Ирина Радунская - Безумные идеи
Выход из тупика был найден в результате объединения методов радиотехники, квантовой механики и оптики. На стыке этих наук возникла квантовая радиофизика, позволившая создать принципиально новые источники света и радиоволн.
Оказалось, что необходимые мощные пучки электромагнитных волн могут дать людям не прожекторы, не уже известные генераторы волн и даже не ослепительное Солнце, а... атомы и молекулы!
И на Солнце, и в прожекторе, и в электрической лампочке свет излучается в виде независимых друг от друга волн из отдельных атомов и от отдельных электронов, совершающих хаотические движения из-за сильного нагрева. Эти независимые волны невозможно объединить в узкий мощный пучок. Для создания такого пучка нужно заставить атомы излучать световые волны не беспорядочно, а согласованно.
На возможность такого согласованного излучения из многих атомов указал еще Эйнштейн, и оно действительно наблюдалось астрономами в некоторых небесных телах.
Готовя свою докторскую диссертацию, Валентин Александрович Фабрикант обосновал пути искусственного получения такого дружного излучения атомов и молекул. И хоть война помешала ему провести соответствующие опыты, его теория заложила одну из важнейших частей в фундаменте новой науки – квантовой радиофизики.
Лишь после того, как страна залечила раны, нанесенные войной, Фабрикант вернулся к своему открытию и вместе с сотрудниками сформулировал его в столь четкой форме, что им было выдано авторское свидетельство на это изобретение.
Идеи носятся в воздухе
Это было в 1951 году, с тех пор прошло 16 лет, и теперь трудно установить, почему Фабрикант ограничился заявкой на изобретение и не выступил с сообщением о своем открытии перед товарищами-учеными.
Но недаром говорят, что идеи носятся в воздухе. Уже в 1952 году, ничего не зная о работах Фабриканта, молодые советские физики Н.Г. Басов и А.М. Прохоров доложили на научной конференции о своих работах, в которых обосновывалась возможность создания прибора, названного ими молекулярным генератором и усилителем радиоволн. А вскоре их молекулярный генератор заработал.
Как теперь уже широко известно, это замечательный прибор. Он излучает такие постоянные радиоволны, которых не давал еще ни один генератор, созданный руками человека.
Молодые ученые решили, что атомы и молекулы можно заставить «вращать» стрелку часов, и преобразовали излучение молекулярного генератора в импульсы, следующие друг за другом с необыкновенной точностью. Эти импульсы они заставили управлять ходом обыкновенных электрических часов. Так были созданы уникальные часы, ход которых практически не нуждается в регулировке и сверке с астрономическими наблюдениями. Такие часы проработав без остановки несколько сот лет, не ошибутся и на секунду.
Осенью яблоки поспевают во всех садах. Как потом выяснилось, в далекой Америке, ничего не зная не только о работах советских коллег, но и друг о друге, над той же проблемой бились еще две группы ученых. В Колумбийском университете этими работами руководил молодой профессор Ч. Таунс, а в Мэрилендском университете – Дж. Вебер.
Таунс с сотрудниками первый опубликовал краткую заметку о построенном ими молекулярном генераторе радиоволн, который может работать и как усилитель. Они дали своему детищу имя «мазер», образованное первыми буквами английских слов «усиление микроволн посредством индуцированного излучения». Это краткое и звучное слово, напоминающее о новом принципе, постепенно вошло в лексикон ученых.
Можно не сомневаться в том, что и Вебера в Мэриленде и Фабриканта и Басова с Прохоровым в Москве взволновала первая публикация Таунса о рождении нового прибора. Но такова судьба ученых – все стремятся к цели, но кто-нибудь должен оказаться первым.
Фабрикант предложил общий принцип. В Физическом институте в Москве и в Колумбийском университете в Нью-Йорке ученые, не знавшие об этой идее, не только самостоятельно пришли к ней, но и построили приборы, похожие друг на друга, как два близнеца.
