Лазер: открытая система с фазовым переходом

Можно ли любую лампу превратить в лазер, просто добавив к ней зеркала? Собственно, почти так оно и есть, однако следует подробнее рассмотреть один ключевой момент. Световые волны, испускаемые возбужденными электронами в обычной лампе, разбегаются прочь с такой быстротой, что другие электроны практически не имеют времени на то, чтобы поддержать колебания этих волн. Это значит, что вынужденное излучение состояться не может, и отдельные волновые цуги оказываются не в состоянии хоть сколько-нибудь «продлить себе жизнь». Лампа испускает самые различные волны таким образом, что они совершенно не зависят друг от друга. Зеркала в лазере предназначены для того, чтобы воспрепятствовать движущимся в осевом направлении волнам покинуть лазер — для того чтобы осталось достаточно времени для усиления волн посредством вынужденного излучения. Однако не существует зеркал, совершенных настолько, чтобы удержать свет в лазере вечно; кроме того, имеются и другие причины, по которым свет «теряется» (например рассеяние). Разумеется, при любом применении лазера часть света зеркала должны выпускать: в конце концов, лазерный свет нужен нам для того, чтобы что-нибудь им облучать.

Таким образом, задача генерации лазерного света становится задачей чисто количественной. Необходимо возбуждать световые электроны атомов газа с такой скоростью, чтобы они оказались в состоянии усиливать световые волны достаточно быстро и эффективно для того, чтобы компенсировать потери от несовершенства зеркал. Другими словами, мы должны постараться устроить все так, что потери энергии волн покрывались бы энергией, получаемой в результате вынужденного излучения. Итак, переход от света обычной лампы к лазерному свету происходит скачкообразно при повышении силы электрического тока, пропускаемого нами через газоразрядную трубку. Существует некое критическое значение силы тока, при котором состояние лазера радикально изменяется — даже в том случае, если ее изменение ничтожно мало. Работу лазера мы можем поддерживать единственным способом: постоянно снабжая его энергией (например в виде электрического тока). Одновременно лазер будет постоянно излучать энергию в виде лазерного света (не будем забывать и о тех неизбежных потерях энергии, которые уже упоминались). Лазер, таким образом, постоянно обменивается энергией с окружающим миром, а значит, является открытой системой. В то же время лазер является системой, чрезвычайно далекой от теплового равновесия — точно так же, как двигатель внутреннего сгорания.

Скачкообразное возникновение макроскопического состояния упорядоченности очень напоминает поведение ферромагнетика или сверхпроводника, при котором также возникают состояния с совершенно новыми физическими свойствами. Правда, эти системы находятся в состоянии теплового равновесия с окружающей средой, что и отличает их от нашего случая.

Именно поэтому многие физики были поражены, когда мы в Штутгарте, одновременно с группой наших американских коллег, смогли установить, что фазовый переход в лазере демонстрирует все свойства, характерные для обычных фазовых переходов, в том числе критические флуктуации и нарушение симметрии. Таким образом, лазер стал как бы мостом между неживой и живой природой. Состояние упорядоченности в лазере поддерживается за счет процессов самоорганизации, протекающих благодаря притоку дополнительной энергии извне. Лазер — как и все биологические системы — система открытая.

Интересный мостик к физиологическим процессам выстраивается, прежде всего, в ходе исследований химических лазеров, где происходит своего рода обмен веществ. Химический лазер нуждается в водороде и фторе; эти вещества очень активно вступают в реакцию друг с другом. В результате между атомами водорода и фтора возникает новое «партнерство», причем химическая реакция протекает настолько бурно, что вызывает возбуждение световых электронов, а они, в свою очередь, генерируют лазерный свет уже знакомым нам способом.

В данном случае энергия создается в ходе химических реакций. Химическая энергия, высвобождаемая в виде тепла, преобразуется при этом в конечном счете в строго упорядоченную энергию синхронного движения волн лазерного света. Перед нами своего рода обмен веществ, при котором низкоуровневая энергия горения преобразуется в высокоуровневую энергию лазерного света. Нечто похожее происходит в двигателе, цилиндр которого наполнен газовой смесью. Тепловая энергия, распределенная по многим степеням свободы, преобразуется здесь в кинетическую энергию поршня, которая, собственно, и заставляет автомобиль двигаться. В дальнейшем мы еще не раз столкнемся с тем, что подобная трансформация микроскопических энергий в макроскопическую энергию с меньшим числом степеней свободы оказывается одним из основных принципов протекания биологических процессов.