ईथन से पूछें: क्या कोई लेजर वास्तव में खुली जगह को फाड़ सकता है?

डेस्कटॉप लेज़रों के साथ प्रयोगों में, शायद ऊर्जाएं उच्चतम नहीं हैं, लेकिन शक्ति के संदर्भ में वे लेज़रों के साथ भी बहस कर सकते हैं जो संलयन प्रतिक्रियाओं को प्रज्वलित करते हैं। क्या इस तरह के लेजर की कार्रवाई में एक क्वांटम वैक्यूम दे सकता है?

जितनी खाली जगह है, उतनी खाली नहीं है। एक निर्वात में उतार-चढ़ाव का मतलब है कि भले ही अंतरिक्ष के एक हिस्से से सभी पदार्थ और विकिरण समाप्त हो जाएं, लेकिन अभी भी अंतरिक्ष में निहित ऊर्जा की एक सीमित मात्रा बनी रहेगी। यदि आप उसे एक पर्याप्त शक्तिशाली लेजर के साथ शूट करते हैं, तो क्या यह संभव है, जैसा कि उन्होंने साइंस पत्रिका में लिखा है, "वैक्यूम और खाली जगह को तोड़ने के लिए"? यही हमारे पाठक पूछते हैं:

विज्ञान पत्रिका ने हाल ही में एक लेख प्रकाशित किया कि इस साल चीनी भौतिक विज्ञानी 100-पीडब्लू लेजर (!!!) बनाने जा रहे हैं, क्या आप बता सकते हैं कि वे ऐसा कैसे करने की योजना बना रहे हैं, और यह किस अनोखी घटना का पता लगाने में मदद कर सकता है? और वैक्यूम को तोड़ने का क्या मतलब है?

यह कहानी वास्तविक है , यह पुष्टि की है, और "वैक्यूम को तोड़ने" के संदर्भ में थोड़ा अतिरंजित है - आप सोच सकते हैं, यह सिद्धांत रूप में संभव है। चलो वास्तविक विज्ञान में तल्लीन करते हैं और पता करते हैं कि वास्तव में क्या हो रहा है।


लेजर पॉइंटर्स का क्यू-लाइन सेट विभिन्न प्रकार के रंगों और कॉम्पैक्टनेस को प्रदर्शित करता है - ऐसी घटनाएं जो अब लेज़रों में आम हैं। यहां दिखाया गया है कि लेजर लगातार काम कर रहे हैं और बहुत कम शक्ति के साथ, केवल वाट के अंश - और रिकॉर्ड लेजर पेटावाट तक की शक्ति के साथ काम करते हैं।

व्यापक रूप से अपनाने के बावजूद, लेजर का विचार अभी भी अपेक्षाकृत नया है। प्रारंभ में, यह विकिरण के उत्तेजित उत्सर्जन द्वारा प्रकाश प्रवर्धन के लिए एक संक्षिप्त था, और, सिद्धांत रूप में, लेज़रों के लिए नाम को थोड़ा गलत तरीके से चुना गया था। वास्तव में, कोई लाभ नहीं होता है। सामान्य पदार्थ में, परमाणु नाभिक और इलेक्ट्रॉनों के विभिन्न ऊर्जा स्तर होते हैं; अणुओं, क्रिस्टल और अन्य जुड़े हुए संरचनाओं में, इलेक्ट्रॉन के ऊर्जा स्तर का पृथक्करण उपलब्ध संक्रमण को निर्धारित करता है। एक लेज़र में, इलेक्ट्रॉन दो उपलब्ध राज्यों के बीच दोलन करते हैं, और एक उच्च ऊर्जा के साथ एक राज्य से एक कम ऊर्जा वाले राज्य में संक्रमण होने पर एक निश्चित ऊर्जा के फोटॉन का उत्सर्जन करते हैं। ये कंपन प्रकाश उत्पन्न करते हैं, लेकिन किसी कारण से, कोई भी विकिरण के उत्सर्जन (विकिरण के उत्सर्जन से प्रेरित प्रकाश कंपन) द्वारा प्रकाश दोलन के लिए एक परिचित कराना चाहता था।


