Текст книги "Крушение парадоксов"

Автор книги: Ирина Радунская

сообщить о нарушении

Текущая страница: 14 (всего у книги 14 страниц)

Естественно, возникает вопрос – почему не использовать в таких линиях сантиметровые радиоволны? Ответ прост. Для радиоволн нужно применять волноводы – металлические трубы с тщательно обработанными внутренними поверхностями. Работы в этом направлении ведутся, но трудности очень велики. В случае оптических линий металлические трубы просто не нужны. Их могут заменить дешевые цементные или даже гончарные трубы, задача которых лишь защитить лучи света от поглощения в парах воды и от рассеяния частицами пыли, тумана, дождя и снега. Световые волны передаются в таких линиях от зеркала к зеркалу, от линзы к линзе. Трубы не участвуют в процессе передачи. Ведь «открытые стенки» оптической линии передачи не позволяют световым волнам коснуться стенки трубы.

Наибольшие трудности при практическом построении оптических линий связи возникают с необходимостью обеспечения больших точностей. Ведь, говоря языком геометрической оптики, лучи света должны быть очень точно направлены от одного элемента линии к другому, от зеркала к зеркалу, от линзы к линзе. Особенно сложна не первоначальная настройка линии. С этим оптики и инженеры справляются легко. Затруднения возникают в процессе эксплуатации, когда линия уже лежит в земле и труднодоступна обслуживающему персоналу. Здесь на помощь приходит автоматика, исправляющая положение отдельных элементов, нарушенное в случае усадки грунта или в результате других причин.

Выбор между зеркалами и линзами, причем в пользу зеркал, определен в настоящее время чисто практическими соображениями устойчивости оптической линии при неблагоприятных внешних воздействиях. Оказывается, комбинируя зеркала в подобие обычных перископов, можно сделать перископические блоки гораздо менее чувствительными к случайным внешним воздействиям, чем обычные зеркала или линзы.

В ФИАНе

А.М. Прохоров и его давнишний сотрудник А.И. Барчуков со свойственной им острой способностью находить новые возможности в теориях и разработках применили зеркальную линию в своем лазере. Этот лазер, использующий углекислый газ, работает в инфракрасном диапазоне на волне около 10 микрон. Такие лазеры способны генерировать большие мощности, но их длина зачастую превышает 100 метров. Для экономии места их обычно «складывали» из отдельных отрезков, так что резонатор лазера содержал большое количество зеркал. Это ухудшало качество резонатора, сильно затрудняло его юстировку и делало его чувствительным к толчкам и другим внешним воздействиям.

Прохоров и Барчуков решили заменить резонатор оптической линией, образованной специальными зеркалами. Чтобы добиться этого, достаточно убрать крайние зеркала, придававшие прежним конструкциям свойства резонатора. Конечно, лазер терял способность генерировать. Он превращался из оптического квантового генератора в оптический квантовый усилитель.

Но именно этого и добивались Прохоров и Барчуков. Они направили в такой усилитель излучение сравнительно маломощного, но высококачественного лазера того же типа. Его длина составляла всего около трех метров. Он очень надежен и устойчив. Длинный усилитель, воспринявший все преимущества квазиоптической линии перед резонатором, оказался весьма надежным и удобным. Ведь он отличался от обычной зеркальной линии только тем, что между ее зеркалами помещены трубки с углекислым газом, возбуждаемым электрическим разрядом. Благодаря остроумной находке Прохоров и Барчуков сумели «уложить» свой огромный лазер на «этажерке», легко помещающейся в одной из самых маленьких комнат их лаборатории.

Одно из оригинальных применений квазиоптических методов разработала Наталия Александровна Ирисова в лаборатории, руководимой Прохоровым. Она поставила перед собой задачу создания метрики в почти не освоенных диапазонах миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн.

В этих диапазонах измерительные методы классической радиотехники полностью теряют силу просто из-за того, что размеры волномеров, измерительных линий и других приборов и деталей, необходимых для реализации измерений, становятся чрезмерно малыми. Столь малыми, что их очень трудно изготовить с необходимой точностью. Но даже если они были бы изготовлены, их применение неэффективно. Требуется слишком точная настройка – юстировка, как вслед за оптиками говорят радиофизики, проникшие в эту пограничную область.

