Термояд и гравитация: в МИФИ объяснили, зачем нужны сверхмощные лазеры

Сегодня в ведущих исследовательских центрах всего мира строятся лазерные установки сверхвысокой мощности. Несколько еще более амбициозных лазерных проектов находятся в стадии разработки. Зачем нужны эти гигантские устройства? Что нового узнаем мы об устройстве окружающего нас физического мира, когда эксперименты на таких лазерах станут реальностью?

С момента создания первых источников когерентного излучения в середине 1950-х годов Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым в СССР и Чарльзом Таунсом в США, научное сообщество сразу же поняло их важность для фундаментальной физики и технологии.

Уже первое поколение лазеров было способно создавать электромагнитные поля такой силы, которая прежде не могла быть достигнута в стационарных лабораторных условиях. Конечно, электромагнитное излучение сравнимой или даже большей интенсивности возникает в некоторых природных явлениях, в основном космических, но использовать их для лабораторного эксперимента было невозможно. Поэтому физики восприняли лазерные установки, поначалу очень простые и маломощные, как новый и очень многообещающий инструмент для исследований.

Уже в 1960-1970-е годы были предложены многочисленные проекты применения лазерных установок в фундаментальной физике, самые известные из которых – лазерный термоядерный синтез и рождение антивещества из вакуума при помощи сильного лазерного поля. Однако, и то, и другое требовало огромной мощности лазерного луча, которая казалась в те годы совершенно недостижимой.

С тех пор развитие лазерной техники непрерывно шло в сторону увеличения максимальной мощности лазерных импульсов и повышение качества лазерного пучка. Характеристики лазерных установок, включая их стоимость и размер в пересчете на ватт излучаемой мощности, настолько улучшились, что лазеры превратились из уникальных приборов в относительно недорогие промышленные агрегаты.

Они нашли применение в лазерной хирургии и диагностике, лазерной сварке и резке материалов, метрологии, лазерной химии, даже в некоторых военных приложениях – спектр их применения огромен. Кроме того, лазеры стали одним из базовых элементов практически любой физической лаборатории.

В недра земли и космоса

Сегодня лазеры используются для сверхточных измерений микроскопических расстояний и временных промежутков. В 2015 году это позволило коллаборациям LIGO и VIRGO решить одну из сложнейших задач, около ста лет стоявших перед фундаментальной физикой  – "поймать" гравитационные волны. Спустя два года авторам открытия была присуждена Нобелевская премия по физике.

"Лазерные интерферометры являются центральными элементами установки LIGO, на которой было выполнено невероятное по своей сложности измерение метрики пространства, вызванное прохождением гравитационной волны, порожденной столкновением двух черных дыр", — рассказал профессор кафедры теоретической ядерной физики Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) Сергей Попруженко.

Развитие науки о лазерах в будущем позволит создать часы, которые отстают на одну микросекунду за все время жизни вселенной и очень четко реагируют на изменение гравитации, отметил и.о. директора Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ (Институт ЛаПлаз) Андрей Кузнецов.

"Что это дает? Оказывается, что, научившись измерять время с такой точностью, мы можем измерять локальные изменения гравитационного поля Земли, а это позволяет решать задачи по поиску месторождений. Гравитационное поле зависит от плотности, соответственно, если у вас изменяется плотность породы, например, в этом месте залегает тяжелая руда или нефтеносные слои, то это отразится на гравитационном поле. Таким образом, с помощью часов мы можем обнаружить залежи полезных ископаемых – нефти, газа, тяжелых металлов, редкоземельных элементов, вплоть до того, что можем создать гравитационные карты, по которым будут плавать подводные суда" — пояснил собеседник.

Лазерные часы служат фундаментальной науке. Есть гипотеза, что при расширении Вселенной меняются фундаментальные константы – постоянная Планка, масса и заряд электрона. А чтобы доказать гипотезу, нужны или сверхдолгие, или сверхточные измерения времени, лазерные сверхстабильные часы могут позволить это сделать.

"Ученые НИЯУ МИФИ буквально в этом году получили результат, который позволяет надеяться, что такие фундаментальные эксперименты вообще можно провести. Это работа очень высокого класса, и сделана она нами совместно с Физическим институтом им. П.Н. Лебедева РАН", — отметил Андрей Кузнецов.

Большинство экспериментов по лазерной физике требует высокой мощности и интенсивности лазерного пучка. Наилучший инструмент для невзрывного сжатия вещества – лазерные пучки тераваттной (1ТВт=1012Вт) и петаваттной мощности (1ПВт=1015Вт).