एक उत्तेजित अवस्था में इलेक्ट्रॉनों को पंप करना और उन्हें वांछित तरंग दैर्ध्य के एक फोटॉन के साथ उत्तेजित करना, आप बिल्कुल उसी ऊर्जा और तरंग दैर्ध्य के एक और फोटॉन के उत्सर्जन का कारण बन सकते हैं। इस प्रकार लेजर प्रकाश पहली बार प्राप्त किया गया था।

यदि आप अणुओं या परमाणुओं को एक ही उत्तेजित अवस्था में ला सकते हैं और उनके सहज परिवर्तन को जमीनी अवस्था में ला सकते हैं, तो वे उसी ऊर्जा के फोटॉन का उत्सर्जन करेंगे। ये संक्रमण बेहद जल्दी (लेकिन तुरंत नहीं) होते हैं, इसलिए, एक उत्तेजित अवस्था में एक परमाणु या अणु के संक्रमण की दर पर एक सैद्धांतिक सीमा होती है, उसके बाद फोटॉन का उत्सर्जन होता है। आमतौर पर, एक लेजर बनाने के लिए, एक निश्चित गैस, आणविक पदार्थ या क्रिस्टल गूंजने या प्रतिबिंबित करने वाली गुहा के अंदर स्थित होता है, लेकिन यह मुक्त इलेक्ट्रॉनों, अर्धचालक, ऑप्टिकल फाइबर, और सिद्धांत रूप में, यहां तक ​​कि पॉज़िट्रोनियम से भी बन सकता है।


एलिस मुक्त इलेक्ट्रॉन लेजर एक विदेशी लेजर का एक उदाहरण है जो साधारण परमाणु या आणविक संक्रमणों पर भरोसा नहीं करता है, लेकिन जो अभी भी संकीर्ण रूप से केंद्रित सुसंगत प्रकाश का उत्पादन करता है

लेजर से निकलने वाली ऊर्जा की मात्रा इसमें निवेश की गई ऊर्जा द्वारा सीमित है - इसलिए, अत्यधिक लेजर शक्तियों को प्राप्त करने का एकमात्र तरीका एक नाड़ी के उत्सर्जन के लिए समय कम करना है। आप पेटवाट्स, 10 ¹⁵ वाट के बारे में सुन सकते हैं, और यह आपको लगता है कि यह बहुत बड़ी मात्रा में ऊर्जा है। लेकिन यह ऊर्जा नहीं है, बल्कि शक्ति - ऊर्जा प्रति यूनिट समय है। एक पेटावैट पॉवर लेज़र हर सेकेंड 10 ¹⁵ J एनर्जी (इतनी ऊर्जा 200 kT टीएनटी में निहित होती है) या हर सेकंड, या सिर्फ एक लेज़र एनर्जी उत्सर्जित करने वाला एक लेज़र हो सकता है (इतनी ऊर्जा 60 μg चीनी में निहित होती है: प्रत्येक फेमटोसेकंड (10 ^-15 s) । ऊर्जा के संदर्भ में, ये विकल्प बहुत अलग हैं, हालांकि उनके पास समान शक्ति है।


रोचेस्टर विश्वविद्यालय में ओमेगा-ईपी एम्पलीफायरों, फ्लैशलाइट्स से रोशन, एक अमेरिकी उच्च-शक्ति लेजर शक्ति प्रदान कर सकता है

