Проклятые вопросы - Ирина Радунская

Атомы, комбинируясь в различных сочетаниях, образуют всё многообразие мира. Даже если атомы однотипны, они могут группироваться по-разному. Так, углерод может предстать невзрачным коксом, блестящим чёрным графитом и ослепительным алмазом. Всё 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 подвёл 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.

Сердцем обоих приборов является объёмный резонатор. Под влиянием его электромагнитного поля происходят акты вынужденного испускания фотонов молекулами. Он реализует обратную связь, связь между молекулами, уже успевшими излучить квант энергии, и теми, которым это только предстоит. Он обеспечивает высокую упорядоченность такого коллективного излучения. Упорядоченность, несвойственную ранее излучению молекул и атомов, но являющуюся отличительной особенностью радиоволн. Итак, сердце в обоих приборах исполняет одинаковую функцию и действует в соответствии с едиными законами. Здесь сочетаются вынужденное испускание волн 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 идёт 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 энергетически слабые молекулы, что приведёт к обычному поглощению энергии радиоволн.

Но продолжим сравнение 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 расчётам, 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°К 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, по терминологии физиков, — это пучок молекул, вылетающих в вакуум таким образом, что они летят почти параллельно друг другу, 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, присоединёнными 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 жёстких рамках. Именно поэтому обе группы шли столь схожими путями, как если бы они постоянно обменивались мыслями, обсуждали 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 всё 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.

Изберём же ту из дорог, которая приведёт к лазеру.

В середине сентября 1959 года вблизи Нью-Йорка, в тихом местечке Хай Вью, собралась разноязычная компания учёных. Это были участники первой международной конференции по квантовой электронике. По сравнению с масштабами других международных конференций, учёных было так мало, что организаторы смогли поместить в томе трудов конференции список всех её 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. Речь шла об их исследованиях и применениях. Это было естественно. Но главным в конференции было не это. Здесь прозвучали фанфары, возвещавшие вторжение радиофизиков в исконную вотчину оптиков. Ещё в 1958 году Таунс вместе с А. Шавловым указали этот путь. В свою очередь Прохоров напомнил, что оптический эталон, носящий имена Ш. Фабри и А. Перо, является по существу резонатором для оптических волн.

Басов и Прохоров предложили добиваться инверсии состояний — превосходства высших состояний (по энергии) над низшими путём накачки. Так они назвали воздействие электромагнитных волн на частицы вещества.

После конференции многие лаборатории взялись за новую тематику. Радиофизики подходили к оптическим задачам со своих позиций. Результаты появились быстро.

В начале I960 года в лондонском журнале «Природа» было напечатано коротенькое сообщение американца Т. Меймана о том, что он создал принципиально новый генератор световых волн.

В лабораторию к Мейману началось паломничество. Там стоял небольшой, ничем с виду не примечательный прибор. Но посетители не сводили глаз с 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, прикреплённого 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, 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 затемнённую комнату через отверстия шторы.

После нескольких вспышек металлический цилиндр обычно открывали. Но в нём не было ничего необычного. Разве лишь два тривиальных предмета. Спиральная лампа вспышка, похожая на те, которыми пользуются фотографы, и бледно-розовый прозрачный стерженёк длиной и диаметром с обычную сигарету. Концы его блестели как зеркало. Они действительно были покрыты зеркальным слоем серебра и образовывали оптический резонатор.

Мейман рассказывал коллегам, что стерженёк сделан из искусственного рубина. Такой же рубин, но ещё более светлый, применяется в мазерах для усиления радиоволн. Лампа-вспышка осуществляет оптическую накачку кристалла.