Глава II. Предтечи
страница №3
...антовой радиофизикой.Примерно в то же время далеко за океаном, в Колумбийском университете города Нью-Йорка, почти тем же путем входил в науку молодой физик Чарлз Таунс. Колумбийский университет, основанный в 1754 году, превратился в крупный научный центр еще до того, как разгул фашизма в Италии и Германии, а затем захват гитлеровцами стран Центральной и Западной Европы вызвали массовую эмиграцию ученых. Впрочем, даже в двадцатые годы нашего века Колумбийский университет был единственным местом в многомиллионном городе, где можно было заниматься физикой.
К началу второй мировой войны здесь сформировался первоклассный центр по исследованию атомных пучков. Основатель его - Исидор Раби - взял старт в Европе, в лаборатории Штерна, патриарха подобных исследований. Но Раби сделал существенный шаг вперед - он сочетал технику атомных пучков с радиотехникой. Так, по существу, родилась радиоспектроскопия.
Радио объединилось с атомами и молекулами. Появилась возможность чрезвычайно точно исследовать многие свойства атомных ядер, но это еще не привело к возникновению новой области науки.
Радиоспектроскопия родилась вторично и начала бурно развиваться после второй мировой войны, когда физикам стала доступна техника сантиметровых радиоволн, созданная в ходе развития радиолокации.
Ранние публикации Таунса в области радиоспектроскопии относятся к 1946 году. Первая содержала несколько строчек. То была лишь аннотация, по английской терминологии "абстракт", об исследовании молекулы аммиака. Вторая составила уже примерно страничку, содержащую письмо в редакцию журнала "Физические обозрения" об исследовании молекулы воды. Работы не произвели особого впечатления. В то время исследования аммиака и воды уже велись широким фронтом во многих лабораториях, пожалуй, на более высоком уровне.
За первым шагом последовал быстрый разбег - в следующем году два письма и три абстракта, уже с новыми интересными результатами, а еще через год Таунс стал одним из ведущих специалистов в области радиоспектроскопии газов.
Первенец
Многие переломные даты представляются крайне условными. Это относится не только к началу нашей эры, но и к началу века пара, века электричества... Лишь в начале атомного века стоит страшная зарубка взрыва, всколыхнувшего пустыню штата Нью-Мексико.
Рождение квантовой радиофизики относится к 1954 году, когда Басов и Прохоров в Физическом институте имени П.Н.Лебедева в Москве и Таунс вместе с Гордоном и Цайгером в Колумбийском университете в Нью-Йорке практически одновременно и совершенно независимо добились генерации радиоволн при помощи молекул. Это был прибор нового типа. Молекулярный генератор - назвали его в Москве, мазер - окрестили его в Нью-Йорке. Слово "мазер" образовалось из первых букв английской фразы, описывающей принцип, лежащий в основе работы прибора ("усиление радиоволн при помощи вынужденного испускания" - "Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation").
Но поскольку молекулярный генератор был действующим прибором, его появление означало рождение близнецов. Вместе с квантовой радиофизикой возникла квантовая электроника - так впоследствии назвали техническое направление новой науки.
Атомы, комбинируясь в различных сочетаниях, образуют все многообразие мира. Даже если атомы однотипны, они могут группироваться по-разному. Так, углерод может предстать невзрачным коксом, блестящим черным графитом и ослепительным алмазом. Все зависит от условий, созданных природой или человеком. Так, будничная окись хрома, попав в бесцветный корунд, превращает его в прекрасный рубин, а войдя в столь же бесцветный берилл, порождает изумруд, считающийся более драгоценным камнем, чем бриллиант.
В молекулярном генераторе объединились и выкристаллизовались идеи и методы многих замечательных людей. Вобрав их в себя, он подвел итоги целой эпохи и открыл перед человечеством новые перспективы.
Советский и американский варианты молекулярных генераторов - настоящие близнецы. Генетически они тождественны. Но, развиваясь в различных условиях, приобрели некоторые внешние различия. Совсем как у людей. Так, цвет лица близнецов может быть смуглым и бледным в зависимости от климата, а фигура измениться в соответствии с кулинарными пристрастиями супруги.
Сердцем обоих приборов является объемный резонатор. В нем под влиянием его электромагнитного поля происходят акты вынужденного испускания молекул. Он осуществляет обратную связь, связь между молекулами, уже успевшими излучить, и теми, которым это только предстоит. Он обеспечивает высокую упорядоченность такого коллективного излучения. Упорядоченность, несвойственную ранее излучению молекул и атомов, но являвшуюся отличительной особенностью радиоволн. Итак, сердце в обоих приборах исполняет одинаковую функцию и действует в соответствии с едиными законами. Здесь сочетаются вынужденное испускание и обратная связь. Несколько различаются лишь размеры резонаторов, но это почти не сказывается на работе прибора.
