ЭНЕРГИЯ САМОГО ВЫСОКОГО КАЧЕСТВА
Нобелевская премия по физике за 1964 год была присуждена советским ученым Н. Басову и А. Прохорову совместно с американским физиком Ч. Таунсом за открытие физических явлений, положенных в основу, создания технических устройств — лазеров. Авторы популярных статей и книг очень любят, говоря о лазерах, вспоминать роман А. Толстого «Гиперболоид инженера Гарина». В то же время между принципом действия лазера и гиперболоида инженера Гарина существует весьма отдаленная аналогия, касающаяся лишь конечного результата их работы. И с помощью лазера и с помощью гиперболоида можно получить световой луч с чрезвычайно малым, практически нулевым углом рас хождения. Но вот способы получения такого луча существенно различны.В гиперболоиде параллельный луч получался за счет отражения от поверхности специальной формы. Читатель, внимательно разобравшийся в четвертой главе книги А. Толстого, легко поймет, что построить подобный прибор принципиально невозможно. Атомы любого вещества находятся в непрерывном движении. Они колеблются относительно своих положений равновесия. Поэтому принципиально не может быть двух фотонов, отражающихся от сколь угодно гладкой поверхности под в точности одинаковыми углами. Все это говорится отнюдь не затем, чтобы преуменьшить заслугу А. Толстого, который проявил гениальное предвидение (опять предвидение!) и намного опередил свое время. Просто важно оттенить принцип действия лазера.Так как же действует лазер? Мы уже говорили, что атом, находящийся в возбужденном состоянии, рано или поздно возвращается в основное состояние и испускает при этом квант электромагнитного излучения. Переход в основное состояние может совершиться и сам по себе. Но известно также явление вынужденного излучения. Если поблизости от возбужденного атома пролетает фотон, характеризуемый данной энергией и, следовательно, данной частотой, и при этом разность энергий между возбужденным и основным состояниями атомов в точности равна энергии фотона, происходит то, что называется вынужденным излучением. Атом излучает фотон, имеющий в точности то же самое направление движения, ту же частоту и ту же фазу, что и пролетающий мимо него, то есть исходный фотон, вызвавший вынужденное излучение. Два фотона, исходный и испущенный, представляют собой две когерентных волны. Амплитуды этих волн складываются.Два образовавшихся таким образом фотона вызывают переход еще двух возбужденных атомов — фотонов становится четыре. После перехода еще четырех возбужденных атомов фотонов становится восемь, и так далее. Чем большее расстояние проходят фотоны в веществе, содержащем возбужденные атомы, тем больше эффективность результирующего светового луча.Таким образом, лазер представляет собой не что иное, как некоторое количество вещества (твердого или газообразного), содержащего большое количество возбужденных атомов. В отличие от широко распространенного мнения основная функция лазера — это функция усиления (а не создания, то есть генерирования) световых колебаний. Само слово «лазер» состоит из начальных букв английских слов «усиление света за счет вынужденного излучения». Поступает один фотон, а вылетает много.Чтобы удлинить путь, который проходит свет в веществе лазера, вещество (его обычно называют активным) помещают между двумя строго параллельными зеркалами. Свет испытывает многократное отражение и только после этого через небольшое отверстие в одном из зеркал выходит наружу. И, повторим здесь еще раз, фотоны излучаются в том же направлении, что и первоначальный. Поэтому сам собой получается идеально параллельный световой луч.Все это общеизвестно и описывалось сотни раз, в том числе и в популярных изданиях. Но мы даем здесь столь подробное описание, чтобы читатель мог самостоятельно подметить аналогию с тем, что говорилось в главе 4 (страница 126). Из всего только что сказанного следует, что лазер вырабатывает когерентное излучение, а когерентность, как мы это обнаружили в свое время, есть основное условие информативности.Если первоначальный фотон не поступает извне, рано или поздно один из атомов самопроизвольно переходит из возбужденного состояния в основное с излучением фотона. Правда, годится не всякий фотон, а лишь такой, направление движения которого строго перпендикулярно поверхности зеркал. Но и такой фотон рано или поздно будет получен, причем, если учесть астрономически большое число атомов даже в малых количествах вещества, долго ждать этого события не приходится. Поэтому, кроме функции усиления, лазер может выполнять также функцию создания, генерирования световых колебаний.Но на этом не исчерпываются функции лазера. Вспомним, что все фотоны, как первоначальный, так и полученные в результате вынужденного излучения, по определению, имеют строго одинаковую частоту. Поэтому лазер представляет собой источник строго одноцветного (монохроматического) света. Этим обусловливается ряд его применений, в частности применение в голографии, позволяющее создавать истинно объемное изображение предмета.И это еще не все. Если прекратить действие источника, вызывающего возбуждение атома (такое первоначальное возбуждение называют накачкой), то при многократных прохождениях светового луча все атомы очень быстро перейдут в основное состояние и излучение прекратится. Таким образом, лазер может работать в режиме импульсного излучателя. Причем здесь происходит то же самое, что и в случае радиолокатора. Можно в течение относительно долгого времени производить накачку от источника малой мощности. Когда энергии накопится достаточно (большое число атомов перейдет в возбужденное состояние), она быстро израсходуется на образование мощного светового импульса.Различные возможности применения лазеров неисчислимы. От инструмента, позволяющего хирургу совершать тончайшие операции на роговице глаза и на нервных волокнах, и кончая одним из самых грозных среди различных видов современного оружия. Нас же интересует следующее. Лазеры, а также родственные им технические устройства — мазеры, представляют собой в чистом виде информационные приборы. Каждый возбужденный атом узнает о направлении, частоте и фазе пролетающего мимо фотона и излучает фотон с точно таким же направлением, частотой и фазой. Энергия, вырабатываемая лазером, обладает самым высоким качеством среди всех известных на сегодня видов энергии.
