Драконоборцы. 100 научных сказок - Николай Николаевич Горькавый
В 1923 году семья Прохоровых вернулась в Россию. Началась нелёгкая пора привыкания после тропической Австралии к новому суровому климату и непростым условиям жизни в послереволюционной России.
Александр закончил Ленинградский университет в 1939 году. Чарльз опередил его: в тот год он уже защитил диссертацию в Калифорнийском технологическом. Дальнейшая их судьба была драматически различной. Началась война с фашистской Германией, и в октябре 1941 года Александр Прохоров, сильный, высокий парень – рост метр девяносто – ушёл на фронт и стал разведчиком. Он получил два тяжёлых ранения и довоевал до февраля 1944 года, когда война покатилась к победному концу. Прохорова комиссовали по инвалидности, и он вернулся в аспирантуру московского Физического института, где учился до войны. Он оказался одним из немногих, кто ушёл на фронт в 1941-м и сумел вернуться живым в 1944-м. Его отец умер в декабре 1941 года от голода в блокадном Ленинграде, а мать скончалась в марте 1944-го в эвакуации в Казахстане.
Диссертацию Александр Прохоров защитил только в 1946 году, отстав от Таунса на семь лет. Его диссертация была написана от руки.
Чарльз Таунс не сидел в окопах под обстрелом и не ползал в тылу врага с гранатой в руке. Все военные годы он благополучно проработал в лаборатории «Белл телефон», где разрабатывал радарные системы для бомбометания. В 1950 году он стал профессором Колумбийского университета.
Прохоров отличался исключительной трудоспособностью и талантом – и вскоре догнал профессора Таунса по достижениям. Главным результатом, к которому Таунс и Прохоров пришли практически одновременно, стало создание лазеров – оптических квантовых генераторов, ставших впоследствии знаменитыми и общераспространёнными. Докладчики используют лазеры как указку, снайперы – в качестве прицела; лазеры режут металл, записывают компьютерную информацию, подсвечивают дискотеки и обещают помощь в межзвёздных путешествиях.
История лазеров началась с Альберта Эйнштейна. Главными его достижениями считаются создание специальной теории относительности в 1905 году и общей теории относительности в 1916-м. Но в 1905 году Эйнштейн стал ещё и одним из основателей современной квантовой теории. При этом Эйнштейна многие считают консерватором, который не принимал квантовую теорию.
– Как же так? – удивилась Галатея.
– Как всегда, реальность оказывается сложнее общепринятого мнения. Макс Планк в 1900 году предположил, что нагретое «чёрное тело» излучает свет порциями – квантами. Но он не думал, что луч света, летящий в пространстве, тоже обладает этими квантовыми свойствами. Этот шаг сделал именно Эйнштейн – и как раз в 1905 году. Он написал в статье, отправленной в печать 17 марта 1905 года: «Я и в самом деле думаю, что опыты, касающиеся излучения чёрного тела, фотолюминесценции, возникновения катодных лучей при освещении ультрафиолетовыми лучами и других групп явлений, связанных с возникновением и превращением света, лучше объясняются предположением, что энергия света распределяется по пространству дискретно. Согласно этому сделанному здесь предположению, энергия пучка света, вышедшего из некоторой точки, не распределяется непрерывно во всё возрастающем объёме, а складывается из конечного числа локализованных в пространстве неделимых квантов энергии, поглощаемых или возникающих только целиком».
– А нельзя ли как-нибудь пояснить понятнее? – жалобно спросила Галатея.
– Конечно, – улыбнулась Дзинтара. – Представьте, что вы выливаете на ровный пол ведро воды. Она быстро растекается – и чем дальше от точки выливания, тем тоньше становится слой воды. Если же вы высыпете мешок гороха, то горошины тоже разбегутся в разные стороны, но совсем по-другому: каждая горошина будет двигаться неизменной, увеличатся лишь расстояния между горошинами. Вот так же различается взгляд на свет свечи волновой и квантовой теории: согласно первой, свет распространяется во все стороны равномерно и слабеет, а согласно квантовой теории света, которую предложил Эйнштейн, свет похож на поток отдельных горошин, которые ничуть не меняются при длительном путешествии. Это настолько противоречило тогдашним представлениям, что даже Планк настороженно отнёсся к эйнштейновским световым квантам.
– А чем полезна эта эйнштейновская теория световых горошин? – спросил Андрей.
– На основании этой теории Эйнштейн в статье 1905 года объяснил появление катодных лучей – то есть потоков электронов – при облучении некоторых материалов ультрафиолетом. Именно за объяснение этого явления, названного «фотоэффектом», Эйнштейн и получил спустя семнадцать лет Нобелевскую премию по физике.
– 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
