Владимир Келлер - Возвращение чародея

• Название: Возвращение чародея
• Автор: Владимир Келлер
• Издательство: Детская литература
• Жанр: Физика
• Год: 1970

Эта книга — увлекательный рассказ о научном познании окружающего мира. Она знакомит школьников 8–10-х классов с широким кругом вопросов классической и современной физики. Много интересного узнают ребята о законах механического движения, об энергии и ее источниках, о различных состояниях вещества, о законах движения в микромире и не решенных еще научных проблемах.

---

В оптических генераторах длины используемых электромагнитных волн сократились с сантиметров до десятитысячных долей миллиметра, и «радиосигнал», предназначенный для усиления, засветился: он перешел из радиодиапазона в область видимого света.

Со времен Максвелла любой старшеклассник знает, что знаменитая череда различных излучений — сейчас сюда относятся гамма-излучение, рентгеновское, ультрафиолетовое, световое, инфракрасное и радио — различается лишь частотами колебаний, или длинами волн. Природа же их одинакова — это электромагнитные волны. Казалось бы, чего проще, изменяя конструкцию радиопередатчиков, постепенно уменьшать длины волн и привести их в область видимых радиосигналов? Однако ничего не получалось. Добрых полстолетия никакими ухищрениями никому не удавалось создать радиостанцию, работающую на волнах порядка 430–700 миллимикронов — в диапазоне, доступном человеческому глазу. Самая короткая волна, полученная при помощи электромагнитного генератора, была чуть меньше миллиметра, то есть миллиона миллимикронов.

А между тем природа щедро обеспечила ученых сверхкоротковолновыми радиогенераторами. Таковы атомы, точнее, атомы светящихся веществ. По размерам и по мощности они миниатюрны. Зато в смысле простоты конструкции это идеальные радиостанции: число деталей в них сведено до недостижимого в технике минимума — единицы, в крайнем случае, десятки.

Чтобы понять, как посылает свои электромагнитные импульсы такое миниатюрное устройство, надо вспомнить картину энергообмена в атоме, нарисованную еще в начале века Максом Планком и Нильсом Бором. Чем-то эта картина напоминает, образно говоря, стрельбу из пистолета.

Чтобы атом отдал энергию — «выстрелил», его надо вначале «зарядить»: ввести в него энергию со стороны. Если пистолет стреляет только целыми и обладающими одинаковой энергией пулями, то примерно так же «стреляет» и атом. Атом испускает и поглощает электромагнитную энергию не непрерывно, а скачкообразно, очень маленькими порциями, — квантами, или фотонами. Каждая из этих порций совершенно точно отмерена и соответствует определенной частоте колебаний, или длине волны.

Процесс энергообмена в атоме протекает так. Начнем с момента, когда атом «не заряжен», пребывает, как говорят физики, в невозбужденном, основном состоянии. Такой атом не может испускать энергию — он может ее лишь поглощать. Положим, что это и произошло: в атом попал извне квант вполне определенной величины (как правило, атом поглощает лишь один квант, причем соответствующий строго определенной частоте колебаний). Поглотив этот квант, атом в тот же миг скачкообразно переходит в возбужденное состояние. «Пистолет» заряжен. Как же происходит «выстрел»? Оказывается, есть два способа отдачи энергии возбужденным атомом, сопровождающихся переходом его в основное (или в некоторое промежуточное) состояние: спонтанно, то есть самопроизвольно, без вмешательства извне, и вынужденно, под влиянием облучения. В обоих случаях из атома вылетает запасенный им ранее, при возбуждении, квант энергии, но второй способ, как показал еще открывший его Альберт Эйнштейн, эффективнее.

Замечательно, что квант, испущенный атомом в результате вынужденного излучения, ничем не отличается от тех квантов, которые вызвали его излучение. Существенно — позже мы узнаем почему, — что эти кванты совершенно одинаковы: имеют одинаковую частоту, поляризацию и направление распространения. Излученный таким образом квант органически входит в вызвавший его излучение поток и усиливает его.

Второй способ часто называют индуцированным излучением. Открыт он был давно — в 1917 году, однако долго оставался предметом чистой теории. Никому не приходило в голову, что от него может быть какой-нибудь прок. Неожиданно явление индуцированного излучения оказалось дверью в новую область прикладной физики: оно легло в основу действия квантовых генераторов.

Однако об этом мы поговорим несколько позднее. Сперва надо разобраться, почему обычные светящиеся тела до последних лет не удавалось использовать как генераторы световых радиоволн.

Прежде всего надо ясно представить себе, чем электромагнитные волны, излучаемые радиостанцией, отличаются от электромагнитных волн, испускаемых электрической лампой накаливания.