एक 100 पीडब्लू लेजर अभी तक नहीं बनाया गया है, लेकिन यह एक और अविश्वसनीय सीमा है जिसे शोधकर्ताओं ने 2020 में दूर करने की योजना बनाई है। काल्पनिक परियोजना को एक्सट्रीम लाइट स्टेशन, एसईएल के रूप में जाना जाता है और इसे चीन में शंघाई अल्ट्रा-इंटेंसिव अल्ट्राफास्ट लेजर सिस्टम के हिस्से के रूप में बनाया जा रहा है। एक बाहरी पंप डिवाइस, जो आमतौर पर विभिन्न तरंग दैर्ध्य का प्रकाश होता है, उत्पन्न करने वाली सामग्री में इलेक्ट्रॉनों को उत्तेजित करता है, जिससे लेजर प्रकाश की विशेषता संक्रमण होता है। बहुत कम प्रसार तरंग दैर्ध्य के साथ फोटॉन घनी पैक वाली किरण या नाड़ी में दिखाई देते हैं। कई लोगों के लिए, यह जानना आश्चर्यजनक होगा कि 1 पीडब्लू की सीमा 1996 में वापस आ गई थी; 10 पीडब्लू की अगली सीमा को पार करने में लगभग दो दशक लग गए।


नेशनल इग्निशन कॉम्प्लेक्स के प्रस्तावक, लक्ष्य कैमरे की ओर यात्रा करने वाले लेजर बीम की ऊर्जा बढ़ाने की दिशा में पहला कदम है। 2012 में, एनकेजेड सभी संयुक्त राज्य अमेरिका की ऊर्जा खपत से एक हजार गुना अधिक के चरम पर 0.5 पीडब्लू के स्तर पर पहुंच गया।

संयुक्त राज्य अमेरिका में राष्ट्रीय इग्निशन कॉम्प्लेक्स हाई-एनर्जी लेज़रों पर चर्चा करते समय ध्यान में आने वाला पहला हो सकता है, लेकिन यह विचलित करने वाले पैंतरेबाज़ी से ज्यादा कुछ नहीं है। 192 लेज़रों की यह सरणी एक बिंदु पर ध्यान केंद्रित करती है, हाइड्रोजन की एक गेंद को संपीड़ित करती है और परमाणु संलयन को लॉन्च करती है, 1 पीडब्लू मार्क के चारों ओर झूलती है, लेकिन सबसे शक्तिशाली परिसर नहीं है। उसकी ऊर्जा बहुत अधिक है, एक मिलियन जूल से अधिक है, लेकिन उसकी दाल अपेक्षाकृत लंबी है। पावर रिकॉर्ड सेट करने के लिए, आपको कम समय में अधिक बिजली की आपूर्ति करने की आवश्यकता है।

वर्तमान रिकॉर्ड धारक टाइटेनियम अशुद्धियों के साथ एक नीलमणि क्रिस्टल का उपयोग करता है, इसमें सैकड़ों जूल को पंप करता है, जिससे प्रकाश आगे और पीछे विनाशकारी हस्तक्षेप में परिलक्षित होता है, जो नाड़ी की लगभग पूरी अवधि को नष्ट कर देता है, और फिर केवल दसियों फेमटोसेकंड के एकल पल्स में आउटपुट प्रकाश को संपीड़ित करता है। 10 पीडब्लू के आदेश की आउटपुट शक्तियों को प्राप्त करना संभव है।


एक टाइटेनियम-नीलमणि लेजर का हिस्सा; बाईं ओर चमकदार लाल प्रकाश - टाइटेनियम के साथ नीलम क्रिस्टल; उज्ज्वल हरी रोशनी - एक दर्पण पर बिखरे हुए प्रकाश पंप।

अगले आदेश की सीमा को तोड़कर और भी अधिक प्राप्त करने के लिए, लेजर में पंप की गई ऊर्जा को सैकड़ों से हजारों जूल तक बढ़ाना आवश्यक है, या पल्स अवधि को कम करना है। पहले इस्तेमाल की गई सामग्रियों के संदर्भ में मुश्किल है। छोटे टाइटेनियम-नीलम क्रिस्टल इस तरह की ऊर्जाओं का सामना नहीं करेंगे, जबकि बड़े लोग अनावश्यक दिशाओं में प्रकाश का उत्सर्जन करते हैं - बीम के मार्ग पर समकोण पर। शोधकर्ता वर्तमान में इस समस्या के तीन तरीकों पर विचार कर रहे हैं:

