Текст книги "История лазера. Научное издание"
Автор книги: Марио Бертолотти
Жанр:
Физика
сообщить о нарушении
Текущая страница: 2 (всего у книги 52 страниц)
ПРЕД�СЛОВ�Е
Удивительно, как человеческое воображение предвидело изобретение лазера. Герберт Уэллс в своем знаменитом романе Война миров (1898) описывал лучи смерти, а в комиксах Флэш Гордона (1950) широко использовались пистолеты, испускающие световые лучи, оружие, которое сейчас можно было бы идентифицировать как сверхмощные лазеры.
Слово лазер теперь хорошо известно и неспециалисту, который буквально окружен применениями лазерного света, в области в области медицины (хирургия и диагностические процедуры), телекоммуникации (волоконно-оптические линии связи, запись и воспроизведение информации на компакт-дисках, голограммы), а также в технологии (сверление, резка и сварка материалов лазерным излучением, геодезические измерения, печатание газет).
Лазеры имеют разную конфигурацию, размеры и стоимости, а также названия, такие как рубиновый (созданный первым), гелий-неоновый, аргоновый, полупроводниковый и др. Несмотря на их популярность, мало кто из людей по-настоящему знает, что собой представляет лазер и как он действует. В этой книге я постараюсь объяснить как можно более просто (хотя и не удастся избежать некоторых технических рассмотрений), как люди ухитрились создать первые лазеры, а также принципы их действия (вместе с мазерами, работающими в радиодиапазоне, которые являются их предшественниками).
Здесь уместно сказать, что лазер является источником света СЃ особыми свойствами, радикально отличающимися РѕС‚ обычных источников, таких как свеча или лампочка. Р’ самом деле, свет лазера РѕРґРЅРѕРіРѕ цвета (Р° РЅРµ смесь цветов белого света) Рё испускается РІ РѕРґРЅРѕРј направлении (Р° РЅРµ РІРѕ всех направлениях, как свет лампочки). Рто позволяет нам собирать его линзой Рё фокусировать РІ область очень малых размеров. Спектральная чистота Рё направленность лазерного света сильно улучшают эффективность этой процедуры, позволяя концентрировать значительную мощность РІ малой области, что важно для различных операций, таких как плавление или резка металла.
В упомянутых выше применениях лазер в основном используется как очень мощная лампа. Однако существуют другие применения (например, оптическая связь), в которых наиболее важными характеристиками являются спектральная ширина полосы и угловая апертура испускаемого пучка. Чтобы понять это, нам нужно рассмотреть, что собой представляет свет и как он испускается, что, в свою очередь, зависит от излучателя, атома, и поэтому требуется введение в некоторые основные концепции квантовой механики. Мы обсудим различные механизмы излучения, а именно, спонтанное излучение доминирующий процесс для всех естественных источников, и стимулированное излучение процесс, порождающий свет лазера и ответственный за его особенные характеристики.
Для того, чтобы объяснить различные явления согласно исторической последовательности, мы проследим историю света и первые шаги квантовой механики. При этом мы учитываем, что развитие науки испытывает зигзаги так, что многие идеи оказываются слишком передовыми для своего времени и не находят признания и пользы, в то время как другие могут возникать одновременно и независимо в умах многих людей как неизбежное следствие предыдущих идей, являющихся необходимыми предпосылками.
ВВЕДЕН�Е
Рождение мира, как оно описывается в Книге Бытия, фактически не противоречит большинству новейших космологических теорий Большого Взрыва, согласно которым Вселенная возникла в результате огромного взрыва с яркой вспышкой света.
