Дэвид Джоунс - Изобретения Дедала

New Scientist, July 13, 1978

Теория колебаний в вихрях была разработана еще в 60-х годах прошлого века гениальным Г. Гельмгольцем[17]. Именно на ее основе У. Томсон (лорд Кельвин) создал свою вихревую теорию атома, пытаясь объяснить с ее помощью наблюдаемые атомные спектры. Согласно этой теории, атомы представляют собой вихревые кольца в эфире. Поскольку эфир рассматривался тогда как среда, абсолютно лишенная вязкости, вихревые кольца в эфире не должны рассеиваться; они существуют постоянно: перемещаются в пространстве, осциллируют, взаимодействуют друг с другом. В математическом отношении эта теория оказалась слишком сложной, чтобы на ее основании можно было делать какие-либо предсказания относительно атомных спектров, которые так и оставались загадкой. Именно пытаясь разрешить эту проблему, Нильс Бор в 1913 г. создал свою модель атома, применив принципы квантовой механики к ядерной модели атома, предложенной незадолго до этого Резерфордом.

Замечательное описание экспериментов по исследованию дымовых колец и их колебаний можно найти в статье Уиднелла и Салливэна (Proceedings of the Royal Society, A, 332, 1973, p. 335).

Атмосферные выбросы из заводских труб содержат как твердые частицы, так и вредные газы, например сернистый газ и окислы азота. Чтобы дым рассеивался возможно выше и на большой площади, в настоящее время стараются строить как можно более высокие трубы. А чтобы забрасывать отходы еще выше, недавно изобрели трубу, пускающую дымовые кольца. Раздумывая над идеей использования общеизвестной детской забавы (пускания мыльных пузырей) в гигантских масштабах, Дедал проектирует заводскую трубу, которая будет выдувать огромные мыльные пузыри, наполненные дымом. Он уверен, что подходящую жидкость для таких пузырей можно приготовить на основе водорастворимых вязкоэластичных полимеров. Исполинские мыльные пузыри — мыльные «монгольфьеры», — лопаясь на многокилометровой высоте, будут выпускать свое содержимое в высокие слои атмосферы. Впрочем, если с умом подойти к процессам, происходящим внутри пузыря, то можно предотвратить даже это загрязнение атмосферы. Известно, что серный и сернистый газы нейтрализуются известняком или мелом. Эти вещества нетрудно ввести в виде тонкой суспензии в жидкость, из которой выдуваются пузыри. При небольшом избытке щелочи реакция нейтрализации в долгоживущем пузыре успеет пройти до конца. Выделяющиеся при реакции газы адсорбируются стенкой пузыря, а твердые частицы постепенно стекают вниз по стенкам; частички дыма также оседают в нижней части пузыря. В конечном счете мы получим мыльный пузырь, заполненный чистым нейтральным газом; лишь в нижней его части образуется «кирпич» из сажи и твердых продуктов реакции, который упадет на землю, когда пузырь лопнет. Так что живописное зрелище сверкающих шаров, поднимающихся над промышленными районами, будет омрачено мыслью о том, что где-то с неба на землю упадет такое же количество «кирпичей». Придется поэтому организовать специальные отряды, которые с помощью лазера станут сбивать пузыри над пустырями, болотами и оврагами.[18]

New Scientist, March 8, 1973

В лазере фотон света, сталкиваясь с возбужденным атомом среды, стимулирует испускание другого фотона той же частоты. Вторичные фотоны в свою очередь вызывают испускание фотонов другими возбужденными атомами — в результате процесс излучения света идет лавинообразно. Но попробуем рассмотреть случай, когда активная среда лазера находится в докритическом состоянии, т. е. слишком разрежена, чтобы поддерживать лавинообразный процесс. В такой среде фотон может столкнуться с невозбуждеиным атомом, который, поглотив этот фотон, переходит в возбужденное состояние. Другой фотон, столкнувшись с этим возбужденным атомом, теперь может стимулировать эмиссию, и два фотона будут двигаться вместе, парой. В несколько более плотной среде и при чуть более интенсивной накачке эта пара фотонов может столкнуться с еще одним возбужденным атомом, результатом чего будет фотонный триплет. В целом, активную среду лазера покидает примерно столько же фотонов, сколько вошло в нее, однако выходящие фотоны образуют когерентные пары и тройки.

