CD-, DVD-, Blu-ray-плейер или даже лазерная указка, которой дразните своих домашних любимцев, вы регулярно используете полупроводниковые лазеры.
В первое время существования лазерной физики приборы в большей степени разрабатывались из любопытства, без особого практического применения. Один из ассистентов Маймана, Ирне Д'Хаененс, сказал ставшую знаменитой фразу, что лазер «это решение, которое ищет проблемы». Однако этот поиск длился не слишком долго, и в последние пятьдесят с лишним лет бесчисленные проблемы выстраивались в ряд, чтобы их решили с помощью лазера.
В пределах физики лазеры – бесценные инструменты для точных измерений. Из-за того, что фотоны в лазере производятся с помощью индуцированного излучения, они идентичны до такой степени, какая не может быть достигнута, если использовать свет от лампы. Некоторые лазерные источники можно настроить на определенный диапазон частот, спектроскопические измерения, сделанные с помощью этих лазеров, можно зафиксировать точные характеристики частот света, поглощаемого и излучаемого атомами с точностью до восемнадцати знаков после запятой. Фотоны из лазера также излучаются в одинаковой фазе – в волновых терминах пики и долины световых волн все совпадают. Это позволяет датчикам, основанным на лазерах, измерять изменения в положении объекта с точностью до малой части длины волны. Последним примером точности позиционирования, выполненного с помощью лазерных сенсоров, является лазерный интерферометр гравитационных волн (LIGO), который в 2015 году использовал два огромных детектора для измерения микроскопического сжатия и растяжения пространства-времени, вызванных прохождением гравитационных волн, что были созданы столкновением двух «черных дыр». Изменение расстояния между двумя зеркалами, вызванное этими волнами, было меньше ширины одного протона, но при этом было четко зарегистрировано LIGO, попав в заголовки прессы по всему миру.
За пределами точных физических экспериментов большинство коммерческих лазеров применяются без использования частотных и фазовых характеристик лазера: там просто требуется яркий источник света. Однако узкий диапазон фазы и частоты, производимые индуцированной эмиссией, важны даже в этом случае, поскольку они позволяют формировать крайне узкий луч света. В то время как лазерный луч расширяется по мере своего путешествия, ширина его изменяется очень и очень медленно. Миссии «Аполлона» оставили ряды отражателей размером с дорожную сумку на поверхности Луны, и в течение более сорока лет ученые «стреляли» в них лазерами и измеряли время прохождения сигнала туда и обратно для определения расстояния до Луны, которое увеличивается примерно на 3.8 сантиметра в год. Луч лазера расширяется от начального диаметра в 3.5 метра до примерно 15-километрового диаметра, но на это требуется 770 000 километров до Луны и назад, так что неудивительно, что луч лазерной указки пробивает через всю комнату, чтобы подразнить любимое животное, и при этом кажется, что он вообще не расширяется.
Более узкие лазерные лучи используются в конструировании и исследованиях для обеспечения прямых линий и горизонтов через умеренные расстояния, сильно упрощая процесс построения зданий с выровненными этажами. Пульсирующие лазеры также могут использоваться для измерения расстояния за счет измерения времени, которое требуется на путь до объекта и обратно. Та же самая по сути техника используется для измерения движущихся объектов, к огорчению многих водителей, севших за руль нетрезвыми.
Узкие лучи, формируемые лазерным светом, также важны для технологий точного резания деревянных или металлических частей. Относительно скромное количество электрического тока может снабдить энергией лазер, который создаст очень маленькое световое пятно, достаточно интенсивное, чтобы прорезать большинство материалов. Лазер может управляться и направляться с помощью линз и зеркал, позволяя осуществлять точный контроль его положения, и поскольку лазерный луч не имеет недостатков физических режущих поверхностей, он не изнашивается и производит одинаковые резы. Лазеры также используются для разрезания тканей человеческого организма в некоторых медицинских операциях, чаще всего в глазной хирургии, но все более возрастает их применение и в других областях.
За счет создания очень высоких температур в ограниченном пространстве при резании лазером живые ткани в это время «запаиваются», что существенно снижает кровотечение при операциях. Хотя перечисленное выше применение представляет лишь малую часть множества проблем, решенных с помощью лазеров, даже этого будет достаточно, чтобы признать лазеры одной из основных и важных технологий. Наиболее важным применением лазеров в современном мире является, однако, то, что они составляют основу современных телекоммуникаций, включая Интернет.
Сеть из света[120]
Ранее в главе мы обсуждали то колоссальное благо, которое оптоволоконные сети принесли телекоммуникациям. Световые импульсы, посылаемые через оптоволокно, имеют существенно более низкие уровни затухания, чем электрические импульсы, бегущие по медным проводам, что позволяет создавать гораздо более надежные и высокочастотные коммуникации на больших расстояниях, именно поэтому современная оптоволоконная технология была бы невозможна без лазеров. Узость лазерного луча принципиально важна, поскольку типичное оптоволокно толщиной примерно с человеческий волос, а сердцевина у волокна – одна десятая от этой толщины. Попасть даже лазером в такую маленькую сердцевину – нетривиальная задача[121], а уж для любого источника света не лазерного типа – вообще невыполнимая.