РќРѕ как образуется свет? РЈ ребенка этот РІРѕРїСЂРѕСЃ РЅРµ вызывает удивления, Рё РѕРЅ отвечает, что свет РїСЂРёС…РѕРґРёС‚ РѕС‚ Солнца, или РѕС‚ электрической лампочки или РѕС‚ РѕРіРЅСЏ. Вообще РіРѕРІРѕСЂСЏ, это правильно. Однако почему Солнце испускает свет Рё, РІ продолжение РІРѕРїСЂРѕСЃР°, почему РѕРЅРѕ РіРѕСЂРёС‚? РќР° протяжении тысяч лет человечество РЅРµ задавалось этим РІРѕРїСЂРѕСЃРѕРј, Р° связывало свет СЃ философскими Рё религиозными концепциями, делая СѓРїРѕСЂ РЅР° проблемы, связанные СЃРѕ зрением. Р’ греческой мифологии РјС‹ встречаем титана Рпиметея который согласно мифу давал каждому живому существу РїСЂРё Создании специфические особенности, нужные для своей защиты Рё выживания. Так, РѕРЅ снабдил черепаху прочным панцирем, РѕСЃСѓ жалом Рё С‚.Рґ. РґРѕ тех РїРѕСЂ, РїРѕРєР° РѕРЅ РЅРµ дошел РґРѕ людей, Рё, исчерпав РІСЃРµ возможности РїСЂРёСЂРѕРґС‹, РЅРµ РјРѕРі ничего найти для человека. Платон пишет, что человек стоял наг, Р±РѕСЃ, без РґРѕРјР° Рё защиты. Рпиметей РїРѕРїСЂРѕСЃРёР» своего брата Прометея помочь ему. РўРѕС‚ похитил РѕРіРѕРЅСЊ Сѓ Зевса Рё подарил его человеку, способствуя тем самым прогрессу человечества, культуры Рё технологий. Зевс, полный злости Рё ревности, наказал Прометея, приковав его цепями Рє горам Кавказа, РіРґРµ каждый день орел терзал его печень. Желая РЅРµ дать возможности людям насладиться этим даром, РѕРЅ приказал Рфесу создать первую зловещую женщину, прекрасную Пандору, которая стала женой Рпиметея. РћРЅР°, сгорая РѕС‚ любопытства, открыла ящик, который должна была охранять Рё РЅРµ открывать. Ртот ящик был полон всеми демонами РјРёСЂР°, Рё РѕРЅРё разлетелись, РїСЂРёРЅРѕСЃСЏ несчастья всем людям.
Подобным же фантастическим образом природа света мыслилась древними египтянами, для которых свет получался как взгляд Ра, их бога Солнца.
В 1300 до н.э. некий жрец писал: Когда бог Ра открывает свои глаза возникает свет, когда он закрывает свои глаза наступает ночь.
Можно было бы привести много других примеров, показывающих, что в античные времена происхождение и природа света рассматривались в религиозном и фантастическом духе.
Представления о свете древних греков
В VI в. до н.э., когда в Греции философия и наука развивались совместно, Пифагор сформулировал теорию света, согласно которой прямолинейные видимые лучи испускаются глазом и ощупывают объект, давая зрительное ощущение.
Согласно Рмпедоклу (около 483423 РґРѕ РЅ.СЌ.), Афродита (Р±РѕРіРёРЅСЏ любви) снабдила наши глаза четырьмя элементами, которые, РїРѕ его мнению, являются сущностью всех вещей (земля, РІРѕРґР°, РІРѕР·РґСѓС… Рё РѕРіРѕРЅСЊ) Рё свет РѕРіРЅСЏ подобен человеку, использующему фонарь для освещения своего пути РІ темноте. Зрение получается РІ результате действия глаза РЅР° объект: глаза испускают СЃРІРѕР№ собственный свет.
Платон (около 428-427 до 348-347 до н.э.) предполагал, что огонь в глазу испускает свет и этот внутренний свет смешивается с дневным светом, образуя связь между объектами внешнего мира и душой, являясь, таким образом, мостом, благодаря которому мельчайшие движения внешних предметов создают зрительное ощущение. Согласно этому философу две формы света одна внутренняя и другая внешняя смешиваются и действуют как посредник между человеком и с темнотой внешнего мира.