В 1954 году Басов и Прохоров описали другой способ реализации этого принципа. Они нашли, что систему атомов или молекул можно заставить усиливать или генерировать радиоволны, если облучать эти атомы и молекулы более короткими радиоволнами или освещать их ярким светом с подходящей длиной волны. Вскоре американский ученый Бломберген разработал этот способ специально для усиления радиоволн при помощи особых кристаллов, погруженных в жидкий гелий.
Затем эстафета вернулась в Москву, где Фабрикант предложил еще один способ, позволяющий на основе открытого им явления построить газовую ячейку, усиливающую уже не радиоволны, а видимый и инфракрасный свет.
Еще два пути усиления и генерации света и инфракрасных волн нашла в Физическом институте группа ученых под руководством Басова. И наконец, в Америке были созданы первые модели генераторов света и инфракрасных волн. В них работали кристаллы рубина, подробно исследованного ранее Прохоровым. А вскоре заработали и квантовые генераторы на смеси газов неона и гелия, возбуждаемых электрическим разрядом, и генераторы на искусственных кристаллах менее известного минерала флюорита, ранее изученного в Ленинграде Феофиловым, и даже на специальных стеклах и полупроводниках.
Итак, исследовав излучение паров различных металлов, газов, драгоценных кристаллов рубинов и изумрудов, даже стекол и жидкостей, испробовав молекулы и атомы всевозможных веществ, ученые отыскали среди них такие, которые можно заставить излучать волны еще более короткие, чем радиоволны, – излучать свет. Излучать не хаотически, как электрическая лампочка или прожектор, а упорядоченно, как лучший радиопередатчик.
Мирные лучи
Так родились удивительные, невиданные источники света, которым физики дали созвучное с мазерами имя «лазер». Приборы эти испускают мощные пучки света.
– Чтобы получить от нити лампы накаливания луч света такой же яркости, как луч квантового генератора, ее потребовалось бы нагреть до температуры 10 миллиардов градусов, – говорит Басов. Иными словами, надо было бы иметь источник света в миллион раз более горячий, чем Солнце.
Эти приборы не похожи на громоздкие прожекторы и маяки.
Они умещаются на ладони. Так, сердцем первого генератора света являлся цилиндрик искусственного рубина длиной в несколько сантиметров и диаметром в пять миллиметров.
И эти мощные источники света не раскалены до чудовищной температуры, как Солнце. Они совершенно холодные и поэтому особенно удобные. И дают они такой узкий световой луч, что не будет преувеличением говорить о световой игле.
Расходимость пучков световых волн в таких приборах при правильном выполнении определяется в конечном счете только их размерами. Но в отличие от обычных приборов, в которых для уменьшения пучка нужно уменьшать размеры источника (уменьшая одновременно достижимую мощность), в новых устройствах расходимость тем меньше, чем больше сечение источника, что позволяет одновременно увеличивать и направленность и мощность светового потока.
Первые модели источников света, основанные на новых принципах, подтвердили ожидания ученых. Источник, использующий кристаллы рубина или флюорита, дает пучок света в виде конуса с углом около одной десятой градуса. Но световая игла может быть еще острее. Ведь расхождение пучка света в этих приборах обусловлено неоднородностями применяющихся кристаллов и еще примерно в сто раз превосходит теоретический предел. Этот предел практически достигнут в источниках, в которых в качестве рабочего вещества применена смесь подходящих газов.
Если при помощи простой оптической системы направить свет такого источника в сторону Луны, то он осветит на ее поверхности пятно диаметром всего в 3 километра. Естественно, напрашивается мысль о локации Луны таким способом. Ведь тогда можно будет рассматривать все мельчайшие подробности ее рельефа!
Средняя мощность пучка света, даваемая существующими моделями, еще мала. Она не превосходит мощности большой электрической лампы. Но в то время как электрическая лампа излучает свет во все стороны, эти источники излучают его в виде почти не расходящегося луча, так что излучаемая энергия может быть сконцентрирована на небольшой поверхности.
Увеличение мощности новых источников – чисто техническая проблема. Она не требует привлечение новых принципов. Можно поступить даже совсем просто – объединить несколько пучков света от нескольких маломощных источников. Это позволяет считать реальным создание системы, способной с поверхности Земли поддерживать искусственные спутники на их орбитах. Но это далеко не исчерпывает возможности новых приборов.