Добротность объемных сверхминиатюрных резонаторов становится недопустимо малой. Одним словом, попытка ограничиться простым изменением размеров при сохранении общих принципов не приводит ни к чему хорошему.

Именно здесь, в диапазоне, лежащем между царством оптиков и государством радистов, естественно развивать квазиоптические методы, создавать специфические аналогии оптических приборов.

Однако то, что уже сделано для диапазона сантиметровых волн, здесь не годилось. Не существовало подходящих прозрачных материалов для изготовления хороших линз. Не из чего было создать полупрозрачные зеркала для интерферометров. Все приходилось начинать сначала. Основным элементом большинства приборов Ирисовой стали сеточки, образованные тончайшими металлическими проволочками. Они столь тонки, что рамки, на которых они натянуты, кажутся пустыми.

Сеточки прозрачны для света потому, что между проволочками толщиной всего в несколько десятков микрон оставлены такие же промежутки. Эти промежутки прозрачны и для радиоволн, с которыми работает Ирисова, прозрачны для тех волн, которые поляризованы поперек проволочек. Стоит повернуть сеточку на четверть оборота, и она будет отражать эти волны так же хорошо, как если бы она была сделана из сплошного металла. В этом случае радиоволна возбудит в проволочках электрические токи, которые погасят падающую волну и породят идущую обратно отраженную волну.

Если же сеточка повернута так, что проволочки идут в некотором промежуточном направлении, она частично отразит, а частично пропустит падающую на нее волну. Так простая сеточка работает в качестве управляемого делителя мощности.

Взяв две параллельные сеточки, Ирисова создала резонатор, субмиллиметровый аналог оптического интерферометра Фабри – Перо, позволяющий удобно и точно мерить длину падающих на него волн.

Здесь не место описывать все придуманные и осуществленные ею и ее сотрудниками квазиоптические детали. На их основе создан спектроскоп, параметры которого существенно превосходят характеристики всех известных отечественных и зарубежных приборов, построенных на основе традиционных деталей.

Ирисова и ее сотрудники не только творцы этих замечательных приборов, но и первые их потребители. Они уже применяют свои приборы в исследовательских целях и получили много новых интересных данных о свойствах различных веществ в осваиваемом ими диапазоне. Диапазоне, куда они проникают со стороны радиоволн и где они все чаще и чаще встречают лазеры.

Большинство особенностей зеркальных и линзовых линий связи, как, впрочем, и способность открытого резонатора удерживать внутри себя энергию световых волн, можно усмотреть из существования каустических поверхностей. Так называются воображаемые поверхности, отличающиеся тем, что их касаются все лучи, проходящие через пару линз или идущие от одного зеркала к другому. Такие поверхности можно заметить уже в геометрических построениях Гюйгенса и Декарта.

Если все лучи света касаются какой-либо поверхности, значит ни один из них не пересекает ее. Значит, свет не проходит сквозь поверхность, даже если она и является воображаемым геометрическим образом. Это и есть та открытая стенка открытого резонатора или открытой оптической линии, о которой столько раз говорилось выше. Но рассуждения геометрической оптики, верно описывающие ситуацию в общих чертах, не могут объяснить ни причину возникновения каустик, ни реальное распределение электромагнитного поля вблизи каустики. Волновая теория может. Она показывает, как каустики возникают в результате взаимодействия (интерференции) волн, отраженных от поверхности зеркала или прошедших сквозь линзу, и волн, дифрагировавших на ее границе.

Квазиоптические методы расчета, являющиеся сочетанием волновых и геометрических методов, позволяют проследить за этим во всех подробностях. Почувствовать, как формируется реальная незримая граница открытого резонатора. Граница, вблизи которой интенсивное поле, существующее внутри резонатора, плавно, но очень быстро убывает до нуля. То же самое происходит и вблизи незримых боковых поверхностей, ограничивающих открытые линии передачи.

Квазиоптические методы лишь недавно проявили свою мощь в видимом и инфракрасном диапазоне световых волн. Квазиоптические детали и устройства все шире применяются в диапазоне миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн. Квазиоптика приобрела широкие права гражданства, и приставка «квази» ни в коей мере неспособна умалить приносимую ею пользу.