Узкий диапазон длин волн и частоты для лазерных лучей дает оптоволоконным телекоммуникациям еще большие преимущества, когда речь идет о повышении пропускной способности канала. Как было упомянуто ранее, множественные оптические волокна могут быть связаны в пучок без всяких проблем типа «перекрестных разговоров» или утечки сигнала, как это случается между близко лежащими медными проводами. Более того, даже одно волокно может передавать несколько разных сигналов одновременно, кодируя их с помощью разных лазеров, у которых слегка отличаются длины волн. Лазерный луч может быть скомбинирован до того, как он войдет в волокно, и разделен на другом конце, позволяя одной нити волокна передавать примерно двадцать сигналов сразу, существенно повышая возможности передачи для телекоммуникационных сетей.
В то время как самые ранние компьютерные сети были проложены с помощью медных линий передач, современный Интернет с потоковым видео и бесконечными фотографиями симпатичных котят в социальных медиа невозможно представить без взрывного расширения полосы пропускания, которое последовало за введением оптоволоконных коммуникаций в 1980-х годах. Первый трансатлантический оптоволоконный кабель в 1987 году мог передавать одновременно 40 000 телефонных звонков, в десять раз больше, чем могли медные кабели до того. Самая «свежая» из трансатлантических оптоволоконных линий, законченная в 2017-м, передает цифровые данные со скоростью 160 триллионов бит в секунду, что в 500 000 раз больше, чем кабель 1987 года, и более квадрильона раз быстрее, чем передавалось первое трансатлантическое послание по телеграфу в далеком 1858 году.
Количество данных, передаваемых за месяц через глобальный Интернет в 2016 году – два года назад, когда я это писал, примерно в 1000 раз превышало все, что передавалось за целый 2000-й, и почти все связи на больших расстояниях, составлявшие эту сеть, обеспечивались лазерными импульсами, бегущими по оптоволокну. Так что в следующий раз, когда вы входите в свой компьютер и умиляетесь картинкам с детишками, которые вам передал друг с другого континента, помните, что, в конечном счете, вы должны за это благодарить Эйнштейна, статистику и квантовую природу света и атомов.
Глава 6Чувство обоняния: Исключительно химия
Мой чай еще чуть-чуть слишком горячий, чтобы пить, но я ощущаю его аромат…
Когда дело доходит до распознавания запахов, люди не слишком-то в этом преуспевают, особенно по сравнению с нашими друзьями из царства животных, у которых невероятно большая часть мозга занимается обработкой запахов. В то время как наши носы, можно сказать, недоразвиты, запах все же оказывает на нас сильное влияние, особенно если речь заходит о пище. Запах приготовленной пищи – важная часть процесса еды, и отсутствие запахов может изменить даже хорошо ощутимый вкус приготовленного. Попытка попробовать различные овощи на вкус с заложенным носом – это уже что-то вроде научно-ярмарочного трюка. Как это ни удивительно, отличить, скажем, яблоко от картошки, если вы не ощущаете их запаха, на удивление довольно сложно.
Определение запахов оказалось сложным химическим процессом, где мельчайшие молекулы, испаряющиеся от объекта, достигают рецепторов в носу и заставляют их реагировать. Если углубиться в детали, то мы сразу столкнемся с проблемой устрашающих и непроизносимых химических названий (скажем, «2-этил-3.5диметилпиразин» – это одна из молекул, отвечающих за аромат кофе) и необходимости выбирать между моделями точного механизма, с помощью которого рецепторы в носу ощущают запах. Это жутко сложная тема, и ученые до сих пор с ней до конца не разобрались.
Одно можно сказать наверняка, что на самом глубинном уровне процесс определения запаха по сути своей квантовый. Химия молекул, вовлеченных в запахи, – и в реальности вся химия, насколько мы ее понимаем, – уходит корнями в самый странный квантовый феномен, а именно в эксцентричное свойство, называющееся «спин».
Как работает обоняние
Человеческое чувство обоняния (как и у большинства животных) работает в стиле, похожем на систему определения цветов, обсужденную ранее в 3-й главе. Небольшие молекулы, входящие в наши ноздри, формируют химические связи с особыми молекулами «обонятельных рецепторов» в носу. Они связаны с отдельными нейронами высоко в носовой полости. Когда обонятельный рецептор соединяется с молекулой из воздуха, он заставляет нейрон послать сигнал в мозг, который собирает сигналы от различных нейронов и затем перерабатывает их в то, что мы ощущаем как запах.