Начальные попытки механистического РїРѕРґС…РѕРґР° Рє сущности зрения начались СЃ Рвклида, великого александрийского математика, который жил около 300 РґРѕ РЅ.СЌ. Р’ СЃРІРѕРёС… сочинениях РїРѕ оптике РѕРЅ дал четкую геометрическую теорию зрения. РћРЅ продолжал верить, что свет РёСЃС…РѕРґРёС‚ РёР· глаза, РЅРѕ РІ отличие РѕС‚ смутных светящихся Рё эфемерных испусканий, предполагаемых Рмпедоклом Рё Платоном, РѕРЅ рассматривал прямолинейные лучи света, Рє которым применима математическая дедукция. Р’ СЃРІРѕРёС… развернутых математических работах РѕРЅ дал геометрическую форму зрительных лучей Рё вывел некоторые РёР· законов геометрической оптики, которые известны РїРѕ сегодняшний день. РћРЅ, Р° также как Архимед (около 287-212 РґРѕ РЅ.СЌ.) Рё Герон (III или II РІ. РЅ.СЌ.) разделяли учение Пифагора. Напротив, Демокрит (470-360 РґРѕ РЅ.СЌ.) Рё атомисты предполагали, что светящиеся предметы испускают атомы, которые создают образы этих предметов Рё которые, РєРѕРіРґР° попадают РІ глаз, создают видение.
Ущерб, нанесенный Аристотелем
Позднее Аристотель (384-322 до н.э.) определял свет как действие прозрачного тела и что свет сам по себе прозрачен, наблюдая, что прозрачное тело имеет силу пропускать свет, но только пока свет проходит через него, т.е. свет включает способность быть прозрачным.
Если РјС‹ смотрим РЅР° глаза кошки РІ темноте, то РјС‹ замечаем, что РѕРЅРё СЏСЂРєРѕ светятся Рё кошка легко передвигается РІ темноте; этот факт убеждал древних людей РІ реальном существовании РѕРіРЅСЏ РІ глазах, как это утверждали Рмпедокл Рё Платон. Однако возникал колкий РІРѕРїСЂРѕСЃ: если РІ глазу имеется источник света, то почему человек РЅРµ может видеть РІ темноте? Ответов было РјРЅРѕРіРѕ, РЅРѕ Аристотель положил конец РґРёСЃРєСѓСЃСЃРёСЏРј, настаивая, что темный РІРѕР·РґСѓС… РЅРµ прозрачен: только РєРѕРіРґР° лампа зажигается, РѕРЅ становится прозрачным РёР·-Р·Р° того, что свет активирует его скрытную прозрачность, после чего человек способен видеть. РњС‹ СЃРЅРѕРІР° можем спросить: почему эти же соображения РЅРµ применимы Рє кошке, которая РІРёРґРёС‚ Рё без зажженной лампы? Р’Рѕ РІСЃСЏРєРѕРј случае, РІСЃРµ эти соображения РЅРµ дают ответа РЅР° РІРѕРїСЂРѕСЃС‹, касающиеся РїСЂРёСЂРѕРґС‹ света Рё его возникновение. Р’ течение Средних веков, РєРѕРіРґР° проблемы РїСЂРёСЂРѕРґС‹ обсуждались РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРµ аристотелевой философии, согласно которой РїСЂРёСЂРѕРґР° вещей заключается, РІ конце концов, РІ РЅРёС… самих, РЅРµ было никакого прогресса найти решение.
Святой Фома Аквинский (12271274) провозглашал, что происхождение нашего знания заключается в восприятиях, и даже в отношении тех вещей, которые лежат за пределами чувств, и что метафизика, получает свое название (за физикой), из-за того, что для нас, которые естественно приходят к знанию о невещественном путем чувственных восприятий, разумно считать, что этот объект изучения лежит за пределами физики.
