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.

---

— Клю-чи-от-квар-ти-ры-у-На-за-ро-вых! Клю-чи-от-квар-ти-ры-у-На-за-ро-вых…

Мужчина понял и радостно закивал головой.

Я вспомнил этот случай в связи с рассказом о квантовых усилителях. Чем-то эпизод в архангельском порту напоминает замену хаотического светового переноса энергии упорядоченным радиоволновым переносом. Любопытны две ступени этого перехода: шум толпы выключается, затем толпа включается вновь, но уже единым хором. Мощность одиночного сигнала резко возрастает, а действие помех исчезает. Чем не намек на теоретическую возможность перейти от светового, неупорядоченного способа передачи на расстояние электромагнитной лучевой энергии к упорядоченному радиоволновому способу!

Вернемся на минуту снова к роману А. Н. Толстого. Можно ли серьезно видеть в фантастическом изобретении инженера Гарина пророческую мысль? Нет, нельзя, конечно. Если перевести на физический язык идею, лежащую в основе произведения Толстого, то это идея концентрации беспорядочной тепловой энергии раскаленных атомов; она бесперспективна. А та идея, которая заложена в современных квантовых генераторах и усилителях, основана совсем на другом физическом явлении: на резонансе, на индуцированном — не тепловом — излучении.

Она не имеет ничего общего с идеей «гиперболоида инженера Гарина».

Как же физикам удалось в конце концов решить полувековую задачу — построить генератор «бесшумного» света? Каким воздействием на атомы они заставили их испускать световые кванты, одинаковые по частоте и, как мы сейчас увидим, по направлению (что очень важно для концентрации и передачи больших количеств энергии)?

Проблемой № 1 на этом пути была проблема создания такой материальной среды — твердой, жидкой или газообразной, в которой возбужденные атомы количественно преобладали бы над невозбужденными. Почему? Да потому, что только возбужденные атомы способны излучать энергию. Невозбужденные же атомы, которые способны лишь поглощать энергию, являются, по меткому выражению советского физика Н. Г. Басова, «нахлебниками».

От них надо избавиться, но как? Дело это совсем нелегкое. Ведь каждое вещество состоит из возбужденных и невозбужденных атомов, и хотя число первых возрастает с нагреванием, но сколько бы мы ни поднимали температуру вещества, количество «нахлебников» всегда будет больше количества «рабочих», возбужденных атомов. Поэтому в обычных условиях все тела поглощают кванты, падающие на них извне. Если же тело не облучается, то накопленные им кванты под влиянием спонтанного излучения «высвечиваются» наружу и переходят в тепло.

Надо было как-то перехитрить природу: создать искусственно такую «активную среду», чтобы большинство ее атомов или молекул могло быть возбуждено.

Одно из первых предложений в этом направлении предусматривало создание активной среды в газах. «Почему бы, — задали себе вопрос физики, — не рассортировать газовые молекулы на две группы так, чтобы возбужденные молекулы собрались в узкий пучок, а невозбужденные отклонились бы в сторону?»

Потом появились предложения и в отношении твердой среды. Постепенно проблема № 1, при всей ее сложности, получила свое решение, причем не только принципиальное, но и чисто практическое.

Становилась на очередь проблема № 2: как использовать активную среду, как ее заставить с максимальной быстротой начать излучение? Речь шла о фантастической возможности «размножать» кванты.

Вот тут-то и была извлечена на свет полузабытая, высказанная мимоходом при исследовании другого явления идея Эйнштейна о существовании индуцированного излучения.

Уже в 1951 году три советских физика — В. А. Фабрикант, М. М. Вудынский и Ф. А. Бутаева — изложили в авторской заявке краткую теорию усиления света и радиоволн путем создания активной среды и получения индуцированного излучения. Условия, необходимые для прямого наблюдения такого излучения, Фабрикант сформулировал еще раньше, в 1940–1941 годах, в бытность свою учеником С. И. Вавилова. Но начавшаяся война прервала исследования и задержала создание квантового генератора. Это предложение прошло мимо внимания ученых.

В 1952 году одновременно в СССР (Н. Г. Басов и А. М. Прохоров) и в Америке (Ч. Таунс, Дж. Гордон, X. Цайгер и отдельно от них Дж. Вебер из Мерилендского университета) был предложен принцип генерации и усиления электромагнитного излучения в квантовых системах — принцип, основанный на создании активной среды и использовании индуцированного излучения.