Конечно, это различие связано с длиной волны, но посмотрим внимательнее, в чем оно заключается.

Чтобы лучше разобраться в (честно скажем) не совсем простом вопросе, обратимся к выручалочкам-аналогиям.

Радиостанция излучает чрезвычайно упорядоченные волны, которые можно сравнить с морской зыбью — одна волна в точности похожа на все остальные. Электрическая же лампочка излучает одновременно всевозможные световые волны: здесь нет упорядоченности, здесь хаос. Прежде всего эта хаотичность излучения электрической лампочки связана с тем, что белый свет — это беспорядочная смесь всех цветов радуги, которым соответствуют световые волны разнообразных длин. Их можно уподобить морю в центре циклона, где все бурлит и где в вихре брызг невозможно различить отдельные волны.

Но есть и другая, очень важная сторона этой хаотичности: отдельные волны в излучении электрической лампочки, как говорят физики, некогерентны между собой — между ними нет согласованности; это различие между некогерентным и когерентным (согласованным) излучениями похоже на разницу между шумом толпы и пением хора.

Энергия, излучаемая лампой, распределена между всеми длинами волн. Если же мы захотим получить от нее одноцветный свет, например отфильтровав его цветным стеклом, то яркость света окажется очень малой — большая часть энергии затратится на нагревание фильтра.

Рассмотрим еще один пример: величайший естественный светильник нашей части мира — Солнце. Клокочущий «котел» космической энергии отдает с одного квадратного сантиметра своей поверхности около 10 киловатт излучения. Конечно, это немало. Это очень высокая плотность излучения. Но не следует забывать, что речь идет о хаотическом (неупорядоченном), разноволновом излучении. В отличие от радиостанции, отдающей всю энергию на одной частоте, главная фабрика тепла нашей части мира работает на множестве частот.

Чтобы не обременять читателя расчетом, заметим, что если бы можно было выделить полоску шириной 1 мегагерц в области зеленого света, где Солнце излучает максимальную энергию, то обнаружилось бы, что каждый квадратный сантиметр его поверхности производит мощности всего-навсего… одну стотысячную ватта.

Насколько это мало, показывает сравнение солнечной поверхности с искусственными передатчиками, работающими в телевизионном диапазоне спектра радиоволн. Такие передатчики легко вырабатывают 10 тысяч ватт в полосе гораздо более узкой, чем 1 мегагерц. Как источники «одноцветных» радиоволн они мощнее Солнца в миллиарды раз.

Белый свет, излучаемый любым тепловым источником, можно сравнить с шумом. В акустике даже существует термин «белый шум», обозначающий шум, в котором беспорядочно смешаны всевозможные звуки.

Принципиальная разница между световыми неупорядоченными волками и радиоволнами проявляется при попытках сконцентрировать в возможно меньшую область пространства возможно бóльшую электромагнитную энергию.

Лампа накаливания излучает свет во все стороны, и никакая оптическая система не может собрать его в одну точку. В лучшем случае в фокусе линзы получится небольшое изображение накаленной нити. Даже самые совершенные прожекторы дают заметно расходящийся луч, так как источником в них является накаленная нить или электрическая дуга, которая не может быть сделана очень малой.

Упорядоченные электромагнитные волны, излучаемые радиостанцией, легко поддаются управлению. Они могут быть сфокусированы в пучки, расходимость которых определяется лишь размерами применяемых антенн. Чем больше антенна, тем ýже пучок.

Концентрируясь двояко — по направлению в пространстве и по заданной частоте, — радиоволны могут дать такие высокие плотности электромагнитной энергии на одной волне, какие не бывают даже в недрах звезд.

Вот почему ученые так упорно искали новые возможности энергетики именно в радиодиапазоне.

Мне вспоминается один забавный эпизод в архангельском порту. Катерок отвозил нас с берега на пароход, стоявший довольно далеко в море. Один из пассажиров махал рукой провожавшей его женщине, и оба молча улыбались: говорить прощальные слова было явно бесполезно — их заглушил бы шум. Вдруг — это поняли все по изменившемуся виду женщины — она о чем-то вспомнила. Она закричала, замахала рукой, пытаясь что-то объяснить. Увы, мы были слишком далеко, и наш катерок, рокоча мотором, продолжал увеличивать расстояние. И тут случилось нечто, всех нас развеселившее. Неожиданно на берегу наступила тишина. Люди (в основном молодежь, народ сознательный), видимо, догадались, что дело важное, и замолчали. Потом раздалось мощное скандирование хора: