Николай Горькавый – Драконоборцы. 100 научных сказок (страница 50)

– В 1905 году Эйнштейн работал в патентном бюро, – быстро сверился с энциклопедией Андрей. – Значит, свой нобелевский результат он сделал, будучи не учёным, а просто мелким чиновником?

– Да. Но теорию световых квантов он не забывал, даже когда стал профессиональным учёным и профессором. Например, в 1916 году он написал статью, в которой ввёл понятие индуцированного излучения. Там он так отозвался о работе Планка: «Его вывод отличался беспримерной смелостью, но нашёл блестящее подтверждение». Именно эта статья Эйнштейна стала теоретической основой для создания лазеров спустя сорок лет.

– Что за индуцированное излучение? – поинтересовалась Галатея. – Можно его объяснить на уровне горошин?

– Можно. Возьмём слегка наклонную пластинку и положим на неё горошину. Если пластинка ровная, то горошина непременно скатиться вниз. Нанесём на пластину серию поперечных мелких бороздок, в которых горошины могут удерживаться от падения. Пластина с бороздками, усеянными горошинами, представляет собой модель вещества, где электроны находятся в возбуждённом состоянии: они сидят на верхних электронных орбитах и в любой момент готовы скатиться вниз. Если бросить на верхнюю часть пластины горсть горошин, то они, выбивая застрявший горох из мелких бороздок, вызовут гороховую лавину, которая обрушится вниз. Именно такой эффект предсказал Эйнштейн в 1916 году, и именно на таком принципе устроен лазер.

Практически воплотить идеи Эйнштейна ещё при жизни великого физика удалось Чарльзу Таунсу и Александру Прохорову, который развивал идею квантового генератора в тесном сотрудничестве с молодым сотрудником Николаем Басовым, из-за долгой войны закончившим университет только в 1950 году. Им удалось создать среду, в которой было множество атомов в возбуждённом состоянии. И когда фотон пролетал через эту среду, он заставлял атомы испускать новые фотоны в том же направлении, как и предсказывал Эйнштейн. В результате возникала целая лавина совершенно одинаковых фотонов, летящих в одном направлении. Так был создан знаменитый лазерный луч. За это достижение Чарльз Таунс, Александр Прохоров и Николай Басов были удостоены Нобелевской премии по физике за 1964 год. Интересно, что Таунса вдохновила на создание лазеров книга А. Н. Толстого «Гиперболоид инженера Гарина», вышедшая на английском языке в 1936 году.

После создания лазеры проникли во все области человеческой жизни – они всё время у нас буквально под рукой, которая часто лежит на лазерной компьютерной мышке. Есть лазеры огромные, как дом, – они используются для инициации термоядерной реакции. Есть крошечные лазеры на полупроводниках, которые работают в электронно-оптических приборах, в частности в лазерных музыкальных проигрывателях. Возможно, зонды, летящие к другим звёздам, будут снабжены парусами, а лазеры, установленные на Земле, станут наполнять эти паруса энергией. Инженеры и физики, которые интересуются лазерными технологиями, всегда найдут там массу новых, интересных и полезных задач. Например, до сих пор не удаётся создать гразер – лазер, который излучал бы в гамма-диапазоне. Да и с разером, то есть с рентгеновским лазером, тоже немало трудностей.

Одна область применения лазеров оказалась неожиданной и очень плодотворной. Тонкий лазерный луч, который легко преодолевает огромные расстояния, стал прекрасным инструментом для измерения расстояний. С его помощью удаётся точно определить расстояние до самых далеких спутников Земли и даже до Луны. Это позволяет вычислить скорость движения земных континентов, которая составляет несколько сантиметров в год. Потом лазерный дальномер разместили на самолёте и заставили его измерять высоту до земли с точностью в несколько сантиметров и с частотой десятки тысяч лазерных измерений в секунду. В результате получилась невиданной точности трёхмерная модель земной поверхности и всех объектов на ней – холмов и оврагов, домов и деревьев. К началу XXI века лазерные дальномеры – их назвали лидарами – стали столь компактными и дешёвыми, что их начали размещать на автомобилях и на роботах.

– А для чего это нужно? – спросила Галатея.