И в Москве, и в Нью-Йорке рабочим веществом был аммиак - газ, ставший пробным камнем радиоспектроскопии. Его молекулы обладают самыми интенсивными спектральными линиями в диапазоне сантиметровых волн, наиболее удобном для проведения экспериментов. Свойства молекулы хорошо изучены и позволяют просто совершить важнейший шаг, без которого молекулярный генератор остался бы грудой металла. Речь идет о нарушении теплового равновесия, нарушении столь сильном, что в результате молекул, находящихся на более высоком энергетическом уровне, становится больше, чем оставшихся на нижнем уровне. Если это достигнуто, совокупность молекул, попав в поле резонатора, будет излучать радиоволны, усиливая поле. Если же равновесие нарушено недостаточно сильно или не нарушено совсем, то в совокупности молекул будут преобладать находящиеся внизу, что приведет к обычному поглощению энергии радиоволн.
Но продолжим сравнение наших близнецов. Все их существенные детали расположены внутри металлических кожухов. Конечно, форма кожухов различна, но назначение одинаково. Внутри должен быть обеспечен вакуум. Доступ воздуха недопустим. Вакуум обеспечивается специальными насосами. Насосы поступили с различных заводов, но и они близнецы. Они способны в должной мере откачать из прибора воздух, но не могут справиться с массой аммиака, которая, по расчетам, должна поступать в приборы во время их работы. И в Физическом институте, и в Колумбийском университете на помощь насосам призван жидкий азот. Он охлаждает специальные металлические поверхности до температуры 77 градусов по шкале Кельвина, и аммиак намерзает на них, постепенно образуя слой, похожий на иней. Его можно видеть через смотровые окна, имеющиеся в приборах. Аммиак поступает в приборы из баллонов. Сперва он попадает в цилиндрик, одна из стенок которого сделана из металлической фольги со множеством мельчайших отверстий. Через отверстия в вакуум вылетает пучок молекул аммиака. Молекулярный пучок. Здесь нет игры в слова. Молекулярный пучок, по терминологии физиков, - это пучок молекул, вылетающих в вакуум таким образом, что они летят почти параллельно друг другу и практически не сталкиваясь между собой. Таких условий можно добиться, подбирая размеры отверстий в фольге и давление газа перед нею в соответствии с правилами, определяемыми свойствами газов.
Важнейшей деталью молекулярного генератора является квадрупольный конденсатор - конденсатор, образованный четырьмя стерженьками специальной формы, присоединенными через один к положительному и отрицательному полюсам высоковольтного выпрямителя. Конденсатор установлен между источником молекулярного пучка и входным отверстием резонатора. Поле конденсатора действует на молекулы аммиака так, что те из них, которые находятся в нижних энергетических состояниях, отбрасываются в стороны, а находящиеся в высших энергетических состояниях направляются в резонатор. Таким образом, в резонатор попадает пучок молекул, подавляющее большинство которых обладает избытком внутренней энергии. Физики называют такой пучок инвертированным. Под действием поля резонатора молекулы пучка отдают полю избыток своей внутренней энергии. Так молекулы генерируют радиоволны.
Логика науки держала физиков в жестких рамках. Именно поэтому обе группы шли столь схожими путями, как если бы они постоянно обменивались мыслями, обсуждали свои планы, достижения и неудачи. Может ли быть более убедительный пример единства научного процесса!
Басов, Прохоров и Таунс много потрудились над исследованием и усовершенствованием молекулярного генератора. Но это был лишь первый шаг в новом направлении. Узенькая тропинка в неведомое быстро расширялась, переходя в широкую дорогу, от которой ответвлялось все больше новых путей. И по-прежнему перед первопроходцами возникали острые камни и пропасти, а за ними оставалась гладкая дорога. И если оглянуться далеко назад, видно, как там, вдали, она уже покрыта асфальтом и по ней мчатся машины, а вдоль тротуаров счастливые родители катят в колясках своих малышей.
Изберем же ту из дорог, которая приведет к лазеру.
Красная молния
В середине сентября 1959 года вблизи Нью-Йорка, в тихом местечке Хай Вью, собралась разноязычная компания ученых. Это были участники первой международной конференции по квантовой электронике. По сравнению с масштабами других международных конференций их было так мало, что организаторы смогли поместить в томе трудов конференции список всех ее участников. Здесь наряду с Басовым, Прохоровым и Таунсом можно найти имена многих знаменитых современных физиков.
Конференция как в зеркале отразила основные направления оптической науки. Большинство докладов и кулуарных бесед касались молекулярных генераторов, атомных часов, парамагнитных усилителей, их исследования и применений. Это было естественно. Но главным в ней было не это. Здесь прозвучали фанфары, возвещавшие вторжение радиофизиков в исконную вотчину оптиков.
После конференции многие лаборатории взялись за новую тематику. Радиофизики подходили к оптическим задачам со своих позиций. Результаты появились быстро.
В начале 1960 года в лондонском журнале "Природа" появилось коротенькое сообщение Т.Меймана о том, что он создал новый генератор световых волн. Принципиально новый.
В лабораторию к Мейману началось паломничество. Там стоял ничем с виду не примечательный прибор. Но посетители не сводили глаз с маленького ящика, на верхней крышке которого лежал металлический цилиндр размером с литровую консервную банку. В середине его торца виднелось небольшое отверстие.
После кратких пояснений Мейман нажимал кнопку, вмонтированную в корпус прибора. В середине листа, прикрепленного к стене лаборатории, на мгновение ослепительно вспыхивало небольшое ярко-красное пятно.
Но те, кто смотрел не на стену, а на прибор, видели, как из отверстия в его торце вылетал луч толщиной не больше карандаша. Почти не расширяясь, этот луч упирался в стену, оканчиваясь ослепительным круглым пятнышком. В комнате было совсем светло, но красный луч выглядел примерно так же, как луч солнца, проходящий в затемненную комнату через отверстие шторы.
После нескольких вспышек металлический цилиндр обычно открывали. Но в нем не было ничего необычного. Разве лишь два тривиальных предмета. Спиральная лампа-вспышка, похожая на те, которыми пользуются фотографы, и бледно-розовый прозрачный кристалл размером с обычную сигарету. Концы его блестели как зеркало. Они действительно были покрыты зеркальным слоем серебра.
Мейман рассказывал коллегам, что розовый стерженек сделан из искусственного рубина. Такой же рубин, но еще более светлый, применяется в мазерах для усиления радиоволн.
В поглощении света участвует не весь материал, образующий кристалл, а только ионы хрома, которых здесь лишь доли процента. Но именно они играют главную роль в работе прибора. Свойства рубина подробно изучены при разработке мазеров. Облучая его радиоволной, можно заставить ионы хрома усиливать радиоволны.
Мейман первый догадался, что, облучая рубин светом лампы-вспышки, можно заставить его усиливать свет. Опыт работы с мазерами и статьи Таунса (а может быть, он читал и статьи Прохорова и Басова) говорили о том, что, применив обратную связь, можно превратить усилитель в генератор, в генератор света, действующий совершенно так же, как обычный радиопередатчик. Какой резонатор можно применить при работе со светом, тоже было известно - пару параллельных зеркал. Проще всего отполировать торцы рубинового стержня и прямо на них нанести зеркальный слой серебра.
Новый прибор оказался настолько похожим на мазер, что Мейман и в названии заменил лишь одну букву, превратив мазер в лазер. Он сказал: "Это потому, что принцип действия обоих приборов одинаков. Различаются только диапазоны длин волн, в которых они работают. Буква "л" - сокращение слова "лайт" (свет). Остальные буквы означают "усиление при помощи вынужденного испускания".
В приборе Меймана источниками света, как и в мазере, были миллиарды миллиардов электронов, входящих в состав ионов хрома, рассеянных в толще рубинового стержня. И все эти электроны испускали свет не независимо, не хаотически, не самопроизвольно. Они испускали его более согласованно, чем звучат скрипки в хорошем оркестре.
Такое совпадение основных характеристик световых волн оптики называют когерентностью. Почти все умопомрачительные достижения лазеров так или иначе связаны с когерентностью. С тем, что вынужденное излучение отдельных частиц в результате обратной связи оказывается жестко связанным и вся масса активного вещества генерирует как одно целое.
До появления прибора Меймана оптики почти всегда имели дело с некогерентным светом. Прибор Меймана впервые показал, что и в оптике слаженный коллектив приобретает качества и возможности, недоступные хаотическому сборищу индивидуальностей.
Физики уже имели дело с вынужденным испусканием электромагнитных волн в сантиметровом диапазоне радиоволн. Там оно привело к недостижимой ранее стабильности генераторов, к предельной чувствительности приемников.
Теперь им было ясно, что вынужденное испускание в оптике дает гораздо больше, чем простое усиление света, о котором писал Фабрикант в своей диссертации. Вынужденное испускание в оптике открывает путь для небывалой концентрации энергии, для передачи энергии на огромные расстояния с очень малыми потерями, для создания новых систем связи... Впрочем, могли открыться возможности, о которых никто еще и не мечтал.