Зачем нам лазер мощностью 2000 триллионов ватт?

В Осакском университете в Японии недавно были использованы самые мощные лазерные лучи из когда-либо созданных — лазер для экспериментов с быстрым зажиганием (ЛЭБЗ) усилили для того, чтобы он выпустил луч с пиковой мощностью в два квадриллиона ватт — два петаватта — на невероятно короткое время, примерно триллионную долю секунды, или одну пикосекунду.

Такие цифры трудно себе вообразить, но для простоты можно сказать, что это в миллиард раз мощнее, чем типичное освещение стадиона, или равняется всей солнечной энергии, попадающей в Лондон. Представьте концентрацию всей этой солнечной энергии на поверхности толщиной в человеческий волос на триллионную секунды: это и есть ЛЭБЗ.

ЛЭБЗ — лишь один из нескольких ультрамощных лазеров по всему миру, от гигантского 192-хлучевого Национального зажигательного аппарата в Калифорнии, до лазера CoReLS в Южной Корее и лазера «Вулкан» в лаборатории Резерфорда-Эпплтона возле Оксфорда.

Есть и другие проекты, находящиеся на стадии разработки. Возможно, самый амбициозный из них — Extreme Light Infrastructure, международный проект со штабом в Восточной Европе с целью создать лазер в десять раз мощнее, чем ЛЭБЗ.

Так что же побуждает ученых по всему свету создавать эти шедевры оптических и электронных технологий? Что убеждает политиков выделять такие крупные суммы на поддержку эти грандиозных проектов?

Реконструкция ранней Вселенной

Первая причина, приходящая на ум — «вау-фактор», ассоциирующийся с лазерами. Но дело не только в том, чтобы ученым и фантастам было чему порадоваться.

Такие мощные лазеры — единственный для нас способ реконструировать экстремальные условия космоса, например, атмосферы звезд — в том числе Солнца — или ядра гигантских планет вроде Юпитера. Когда эти ультрамощные лазеры стреляют по обычной материи, она мгновенно испаряется, превращаясь в крайне горячий и плотный ионизированный газ, который ученые называют плазмой. Это экстремальное состояние материи крайне редко встречается на Земле, но очень распространено в космосе — считается, что почти 99% обычной материи во Вселенной находится в состоянии плазмы.

Ультрамощные лазеры позволяют нам создать маленькие модели этих экстремальных состояний и объектов Вселенной так, чтобы их можно было изучать в лаборатории в контролируемых условиях. В каком-то смысле они позволяют нам путешествовать в прошлое, поскольку они воссоздают условия, существовавшие в ранней Вселенной, в мгновения сразу после Большого взрыва. Эти крайне плотные и горячие условия, которые можно создать лишь с помощью ультрамощных лазеров, уже научили нас многому об эволюции нашей Вселенной и ее нынешнем состоянии.

Более заурядное применение

Лазерные установки интересны не только своим вкладом в теоретические исследования — они также имеют крайне ценные практические применения, например, в современных исследованиях альтернативной и чистой энергетики или здравоохранения. ЛЭБЗ в основном применяется в энергетике, поскольку его создали для исследований ядерного синтеза.

В отличие от ядерного распада, ядерный синтез не создает радиоактивных отходов. Это значит, что синтезное топливо легче хранить и использовать — мы можем применять для этого морскую воду и литий, которые найти проще, чем уран.

Ядерный синтез — то, что создает и поддерживает колоссальную энергию звезд, но для начала цепной реакции необходимо потратить очень много энергии. Мощные лазеры вроде ЛЭБЗ — лучшие кандидаты для такой работы. Предварительные результаты дают повод для оптимизма — во время прошлогоднего испытания в Национальном зажигательном аппарате США однажды удалось произвести больше энергии, чем было изначально затрачено.

Недорогие исследования частиц

Ультрамощные лазеры этого класса также весьма привлекательны тем, что они представляют собой куда более компактную и недорогую (сравнительно) альтернативу огромным ускорителям частиц вроде Большого Адронного Коллайдера, насчитывающего много километров в длину. Мощные лазерные ускорители могут создавать высококачественные рентгеновские лучи без использования частиц радиоактивных изотопов, которые требуют осторожного обращения. Эти лазерные рентгеновские лучи можно применять для получения высококачественных изображений биологических тканей в компактной и недорогой системе. Например, вот лазерная томография насекомого.

Исследователи сейчас работают над использованием лазерных ионных лучей для терапии рака. Пока что это технология ограничена стоимостью и размерами обычных ускорителей. Лазерная терапия была бы доступна куда большему числу больниц, а значит, и большему числу пациентов.

Так что огромная энергия, которую излучает ЛЭБЗ, пусть и на кратчайший миг — это не просто забавная игрушка, а волнительный шаг вперед в применении лазерных технологий в более широком спектре дисциплин — от абстрактного на первый взгляд мира ранней Вселенной до весьма практических способов диагностики болезней и лечения рака.

Автор: Джанлука Сарри, лектор в Queen’s University Belfast.
Оригинал: Quartz.

Перевел: Кирилл Козловский.
Редактировал: Артём Слободчиков.