"Это громадные значения, учитывая, что мощность крупнейшей ГЭС в мире составляет примерно 0.05 тераватт. С помощью этих пучков в лаборатории можно получить и исследовать вещество при таких высоких давлениях и температурах, которые достигаются только в недрах звезд. Звучит парадоксально, но лазер, наряду с телескопом, становится одним из главных инструментов изучения далекого космоса", — пояснил Сергей Попруженко.

Разогреть и удержать

Еще более плотное сжатие вещества лазерным лучом позволит разогреть его до температур в сотни миллионов градусов, при которых возможно возникновение управляемой реакции термоядерного синтеза.

"Овладение термоядерной энергией — задача, которую человечество решает уже более 60 лет. Человечество в своей новейшей истории научилось использовать термоядерную энергию в бомбе, но применять в мирных целях до настоящего времени не получается, так как не удается решить проблему удержания и утилизации колоссальной энергии, выделяемой при термоядерной реакции", — рассказал Андрей Кузнецов.

Для термоядерного синтеза нужно сблизить два легких ядра, чтобы получилось одно более тяжелое. Чтобы преодолеть кулоновский барьер (положительно заряженные ядра отталкиваются), надо сообщить ядрам кинетическую энергию, соответствующую температуре вещества больше 100 млн градусов (такие температуры во Вселенной достигаются только в ядрах звезд) — и это большая научная и техническая проблема. Эту проблему пытаются решить двумя способами.

Первый – за счет разогрева и магнитного удержания горячей плазмы в установке токамак. Второй способ предполагает, что лазерная установка с энергией более мегаджоуля в импульсе должны за несколько наносекунд вложить энергию в топливо на основе изотопов водорода (дейтерий и тритий) в объеме порядка нескольких кубических миллиметров. Топливо должно сжаться и при этом разогреться до температуры, необходимой для термоядерного синтеза, затем полностью сгореть и выделить энергию в виде гамма-квантов и альфа-частиц.

"Каковы преимущества термоядерных реакторов по сравнению с атомными? В отличие от урана запасов дейтерия хватит человечеству на миллионы лет использования, то есть мы получаем бесконечный запас энергии. С другой стороны термоядерная энергия позволит создать новые двигатели и осуществить мечту человечества – доставить людей не только на Марс, но и в другие уголки Солнечной системы и за ее пределы", — отметил Андрей Кузнецов.

Когда законы физики перестают работать

Лазеры могут ускорять заряженные частицы, наряду с линейные ускорителями, синхротронами и циклотронами. Для этого они должны достичь не только большой энергии в импульсе, но и высокой интенсивности — импульс должен быть максимально коротким и жестко сфокусированным.
К преимуществам лазерного ускорения заряженных частиц относится возможность ускорять электроны и ионы одновременно, гораздо меньшие размеры и стоимость лазерных ускорителей, по сравнению с обычными, возможность достигать рекордных величин ускорения и воздействовать на плотные сгустки плазмы.

"Особенно важно, что увеличение максимальной интенсивности лазерного излучения еще на 3-4 порядка величины позволит создать совершенно уникальные условия. В них сможет образоваться сверхплотная электрон-позитрон-фотонная плазма – объект, который мог существовать при зарождении Вселенной. В такой плазме электромагнитное излучение настолько сильно связано с веществом, что обычные законы электродинамики, в том числе квантовой, теряют применимость. Свойства этого объекта пока совершенно непонятны – редкий пример по-настоящему фундаментальной физики!" – подчеркнул Сергей Попруженко.

Строительство лазерных установок, обеспечивающих столь высокую интенсивность излучения – дело хотя и близкого, но не самого ближайшего будущего. Возможно, что интенсивности, необходимые для приготовления электрон-позитрон-фотонной плазмы из вакуума, появятся через 10-20 лет. Однако работы по исследованию поведения вещества и вакуума при сверхвысоких интенсивностях ведутся уже сейчас.

Ряд эффектов, связанных с влиянием сил радиационного трения (в том числе и предсказанный физиками-теоретиками из МИФИ новый механизм ускорения протонов) можно будет наблюдать уже в ближайшем будущем: для этого нужны лазерные поля с интенсивностью 1023-1024Вт/см2. Такие интенсивности сейчас еще недоступны, но они могут быть получены на новых лазерных установках, которые строятся в настоящее время в Чехии, Франции, Китае и других странах, и будут по энергетике превосходить существующие на 1-2 порядка. Ожидается, что они вступят в строй уже через несколько лет.

МИФИ активно сотрудничает со многими лазерными лабораториями, включая исследовательский центр ELI Beamlines в Праге, где сейчас ведется сборка одного из самых мощных лазеров. Несколько выпускников и сотрудников Института ЛаПлаз работают в ELI Beamlines и приезжают в МИФИ, в том числе, для проведения экспериментов.