Сенсация, связанная с изучением лазера, облетела недавно весь земной шар: физики разработали луч притяжения или «луч захвата», часто описываемый в фантастических произведениях. Для тех, кто не в курсе — до последнего времени мы слышали только об отталкивающих и сжигающих свойствах лазера. А вот его «притягательные способности» так поразили воображение, что, к примеру, руководители NASA в срочном порядке заказали своему космическому центру Годдара разработку реального устройства, которое могло бы захватывать вещество на других планетах. До того времени, когда таинственные лучи с земных автоматических аппаратов начнут похищать обитателей других планет, еще очень далеко. Но вот, что касается микроскопических частиц, то все вполне реально. Разобраться в новом открытии нам помог руководитель Отделения оптики Физического института им. П.Н.Лебедева (ФИАН) доктор физико-математических наук, профессор Анатолий Масалов.
Итак, новшество разработали (правда, пока только на бумаге) теоретики из университета Флориды (США) и их датские и сингапурские коллеги. Они предложили конфигурацию лазерного луча, притягивающего микрочастицы. Такая возможность оказалась неожиданной.
-Все зависит от того, каким образом исследователь сформирует световой пучок, - говорит профессор. - К примеру, известно такое понятие, как световое давление на частицы. Еще сто лет назад Петр Лебедев, в честь которого назван ФИАН, делал опыты по световому давлению на предметы. Оно толкает частицы от источника света, то есть, частицы должны отлетать в ту сторону, в какую светит луч.
А вот авторы новой работы, о которой мы сегодня ведем речь, работая независимо друг от друга, обнаружили необычную конфигурацию луча, при которой вместо светового давления имеет место притяжение частиц в сторону источника света. Авторы статей работают в этой области физики давно и в каждой группе есть по одному нашему бывшему соотечественнику.
В чем же заключается особая конфигурация притягивающего луча? По словам Масалова, если обычный лазерный луч сформирован в виде карандаша (вспомните лазерную указку), то в данном случае исследователи поставили на пути такого «карандаша» конический элемент - особую линзу в виде конуса. На выходе получилось множество сходящихся в одной линии компонент этого луча. Это явление имеет название Бесселева пучка, и известно физикам уже несколько десятков лет.
-Авторы ообсуждаемых научных работ действовали в рамках уже известных законов взаимодействия света со средами, - поясняет доктор наук. - Новых создавать не понадобилось. Просто до этих расчетов никто не проверял, как поведет себя частичка вещества в Бесселевом пучке.
Попробую, по словам ученого, объяснить притягивающий механизм луча попроще: световые волны стали падать на поверхность освещенного тела под углом, сила отталкивания (этого закона никто не отменял!) заметно снизилась. Когда же объектом воздействия сделали прозрачное вещество — то светвое давление и вовсе снизилось до минимума. А вместо него активизировалась сила тянущая, то есть, притягивающая.
-Что за прозрачные частицы подразумевались в расчетах?
-Это могли быть частички стекла, полимера.
- А биологические частицы притянуться?
- Клетки — это тоже прозрачные частцы, значит их луч притянет.
- А частицы астероидов, как хотят сделать американцы?
- Это пока обсуждается на уровне фантазий. Я не против них, фантазировать нужно, это стимулирует мысль других исследователей и это поможет найти область применения притягивающим свойствам светового пучка. Но я пока не могу предсказать, что же воплотится в реальность.
- Людей можно научиться притягивать, к примеру, терпящих бедствие на море?
-Это невозможно. Прежде чем вы притянете такой большой объект, он сгорит от излучения, - ведь нужны очень большие мощности. Когда мы включаем свет в комнате мы не замечаем, что он давит на предметы — это потому, что он имеет слабую интенсивность. Физическое влияние лазерного луча могут ощущать только микро и нанообъекты. И они не сгорают в нем, потому что прозрачны, не поглощают свет. Как только мы возьмем поглощающие свет частицы возникнет сильный нагрев.
-То есть, возникнет эффект лазерного оружия.
-Да, сжигающий эффект. Если все таки пофантазировать о возможном практическом применении данного эффекта, могу предположить создание микроструктур, составные части которых захватываются и перемещаются при помощи лазерного луча. Кстати, манипулирование такими частицами с помощью света уже известно ученым и используется ими в лабораторных условиях. Оно получило название «оптического пинцета».
- Так значит, притягивающий луч был изобретен раньше?
- Оптический пинцет - это лазерный луч, сфокусированный с помощью объектива в некую фокусную точку и все частицы — в данном случае и прозрачные, и не прозрачные втягиваются в область повышенной интенсивности светового поля. Это известное свойство называется элетрострикция. Для электрических полей несветового происхождения оно было известно более ста лет, а для световых — вошло в практику лет 30 назад. Свет заставляет вещество втягиваться в область повышенной интенсивности. Оптический пинцет - это световод с объективом. После объектива световой пучок принимает форму острого конуса и в центре острия - точка с максимальной интенсивность света. Если в нее попадает частица (микронная или субмикронная), то она будет там удерживаться. Вы можете «схватить» ее и перемещать, не применяя никаких дополнительных устройств. Это очень ценное качество оптического пинцета, позволяющее управлять частицами в пространстве. К примеру для построения различных микроструктур.
-Получается новый притягивающий луч отличается от старого, оптического пинцета только наличием конусообразной линзы на месте объектива?
-Да, похоже. Только отпический пинцет имеет силу, направленную в точку фокуса и сила втягивает туда частицу, независимо от того, где она находится — слева от нее или справа. А в случае с Беселевым пучком надо чтобы частица оказалась прямо внутри луча.
- До открытия притягивающего свойства, как ученые использовали Бесселев пучок?
Когда мы фокусируем свет обычными линзами, то освещаем пространство в виде точки с неким ареолом. Бесселев пучок позволяет высветить пространство в виде протяженного узкого шнура. Например, это полезно для создания плазменного шнура мощным лазерным светом. Сейчас в научной литературе обсуждается борьба с грозовыми разрядами с помощью искусстdенных молний. Направленный в воздух с земли плазменный шнур может, по мнению некоторых исследователей, способствовать этому.
Для чего же хотят использовать притягивающий луч американцы? Оказывается, в NASA уже вполне серье6зно обсуждают возможность удаленного захвата образцов с других планет без посадки на них земных аппаратов. Приземление - очень сложная процедура, которая вполне может закончиться крушением. Если удастся использовать притягивающий луч, образцы для анализа можно будет брать прямо с орбиты или с небольшого расстояния, например, подлетев вплотную к астероиду. Пыль или отдельные молекулы притягивающему лучу вполне могут оказаться по плечу. Если наши ученые называют данную идею фантастикой, команда физиков из центра Годдара уже получила на исследования грант в размере 100 тысяч долларов и приступили к испытаниям.