Аристотелизм был полностью признан в Европе в XIII в., доминируя, по крайней мере четыре столетия, настолько, что даже в 1624 г. парламент в Париже декларировал, что под страхом смерти никто не смеет учить доктринам, противоречащим Аристотелю.
Ученые средневековья рассматривали аристотелев энциклопедический СЃРІРѕРґ знаний как РЅРµ подлежащий совершенствованию. РћРЅРё принижали взгляд святого Фомы, касающегося соотношения между физикой Рё метафизикой, утверждая РЅРµ дело физики теоретизировать относительно фактов Рё законов или заниматься реконструкцией космологии или метафизики... если физическая теория РЅРµ совместима СЃ полученными метафизическими учениями, ее РЅРµ следует принимать, поскольку метафизика, Р° РЅРµ физика является высшей наукой Рѕ РїСЂРёСЂРѕРґРµ. Р’ согласии СЃ этим РѕРЅРё истолковывали окружающий РјРёСЂ только путем применения формальной логики, С‚.Рµ. дедуктивных выводов РёР· темных, бесплодных принципов, которые фактически являлись окаменелостью порочной аристотелевой физики. Ртот РїРѕРґС…РѕРґ РЅРµ РјРѕРі принести ничего РєСЂРѕРјРµ пространной софистики Рё тормозил научный прогресс.
Хотя Аристотеля следует рассматривать как величайшего философа одного из основателей логики, его учение появилось в момент упадка творческого периода греческих мыслителей, и вместо стимулирования дальнейшей интеллектуальной активности оно было принято как догма и положило конец любой другой философской активности. Двумя столетиями позже, во времена роста новых философских концепций, практически любой прогресс в науке, в логике и в философии начинался с оппозиции к аристотелевым теориям.
Появление современной науки
Необходимым условием появления современной науки было освобождение от философии Фомы Аквинского. Прогрессу способствовал ряд обстоятельств. В течение XV в. различные причины привели к упадку папства, что привело к быстрым политическим и культурным изменениям в обществе. �зобретение пороха усилило центральную власть в феодальном обществе, а новая по существу классическая культура превозносила Грецию и Рим и порицала средневековье.
Решающими обстоятельствами для возрождения науки были: новое соотношение между Землей и Солнцем, предложенное Николаем Коперником (1473-1543) в 1543 г., согласно которому, Земля вращается вокруг Солнца, а не наоборот, как это предполагалось со времен Птолемея (египетский астроном, математик и географ, около 100178 н.э.) (рис.1), а также успехи теорий Кеплера (1571 1630), появившихся в начале XVII в, Кеплер, сформулировав три закона, которые управляют движением планет вокруг Солнца, продемонстрировал ошибочность аристотелевых принципов, согласно которым небесные тела принципиально отличаются от земных.
Рис. 1. (а) Модель Птолемея, принятая вплоть до начала 17-го столетия: Земля в центре, а Солнце и планеты вращаются вокруг нее. Планеты описывают малые окружности (эпициклы), центры которых движутся по большим окружностям (дифферентам) с Землей в центре, (б) Версия Солнечной системы по Копернику: Солнце в центре, а планеты вращаются вокруг него по концентрическим круговым орбитам
Кеплер родился в маленьком городке Вёйль в Вюрттемберге. Он учился с намерением стать протестантским пастором, но, будучи сторонником идей Коперника, он вряд ли мог на это рассчитывать. Его профессор математики и астрономии рекомендовал его для преподавания в Граце, где он опубликовал в 1596 г. свою первую работу, Mysterium Cosmographicum, в которой ясно выразил свою веру в математическую гармонию Вселенной. Будучи протестантом, он был изгнан, когда курфюрст Фердинанд начал жестокую контрреформацию, и перебрался в Прагу по приглашению астронома Тихо Браге (15461601), с которым он сотрудничал вплоть до его смерти. Он использовал точные астрономические наблюдения Тихо, чтобы разработать свои законы планетарного движения. После смерти императора Рудольфа II он отправился в Линц, чтобы защитить свою мать, которую обвиняли в колдовстве (надо отметить, это ему успешно удалось). Когда курфюрст Фердинанд в 1619 г. стал императором под именем Фердинанд II, преследования протестантов усилились, и в 1626 г. Кеплер был вынужден покинуть Линц. После многих странствий он умер в 1630 г. по дороге в Ратисбон, куда он направлялся, добиваться правосудия от парламента. Разразившаяся вскоре Тридцатилетняя война уничтожила следы его захоронения, которое было за городскими воротами. Кеплер, один из вождей астрономической революции, всю свою жизнь занимался составлением гороскопов, хотя и не верил в них, с целью поправить свои скудные финансы.
