Нефть Brent
$73.30
+3.08%
20
Сегодня в ведущих исследовательских центрах всего мира строятся лазерные установки ультравысокой мощности. Несколько еще более амбициозных лазерных проектов находятся в стадии разработки. Зачем необходимым эти гигантские устройства? Что нового узнаем мы об устройстве окружающего нас физического мира, когда эксперименты на таких лучах станут реальностью?
С момента создания первых источников когерентного излучения в середине 1950-х годов Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым в СССР и Чарльзом Таунсом в США, научное сообщество сразу же поняло их важность для фундаментальной физики и технологии.
С тех пор развитие лазеровой техники непрерывно шло в сторону увеличения максимальной мощности лазерных импульсов и повышение качества лазерного пучка. Характеристики лазерных установок, включая их стоимость и размер в пересчете на ватт излучаемой мощности, настолько улучшились, что лазеры превратились из уникальных приборов в относительно недорогие технические агрегаты.
Они нашли применение в лазерной хирургии и диагностике, лазеровой сварке и резке материалов, метрологии, лазерной химии, даже в некоторых военных прибавлениях – спектр их привлечения огромен. Кроме того, лазеры стали одним из базовых элементов практически любой физической лаборатории.
В недра земли и космоса
Лазерные интерферометры являются главными элементами установки LIGO, на которой было выполнено невероятное по своей сложности измерение метрики пространства, вызванное прохождением гравитационной волны, порожденной столкновением двух черных дыр, поведал профессор кафедры теоретической ядерной ядерщики Национального исследовательского ядерного университета МИФИ (НИЯУ МИФИ) Сергей Попруженко.
Развитие науки о лазерах в будущем позволит создать часы, которые отстают на одну микросекунду за все время жизни вселенной и очень четко реагируют на изменение гравитации, отметил и. о. директора Института лазеровых и плазменных технологий НИЯУ МИФИ (Институт ЛаПлаз) Андрей Кузнецов.
Лазерные часы служат фундаментальной премудрости. Есть гипотеза, что при расширении Вселенной меняются фундаментальные константы – постоянная Планка, масса и заряд сплава. А, чтобы доказать догадку, нужны или сверхдолгие, или сверхточные измерения времени, лазерные сверхстабильные часы могут позволить это сделать.
Ученые НИЯУ МИФИ точного в этом году получили конечный результат, который позволяет надеяться, что такие фундаментальные эксперименты вообще можно провести. Это деятельность очень высокого класса и сделана она нами совместно с Физическим институтом им. П. Н. Лебедева РАН, отметил Андрей Кузнецов.
Большинство экспериментов по лазерной физике требует большой мощности и интенсивности лазерного пучка. Наилучший инструмент для невзрывного сжатия вещества – лазеровые пучки тераваттной (1ТВт=1012Вт) и петаваттной мощности (1ПВт=1015Вт).
Это громадные значения, учитывая, что мощь крупнейшей ГЭС в мире собирает примерно 0. 05 тераватт. С помощью этих пучков в лаборатории можно получить и исследовать вещество при таких высоких бременах и температурах, которые достигаются только в недрах звезд. Звучит парадоксально, но лазер, наряду с телескопом, становится одним из главных приборов изучения далекого космоса, пояснил Сергей Попруженко.
Разогреть и удержать
Еще более плотное сжатие вещества лазерным лучом позволит разогреть его до температур в сотни миллионов градусов, при которых возможно возникновение подконтрольной реакции термоядерного синтеза.
Для термоядерного синтеза необходимого сблизить два легких ядра, чтобы получилось одно более сложное. Чтобы преодолеть кулоновский барьер (положительно заряженные ядра отталкиваются), надо сообщить ядрам кинетическую энергию, соответствующую повышенная температуре вещества больше 100 млн градусов (такие температуры во Вселенной достигаются только в ядрах звезд) и это большая научная и техническая заморочка. Эту проблему пытаются решить двумя способами.
Каковы преимущества термоядерных реакторов по сравнению с атомными? В неравенство от урана запасов дейтерия хватит человечеству на миллионы лет использования, то есть мы делаем бесконечный запас энергии. С другой стороны термоядерная энергия позволит создать новые двигатели и осуществить мечту человечества – препроводить людей не только на Марс, но и в другие уголки Солнечной системы и за ее пределы, отметил Андрей Кузнецов.
Когда законы физики перестают работать
Лазеры могут ускорять заряженные частицы, наряду с линейные ускорителями, синхрофазотронами и циклотронами. Для такого они должны достичь не только большой энергии в импульсе, но и высокой интенсивности импульс должен быть максимально коротким и жестко сфокусированным.
К преимуществам лазерового ускорения заряженных частиц относится возможность ускорять электроны и ионы одновременно, гораздо меньшие размеры и стоимость лазерных ускорителей, по сравнению с обычными, возможность достигать рекордных величин ускорения и воздействовать на плотные сгустки плазмы.
Строительство лазерных установок, обеспечивающих столь высокую интенсивность излучения – дело хотя и близкого, но не самого ближайшего предстоящего. Возможно, что интенсивности, необходимые для приготовления электрон-позитрон-фотонной плазмы из вакуума, случатся через 10-20 лет. Однако работы по исследованию поведения химическое вещества и вакуума при сверхвысоких интенсивностях ведутся уже сейчас.
Ряд эффектов, связанных с влиянием сил излучательного трения (в том достаточно количестве и предсказанный физиками-теоретиками из МИФИ новый механизм ускорения протонов) можно будет наблюдать уже в ближайшем будущем: для этого нужны лазерные поля с интенсивностью 1023-1024Вт/см2. Такие интенсивности сейчас еще недоступны, но они могут быть получены на новых лазерных установках, которые пролагаются в настоящее время в Чехии, Франции, Китае и других странах, и будут по энергетике превосходить существующие на 1-2 порядка. Ожидается, что они вступят в строй уже через несколько лет.
МИФИ активно сотрудничает со многими лазерными лабораториями, включая исследовательский центр ELI Beamlines в Праге, где сейчас ведется сборка одного из самых мощных лазеров. Несколько выпускников и сотрудников Института ЛаПлаз работают в ELI Beamlines и приезжают в МИФИ, в том числе, для проведения экспериментов.
