Читатель спрашивает:

Я задавал этот вопрос моему учителю по оптике в университете 5 лет назад, но он мне не ответил. Мы тогда изучали лазеры и оптический резонатор. Мне стало интересно, сколько фотонов можно закачать в резонатор? Есть ли ограничение по их плотности? Что произойдёт, если превысить этот лимит?

Начнём с начала – с атома.



Атом, как вы можете знать – позитивно заряженное ядро и несколько электронов, находящихся вокруг него. Электроны могут находиться в ограниченном количестве различных конфигураций, только одна из которых самая оптимальная и стабильная: состояние с наименьшей энергией.



Если возбудить атом нужным образом, его электронная конфигурация изменится и может перейти на уровень с более высокой энергией, т.е. в возбуждённое состояние. При прочих равных это состояние спонтанно выродится обратно в стабильное – либо сразу, либо ступенчатым образом. При этом будет испущен фотон (или фотоны) строго определённой энергии.



Так работает одиночный атом. Но в основном материя состоит из множества связанных между собою атомов. При этом разнообразие всяческих форм материи, кристаллов и газов поражает воображение (хотя и является конечным).

Но всё равно у каждого из них есть определённое количество электронов и энергетических состояний, которые они могут занимать. Если вы можете добавить в систему энергии и возбудить один или несколько электронов, можно заставить её излучать на определённой частоте. А если возбуждать систему определённым контролируемым образом, можно заставить её выдавать излучение на одной и той же частоте, длине волны и направлении каждый раз. И тогда мы получаем лазер.



LASER – это акроним, означающий «light amplification by stimulated emission of radiation» — «усиление света посредством вынужденного излучения». Хотя, на самом деле, никакого усиления не происходит. Электроны осциллируют между возбуждённым и невозбуждённым состоянием, или между двумя возбуждёнными. Но почему-то акроним Light Oscillation by Stimulated Emission of Radiation (LOSER) использовать не захотели.

А вот спонтанное излучение как раз очень важно.



Если вы добьётесь от множества атомов или молекул того, чтобы они перешли в одинаковое возбуждённое состояние, и затем простимулируете их спонтанное возвращение в состояние с минимальной энергией, они испустят фотоны с одинаковой энергией. Эти переходы происходят очень быстро (но не бесконечно быстро), поэтому теоретически есть предел тому, как быстро атом может перепрыгнуть в возбуждённое состояние и испустить фотон. Системе нужно время на перезагрузку.

Обычно для создания лазера в резонаторе используется газ, кристалл или иной молекулярный материал. Но это не единственный способ!



Лазер можно изготовить при помощи свободных электронов, полупроводников, оптоволокна и даже, возможно, позитрония. Излучение может варьироваться от сверхдлинных радиоволн до коротких рентгеновских лучей, а в теории даже и до гамма-излучения. Подобные процессы могут даже естественным образом происходить в космосе. Обычно они происходят в когерентно движущихся облаках на микроволновых волнах. Но некоторые из этих явлений вполне могут достичь и состояния, при котором они будут испускать видимые лазерные лучи.



С развитием технологий мощность излучения лазеров возрастает, и ограничивается лишь практическими рамками современных технологий. Можно задаться вопросом о существовании принципиального ограничения количества фотонов, которое может произвести лазер, поскольку существует ограничение на количество электронов, которые можно втиснуть в заданный участок пространства.



В квантовой механике существует принцип Паули, который говорит, что два и более тождественных фермиона не могут одновременно находиться в одном квантовом состоянии. Однако этот принцип распространяется только на частицы вроде электронов или кварков, у которых спин полуцелый: ±1/2, ±3/2, ±5/2. Для частиц с целым спином не существует подобных ограничений на нахождение в одном и том же состоянии.

Поэтому «обычная материя» и занимает определённое место в пространстве. Но не всё подчиняется этому правилу.



Фотон, частица, испускаемая, разными лазерами, имеет спин ±1, поэтому теоретически можно впихнуть любое число фотонов в ограниченное пространство.

Теоретически это очень важно, поскольку если вы сможете придумать нужную технологию, не существует ограничений на мощность, которую вы сможете получить!



Практически, все лазеры с резонаторами работают на максимуме мощности, но существуют практические ограничения на используемые материалы. В принципе, если взять достаточно мощный лазер, и создать большой оптический резонатор из зеркал, и сделать одно из зеркал сдвижным, то можно сжать излучаемый свет даже до состояния чёрной дыры.



Так что практически ограничение существует. Но теоретически оно связано лишь с используемыми физическими материалами. Чем лучше и совершеннее материалы мы будем находить и использовать, тем больших плотностей энергии мы сможем достичь, без каких бы то ни было ограничений.

Обновление: Физик Чад Орзел, ведущий свой блог, считает, что хотя и не существует ограничений на энергию получаемых фотонов, в какой-то момент (примерно по достижению фотонами 1 МэВ) при взаимодействии фотона с отражающей поверхностью у вас начнут спонтанно возникать пары материя-антиматерия. Поэтому при высоких энергиях ваш лазер превратится в сауну, наполненную материей и антиматерией, а не просто когерентным светом. Так что это вполне сможет послужить ограничением на мощность лазера. Извините, но чёрную дыру таким образом сделать, видимо, не получится.