– Лидар на автомобиле измеряет расстояние до соседних машин или других препятствий и сигнализирует водителю об опасном сближении. Если машина снабжена автопилотом, то лидарные данные позволяют компьютеру-водителю безопасно маневрировать, так что ошибка человека-водителя не может привести к аварии. Особенно ценными оказались лидары для роботов, которые двигаются не по гладким дорогам с известным маршрутом. Робот должен сопровождать человека всюду, куда тот пойдёт, и действовать самостоятельно там, где для человека слишком опасно: в развалинах, образовавшихся после землетрясений, либо на местах аварий, где разлиты радиоактивные вещества или химикаты. Поэтому робот должен прекрасно ориентироваться в пространстве и иметь точную трёхмерную картину окружающей его среды. Этого без лидара добиться невозможно.

– Почему? – поинтересовался Андрей. – У нас ведь нет лазеров в глазах, а мы хорошо видим и всегда знаем, что нас окружает.

– Человеческое зрение – это великолепно устроенный аппарат восприятия окружающей действительности. Он включает высокочувствительную оптику прекрасного разрешения – глаз человека имеет 130 миллионов рецепторов, мощный мозг для быстрой обработки поступающей информации и многолетнюю тренировку в привычной среде для эффективного построения трёхмерной картинки. Два глаза, разнесённых для объёмного зрения, дают хорошую возможность оценить расстояние до окружающих нас предметов.

У современных роботов таких замечательных способностей нет: их видеокамеры не имеют столь высокого разрешения, но даже при этом поток информации с них столь велик, что быстро обработать его портативный компьютер не может.

– Да и многолетней тренировки у него нет! – гордо заявила Галатея.

– Верно. Поэтому лидар, который мгновенно дает надёжную информацию о расположении предметов и не перегружает мозг робота избыточным объёмом информации, оказывается для робота исключительно важным органом чувств – важнее, чем его видеокамеры. Человек давно хотел создать себе механического помощника, который будет помогать ему в тяжёлых и опасных работах. Термин «робот» придумал чешский художник Йозеф Чапек, и оно произошло от чешского слова «каторга».

– Да, роботов планировалось создать явно не для прогулок! – сказал Андрей.

– Однако между мечтой и реальностью пролегла огромная дистанция. Сделать человекоподобного робота оказалось очень непросто. Движения человека определяются лёгким прочным скелетом, отдельные части которого двигаются мышцами, сокращающимися по приказу мозга, передаваемому по нервам. Но люди не могут создать искусственные мышцы, сопоставимые по эффективности с биохимическими мышцами, созданными природой.

– Этой проблемой стоит заняться! – с энтузиазмом воскликнула Галатея.

– Поэтому обычно роботы двигаются с помощью электромоторов. Это означает, что на каждую степень свободы движения какой-то конечности человека, например сгибания руки в локте, требуется отдельный электромотор. Если присмотреться к движению кисти нашей руки, то можно подсчитать, что для человекоподобной механической кисти нужно 17 моторов. Если подсчитать степени свободы для всех конечностей, то окажется, что для постройки человекоподобного робота потребуется сотня моторов. Энергетическая эффективность электромоторов для человеческих движений невысока. Электромоторы легко вращают колёса или оси винтов, а сгибать конечности робота в суставах для них непросто: требуется специальная передача, которая переводит вращение в поступательное движение. При этом мотор в роботе всё время должен менять скорость и направление своего вращения. Если в электромобиле, едущем по шоссе, электромоторы вращаются примерно с одинаковой скоростью, то их работа в человекоподобном роботе будет состоять из постоянных включений и выключений, что не способствует ни энергетической эффективности, ни долговечности. Лишь в XXI веке был создан механический человекоподобный робот, который мог уверенно передвигаться по лестницам, перепрыгивать через препятствия и даже делать обратное сальто. Но стоимость и сложность такого робота оказались очень высоки. Понятно, что широкое распространение легче получить не человекоподобным массивным роботам, а небольшим подвижным киберам с размером и мобильностью собаки. Но как бы ни передвигался кибер – на ногах, лапах или колёсах, – ему непременно нужны лидарные глаза для того, чтобы видеть, куда идти.

Автомобили с автопилотом и робототехника образовала целую новую индустрию, в которой есть масса интересных задач как для учёных, так и для инженеров. И важную роль в этой новой индустрии играют лазеры, которые были созданы в середине XX века Прохоровым, Басовым, Таунсом и их сотрудниками.

Александр Прохоров (1916–2002) – советский и российский физик, создатель мазера (квантового генератора микроволнового излучения) и лазера (квантового генератора оптического излучения). Лауреат Нобелевской премии по физике за 1964 год.

Николай Басов (1922–2001) – советский и российский физик, создатель мазера и лазера. Лауреат Нобелевской премии по физике за 1964 год.