Квант световой энергии, воздействуя на возбужденный атом рабочей среды, заставляет его излучить такой же квант энергии, что приводит к усилению светового потока. Лазер включает в себя активную (рабочую) среду, которая может быть твердой, жидкой, газообразной и даже плазмой. Например, твердотельный рубиновый лазер или газовый гелий-неоновый лазер и т. д.
Для усиления потока света необходимо, чтобы возбужденных атомов, излучающих фотоны, было как можно больше. Однако в состоянии термодинамического равновесия это условие не выполняется, поэтому активную среду выводят из состояния равновесия с помощью источника энергии, который называется системой накачки.
Системы накачки выбираются в зависимости от типа активной среды; они могут быть оптические, электрические, химические. Например, для гелий-неоновой активной среды в качестве системы накачки используют электрический разряд.
С целью повышения воздействий на возбужденные атомы активная среда лазера помещается в оптический резонатор. В простейшем случае он представляет собой два зеркала, одно из которых полупрозрачное – через него луч лазера частично выходит из резонатора. Отражаясь от зеркал, пучок излучения многократно проходит по резонатору, воздействует на возбужденные атомы и заставляет излучать фотоны.
Схема лазера: 1 – активная среда; 2 – энергия накачки лазера; 3 – непрозрачное зеркало; 4 – полупрозрачное зеркало; 5 – лазерный луч
Поскольку фотон светового потока, встречая на своем пути возбужденный атом, выбивает из него фотон с точно такими же характеристиками, то число одинаковых фотонов удваивается. Вновь образовавшийся фотон в свою очередь способен генерировать еще один фотон, выбивая его из другого возбужденного атома. Далее эти два фотона выбьют еще два, после чего их будет четыре, и т. д. Процесс нарастает практически мгновенно и лавинообразно. Первая волна излучения, дойдя до отражающей поверхности резонатора, повернет обратно и вызовет дальнейшее увеличение числа индуцированных переходов и интенсивности излучения.
При ограниченной мощности накачки лазер работает как лампа, ибо излучения отдельных атомов не согласованы друг с другом и излучают цуги волн длиной в несколько метров. Их излучения имеют случайные направления распространения.
Однако при некотором критическом значении мощности накачки все атомы вдруг начинают дружно (когерентно[13]) излучать фотоны в направлении, параллельном оптической оси резонатора. Возникает согласованное, кооперативное излучение волн, находящихся в одной фазе, и длина цугов возрастает до 109 метров. Происходит переход от режима лампового излучения к лазерному режиму.
Многократное прохождение образованной световой волны между торцовыми стенками резонатора без какого-либо существенного отклонения от оси стержня обеспечивает когерентному лазерному лучу строгую направленность и огромную выходную мощность. Лазер – это замечательный пример самоорганизации и переход хаоса в порядок.
В 70-е годы прошлого столетия немецкий физик Фриц Альберт Попп обнаружил подобный процесс самоорганизации в биологическом организме. С позиций современной квантовой физики Попп показал, что излучения биологических объектов как растительного, так и животного происхождения отличаются высокой когерентностью в диапазоне крайне высоких частот (в КВЧ-диапазоне) от ближнего ультрафиолетового до ближнего инфракрасного диапазонов. Поразительно, но когерентность биоизлучений оказалась значительно выше когерентности луча современного лазера [4].
Живой организм является принципиально неравновесной диссипативной и когерентной структурой и имеет спектр собственных частот. Фундаментальной физической основой микроволновой терапии служит разработанная И. Пригожиным теория нелинейной неравновесной термодинамики, описывающая процессы в живом веществе.
В 1977–1988 годах английский физик Г. Фрелих обосновал теоретически и получил экспериментальные доказательства генерирования живыми клетками переменных электромагнитных полей. Им была развита общая теория когерентных резонансных электромагнитных излучений миллиметрового диапазона «как первостепенной основы жизнедеятельности». Волны миллиметрового диапазона стали называться волнами жизни.
Позднее на основе этих (и других) работ была разработана новая медицинская технология BioTrEM – биологическая трансдукция электромагнитного поля. Трансдукция – это способ передачи сигнала, информации [5].
Неравновесная термодинамика И. Р. Пригожина
И. Р. Пригожин, занимаясь вопросами самоорганизации термодинамических систем, находящихся в неравновесных состояниях, не использовал термин «синергетика», а всегда применял термин «неравновесная термодинамика».
Успехи современной биофизики и квантовой медицины во многом связаны с разработкой одной из самых плодотворных и увлекательных физических теорий нашего времени: необратимой неравновесной термодинамики, описывающей процессы самоорганизации и возникновения когерентных структур в химических, биологических и социальных системах. Автором этой замечательной теории является директор отделения физики и химии Брюссельского университета Илья Пригожин, лауреат Нобелевской премии 1977 года.
В 1982 году Пригожин становится иностранным членом Академии наук СССР. Его работы многократно переводились на русский язык. К его трудам обращаются многие ученые, не только физики и химики, но и биологи, палеонтологи, математики, историки, филологи. В 1989 году король Бельгии пожаловал Пригожину титул виконта.
2 декабря 2011 года на телеканале «Культура» состоялась передача «Линия жизни. Академик Владимир Фортов». Владимир Евгеньевич Фортов рассказал о своей встрече с Пригожиным, который прекрасно владеет русским языком. Два ученых вместе летели на симпозиум в США. И когда В. Фортов спросил Пригожина, что больше всего его интересует в науке, ученый ответил: «Я уже пожилой человек, сделал все, что должен был сделать. Но я искренне не понимаю, как из электронов, протонов, нейтронов появляется Совесть и Любовь!» Вот какие вопросы занимают великого ученого сегодня.
Важным результатом новой неравновесной термодинамики является возможность получения устойчивых решений, далеких от состояния равновесия. Занимаясь исследованиями неравновесных диссипативных[14] термодинамических систем, И. Р. Пригожин определил условия, при которых такие системы способны перейти от беспорядка к порядку, от хаоса к организованности. Расчет таких систем (открытых, диссипативных, неравновесных) стал возможным благодаря работам Пригожина, выполненным в 1947 году [6].
Пригожин так описывает взаимодействие старых структурных составляющих (СС) с новыми структурными составляющими (НС): введение в систему в небольшом количестве НС приводит к возникновению новой сети взаимодействий ее компонентов. Возникает конкуренция нового способа функционирования со старым. Если старая система устойчива относительно НС, то последняя погибает. Но при быстром размножении НС вся система перестраивается на новый режим функционирования [2].
Для лучшего понимания рассмотрим такой пример. Сын привел в дом жену. Возникла новая система взаимодействий (НС), которая невольно вступает в конкуренцию со старой (СС). От влияния новой составляющей вся система в целом (семья с учетом нового члена) медленно, но упорно становится нестабильной. Прежней хозяйке не нравится, как молодая женщина, претендующая на роль новой хозяйки, ведет себя; она не так готовит борщ, не так одевается, да и вообще – не так смотрит и не так дышит. Молодой хозяйке не нравится постоянный контроль и указания; свекровь не так себя ведет по отношению к новой семье. Все эти «не так» являются дестабилизирующим фактором (флуктуациями), который вместе с накопленными обидами способен разрушить новую систему (привести к разводу). Особенно, если сын очень подвержен материнскому влиянию и их система (СС) очень устойчива.
Однако если молодая семья оказалась устойчивой новой системой (например, сильная любовь, да еще родился ребенок), то вся система в целом перестраивается на новый режим жизни.
Неравновесная термодинамика Пригожина позволила понять процессы самоорганизации и возникновения когерентных структур в сложных химических, биологических и социальных системах.
Флуктуации и точка бифуркации
Анализ диссипативных систем показал, как в хаотической системе возникают самоорганизующиеся структуры, и помог понять роль флуктуации. Дело в том, что все сложные системы состоят из подсистем, которые непрестанно флуктуируют. И если в классической науке флуктуация – случайное отклонение мгновенного значения от среднего – быстро рассасывается, то в синергетике флуктуации при определенных условиях вырастают до масштабов системы и могут послужить началом образования новой структуры.
