Американские ученые запустили лазерную установку мощностью в квадриллионы ватт, одну из самых мощных на земном шаре. Набирающая обороты лазерная гонка открывает перед человечеством новые перспективы, но и создает новые вызовы, в том числе, в военной сфере, считает научный обозреватель Forbes Анатолий Глянцев
Ученые из Мичиганского университета сообщили о запуске одного из самых мощных лазеров в мире. Установка называется ZEUS («Зевс»). Это сокращение от словосочетания Zetawatt-Equivalent Ultrashort pulse laser System, то есть «Лазерная система с ультракороткими импульсами, по мощности эквивалентная зетаваттной». Ученые очень любят акронимы, складывающиеся в осмысленные и звучные названия.
В тестовом запуске лазер излучал импульсы мощностью 30 тераватт. Уже в следующем году он должен выйти на свою проектную мощность в три петаватта (ПВт). Эта цифра впечатляет и сама по себе. Но ученые применили дополнительный хитроумный трюк. Луч падает не на неподвижную мишень, а на предварительно разогнанный пучок электронов. Мощность лазерного луча и электронного пучка складываются, достигая астрономической величины в несколько зетаватт (1021 Вт). Это позволит изучать физические эффекты, воспроизвести которые еще недавно казалось немыслимым.
Силы света
Современный мир немыслим без лазеров. Они применяются практически везде от изготовления микросхем до кройки ткани. Лазеры встраиваются не только в заводские станки, но и в карманные инструменты, будь то лазерный нивелир или эпилятор. Даже этот текст вы читаете благодаря лазерам, передающим по оптоволокну интернет-трафик.
Лазеры остаются незаменимым инструментом и для ученых. Они позволяют решать самые разные задачи в зависимости от мощности, количества импульсов в секунду и других характеристик. Нужен пинцет, способный манипулировать отдельными живыми клетками и даже вирусами? Маломощный инфракрасный лазер прекрасно справится. Эта технология, кстати, так и называется оптическим пинцетом, и ее создатель Артур Ашкин получил в 2018 году Нобелевскую премию по физике (совместно с Жераром Муру и Донной Стрикленд). Нужно воссоздать условия в недрах Земли? Нет проблем: прозрачные алмазные наковальни сожмут мишень, а мощный лазер нагреет ее. Проследить за ходом химических реакций в реальном времени? Пригодится фемтосекундный лазер, посылающий импульсы длительностью в квадриллионную долю секунды.
Однако экспериментаторам всегда и всего мало. Не важно, 2020-е на дворе или 1960-е, им всегда нужен еще более зоркий телескоп, производительный компьютер или мощный лазер. Конечно, это не бессмысленная жадность, а желание вырвать у природы новые тайны, недоступные с нынешними инструментами. Поэтому физики никогда не прекращают работу над созданием «самых-самых» лазеров: самых мощных, самых быстрых и так далее.
Гонка за петаваттами
Двадцать первый век начался со штурма петаваттной планки. Сегодня в мире уже несколько десятков лазеров с пиковой мощностью около 1ПВт (квадриллион ватт). Пальма первенства в петаваттной гонке стремительно переходит из рук в руки. В 2019 году лазер ELI-NP в Румынии достиг мощности в 10 ПВт, что сделало его самым мощным лазером в мире. Уже через год китайский лазер SULF взял планку в 13 ПВт. А на 2025 год в том же Китае запланирован запуск лазера SEL с фантастической мощностью 100 ПВт.
Важно понимать, что эта мощность — мгновенная, или, как говорят профессионалы, пиковая. Она достигается не столько за счет энергии лазерного импульса, сколько за счет его краткости. Мгновенная мощность — это не количество энергии, а скорость ее выделения. Тот же SULF за один импульс излучает всего 300 джоулей энергии, как 100-ваттная лампочка за три секунды. Зато импульс продолжается всего 23 фемтосекунды, что и дает мощность в 13 ПВт. При этом лазер выдает новый импульс каждые три минуты.
Конечно, лазер, потребляющий мало энергии — это экономично. Никакая энергосистема не выдержала бы непрерывно включенную петаваттную «лампочку». К примеру, суммарная установленная мощность всех российских электростанций в 2020 году не составляла и тысячной доли петаватта.
С другой стороны, краткость импульса и малая «скорострельность» сильно ограничивает исследователей. Поэтому востребованы и системы с меньшей мгновенной мощностью, но большей суммарной энергией. Например, строящийся российский лазер УФЛ-2М будет подводить к мишени энергию более чем в два миллиона джоулей. Планируется, что по этому показателю он будет лучшим в мире.
От рекордов к практике
Сверхмощные лазеры нужны ученым самых разных областей. Прежде всего, разумеется, физикам. В момент облучения материя мишени попадает в экстремальные условия, не встречающиеся больше нигде на Земле. Исследуя ее поведение, экспериментаторы проверяют самые фундаментальные физические законы.
В последние годы набирает обороты новый подход, в котором используется не сам лазерный луч, а продукты его взаимодействия с мишенью. Например, луч «Зевса», упавший на пучок электронов, порождает краткий импульс рентгеновских лучей. С их помощью можно просвечивать как предметы, так и живые организмы. При этом человек или животное получит меньшую дозу облучения, чем от обычной рентгеновской трубки. Лазерный луч можно использовать и для ускорения элементарных частиц, а потоки частиц нужны всем от ядерных физиков до материаловедов.
Еще одна важная отрасль — лазерный термоядерный синтез, недавно продемонстрировавший долгожданные успехи. Так, российский УФЛ-2М будет применяться именно в этой сфере.
И, разумеется, не стоит забывать о лазерном оружии. К примеру, российский президент в 2018 году заявлял, что боевые лазерные комплексы уже поступают в войска. Разумеется, «Зевс» или УФЛ-2М сами по себе не годятся на роль лазерной пушки. Но технологии, отрабатываемые при создании передовых лазеров, могут вовлечь нас в новую гонку вооружений. Необходимо считаться с такой возможностью.