Сейчас лазеры используют в самых разных областях – ими можно корректировать зрение, управлять космическими кораблями и совершать термоядерный синтез. В 2018 году Нобелевская премия по физике была присуждена именно за новые лазерные открытия.
Лазеры считают самым важным изобретением 20-го века. Благодаря их открытию в 1960 году стало возможно то, о чем раньше ученым не приходилось даже мечтать. Устройство, создающее узкий пучок интенсивного света, способно концентрировать огромную энергию и передавать ее на большое расстояние. Именно за новаторство в сфере лазерной физики Нобелевскую премию в этом году получили Артур Эшкин, Жерар Муру и Донна Стриклэнд.
Одна часть премии присуждена Эшкину – создателю оптического пинцета, с помощью которого можно захватывать даже живые клетки. На протяжении многих лет он пытался воплотить фантастику в реальность. Нобелевский прорыв физика произошел еще в 1987 году – именно тогда удалось зафиксировать живую бактерию на лазерном луче. Принцип работы такого лазерного пинцета заключается в манипуляциях со световым давлением. Оказалось, что интенсивность излучения в лазере уменьшается от центра к краям. Поэтому микрочастицы «прижимаются» ближе к центру. Эшкин, недолго думая, использовал в направлении луча сильную линзу, позволяющую лучше сфокусировать луч, и таким образом получил своеобразную световую ловушку – лазерный пинцет. Сейчас это изобретение используют очень широко. Сам Эшкин заявил, что до сих пор удивляется, как сильно ученые смогли развить его находку. Благодаря открытию появилась возможность наблюдать, разрезать, толкать, тянуть разные клетки и молекулы, даже не прикасаясь к ним. Именно благодаря оптическим пинцетам ученые смогли увидеть, как молекула кинезина «шагает» и несет полезный груз по микротрубочке.
Вторую часть Нобелевской премии разделили Муру и Стриклэнд – авторы технологии усиления чирпированных импульсов, позволяющих совершать сверхточные надрезы на любых поверхностях, даже на коже человека. Их изобретение также напоминает научную фантастику – ученые взяли короткий лазерный импульс, растянули его во времени, усилили и затем – снова сжали. После такой процедуры интенсивность импульса значительно возрастает. В 1985 году они впервые воплотили теоретическую идею в реальность. Технология Муру и Стриклэнд совершила настоящую революцию в области лазерной физики. Она стала основой для высокоинтенсивных лазеров.
Сейчас Жерар Муру стал руководителем европейского проекта Extreme Light Infrastructure, цель которого – строительство сверхмощных лазеров. В ближайшее время ожидается постройка трех центров данной инициативы: в Чехии (здесь будут проводить исследования высокоэнергетических пучков частиц), Венгрии (будет специализироваться на сверхбыстрых лазерах) и Румынии (специализация – ядерная физика).
Благодаря изобретениям этих и многих других ученых лазер превращается в очень полезный инструмент. Причем развитие лазерных технологий движется семимильными шагами. В 2018 году почти еженедельно появлялась новость о новом открытии в этой области.
В начале этого года с помощью лазерных технологий исследователи смогли «нарисовать» уникальные воздушные 3D-объекты. Это не голограмма. Отличие в том, что объемные фигуры можно рассмотреть со всех сторон, не перекрывая источник света. Руководитель этого проекта Даниэль Смолли рассказал, как создаются эти изображения. Для начала необходимо захватить целлюлозную долю невидимым глазу лучом. «После этого вы перетаскиваете ее вокруг каждой точки рисунка. Когда она находится в правильном месте, вы подсвечиваете ее красным, зеленым или синим лазером, чтобы доля начала иллюминировать. Благодаря перетаскиванию целлюлозной доли изображение выстраивается точка за точкой», – добавил Смолли. Такая технология позволяет создавать и цветные воздушные рисунки. На данный момент исследователи даже «нарисовали» в воздухе принцессу Лею из «Звездных войн». Вскоре ученые планируют представить миру большие плавающие 3D-изображения, с помощью которых можно будет примерять «нарисованную» одежду или увидеть в музеях объемных динозавров вместо скелетов, подобно тому, как было в фильме «Мир юрского периода».
Одной из наиважнейших сфер применения пучков света стала медицина. За основу, как ни странно, взяли опыт специалистов по лазерной обработке металла: благодаря точечной контактной сварке хирурги научились «приваривать» отслоившуюся сетчатку глаза, лазерный скальпель берет свое начало из автогенной резки, а сваривание костей стало возможным лишь после разработки стыковой сварки плавлением. Несколькими неделями ранее ученые из Гамбургского исследовательского центра с помощью самого большого в мире лазера на свободных электронах XFEL сделали новое важное открытие – увидели структуру белка, который отвечает за выработку привыкания к антибиотикам. Исследователи обнародовали результаты своих экспериментов в журнале Nature Communications. Использовав лазерное излучение, они получили сверхкачественные рентгеновские снимки белковых кристаллов. Таким образом им удалось получить 3D-модель белка, которая в дальнейшем будет изучена более подробно. Исследователи надеются, что вскоре благодаря этому открытию будет создано средство, ликвидирующее устойчивость к тому или иному антибиотику.
Весной этого года Lockheed Martin, специализирующаяся на судостроении, разработке оружия и авиакосмической технике, также заинтересовалась лазерными технологиями. Корпорация пообещала создать для военно-морских сил США новое лазерное оружие под названием HELIOS. Пентагон уже выделил разработчикам 150 млн долларов. Если американские власти будут довольны разработкой, они обещают дополнительно доплатить еще 942 млн. В Lockheed Martin уверены, что их изобретение позволит не только уничтожать беспилотники противников и ликвидировать судна, но и ослеплять врага на огромных расстояниях. Ожидается, что новое вооружение предоставят американской армии через четыре года. Вице-глава филиала Integrated Systems and Sensors Мишель Эванс заявил, что новый проект Lockheed Martin – первый и единственный в своем роде. Он выразил гордость, что Пентагон доверил создание инновационного оружия сотрудникам Lockheed Martin. «Оно объединило лазерное оружие, возможность оперативной разведки на больших расстояниях, а также противостоянию вражеским беспилотникам», – сообщил он.
Еще одну оружейную лазерную разработку в этом году представили в Китае. Изобретатели создали оружие ZKZM-500, поражающее цель с помощью лазерного луча. Подробностей пока немного, однако, по словам разработчиков, пушка может поражать цели на расстоянии до 800 метров.
Лазерные технологии открыли новые научные горизонты. Уже сегодня с их помощью можно как изучать микромир, так и разрабатывать сверхопасное оружие. Семимильные шаги развития данной области физики настолько велики, что, скорее всего, еще много фантастических вещей в будущем воплотятся в реальность именно благодаря лазерам.