1. 10 पीडब्लू की प्रारंभिक पल्स ले लो, इसे विवर्तन झंझरी के साथ खींचो, इसे एक कृत्रिम क्रिस्टल में मिलाएं, जहां इसे फिर से पंप किया जा सकता है, ऊर्जा बढ़ सकती है।
2. विभिन्न लेज़रों के एक सेट से कई दालों का संयोजन, वांछित ओवरलैप स्तर का निर्माण, दालों के लिए एक मुश्किल काम है जो केवल कुछ दसियों फेमटोसेकंड तक चलता है और प्रकाश की गति से आगे बढ़ता है।
3. पल्स कम्प्रेशन का एक और चरण जोड़ें, इसे फेमटोसेकंड के एक जोड़े में संपीड़ित करें।

प्रकाश को मोड़ना और उसे किसी बिंदु पर केंद्रित करना, भले ही तरंग दैर्ध्य या जहां वह सतह पर गिरता है, अंतरिक्ष में एक स्थान पर प्रकाश की तीव्रता को अधिकतम करने के लिए महत्वपूर्ण चरणों में से एक है।

फिर दालों को स्पष्ट रूप से केंद्रित किया जाना चाहिए, न केवल ऊर्जा बढ़ाना, बल्कि तीव्रता भी - जो कि एक बिंदु पर शक्ति को केंद्रित करना है। जैसा कि लेख में लिखा गया है:

यदि 100 पीडब्लू की एक पल्स आकार में 3 माइक्रोन के क्षेत्र पर ध्यान केंद्रित किया जा सकता है, [...] इस क्षेत्र में बीम की तीव्रता एक अविश्वसनीय 10 ²⁴ प्रति सेमी ² तक पहुंच जाएगी - यह परिमाण के 25 आदेश हैं, या 10 ट्रिलियन खरब गुना सूरज की रोशनी की तुलना में अधिक है। धरती का

यह कुछ भी नहीं से कण-एंटीपार्टिकल जोड़े बनाने की लंबे समय से प्रतीक्षित संभावना का रास्ता खोल देगा - लेकिन यह "क्वांटम वैक्यूम ब्रेक" होने की संभावना नहीं है।


क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत की गणना का दृश्य क्वांटम वैक्यूम में आभासी कणों को दर्शाता है। खाली जगह में भी, शून्य की ऊर्जा शून्य के बराबर नहीं है।

क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स के सिद्धांत के अनुसार, खाली स्थान की शून्य ऊर्जा शून्य के बराबर नहीं है, और इसका सकारात्मक, परिमित मूल्य है। यद्यपि हम इसे दिखाई देने वाले कणों और एंटीपार्टिकल्स के रूप में कल्पना करते हैं और फिर से गायब हो जाते हैं, इसलिए इसका वर्णन करना सबसे अच्छा है ताकि पर्याप्त ऊर्जा के साथ हम वास्तविक कण / एंटीपार्टिकल जोड़े बनाने के लिए खाली स्थान के विद्युत चुम्बकीय गुणों का उपयोग कर सकें। यह आइंस्टीन की सरल भौतिकी E = mc ² पर आधारित है, लेकिन इसके लिए पर्याप्त रूप से मजबूत विद्युत क्षेत्रों की आवश्यकता है: 10 ¹⁶ V प्रति मीटर के क्रम का। प्रकाश, एक विद्युत चुम्बकीय तरंग होने के नाते, बिजली और चुंबकीय क्षेत्रों को स्थानांतरित करता है, और लगभग 10 ²⁹ डब्ल्यू / सेमी ² की लेजर तीव्रता के साथ इस महत्वपूर्ण सीमा तक पहुंचता है।


