лазерный импульс

Ночью на берегу стоит маяк. Его лампа погашена почти всегда — но раз в несколько дней, на долю секунды, он вспыхивает так, что свет виден за горизонтом. Именно так ведёт себя PSR J2108+5055: нейтронная звезда в нашей Галактике, которая молчит годами, а потом выдаёт одиночный радиоимпульс, способный затмить целые созвездия.

Когда мощный лазерный импульс попадает в газовую среду, он ионизирует атомы — вырывает электроны, — и разгоняет их до релятивистских скоростей, близких к скорости света. Эти высокоэнергичные электроны, пролетая через плазму, испускают рентгеновское излучение, подобно светящемуся следу от быстрой частицы.

Обычный лазерный луч распространяется прямолинейно, подобно свету фонарика. Однако свет можно закрутить в спираль, напоминающую нить штопора. Такой луч несёт орбитальный угловой момент (ОУМ) — свойство, при котором свет не просто освещает, но и вращает всё, что встречает на пути. Физики направили этот закрученный свет в плазму, чтобы разогнать электроны.

Два электрона, вылетевшие с кончика металлической иглы почти одновременно, начинают расталкиваться — это проявление кулоновского отталкивания одноимённых зарядов. Аналогия: два человека, которые одновременно протискиваются в узкую дверь: чем ближе они друг к другу, тем сильнее мешают.

Пульсары — это быстро вращающиеся нейтронные звёзды, сверхплотные остатки массивных звёзд, которые испускают радиоимпульсы, как маяк. Но некоторые из них молчат почти всё время, лишь изредка выбрасывая одиночный импульс. Такие объекты называют вращающимися радиотранзиентами (RRAT).

Галактика — не гладкое озеро, а пруд, по которому идёт рябь. Эту рябь создаёт сверхлёгкая тёмная материя (частицы в миллиарды миллиардов раз легче электрона). Колебания её поля чуть сбивают ритм далёких пульсаров — космических маяков, чьи сигналы ловят земные радиотелескопы.

Струна звучит идеально чисто, пока её не тронет сквозняк. Примерно так работает суперрадиантный лазер: пучок атомов, заранее заряженных энергией, пролетает сквозь комнату из двух зеркал — оптический резонатор (ловушку, где свет мечется туда-сюда). Атомы дружно отдают запасённый свет, и рождается луч с чрезвычайно стабильной частотой — такой хоть в атомные часы ставь.

Заводской лазер, который на производстве режет и сваривает металл, впервые заставили работать ускорителем частиц. Физики взяли стандартный иттербиевый лазер — его сердцевина из кристалла размером с ладонь — и превратили его вспышки в инструмент для разгона электронов почти до скорости света.

Представьте трёхликого танцора на гребне световой волны. Один лик — ловец, вбирающий падающие фотоны. Второй — идеальное зеркало, бросающее свет обратно. Третий — матовое стекло, рассеивающее лучи во все стороны. Пока скорость мала, танец слажен. Но на околосветовых скоростях хореография ломается. Это похоже на сёрфера, догоняющего волну. Поначалу вода мощно толкает вперёд.

Свет может быть не просто лучом, а точнейшей линейкой. Если взять очень короткие вспышки — короче, чем взмах крыла мухи, — и пустить их одна за другой, получится оптическая гребёнка: набор цветов, отстоящих друг от друга на строго одинаковые промежутки, как зубья расчёски. Такая радуга позволяет измерять расстояния, время и состав веществ с немыслимой точностью.

Крошечные магнитики внутри атомов — ядерные спины — в холодном кристалле могут «застыть» на долгие минуты. Это мешает быстрой настройке квантовых датчиков: слишком медленно всё приходит в нужное состояние. Физики нашли способ подтолкнуть их светом.

Лазер бьёт по мишени из тонких проволочек — и за десятки фемтосекунд (миллиардных долей миллиардной доли секунды) выбивает из них поток протонов. Эти протоны влетают в конвертер из лития и дейтерия, где рождаются нейтроны.

Обычная фотовспышка длится тысячные доли секунды. Аттосекундный импульс в триллион раз короче — за время его действия свет проходит расстояние меньше размера атома. Такие вспышки работают как сверхскоростной затвор: они замораживают движение электронов, позволяя увидеть, как те перескакивают между орбиталями или участвуют в химической реакции.

Солнечное пятно — тёмный остров на раскалённой поверхности — дышит. Каждые три минуты от него расходится волна, бежит по невидимой магнитной арке и заставляет плазму над соседним пятном вспыхивать радиосигналом. Семь таких вспышек подряд поймали радиотелескопы 14 февраля 2024 года. Цепочка всплесков повторялась с периодом около 160 секунд.

Обычная фотовспышка замирает на сотых долях секунды — но для атомов это вечность. Внутри молекул электроны перескакивают за аттосекунды: миллиардные доли миллиардной доли секунды. Чтобы заснять такое, нужен импульс света короче самого события. Физики берут пучок электронов в линейном ускорителе и сжимают его так, что отдельные сгустки становятся тоньше волоса — по времени.

Свет может нести информацию быстрее, чем любая электроника. Но обычно между компьютером и лазером стоит цифро-аналоговый преобразователь — устройство, которое превращает нули и единицы в электрические сигналы. Оно и тормозит весь процесс. Новый передатчик обходится без этого посредника.