В 1957–1958 годах советские ученые Н. Г. Басов, Б. М. Вул, Ю. М. Попов и их американские коллеги Ч. Таунс и А. Шавлов независимо друг от друга разработали принципы конструирования квантовых генераторов и усилителей в диапазоне видимого света.

В 1959 году профессора (ныне действительные члены АН СССР) Николай Геннадиевич Басов и Александр Михайлович Прохоров были удостоены Ленинской премии за разработку нового принципа генерации и усиления радиоволн (создание молекулярных генераторов и усилителей). А в 1964 году за эту же работу им была вручена высшая награда Западного мира — Нобелевская премия. Вместе с ними был награжден и американец Ч. Таунс.

С 1955 года развитие радиофизики пошло семимильными шагами, и квантовые приборы начали ставить рекорды во многих областях науки и техники. Например, был предложен метод, по которому можно построить часы небывалой точности: за десятки тысяч лет непрерывного хода они будут отставать или спешить менее чем на секунду.

Количество конструкций квантовых генераторов все множится, но принцип их работы в основном не изменяется. Описать его можно на примере рубинового генератора, построенного американским физиком Т. Майманом.

Искусственный рубин, который применяется в этом генераторе, представляет собой окись алюминия (корунд). Сам по себе корунд прозрачен. Столь характерный для рубина красный цвет обусловливается атомами хрома, которые в небольшом количестве замещают атомы алюминия и сильно поглощают зеленый свет. Торцы стерженька из рубина строго параллельны. Они очень тщательно отполированы и посеребрены так, что образуют зеркальца, обращенные друг к другу. Одно зеркальное покрытие полупрозрачно. Источниками индуцированного излучения в этом приборе являются атомы хрома, возбуждаемые мощной вспышкой газоразрядной импульсной лампы, дающей широкополосный, так называемый подкачивающий, свет.

Процесс создания при помощи рубина остронаправленного и мощного потока квантов напоминает цепную реакцию образования нейтронов в урановых котлах. Под влиянием поглощенного зеленого света, обладающего большей энергией, чем красный, все большее количество атомов хрома приходит в возбужденное состояние. До некоторого момента рубиновый кристалл будет при этом испускать лишь красное флюоресцентное свечение в сравнительно широком интервале спектра, причем свечение распространится равномерно во все стороны. Кванты, отражающиеся от одной зеркальной стенки к другой, все время увеличиваются в числе: многократно отражаясь, каждый квант столь же многократно проходит сквозь рой возбужденных атомов и вызывает цепную реакцию индуцированного излучения новых таких же квантов.

При этом луч все время сужается, становясь все более мощным. Пучок лучей, распространяющийся между зеркалами вдоль оси кристалла, постепенно подавляет лучи, распространяющиеся в других направлениях. Плотность энергии в нем повышается, потому что происходят обе концентрации, о которых мы говорили: концентрация по направлению в пространстве и концентрация по частоте колебаний.

Когда эта общая концентрация достигает некоторой критической степени и кристалл начинает генерировать свет, как радиостанция — радиоволну, ослепительная рубиновая молния прокалывает пространство.

Любое вновь открытое физическое явление немедленно вызывает у исследователя вопрос: «Какой в нем прок для человека?»

Какой же прок науке, производству от квантовых генераторов?

Вот, например, часы фантастической точности, которые могут быть созданы с их помощью. Зачем они? Оказывается, они уже сегодня нужны для вождения самолетов и кораблей, для точного измерения больших расстояний. Завтра они понадобятся в межпланетной космонавтике, так как без них невозможно обеспечить точное попадание космических кораблей на другие планеты. Они найдут применение также в науке, в том числе для проверки некоторых утверждений теории относительности.

Фокусировка когерентного излучения в малых объектах позволяет создать высокие концентрации энергии. Новые источники света в миллионы раз превосходят яркость Солнца. Энергия этих источников может быть преобразована в другие виды энергии.

Мы уже говорили о давлении света. Оно обычно невероятно мало и может быть обнаружено лишь очень тонкими лабораторными приборами. А вот рубиновая молния, вырывающаяся из посеребренного торца квантового генератора, способна создать буквально фантастическое давление — порядка миллиона атмосфер.