Так имя Квазимодо, ставшее среди мещан и снобов символом устрашающего уродства, вызывает в памяти вдумчивого читателя представление о душевном благородстве, о непоколебимом самопожертвовании во имя высокой любви.

Думаю, соединив латинское «квази» с французским «модо», Виктор Гюго хотел сказать, что такие характеры не типичны для его времени.

Заключение. Цепь времен

Цепь! Пожалуй, ни одно изображение не получило столь разнообразных применений. Добрых и злых, служащих насущным потребностям и мимолетным капризам. Впрочем, почти то же самое можно сказать и о веревке, о которой не принято говорить в некоторых домах. Но она же спасла жизнь не одному альпинисту. И нужно самому побывать в горах для того, чтобы понять, как через гибкую веревку смельчак, поднимающийся первым, чувствует поддержку товарища, стоящего внизу.

Века и века человечество жило с оглядкой на античных мудрецов. Их творения верно служили потомкам, поддерживая их постепенное движение по путям прогресса, как кованые цепи удерживают подвесной мост. Но бывали времена, когда античные каноны превращались в злые цепи, сковывавшие мысль людей. И нужны были героические усилия, иногда и жертвы, для того, чтобы порвать эти цепи, отбросить их и через период Возрождения вырваться на простор нового времени. Войти в эпоху, жизнь которой все больше и больше определяется не деяниями одиночек, а творчеством масс. Так постепенно выковываются новые связи, сплачивающие каждого со всеми, дающие опору передовикам, уверенность отставшим, беспредельную мощь человечеству.

Каждый может подтвердить сказанное множеством примеров из своего личного опыта, из рассказов бывалых людей, из уроков истории. В моем воображении связь поколений лучше всего материализуется развитием науки и техники с присущей им сменой бурных взлетов, стремительных скачков и периодов застоя.

Один из выдающихся мудрецов древности, Герон Александрийский, описал много приспособлений, использующих силу пара. И для забавы, и для открывания тяжелых врат храмов. Понадобилось семнадцать веков, чтобы возникли условия, потребовавшие привлечения пара в помощь громоздким водяным и ветряным двигателям. Не удивительно, что именно там, где потребность была особенно острой, – в промышленных районах Урала и Британских островов, – родились первые паровые машины, работавшие автоматически, без участия человека.

Паровая машина вызвала промышленную революцию. Это знает каждый. Она породила и новую область науки – термодинамику. Переход от феодальных отношений и мануфактурного производства к капитализму – несомненное следствие появления паровой машины. За сотню лет мощность паровой машины возросла от пяти лошадиных сил до двадцати тысяч, ее экономичность увеличилась почти в сто раз. Она породила гигантские паровые турбины, пароструйные насосы и паровые молоты.

Ее потомки не сдают позиций перед электричеством. Они заключили союз с атомом. Ведь пока ни одна атомная электростанция не обходится без паровых турбин. И не так уж важно, что в некоторых из этих турбин работают не пары воды, а пары натрия или других веществ.

Трансмиссия... Я спрашивала многих своих знакомых о значении этого слова. Большинство из них отвечали, что это техническое наименование коробки переключения скоростей автомобиля – коробки передач. Только немногие вспомнили, что в оные годы трансмиссией называлась громоздкая система передачи от двигателя к станкам и машинам. Главной частью трансмиссии был длинный вал, укрепленный под потолком цеха. Широкие кожаные ремни, сшитые в кольцо, соединяли шкивы, укрепленные на трансмиссии со шкивами, вращающими станки. Особенно толстый и широкий ремень соединял таким же образом трансмиссию с паровой машиной, а позже с большим электромотором, обслуживающим целый цех.

Но трансмиссия существовала задолго до начала века пара. Она соединяла нехитрые станки первых мануфактур с водяными двигателями. Сколько увечий и смертей вызваны ее ремнями!

Вторая промышленная революция, совершенная электричеством, привела к изгнанию трансмиссий из цехов. Паровая машина оторвала фабрику от реки. Дешевый и надежный электромотор вытеснил трансмиссию. Ее заменил индивидуальный электропривод.

