Тайны природы. Синергетика: учение о взаимодействии - [20]

Поскольку параметр порядка вынуждает отдельные электроны двигаться совершенно синхронно и тем самым определяет их действия, мы снова можем сказать, что параметр порядка «порабощает», подчиняет себе отдельные элементы системы. Верно и обратное: параметр порядка (т. е. световая волна) есть результат синхронных колебаний отдельных электронов. Возникновение параметра порядка, с одной стороны, и когерентного поведения электронов — с другой, взаимно обуславливают друг друга; в таких случаях принято говорить о циклической причинности. Перед нами еще один типичный пример синергетического поведения. Для обеспечения синхронности колебаний электронов должен существовать параметр порядка (в данном случае эту роль выполняет световая волна). Однако существование самой световой волны возможно только благодаря синхронным колебаниям электронов. Словом, все выглядит так, что мы должны бы задействовать некую высшую силу, единожды создавшую некое изначальное состояние упорядоченности, которое затем сможет самостоятельно поддерживать свое существование. Однако в действительности все происходит иначе. В самом начале имеет место конкурентная борьба и процесс отбора, в результате которого все электроны становятся «рабами» какой-то определенной волны. При этом интересно отметить, что все волны, совершенно случайно — спонтанно — порожденные электронами, должны быть рассортированы в соответствии с законами конкурентной борьбы, т. е. пройти через некий отбор. Перед нами типичный для синергетики пример взаимоотношений между случайностью и необходимостью: «случайность» здесь воплощена в спонтанном излучении, а «необходимость» — в неумолимом законе конкуренции и отбора.

Лазер: открытая система с фазовым переходом

Можно ли любую лампу превратить в лазер, просто добавив к ней зеркала? Собственно, почти так оно и есть, однако следует подробнее рассмотреть один ключевой момент. Световые волны, испускаемые возбужденными электронами в обычной лампе, разбегаются прочь с такой быстротой, что другие электроны практически не имеют времени на то, чтобы поддержать колебания этих волн. Это значит, что вынужденное излучение состояться не может, и отдельные волновые цуги оказываются не в состоянии хоть сколько-нибудь «продлить себе жизнь». Лампа испускает самые различные волны таким образом, что они совершенно не зависят друг от друга. Зеркала в лазере предназначены для того, чтобы воспрепятствовать движущимся в осевом направлении волнам покинуть лазер — для того чтобы осталось достаточно времени для усиления волн посредством вынужденного излучения. Однако не существует зеркал, совершенных настолько, чтобы удержать свет в лазере вечно; кроме того, имеются и другие причины, по которым свет «теряется» (например рассеяние). Разумеется, при любом применении лазера часть света зеркала должны выпускать: в конце концов, лазерный свет нужен нам для того, чтобы что-нибудь им облучать.

Таким образом, задача генерации лазерного света становится задачей чисто количественной. Необходимо возбуждать световые электроны атомов газа с такой скоростью, чтобы они оказались в состоянии усиливать световые волны достаточно быстро и эффективно для того, чтобы компенсировать потери от несовершенства зеркал. Другими словами, мы должны постараться устроить все так, что потери энергии волн покрывались бы энергией, получаемой в результате вынужденного излучения. Итак, переход от света обычной лампы к лазерному свету происходит скачкообразно при повышении силы электрического тока, пропускаемого нами через газоразрядную трубку. Существует некое критическое значение силы тока, при котором состояние лазера радикально изменяется — даже в том случае, если ее изменение ничтожно мало. Работу лазера мы можем поддерживать единственным способом: постоянно снабжая его энергией (например в виде электрического тока). Одновременно лазер будет постоянно излучать энергию в виде лазерного света (не будем забывать и о тех неизбежных потерях энергии, которые уже упоминались). Лазер, таким образом, постоянно обменивается энергией с окружающим миром, а значит, является открытой системой. В то же время лазер является системой, чрезвычайно далекой от теплового равновесия — точно так же, как двигатель внутреннего сгорания.

Скачкообразное возникновение макроскопического состояния упорядоченности очень напоминает поведение ферромагнетика или сверхпроводника, при котором также возникают состояния с совершенно новыми физическими свойствами. Правда, эти системы находятся в состоянии теплового равновесия с окружающей средой, что и отличает их от нашего случая. Именно поэтому многие физики были поражены, когда мы в Штутгарте, одновременно с группой наших американских коллег, смогли установить, что фазовый переход в лазере демонстрирует все свойства, характерные для обычных фазовых переходов, в том числе критические флуктуации и нарушение симметрии. Таким образом, лазер стал как бы мостом между неживой и живой природой. Состояние упорядоченности в лазере поддерживается за счет процессов самоорганизации, протекающих благодаря притоку дополнительной энергии извне. Лазер — как и все биологические системы — система открытая.