Такой «сгруппированный» свет обладает удивительными свойствами. Прежде всего он совершенно непривычен для глаза. Так, красный сгруппированный свет будет обычным образом отражаться от красных предметов. Но, поскольку каждая пара «красных» фотонов имеет в сумме энергию, равную энергии одного «синего» фотона, такой свет за счет двухфотонного поглощения станет возбуждать также рецепторы, чувствительные к синему цвету. Предмет, таким образом, будет одновременно выглядеть и красным, и синим, — наверное, переливчато-фиолетовым. Больше всего, впрочем, Дедала занимает инфракрасный сгруппированный свет. Все окружающие нас объекты в изобилии испускают длинноволновое инфракрасное излучение. Достаточно поэтому перед любым предметом поместить «группирователь фотонов» фирмы КОШМАР, который собирает фотоны в группы, суммарная энергия которых лежит в видимой области спектра, — и вот вам бесплатное освещение! Правда, в сгруппированном ИК-свете все предметы, скорее всего, будут иметь жуткий вид, так что лучше будет, если энергия группы фотонов придется на область ультрафиолета. Тогда, используя обычный люминофор, как в лампах дневного света, можно возбуждать его за счет многофотонного поглощения и получать видимый свет. Этот изящный прибор преобразует бесполезный инфракрасный фон в видимый свет — подобно тепловому насосу, перекачивающему тепло от тел с меньшей температурой к телам с более высокой температурой. Согласно законам термодинамики, эти устройства могут отбирать у окружающей среды гораздо больше энергии (тепла и света), чем необходимо для приведения их в действие[19].

New Scientist, June 26, 1980

Рассмотрим активную среду, в которой N1 атомов находятся в основном состоянии и N2 — в возбужденном состоянии с энергией Е. Рабочая частота равна в таком случае v = E/h, и если этой частоте соответствует плотность энергии ρv, то интенсивность возбуждения N1 -> N2 составит BN1ρv, где В — вероятность перехода. Аналогично интенсивность стимулированной эмиссии равна BN2ρv. Пусть в систему входит n фотонов. Для каждого из иих вероятность быть поглощенным при переходе атома из состояния 1 в состояние 2 пропорциональна BN1ρ; обозначим эту вероятность через KN1. Тогда число фотонов, поглощенных в системе, равно nKN1 для малых KN1, а n(1 – KN1) фотонов проходят через всю среду. Вероятность того, что каждый из этих фотонов стимулирует испускание фотона возбужденным атомом, равна KN2. Таким образом, наиболее вероятное число пар фотонов, выходящих из среды, равно n(KN2)×(1 - KN1). Иначе говоря, мы пустили в среду n фотонов и получили на выходе n(KN2)×(1 – KN1 фотонных пар; таким образом, кпд нашего лазера по «группированию» фотонов составляет 2/KN2(1 – KN1). Эта величина имеет максимум при N2 = N1, т.е. когда излучение накачки, переводящее атомы в возбужденное состояние за счет переходов N1 -> N3 -> N2, чуть-чуть недостаточно для создания инверсной населенности, т. е. система находится немного ниже порога генерации лазерного излучения. При KN1 = КN2 = 0,5 максимальный кпд = 0,5, т. е. можно рассчитывать, что примерно половина общего числа попадающих в систему фотонов будет сгруппирована. На практике будут возникать группы не только из двух, но и из трех и более фотонов, но даже с учетом этого наша схема выглядит вполне реальной.

Как будут вести себя фотонные пары? В физических процессах (преломление, рассеяние и т. д.) они должны вести себя точно так же, как образующие фотоны, однако в химических процессах (поглощение и т. д.) они, скорее всего, будут проявлять тенденцию к двухфотонному поглощению, и поэтому каждая пара поведет себя как один фотон с вдвое большей частотой. На этой основе, вероятно, можно создать уличные фонари, излучающие сгруппированный инфракрасный свет, который легко проходит сквозь туман и в то же время хорошо воспринимается глазом. А как бы вы отнеслись к «антизонтику», преобразующему свет пасмурного дня в ультрафиолетовое излучение для загара? Наконец, поскольку сгруппированные фотоны когерентны с тем фотоном, который первоначально попал в среду, соответствующие очки позволят непосредственно наблюдать изображение, полученное в инфракрасных лучах.

Майрон Л. Уолбаршт, профессор офтальмологии и биомедицинской техники, Медицинский центр университета Дьюка, Дарем, Сев. Каролина, США 23 июля 1980