Но электричество не ограничивалось одной победой! Оно внедрилось в святая святых промышленного производства. Пар давал только механическую силу. Все остальное в существенной мере оставалось старым – резцы, сверла, пилы. Электричество стремится вытеснить и их. Электрическая искра режет, сверлит и полирует. Электрический ток выделяет алюминий и другие металлы из минералов, вырабатывает удобрения и азотную кислоту из воздуха, освещает улицы и дома, охлаждает помещения и продукты.

И вот электричество породило лазер. Яркий луч лазера сразу привлек всеобщее внимание. Не века, как в случае пара, не столетие, пролегшее между элементом Гальвани и первым электромотором, немногие годы понадобились ученым и инженерам, чтобы приобщить лазер к трудовой жизни, перевести его из лаборатории в цех, на строительную площадку, на телефонную станцию, на корабль, самолет, в космос.

В то время когда я писала свои первые книги о создателях квантовой электроники – «Безумные» идеи» и «Превращения гиперболоида инженера Гарина», – американские физики состязались в остроумии, давая шуточные толкования слова «мазер».

Вместо исходной фразы «Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation», означающей «усиление микроволн при помощи вынужденного испускания», появились такие, как «More Applied Scientists Eat Reqular» («больше ученых-прикладников едят регулярно») или «Military Application Seem Extremely Remote» («военные применения кажутся крайне отдаленными»), и некоторые другие. И вот последняя фраза вдруг грозно изменилась. Вместо слова «Remote» появилось «Real», которое в этом контексте означает «реально».

В некоторых зарубежных странах в ряде периодических изданий, посвященных не науке и технике, а политике и экономике, в 1970 году в различных вариантах появилось сообщение, смысл которого сводился к следующему: «На полигоне штата Невада лазерным лучом сбит самолет».

Атомное ядро вышло из стен лаборатории 16 июля 1945 года и заявило о себе зловещей вспышкой на полигоне в штате Нью-Мексико. Не прошло и месяца, как по воле крайних реакционеров из состава американской правящей верхушки, без всякой военной необходимости, в угоду новой ядерной дипломатии две ядерные бомбы унесли множество жизней в Хиросиме и Нагасаки.

И только с большим трудом, вопреки ожесточенному сопротивлению военно-промышленного комплекса энергия атомного ядра проникла в мирную жизнь страны – родины атомной бомбы.

Советские ученые должны были затратить много сил, а страна – огромные средства, чтобы ликвидировать атомную монополию и связанный с нею атомный шантаж. Мы не только достигли этой цели, но и первыми высвободили необъятную энергию термоядерного синтеза и, что не менее важно, первыми пустили в ход атомную электростанцию.

Атом пришел от войны к миру. Люди земли должны принять все меры, чтобы лазер не перешел от мирных дел на службу агрессии.

Пожалуй, первой областью применения лазеров была самая гуманная из них – медицина. Некоторые глазные заболевания приводят к отслоению сетчатки. Человек теряет зрение. В долазерную эру приходилось прибегать к сложному хирургическому вмешательству. И вот окулисты с помощью физиков берут на вооружение лазер. Лазер вместо скальпеля. На эту мысль их натолкнуло фокусирующее свойство хрусталика глаза. Ведь хрусталик – это линза, она собирает пучок параллельных лучей в точку. Так на сетчатке образуется изображение внешнего мира. В новом эксперименте нужно было добиться того, чтобы хрусталик фокусировал луч лазера во вполне определенные точки пораженной области сетчатки. И врачи и физики отчетливо понимали, что промах приведет к поражению здоровой части сетчатки. Но риск – благородное дело. Риск умный, оправданный, рассчитанный. Этим расчетом и занялись физики.

После ряда опытов они придумали специальную оптическую систему, направляющую строго по одной прямой луч лазера и свет небольшой вспомогательной лампочки. Она служит для прицеливания. Когда все готово, врач нажимает кнопку и под влиянием нагрева тканей происходит коагуляция – свертывание тканей, скрепляющее сетчатку с задней стенкой глаза. Это отчасти напоминает точечную сварку металлов. Больной не чувствует боли. Прозрачные среды глаза не поглощают света, они не испытывают ни нагрева, ни поражения, ведь сквозь них идет не сфокусированный луч лазера, так что плотность энергии в нем невелика.

