляющую, понятно, гораздо более подробную информацию, чем просто фотография). Да и подробности на голограмме просматриваются гораздо четче, так что ученые ждут не дождутся появления микроскопической голографии, чтобы с небывалой прежде ясностью изучить микромир.
А может быть, придет день, когда голография будет настолько хорошо разработана, что полноценное трехмерное изображение можно будет транслировать по телевидению. Тогда на смену плоскому черно-белому изображению придет полностью правдоподобное трехмерное цветное представление.
Дождемся ли мы, чтобы при очередном конкурсе на звание «мисс Америка» красотки дефилировали из одного угла нашей собственной комнаты в другой? Даже если не забывать о том, что это лишь бестелесные изображения, бесплотные порождения лучей света – все равно было бы неплохо!
Глава 12. Океан-шахта (1)
(1) впервые опубликовано в Science World от 9 марта 1957 года.
Наши шахты истощаются. При этом население растет скачкообразными темпами, а промышленность – еще большими, так что полезных ископаемых Соединенных Штатов хватит ненадолго. Самые богатые наши месторождения меди исчерпаны. Приходится искать способы довольствоваться более бедными рудами.
Но все не так уж плохо. Что касается некоторых видов полезных ископаемых, то их самое богатое и обширное месторождение находится прямо у наших дверей – и к его разработке никто еще даже не приступал.
Речь идет об океане.
Площадь Мирового Океана – более 360 000 000 квадратных километров, он занимает около семи десятых всей земной поверхности. Его средняя глубина – 3,7 км, так что приблизительно можно сказать, что общий запас морской воды на Земле – 1 332 000 000 кубических километров.
Месторождением полезных ископаемых океан можно считать благодаря тому факту, что все эти миллионы кубических километров состоят не из одной лишь воды. Каждый, кто хоть раз в жизни купался в океане, знает, что океан – это не только вода. У «просто воды» вкус совершенно не такой.
На самом деле, собственно вода составляет 96,75% состава океанской воды, а в этих 96,75% растворены 3,25% твердых веществ. Это очень много в абсолютном исчислении – чтобы осознать, насколько много, нам не нужно даже рассматривать весь океан. Обойдемся и бассейном морской воды.
Итак, представим себе бассейн 15 метров в длину и 9 метров в ширину средней глубиной 1 метр 80 сантиметров. Если наполнить его морской водой, то в него поместится 285 тонн жидкости – и девять с четвертью тонн из них будут составлять растворенные в воде твердые вещества. Если теперь всю воду из бассейна выпарить, то на дне останется девять с четвертью тонн осадка. Немало для скромного бассейна, верно?
Как явствует из вкуса морской воды, большую часть растворенных в ней твердых веществ составляет обычная поваренная соль – хлорид натрия. Так что одной поваренной соли на дне нашего бассейна останется 7? тонн; кроме этого, еще три четверти тонны будут весить соединения хлора с другими веществами, не с натрием.
<<... предыдущая стр. :: следующая стр...>>
п»ї1 :: 2 :: 3 :: 4 :: 5 :: 6 :: 7 :: 8 :: 9 :: 10 :: 11 :: 12 :: 13 :: 14 :: 15 :: 16 :: 17 :: 18 :: 19 :: 20 :: 21 :: 22 :: 23 :: 24 :: 25 :: 26 :: 27 :: 28 :: 29 :: 30 :: 31 :: 32 :: 33 :: 34 :: 35 :: 36 :: 37 :: 38 :: 39 :: 40 :: 41
| |
| |
|
|
|
