После очень долгого отсутствия я наконец-то заканчиваю тему...
«Виртуальная реальность», или Пустота, да не пустая…
А сейчас речь пойдёт о вакууме. Полное его название – вакуум физический. Наверно, возникает вопрос «Почему физический?» Ведь вакуум – это пустота, а пустота не может быть «физической» или «нефизической». Пустота – это когда вообще ничего нет!
Именно так обычно отвечают на вопрос «что такое вакуум?» И отвечают, заметьте, неправильно. Вакуум вовсе не является абсолютной пустотой, когда действительно «вообще ничего нет». Представьте, что мы хотим получить такую пустоту. Проще всего создать вакуум – это откачивать воздух из герметичного сосуда. Представим, что аппаратура у нас идеальная, и начнём… В принципе мы можем удалить всё вещество из сосуда – все газы до последнего атома. Но тем не менее абсолютной (классической) пустоты мы не получим. Даже в идеально чистом вакууме будут… появляться частицы. Откуда? Дело в том, что всё окружающее пространство пронизывают различные физические поля (электромагнитное, гравитационное и т.д.), которые несут в себе энергию. На очень короткое время эта энергия «обретает материальную форму», и поле переходит в частицу. Согласно соотношению неопределённостей (презентация в начале темы) существует вероятность, что на короткое время произойдёт переход системы (вакуума и полей) в состояние, отличающееся по энергии. Этому изменению общей энергии соответствует рождение частицы определённой массы (масса определяется по формуле ). Короче, в буквальном смысле из ничего появляется какая-то элементарная частица, которая тут же и исчезает (надо же хоть как-то соблюдать закон сохранения энергии!) Поскольку такие частицы, «созданные из ничего», существуют крайне мало времени, то их называют виртуальными. На обычные физические процессы виртуальные частицы не оказывают никакого влияния, даже на уровне атомов их действие незначительно. Они проявляют себя только на глубинных уровнях материи. Пример такой: протон в ядре какого-нибудь атома весит меньше, чем тот же протон в вакууме, потому что на свободный протон налепляется куча «виртуальных» пи-мезонов (в ядре атома эти мезоны расталкиваются протонами).
Прочитайте тексты, где говорится о кварках и сильном взаимодействии. Там я рассказала о невозможности получить кварки в свободном виде и о том, что они становятся бесконечно тяжёлыми при этом. Это свойство кварков связано именно с теми изменениями, которые сии частицы вызывают в вакууме. Как это происходит? Примерно так: кварки связаны между собой с помощью глюонов – переносчиков сильного взаимодействия. Эти глюоны образуют поле, аналогичное электромагнитному (только действующее на коротких расстояниях). Вот это самое глюонное поле выталкивается вакуумом из кварка так же, как магнитное поле выталкивается из сверхпроводящего металла (сверхпроводимость – отсутствие электрического сопротивления, возникает в большинстве металлов при сверхнизких температурах). Так вот, глюонное поле выталкивается из кварка и сворачивается в трубку. Для одиночного кварка эта трубка должна иметь бесконечную длину и, соответственно, бесконечную энергию. Ну, а энергия связана с массой и получается, что одиночный кварк должен быть бесконечно тяжёлым. Поэтому их и невозможно получить. Если же мы попытаемся выдернуть кварк из, скажем, протона, то получится не одна частица, а несколько – эта «трубка» разрывается, и появляются кварки с антикварками. Не вызывает сомнений, что именно виртуальные процессы в вакууме приводят к необычным свойствам кварков, но какие частицы (виртуальные) играют здесь доминирующую роль – неясно.
Но виртуальные частицы – ещё не всё! Если вакууму соощить достаточно энергии, то виртуальные частицы могут переходить в реальные. Есть точка зрения, что наша Вселенная возникла именно таким образом – из вакуума. Вот вам и «пустота»!

Вынужденное излучение
Ну, и пришло время рассказать о лазерах – излюбленной теме не только физики, но и фантастики…
Какова основная особенность лазера? Это узкий, мощный и нерассеивающийся световой луч. А как такой луч получить? Вот это уже совсем не так просто. Когда не было лазеров, предлагались всякие приёмы, как это сделать, но ничего толкового из этого не выходило. Обычный световой луч нельзя заставить «идти прямо и не рассеиваться». Ведь белый свет – не единый, он состоит из световых волн разной длины волны и частоты, из-за этого рассеяние светового пучка неизбежно. Поэтому, скажем, не имеет смысла «гиперболоид» из романа «Гиперболоид инженера Гарина».
Как же нам получить такой «идеальный» луч света? Для этого надо заставить что-то испускать свет на атомном уровне. Итак – вынужденное излучение! Что же это такое? Сначала атому какого-то вещества надо сообщить энергию. При этом электроны в атоме перейдут на более высокие энергетические уровни – «орбиты», так как получат большую скорость. Атом переходит в «возбуждённое» состояние. Теперь надо направить на атом свет. В результате этого взаимодействия «возбуждённый» атом снова переходит в нормальное состояние, а ибыток энергии выделяется в виде новых фотонов, абсолютно идентичных первому фотону, взаимодействовавшему с атомом. Эти фотоны будут взаимодействовать с другими атомами вещества, и в результате возникнет большое количество фотонов с одинаковой частотой (такое излучение называется когерентным), и полетят они точно в одном направлении. Вот этот процесс и называется вынужденным излучением. Но для его осуществления необходимо, чтобы атомов в возбуждённом состоянии было больше, чем обычных – иначе все фотоны просто поглотятся, и никакого излучения не будет.
Как же устроен лазер? Самый распростанённый тип – рубиновый. Кристалл рубина представляет собой оксид алюминия с добавкой хрома. Атомы хрома поглощают свет и переходят в возбуждённое состояние (свет – от ксеноновой лампы-вспышки). Когда таких атомов накопится много, то происходит нарастание числа вынужденно испущенных фотонов. Чтобы они шли в одном направлении, один из торцов рубинового кристалла превращён в зеркало, а свет выходит через другой торец. Специальная система обратной связи обеспечивает формировани узкого мощного луча (красного цвета). Этот луч практически не рассеивается, и обладает очень высокой эффективной температурой даже при малой мощности (эффективная температура – температура воображаемого источника света, который излучает свет, эквивалентный лазерному лучу).

Схема рубинового лазера.

Лазеры различаются своей конструкцией, способом накачки (создания условий для вынужденного излучения) и, так сказать, затравкой. Рабочей средой может быть не только рубин, но и газ в ампуле, стекло, жидкость, кристалл полупроводника и т.д. От этого зависит цвет получаемого луча (может изменяться в очень широких пределах).
Что может лазерный луч? Да много чего! С помощью лазера можно сваривать металлы, сверлить отверстия в алмазах, раскраивать ткань для одежды, делать операции… В принципе, как оружие лазерный луч тоже может сгодиться (ещё бы – просверливает отверстие в алмазе за доли секунды, а ведь алмаз – самое твёрдое вещество). Но только укажу на одно отличие от фильмов и игр: лазерный луч невидим в воздухе – только в дыме, воде или тумане. С помощью лазерной указки это легко проверить…
На этом я закончу свой раздел по атомной и квантовой физике. Что бы вы хотели узнать после этого?