Лазерная техника на грани фантастики

Во вторник в Швеции назвали имена физиков, получивших главную научную награду. Половину премии получил Артур Ашкин (США), который в 1987 году изобрел «оптический пинцет» — эта технология позволяет передвигать отдельные клетки и даже атомы. Вторую часть премии поделят Жерар Муру (Франция) и Донна Стикланд (Канада), которые в 1985 году придумали, как повысить мощность лазеров. Российские ученые объяснили “Ъ”, как эти открытия изменили науку, и рассказали, над чем Жерар Муру работал в лаборатории в Нижнем Новгороде.

Нобелевский комитет наградил в этом году сразу трех физиков. Они работают в сфере лазерной оптики, но занимаются совершенно разными направлениями — правила вручения премии позволяют делить ее между авторами нескольких открытий. В этом году премия составляет 9 млн крон (чуть больше $1 млн). Половину этой суммы получил американский физик Артур Ашкин за свой «оптический пинцет», изобретенный в 1987 году. «Ашкин реализовал свою мечту, создав световую ловушку,— говорится в пресс-релизе Нобелевского комитета.— Так научная фантастика стала реальностью».

BREAKING NEWS⁰The Royal Swedish Academy of Sciences has decided to award the #NobelPrize in Physics 2018 “for groundbreaking inventions in the field of laser physics” with one half to Arthur Ashkin and the other half jointly to Gérard Mourou and Donna Strickland. pic.twitter.com/PK08SnUslK

— The Nobel Prize (@NobelPrize) 2 октября 2018 г.

Принцип работы «оптического пинцета» состоит в использовании давления света. «Идея была такая: свет оказывает давление на физические тела, хоть и очень слабенькое. Но если использовать достаточно точные импульсы лазера, то при помощи света станет возможным удерживать и перемещать какие-то очень маленькие объекты,— пояснил “Ъ” популяризатор науки, главный редактор портала Neuronovosti.ru и научный редактор портала Indicator.ru Алексей Паевский.— И тогда лучом света мы можем манипулировать клетками и атомами. Например, биологи так изучают молекулы — могут управлять ими фактически как своими руками. И полученные таким образом знания используются для разработки лекарств, для борьбы с болезнями».

«Это, конечно, уникальное открытие,— сказал “Ъ” директор Института регенеративной медицины Сеченовского университета Петр Тимашев.— Манипулирование клетками всегда вызывало затруднения, потому что их довольно сложно выделить из-за размера. Но благодаря Ашкину мы используем высокоструктурированное, очень узкое излучение — и спокойно перемещаем микрообъекты». По его словам, особенно широко «оптический пинцет» применяется в эмбриологии.

«Когда у пациента сложности с зачатием, мы можем "оптическим пинцетом" выделить самые активные сперматозоиды и сами оплодотворить яйцеклетку. Сейчас появились и другие технологии, но эта остается прекрасной возможностью. И у нас в стране есть очень сильные научные группы, которые прекрасно владеют такой техникой».

«Есть большая вероятность, что использование такого лазерного излучения позволит получить фотоны более высоких энергий, пучки закрученных электронов,— сказал сотрудник Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Леонид Сухих.— А это уже может открыть перед нами совершенно новую физику высоких энергий».

Вторую часть премии получили Жерар Муру (Франция) и Донна Стикланд (Канада) за открытие способа увеличения мощности лазеров, которое они сделали в 1985 году. Это «открыло новые области исследований и привело к широкому промышленному и медицинскому применению», сообщил Нобелевский комитет.

«Это настолько важное открытие, что все понимали: Нобелевская премия за него гарантирована. Его авторы уже лет двадцать были во всех списках вероятных кандидатов на премию,— рассказал “Ъ” профессор Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ Сергей Попруженко.— Единственное, в течение многих лет считалось, что награду получат три человека: два экспериментатора и кто-то из физиков-теоретиков, заложивших основы соответствующей фундаментальной теории. Но, к сожалению, к тому времени, как решили дать премию, в живых уже не осталось тех людей, которые на заре лазерной эры участвовали в создании теории». Стоит отметить, что Донна Стикланд стала третьей в истории женщиной, получившей Нобелевскую премию по физике.

По словам Сергея Попруженко, в середине 1980-х годов ученым казалось, что мощность лазеров увеличить уже невозможно и развитие лазерной техники достигло предела. Но Жерар Муру и Донна Стикланд придумали, как достаточно простым образом увеличить достижимую мощность лазерного излучения.

«Они сказали: давайте возьмем наш импульс электромагнитного излучения и растянем как гармошку. Увеличим его интенсивность снова, сожмем — и получим мощность гораздо больше, чем у нас была вначале»,— пояснил господин Попруженко.

Это решение позволило ученым получить лазерное излучения гораздо большей мощности, практически все лазерные установки в мире используют этот принцип. «Сейчас, как многие остроумные и гениальные изобретения, эта идея кажется совсем простой. Но она имеет колоссальное значение, колоссальный вклад в лазерную технологию,— сказал господин Попруженко.— И в фундаментальную физику тоже — потому что при помощи очень мощных лазерных полей можно наблюдать новые физические эффекты, которые в других случаях просто недоступны». «Мощность такого лазерного импульса — это петаватты, как у нескольких электростанций сразу. И мы можем получать совершенно необычные состояния вещества — аналогичное тому, что находится в недрах звезд»,— добавил Алексей Паевский.

Отметим, что 74-летний Жерар Муру продолжает активно заниматься наукой. В 2010-х он несколько лет работал в России, в Нижегородском государственному университете, вузе-участнике проекта «5–100». «Наш университет совместно с Жераром Муру и при участии Института прикладной физики РАН в 2010 году получил мегагрант на создание лаборатории "Экстремальные световые поля и их приложения",— рассказал “Ъ” заведующий кафедрой общей физики ННГУ Михаил Бакунов.— В рамках этого мегагранта у нас была поставлена достаточно мощная лазерная система, мы сделали лабораторию по генерации односекундных импульсов. Вся эта деятельность запустила процессы развития лазерной физики в нашем университете, которая продолжается и после окончания. Сейчас у нас создается при университете петаваттный лазерный комплекс». Господин Бакунов называет Жерара Муру «выдающимся ученым и замечательным в общении человеком». «Могу сказать, что он очень спортивный, несмотря на возраст — каждый день проплывает километр,— сказал господин Бакунов.— Так что одной из главных забот у нас в университете было — как ежедневно обеспечить ему бассейн или открытую воду для плавания».

В 2017 году лауреатами Нобелевской премии по физике стали ученые Райнер Вайсс, Кип Торн и Барри Бэриш. Премию им вручили за «решающий вклад в наблюдение за гравитационными волнами».

Первой в этом году объявили Нобелевскую премию в области медицины. Ее присудили амерканцу Джеймсу Эллисону и японцу Тасуку Хондзё за иммунотерапию рака. 3 октября объявят Нобелевскую премию по химии. 5 октября будет присуждена премия мира, 8 октября — по экономике.