Неоткрытые миры

— Что за индуцированное излучение? — поинтересовалась Галатея. — Можно его объяснить на уровне горошин?

— Можно. Возьмём слегка наклонную пластинку и положим на неё горошину. Если пластинка ровная, то горошина непременно скатиться вниз. Нанесём на пластину серию поперечных мелких бороздок, в которых горошины могут удерживаться от падения. Пластина с бороздками, усеянными горошинами, представляет собой модель вещества, где электроны находятся в возбуждённом состоянии: они сидят на верхних электронных орбитах и в любой момент готовы скатиться вниз. Если бросить на верхнюю часть пластины горсть горошин, то они, выбивая застрявший горох из мелких бороздок, вызовут гороховую лавину, которая обрушится вниз. Именно такой эффект предсказал Эйнштейн в 1916 году, и именно на таком принципе устроен лазер.

Практически воплотить идеи Эйнштейна ещё при жизни великого физика удалось Чарльзу Таунсу и Александру Прохорову, который развивал идею квантового генератора в тесном сотрудничестве с молодым сотрудником Николаем Басовым, из-за долгой войны закончившим университет только в 1950 году. Им удалось создать среду, в которой было множество атомов в возбуждённом состоянии. И когда фотон пролетал через эту среду, он заставлял атомы испускать новые фотоны в том же направлении, как и предсказывал Эйнштейн. В результате возникала целая лавина совершенно одинаковых фотонов, летящих в одном направлении. Так был создан знаменитый лазерный луч. За это достижение Чарльз Таунс, Александр Прохоров и Николай Басов были удостоены Нобелевской премии по физике за 1964 год. Интересно, что Таунса вдохновила на создание лазеров книга А. Н. Толстого «Гиперболоид инженера Гарина», вышедшая на английском языке в 1936 году.

После создания лазеры проникли во все области человеческой жизни — они всё время у нас буквально под рукой, которая часто лежит на лазерной компьютерной мышке. Есть лазеры огромные, как дом, — они используются для инициации термоядерной реакции. Есть крошечные лазеры на полупроводниках, которые работают в электронно-оптических приборах, в частности в лазерных музыкальных проигрывателях. Возможно, зонды, летящие к другим звёздам, будут снабжены парусами, а лазеры, установленные на Земле, станут наполнять эти паруса энергией. Инженеры и физики, которые интересуются лазерными технологиями, всегда найдут там массу новых, интересных и полезных задач. Например, до сих пор не удаётся создать гразер — лазер, который излучал бы в гамма-диапазоне. Да и с разером, то есть с рентгеновским лазером, тоже немало трудностей.

Одна область применения лазеров оказалась неожиданной и очень плодотворной. Тонкий лазерный луч, который легко преодолевает огромные расстояния, стал прекрасным инструментом для измерения расстояний. С его помощью удаётся точно определить расстояние до самых далеких спутников Земли и даже до Луны. Это позволяет вычислить скорость движения земных континентов, которая составляет несколько сантиметров в год. Потом лазерный дальномер разместили на самолёте и заставили его измерять высоту до земли с точностью в несколько сантиметров и с частотой десятки тысяч лазерных измерений в секунду. В результате получилась невиданной точности трёхмерная модель земной поверхности и всех объектов на ней — холмов и оврагов, домов и деревьев. К началу XXI века лазерные дальномеры — их назвали лидарами — стали столь компактными и дешёвыми, что их начали размещать на автомобилях и на роботах.

— А для чего это нужно? — спросила Галатея.

— Лидар на автомобиле измеряет расстояние до соседних машин или других препятствий и сигнализирует водителю об опасном сближении. Если машина снабжена автопилотом, то лидарные данные позволяют компьютеру-водителю безопасно маневрировать, так что ошибка человека-водителя не может привести к аварии. Особенно ценными оказались лидары для роботов, которые двигаются не по гладким дорогам с известным маршрутом. Робот должен сопровождать человека всюду, куда тот пойдёт, и действовать самостоятельно там, где для человека слишком опасно: в развалинах, образовавшихся после землетрясений, либо на местах аварий, где разлиты радиоактивные вещества или химикаты. Поэтому робот должен прекрасно ориентироваться в пространстве и иметь точную трёхмерную картину окружающей его среды. Этого без лидара добиться невозможно.

— Почему? — поинтересовался Андрей. — У нас ведь нет лазеров в глазах, а мы хорошо видим и всегда знаем, что нас окружает.

— Человеческое зрение — это великолепно устроенный аппарат восприятия окружающей действительности. Он включает высокочувствительную оптику прекрасного разрешения — глаз человека имеет 130 миллионов рецепторов, мощный мозг для быстрой обработки поступающей информации и многолетнюю тренировку в привычной среде для эффективного построения трёхмерной картинки. Два глаза, разнесённых для объёмного зрения, дают хорошую возможность оценить расстояние до окружающих нас предметов.