Лазерная вспышка длительностью 50 фемтосекунд — это как выстрел, который длится одну миллиардную долю секунды. За это время свет успевает пройти всего 15 микрометров — меньше толщины человеческого волоса. Но если такую вспышку пропустить через усилитель, она начинает растягиваться, как резиновая лента, и теряет свою остроту.

Под землёй, в бывшей золотой шахте, стоит бак с жидким ксеноном. Если через него пролетит частица тёмной материи, ксенон вспыхнет. Но вспыхивает он и от обычных частиц — например, от нейтрино или остатков радиоактивности. Задача — понять, какая вспышка от тёмной материи, а какая от шума.

Лазерный луч бьёт по плёнке из золота и серебра всего несколько наносекунд — за это время свет успевает пройти расстояние меньше метра. В точке удара металл вскипает, разбрызгивается и застывает случайным узором из крошечных частиц. Каждый такой узор неповторим, как трещины на льду или ветви дерева.

В глубине созвездия Орла спрятана туманность, похожая на раздувающийся пузырь. Её надувает крошечная звезда размером с город — пульсар, который делает несколько оборотов в секунду и теряет энергию вращения. Обычно такие пузыри светятся ровно настолько, насколько силён их пульсар. Но этот пузырь, получивший имя «Ускоритель Орла», оказался ярче, чем положено.

Два города: один с аккуратными прямыми улицами, другой — с запутанными переулками. Если по обоим пустить мощный поток воды, в первом вода быстро уйдёт по каналам, а во втором — зальёт всё вокруг. Примерно так ведут себя ткани при сверхбыстрой лучевой терапии, которую называют FLASH. В здоровых тканях клетки выстроены упорядоченно, как дома на ровных улицах.

Ритмичные вспышки маяка в густом тумане — так выглядит поиск пульсаров. Маяк вращается, и его луч периодически попадает в телескоп. Но туман размывает свет, и период кажется чуть другим. Если один и тот же маяк наблюдали дважды, можно сверить: периоды должны почти совпасть, а размытие — быть похожим.

В густом шаре из сотен тысяч звёзд, который называют шаровым скоплением, радиотелескопы поймали слабый, но очень чёткий ритм. Каждые 2,45 миллисекунды — это как 408 ударов в секунду — оттуда приходит радиоимпульс.

Радиотелескоп VLA всматривался в туманность Бумеранг — облако, раздутое ветром от быстрой вращающейся нейтронной звезды. На новых снимках проступили детали размером с лунный диск на небе: вытянутое ядро вокруг пульсара и длинная дуга, огибающая его с севера.

Луч лазера обычно летит прямо, как струя воды из шланга. Но что, если закрутить эту струю, как нить штопора? Получится световая пружина — луч, который при движении ещё и вращается вокруг своей оси. В каждой точке пространства его яркость описывает спираль, и если поставить на пути такого луча плоский экран, на нём появится вращающееся световое пятно.

Лазерный импульс, бегущий сквозь плазму, подобен бегуну, прокладывающему себе дорогу в толпе. Он расталкивает электроны, оставляя за собой разреженный канал — как расступается толпа за спринтером. В этом канале гребень световой волны движется чуть быстрее, чем свет в вакууме, и именно эта скорость определяет, насколько эффективно импульс передаёт энергию частицам.

Блазар — это далёкая галактика, из центра которой бьёт струя плазмы, направленная почти прямо на нас. Внутри этой струи частицы разгоняются до скоростей, близких к световой, и испускают мощное излучение.

Кольцо размером с обеденную тарелку заставило пучок электронов бегать по кругу. Диаметр — 22 сантиметра, а полный оборот занимает всего 4,7 наносекунды. Для сравнения: за одну секунду такой электрон успел бы обернуться больше двухсот миллионов раз.

Нейтронная звезда PSR J1101-6101 несётся сквозь космос со скоростью, от которой захватывает дух. Она оставляет за собой след из заряженных частиц — как катер, который на полном ходу вспарывает воду и тянет за собой пенный хвост.

Даже в идеально когерентном лазерном луче присутствует фундаментальная неопределённость — квантовый шум, рождаемый вакуумными флуктуациями электромагнитного поля. Физики научились «сжимать» этот шум, подобно воздушному шару, перехваченному в талии: флуктуации амплитуды или фазы подавляются в одном квадратурном направлении, неизбежно возрастая в ортогональном.

Двенадцать лет астрономы на радиотелескопе ЛПА в Пущино прислушивались к одному и тому же участку неба — направлению на галактику 3C 33. За это время они поймали всего шесть коротких радиосигналов, каждый длиной от одной до четырёх минут.

Есть участок света, который долго оставался слепым пятном: от 5 до 15 терагерц. Это не радиоволны и не инфракрасное тепло, а нечто среднее, где молекулы колеблются особенно характерно. Учёные из Германии собрали установку, которая наконец-то заглядывает в этот «новый терагерцовый зазор» и даже дальше — за 25 терагерц. Секрет — в кристалле с длинным названием BNA.

Масштабировать квантовый компьютер — всё равно что ткать паутину из света: каждая нить дрожит от теплового дыхания, грозя разорвать едва наметившийся узор.