10 ²⁹ डब्ल्यू / सेमी ² की तीव्रता तक पहुंचने वाले जेट-वाट लेज़र को क्वांटिट वैक्यूम से वास्तविक इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन जोड़े बनाने के लिए पर्याप्त होना चाहिए। इसके लिए और भी अधिक ऊर्जा, कम दालों और / या उससे अधिक फोकस की आवश्यकता होगी जिसकी हम निकट भविष्य में कल्पना कर सकते हैं।

आपने देखा होगा कि एक वैज्ञानिक लेख से आदर्श संस्करण भी एक तीव्रता देता है जो अभी भी इस सीमा से 100,000 गुना कम है, और इससे पहले कि आप पहुंचें, कण / एंटीपार्टिकल जोड़े बनाने की आपकी क्षमता तेजी से दब जाती है। वास्तविक तंत्र केवल युग्मन की प्रक्रिया को उलट देने से बहुत अलग है, जिसमें, इलेक्ट्रॉन और पॉज़िट्रॉन का सत्यानाश करने के बजाय, दो फोटॉन दिखाई देते हैं, दो फोटॉन एक इलेक्ट्रॉन / पॉज़िट्रॉन जोड़ी का आदान-प्रदान और उत्पादन करते हैं। (इस तरह की प्रक्रिया का पहली बार प्रयोग 1997 में किया गया था।) लेजर में, अलग-अलग फोटॉन में नए कणों के उत्पादन के लिए पर्याप्त ऊर्जा नहीं होगी - इसके बजाय, अंतरिक्ष के वैक्यूम पर उनके संयुक्त प्रभाव से एक निश्चित संभावना के साथ कण / एंटीपार्टिकल जोड़े उत्पन्न होंगे। लेकिन अगर केवल यह तीव्रता 10 ²⁹ डब्ल्यू / सेमी ² के थ्रेशोल्ड मान तक नहीं पहुंचती है, तो यह संभावना शून्य होगी।


शंघाई के लेजर ने शक्ति के लिए रिकॉर्ड स्थापित किया है, लेकिन इसे मेज पर रखा गया है। सबसे शक्तिशाली लेजर अनिवार्य रूप से उच्चतम ऊर्जा नहीं है, लेकिन सबसे अधिक बार केवल सबसे छोटी दालों के साथ लेजर।

रिक्त स्थान से पदार्थ / एंटीमैटर कणों के जोड़े बनाने की क्षमता क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स की महत्वपूर्ण परीक्षा होगी, और लेजर की क्षमताओं का एक उल्लेखनीय प्रदर्शन और उन्हें नियंत्रित करने की हमारी क्षमता। यह संभव है कि पहली कण / एंटीपार्टिकल जोड़ी एक महत्वपूर्ण सीमा तक पहुंच के बिना प्राप्त की जा सकती है, लेकिन इसके लिए इसे या तो इसके बहुत करीब आना होगा, या बहुत भाग्यशाली होना चाहिए, या भोले गणना के संबंध में कणों के जोड़े के उत्पादन की संभावना को बढ़ाने के लिए एक तंत्र के साथ आना होगा। किसी भी मामले में, क्वांटम वैक्यूम नहीं टूटता है, लेकिन इसके साथ अपेक्षित रूप से ठीक से निपटता है: यह भौतिकी के नियमों के अनुसार पदार्थ और ऊर्जा पर प्रतिक्रिया करता है। यह सहज नहीं हो सकता है, लेकिन अनुमानित है - और यह कभी-कभी और भी अधिक उपयोगी होता है। सभी विज्ञान इसकी पुष्टि या खंडन करने के लिए पूर्वानुमान बनाने और प्रयोग करने की कला में निहित हैं। हम अभी तक दहलीज तक नहीं पहुंचे हैं, लेकिन प्रत्येक शक्ति और तीव्रता में कूदता है एक और कदम है जो हमें लेजर भौतिकी की पवित्र कब्र के करीब लाता है।