Помните, мы рассказывали в четвертой главе, как М. Планк пришел к великому открытию, изучая, причем именно с энтропийных позиций, распределение энергии по различным длинам волн? Кроме отмеченных уже тенденций к равномерному распределению в пространстве и времени, энергия испытывает также тенденцию равномерно распределяться по частотному диапазону — недаром Солнце излучает белый свет. Так вот, с помощью лазера осуществляется концентрация энергии не только в пространстве и времени, но и в пределах чрезвычайно узкого частотного диапазона.Это последнее обстоятельство используется, в частности, для построения так называемых молекулярных часов. До самого последнего времени самыми точными часами в мире были-звезды. Любые, сколь угодно точные искусственно созданные, часы проверялись по звездам. Теперь, наоборот, пользуясь молекулярными часами, мы получили возможность проверять точность движения небесных тел. И не зря! Оказалось, что небесные «часы» не так уж точны, как представлялось нашим предкам.Молекулярные часы — это газовый мазер. Частота его, равная сотням миллиардов колебаний в секунду, делится во много раз, пока не получаются колебания с частотой одно колебание в секунду. Газовый, потому что в газе молекулы в минимальной степени влияют друг на друга, и это позволяет получить наименьшие отклонения частоты колебаний.Но опять-таки говорим мы все это здесь исключительно ради того, чтобы задать один вопрос: разве сведения о том, который сейчас час, не есть информация в самом широком понимании этого слова?
Среди всевозможных технических систем наибольшее отношение к нашей теме имеют, конечно, различные средства переработки информации и, в частности, ЭВМ. ЭВМ совместно с чрезвычайно широко развитыми методами сбора, хранения и переработки информации составляют то, что с полным основанием можно назвать информационной индустрией. Сочетание слов «искусственный интеллект» перестало быть достоянием фантастов и любителей экзотики в науке и служит просто для обозначения одной, совершенно конкретной отрасли промышленности (заодно, конечно, и науки). Но именно в силу этих особенностей ЭВМ и другие средства переработки информации описаны сейчас в огромном количестве публикаций, в том числе и популярных. Мы не станем здесь повторять общеизвестное. Коснемся одного вопроса, связанного с современной технологией средств переработки информации. Эта технология известна как технология интегральных схем вообще и, в частности, больших интегральных схем (БИС).Что же такое БИС? Всякая переработка информации осуществляется по программе точно так же, как синтезируются белки в живой клетке. Поэтому, чтобы построить устройство для переработки информации, необходимо решить две основные задачи: обеспечить средства для хранения программы, а заодно, и тех данных, которые подвергаются переработке, и построить собственно рабочую часть, которая под управлением со стороны программы будет выполнять отдельные операции над данными.И ту и другую задачу можно решать многими способами. В своем развитии техника переработки информации испробовала самые различные способы, начиная с электромагнитных реле, и в настоящее время почти окончательно остановилась на интегральных схемах, которые, в свою очередь, используют в работе свойства полупроводников.Полупроводниками называют весьма широкий класс материалов, которые по электропроводности занимают промежуточное место между изоляторами (совсем не проводят электрического тока) и проводниками (проводят электрический ток очень хорошо). Главное свойство полупроводников состоит в том, что их электропроводность сильно зависит от самых различных факторов и, в частности, от наличия примесей. Чистый полупроводник при комнатной температуре практически представляет собой изолятор. Однако достаточно добавить к нему определенную примесь в количестве, не превышающем, скажем, одной тысячной доли процента, электропроводность увеличивается в миллион и более раз.Одна тысячная доля процента! Сто лет назад техника просто не позволяла очистить вещество так, чтобы содержание любых примесей в нем имело подобный порядок. Теперь же одна тысячная доля процента — это содержание совершенно определенной примеси. Что же касается примесей вообще, которые всегда присутствуют в любом материале, то их содержание должно быть еще на несколько порядков ниже.Большинство известных полупроводников — кристаллические тела. Атомы в них расположены в строго определенных местах, в узлах так называемой кристаллической решетки. Добавляемые к полупроводнику примеси замещают в отдельных узлах атомы основного вещества, причем, как уже отмечалось, на сто тысяч атомов основного вещества может приходиться один атом примеси. Этого достаточно, чтобы в области, окружающей дополнительный атом, полупроводник резко изменил свои свойства.Представим себе теперь, что в толще кристалла полупроводника созданы отдельные области, содержащие примеси. Размеры каждой такой области могут иметь порядок долей микрометра. Представим себе также, что все эти области, взятые вместе, составляют сколь угодно сложный, но непрерывный узор — каждая область касается одной или нескольких соседних. Тогда электрический ток будет проходить в кристалле сложный путь от области к области. Читатель уже догадался, что сейчас последует аналогия с бильярдом. Все правильно. Электроны, составляющие электрический ток, движутся в кристалле такими же зигзагами, как и бильярдные шары.Такая аналогия, однако, справедлива не во всем. Для бильярда особенно характерно было полное безразличие. В первых главах мы не уставали повторять, что ни одна из областей поверхности стола не обладает какими-либо преимуществами по сравнению с другими.Здесь же, наоборот, электрический ток может проходить сколь угодно сложный, но строго определенный путь.И еще одно обстоятельство. Чтобы области полупроводника, содержащие примеси, проводили электрический ток, недостаточно одного присутствия примесей. Нужно еще, чтобы данная область находилась под определенным электрическим напряжением относительно всего кристалла. Эти напряжения могут устанавливаться извне с помощью специальных выводов или создаваться тем же самым протекающим током.
