Или теоретически они могут производить бесконечное количество энергии?
«Атомы становятся похожими на мотыльков, выискивающих область с более высокой интенсивностью лазерного излучения». - Стивен Чу
Каждую неделю в нашей серии «Спросите Итана» мы берем один удачный вопрос или предложение от такого же читателя, как и вы, и анализируем научные данные, лежащие в основе того, что задают. Темы, которые мы взяли на себя, варьировались от теоретической физики до геофизики, от черных дыр до расширяющейся Вселенной и от образования до самолетов. Однако вопрос этой недели касается области, с которой мы давно не сталкивались: лазеров! Давайте посмотрим, что сказал наш читатель Муртаза:
Я спросил об этом у своего профессора оптики в университете 5 лет назад, но не получил ответа. Мы изучали лазеры и резонатор генерации. Мой вопрос заключался в том, сколько фотонов можно накачать в такую полость? Есть ли предел плотности фотонов? Что происходит, когда этот предел превышен?
Как всегда, начнем с самого начала: с атома.
Возможно, вы знакомы с атомом как с положительно заряженным ядром и рядом электронов, вращающихся вокруг него; просто, как это, это довольно хорошая картина. Эти электроны обычно существуют в ряде конечных конфигураций, только одна из которых оптимально наиболее стабильна: основное состояние.
Когда вы стимулируете (т.е. добавляете энергию) атом правильным образом, его электронная конфигурация может измениться, и он может перейти в более высокую энергетическую конфигурацию: в возбужденное состояние. При прочих равных условиях это возбужденное состояние будет спонтанно распадаться на более низкое энергетическое состояние - либо сразу до основного состояния, либо в цепочке - после конечного промежутка времени, испуская фотон очень определенной энергии (или энергий), когда это произойдет.
Вот как это работает для одного свободного атома. Большая часть того, что существует в природе - по крайней мере в этом мире - , не является одним атомом, а состоит из множества атомов, связанных друг с другом определенным образом: разнообразие молекулярных соединений, кристаллов и газовых конфигураций просто ошеломляет. (Хотя конечно!)
Но каждый из них по-прежнему имеет определенное количество электронов и энергетических состояний, которые они могут занимать. Если вы можете добавить энергии в систему и возбудить один (или несколько) электронов, вы часто можете уговорить ее излучать излучение определенной частоты. И если вы стимулируете свою систему правильным, контролируемым образом, вы можете заставить ее излучать излучение с одинаковой длиной волны, частотой и направлением практически каждый раз. Вотчто такое ЛАЗЕР.
Технически, LASER - это аббревиатура, обозначающая Light A мплификация S стимуляция E миссия R излучение, хотя на самом деле ничего не усиливается. Вместо этого электроны колеблются либо между возбужденным и основным состоянием, либо между двумя разными возбужденными состояниями, но по какой-то неизвестной причине никто не хотел использовать аббревиатуру Light O колебание по S стимулированное E миссия Rизлучение. (Интересно, почему!)
Часть «спонтанного излучения», однако, имеет первостепенное значение, и то, что делает лазер лазером.
Если вы можете создать несколько атомов или молекул в одном и том же возбужденном состоянии и стимулировать их спонтанный переход в основное состояние, они будут испускать фотоны с одинаковой энергией. Эти переходы чрезвычайно быстры (но не бесконечно быстры), поэтому существует теоретический предел того, насколько быстро вы можете заставить отдельный атом (или молекулу) перейти в возбужденное состояние и спонтанно испустить фотон; системе требуется время для сброса.
Обычно для создания лазера внутри резонаторного или отражающего резонатора используется какой-либо тип газа, молекулярного соединения или кристалла, но это не единственные способы!
Свободные электроны также можно использовать для создания лазеров, как и полупроводники, оптические волокна и, возможно, даже позитроний: связанные состояния электронов и позитронов. Длина волны, которую лазеры могут излучать, находится в диапазоне от чрезвычайно длинных радиоволн до невероятно коротких рентгеновских лучей, а также теоретически возможно гамма-излучение. Мы даже заметили этот лазерный процесс, происходящий естественным образом в космосе! В основном это происходит в когерентно движущихся облаках на микроволновых частотах, но некоторые из них на самом деле обладают достаточной энергией, чтобы стать настоящими лазерами видимого света!
По мере разработки новых методов и приемов количество энергии, производимой лазерами, со временем продолжало расти, а интенсивность ограничивалась только практическими возможностями современных технологий. Вы можете задаться вопросом, существует ли внутренний предел количества фотонов, которые могут существовать благодаря лазеру (или лазероподобному процессу), поскольку существует предел для, скажем, количество электронов, которое вы можете втиснуть в данную область пространства.
Видите ли, в квантовой механике есть очень важный принцип - принцип запрета Паули - , который гласит, что никакие две квантовые частицы с абсолютно идентичными свойствами не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии. Только я только что солгал тебе; принцип запрета Паули применяется только к частицам, таким как электроны или кварки, чей спин увеличивается с полуцелым приращением: ± 1/2, ± 3/2, ± 5/2 и т. д. Для частиц с целыми спинами: 0, ± 1, ±2 и т. д., абсолютно неограниченное количество одинаковых частиц, которые могут находиться в одном и том же состоянии!
На фундаментальном уровне именно поэтому то, что мы считаем «нормальной материей», вообще занимает место. Но не все подчиняется этому правилу.
Фотон, являющийся частицей, производимой лазерами всех разновидностей, имеет спин ±1, и, следовательно, вы теоретически можете упаковать произвольно большое количество фотонов в столь маленькое пространство, какое захотите.
Это теоретически чрезвычайноважно, потому что это означает, что, если мы сможем разработать правильную технологию, нет предела величине плотности энергии мы можем достичь!
Да, это правда, что практически все лазеры, работающие с резонатором, имеют максимальную интенсивность, которой они могут достичь, но это просто практический предел используемых материалов. На самом деле, если бы вы могли взять достаточно мощный лазер и создать достаточно большой зеркальный резонатор, должно быть возможно - теоретически, конечно сделать одно из этих зеркал способным сдвигаться внутрь, эвакуировать нефотоны внутри и сжать отраженный свет до достаточно высокой плотности энергии, чтобы он создал черную дыру
Так что практически да, есть предел. Но теоретически этот предел зависит только от материалов, которые мы используем; по мере того, как мы находим все более и более лучшие материалы для создания более быстрых, более мощных и мощных лазеров, плотность энергии, которую мы можем достичь, продолжает расти, и верхнего предела не видно.
И это наука о лазерах: без границ на нашем горизонте!
Update: После разговора с Чадом Орзелом, похоже, что, хотя нет предела энергии фотонов, которую вы можете производить, вы в какой-то момент - при энергии фотона выше примерно 1 МэВ - начинайте спонтанно производить пары частиц материи-антиматерии всякий раз, когда ваш фотон взаимодействует с отражающей поверхностью. Таким образом, при чрезвычайно высоких энергиях фотонов ваш лазерный свет начинает напоминать термальную ванну материи-антиматерии, а не просто когерентный свет. Так что этот все-таки окажется ограничивающим фактором! Сожалею тем из вас, кто надеется когда-нибудь увидеть черную дыру.
Есть вопрос, который вы хотели бы видеть в разделе «Спросите Итана»? Присылайте сюда свои! а если у вас есть комментарий, оставьте его на форуме Starts With A Bang в Scienceblogs.