Как Нобелевская премия стимулирует развитие науки

19 декабря 2018
МИФИ Сергей Попруженко МИФИ

10 декабря в Стокгольме состоялось торжественное вручение Нобелевской премии по физике ученым Артуру Эшкину, Жерару Муру и Донне Стриклэнд за открытия в области лазерной физики. Профессор Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ Сергей Попруженко рассказал о значении открытия Муру и Стриклэнд и о перспективах его применения для лазерной физики будущего.

– В чем суть открытия Стриклэнд и Муру?

– Работа, которую они выполнили в 1985 году, привела к гигантскому прогрессу в увеличении максимально возможной интенсивности лазерных установок.

Долгое время считалось, что мощность поля ограничена тем, что рабочее тело лазера может выдерживать лишь определенную плотность энергии. Лазерные установки вышли на этот предел в 1980-х. Исследования, которые требовали большей мощности, относились к области научной фантастики.

В 1985 году Стрикланд и Муру придумали, как обойти это ограничение. К тому времени появились лазерные установки, создающие импульсы излучения сверхмалой длительности. Короткий лазерный импульс можно растянуть во времени, используя систему призм или дифракционных решеток так, что он немного меняет свой цвет от начала к концу, становясь более красным с одной стороны и более синим – с другой. Такой импульс от начала к концу немного меняет свой цвет.

Муру и Стрикланд пришла в голову следующая идея: можно взять фемтосекундный импульс усиленный до предела, и многократно растянуть его в тысячи и сотни тысяч раз, немного «подкрасив», так что у каждой его части будет своя частота, слегка отличающаяся от средней.

Что тогда произойдет с мощностью импульса? Она уменьшится. Лазерный импульс, который был на пределе мощности, пройдя через дифракционную решетку, растянется, его мощность многократно упадет. Потом мы можем опять его запустить в эту систему и снова увеличить до предела. А потом, отразив от следующей дифракционной решетки, вновь сжать.

Эта процедура приводит к тому, что интенсивность лазерного излучения увеличивается в тысячи раз. Стриклэнд и Муру показали, как эта идея работает, и оказалось, что её достаточно легко реализовать.

– К чему привело это изобретение?

– К огромному росту доступной мощности лазерного излучения. За 30 лет она выросла в миллион раз. Кроме того, изобретение дало мощнейший толчок фундаментальной науке. Ученые приблизились к той области физики, которая ранее считалась недоступной для эксперимента.

– Когда НИЯУ МИФИ включился в эти исследования?

– У нас был заведующий кафедрой теоретической ядерной физики, один из крупнейших в мире теоретиков, специалистов по квантовой электродинамике сильных электромагнитных полей, профессор Николай Борисович Нарожный. Он был знаком с Муру ещё с 1970-х годов, когда они одновременно стажировались в университете Рочестера в США.

В 2005 году на конференции по лазерной физике в Японии Муру и Нарожный встретились, и вспомнили друг друга.

Встреча стала очень продуктивной. Когда Муру послушал доклад Нарожного, который предсказывал рождение пары "электрон и позитрон" из вакуума в сильном электромагнитном поле, и доклады других ученых, он понял, что его изобретение должно дать огромный импульс развитию фундаментальной физики, и если эту технологию применить на более совершенном уровне, удастся получить как раз те электромагнитные поля, о которых говорил Нарожный.

Муру задал вопрос: почему должна быть одна пара «электрон и позитрон»? Может быть, если увеличить интенсивность ещё сильнее, вакуум просто взорвется этими парами, выбросит их огромное количество. В результате у него родилась знаменитая фраза: «Моя мечта – сделать такую лазерную установку, которая взорвет вакуум».

– Как можно взорвать вакуум?

– Эта идея возникла в обсуждениях Муру, Нарожного и других теоретиков. Электрон в лазерном поле может столкнуться с фотоном, и родить ещё одну пару «электрон и позитрон», а потом ещё одну. В результате возникнет каскад, подобный каскадам, возникающим при попадании космических лучей в атмосферу Земли. Такой «ливень» возникнет буквально из пустоты, если в ней сфокусировать мощное лазерное излучение.

Нарожный, Федотов, Корн и Муру опубликовали работу, где доказали, что эти каскады будут развиваться, и приведут к тому, что лазерное излучение полностью конвертируется в частицы – это и называется «взорвать вакуум». Правда, до реализации этой идеи еще далеко.

Конференция, посвященная 50-летию изобретения лазера. Париж, 21 июня 2010 года. Слева направо: Н.Б. Нарожный, Т.П. Нарожная, О.Н. Крохин, А.М. Сергеев, Ж. Муру, Ю.И. Малахов.

– Как развиваются проекты по созданию сверхмощных лазерных установок?

– Самый известный проект – Extreme Light Infrastructure (ELI), строящаяся лаборатория, состоящая из трех отдельных секций в Чехии, Румынии и Венгрии. Проект предполагает создание установки, которая даст интенсивность 10²⁴, а, может быть, 10²⁵ ватт на см². До изобретения Стриклэнд и Муру интенсивность не превышала 10¹⁵ ватт на см².

Это недостаточно, для того чтобы реализовать идею Муру о взрыве вакуума, но это очень существенный шаг.

Следующий шаг – создание Международного центра экстремального света (XCELS) с самой мощной в мире лазерной установкой, которая выйдет на интенсивность 10²⁶ ватт на см² и выше. Такая установка была спроектирована при участии Муру и других ведущих мировых экспертов сверхмощной лазерной техники в Институте прикладной физики РАН в Нижнем Новгороде под руководство нынешнего президента Российской Академии Наук Александра Михайловича Сергеева. Сейчас проект ожидает решения о финансировании, возможно, присуждение Муру Нобелевской премии подтолкнет его.

– Какие ещё последствия может иметь присуждение Нобелевской премии?

– Я думаю, в мире увеличится поддержка лазерных проектов.

Общественность обратит внимание на это научное направление, о нем узнают школьники и студенты, и кто-то выберет эту область исследований для себя.

Это важно и для НИЯУ МИФИ, поскольку наш университет довольно глубоко интегрирован в эту работу, мы входим как теоретики в мегапроекты ELI и XCELS.