Кеплер восхищался старой идеей Пифагора, в которой превозносилась сферическая форма, и старался найти в движениях планет такие же пропорции, которые проявляются в музыкальных гармониях и в правильных многоугольниках. В его представлении планеты, так же как и Земля, были как бы живыми существами с индивидуальными душами. Отказ от такого фантастического взгляда на физический мир начатый Галилеем и законченный Ньютоном, у Кеплера это не было столь явным, и его научный метод рассмотрения проблем сочетался с отклонениями в сторону магических символических положений, типичных, например, для алхимии.
Небесные тела с Солнцем в центре, по Кеплеру, являются воплощением, хотя и несовершенным, сферического образа Святой Троицы. Уже в Mysteerium Cosmographicum он писал: Образ триединого Бога сферическая поверхность, т.е. Бог-Отец в центре, Солнце является внешней поверхностью, а Святой Дух подобен лучам, испускаемым из центра к сферической поверхности.
�з своих наблюдений за движением планет он заключил, что они обращаются вокруг Солнца, описывая эллипсы с Солнцем в одном из фокусов (первый закон) и, что линия, которая соединяет планету с Солнцем, покрывает равные площади за равные времена (второй закон). Кроме того, он продемонстрировал, что эти орбиты не произвольны, а именно, максимальное расстояние планеты от Солнца является некоторым соотношением с временем, которое требуется для совершения полного обращения вокруг Солнце (третий закон, рис. 2).
Рис. 2. Законы Кеплера, (а) Первый закон утверждает, что планеты движутся по эллиптическим орбитам с Солнцем в одном из фокусов. Соответственно перигелий и афелий точки минимального и максимального расстояния от Солнца, (б) Второй закон утверждает, что линия, которая соединяет Солнце с планетой, покрывает равные площади за равные промежутки времени. Поэтому, две заштрихованные области равны, если их покрытие происходит за одно и то же время, и планета должна двигаться с большей скоростью, когда проходит сегмент, который ближе к Солнцу, чем когда она проходит сегмент с большим удалением от Солнца. Третий закон устанавливает, что квадрат времени, которое планета затрачивает на полный оборот вокруг Солнца, пропорционален кубу главной полуоси эллипса орбиты
Декарт
Рене Декарт (Картезий, 15961650), младший современник Галилея, был первым, кто предпринял намерение провести полную реконструкцию идей, касающихся физической Вселенной.
Период, предшествующий его рождению, и тот, в котором он жил, были отмечены событиями, которые сильно изменили концепцию мира. Открытие Америки, кругосветное путешествие Магеллана вокруг Земли, изобретение телескопа, падение системы Птолемея в астрономии и общая неудовлетворенность схоластикой ослабили старые основы и обеспечили фундамент для нового построения.
Декарт считается основателем современной философии и одним из создателей науки XVII в. Его отец, �охим, советник парламента Бретани, был скромным землевладельцем, его мать, умерла, когда он был ребенком. Выбрав военную профессию молодой Декарт принимал участие в кампаниях Мориса Баварского. В возрасте 24 лет он после глубокого психического расстройства решил посвятить себя философии.