За изящными бескровными операциями стоят бесконечные эксперименты на глазах трупов, затем на глазах животных. Лишь после тщательной проверки лазер получил путевку в медицинский кабинет.

Радиоэлектроника уже давно снабдила хирургов бескровным ножом. То был высокочастотный нож, работающий на принципе коагуляции тканей в результате нагрева их токами высокой частоты. Но, к сожалению, такой нож применим не везде. Во многих случаях нагрев тканей за пределами операционного поля совершенно недопустим. И в таких случаях по-прежнему царствовал скальпель.

Излучение лазера может быть сфокусировано в чрезвычайно узкий пучок. Этот неосязаемый инструмент может проникнуть туда, где прикосновение скальпеля считалось оправданным только потому, что в руках врачей не было ничего лучшего.

Есть еще одна область медицины, в которой лазер делает первые, но многообещающие шаги: лечение некоторых накожных болезней, в том числе страшного рака кожи. Не сфокусированный луч мощного лазера в некоторых случаях вызывает распад больных клеток, не нанося повреждения здоровым.

Этим воспользовались и косметологи, успешно удаляющие при помощи лазеров темные родимые пятна и следы татуировки, кажущейся некоторым юношам столь желанной в молодости и вызывающей лишь сожаление и стыд в более зрелые годы.

Лазер позволяет производить и другие операции. Тонкие, сверхювелирные. Это форпосты медицины. В лабораториях генетиков лазер меняет наследственные свойства простейших одноклеточных существ. С его помощью ученые надеются расшифровать наследственный код растений и животных. Вызывать направленные мутации и тем намного сократить длительный и трудоемкий процесс выведения новых сортов растений и пород животных.

Миллионы людей, смотрящих передачи Московского телевидения, не подозревают о том, что полукилометровая стрела башни Останкинского телецентра возведена при помощи лазера. Красный луч газового лазера, работающего на смеси неона и гелия, с величайшей точностью указывал строителям положение вертикальной оси башни.

Лазеры-строители помогают людям во всех случаях, когда им приходится работать с большой точностью в сложных условиях. Они облегчают труд маркшейдеров, выверяя направление горных выработок, а подчас и управляя движением щитов, прокладывающих туннели. При строительстве каналов они держат заданный уклон, помогают сооружать железные и шоссейные дороги, взлетно-посадочные полосы аэродромов.

Потребность в измерении расстояний возникла перед человечеством в глубокой древности. В Египте, где разливы Нила вызывали необходимость ежегодного восстановления границ земельных участков, обязанности землемеров исполняли жрецы. Да и в других земледельческих странах профессия землемера была одной из наиболее древних и почетных. Такой землемер, вооруженный знанием геометрии и своими нехитрыми приборами, дожил и до наших дней. Лишь сравнительно недавно, несколько сотен лет назад, появились Землемеры с большой буквы – топографы и картографы, полем деятельности которых стали страны и континенты, весь земной шар.

Медленно, очень медленно совершенствовались их инструменты: мерные линейки, нивелир и буссоль. Составление точных карт до сих пор остается дорогим и трудоемким делом.

И здесь наряду с аэрофотосъемкой, применением искусственных спутников Земли, радиодальномеров все чаще применяются лазерные дальномеры, более точные, легкие и простые в обращении. Лазерный луч добрался до Луны и измерил расстояние до нее много точнее, чем это было возможно при помощи лучших телескопов.

Каждый покупающий часы прежде всего интересуется, сколько в них камней. Вряд ли сейчас найдется фирма, рискующая выпустить на рынок наручные или карманные часы без этих камней. Они не найдут покупателя. Камни, а точнее подшипники, и некоторые другие ответственные детали часов, изготовленные из искусственного рубина, обеспечивают часам точность и долговечность.

Поистине ювелирное искусство обработки этих мельчайших деталей превратилось в массовую операцию. Обычно ее осуществляют сложные специальные автоматы. Но некоторые швейцарские фирмы предпочитают отправлять эти рубины в слаборазвитые страны, где ручной труд дешев, и привозят готовые детали обратно в Швейцарию.

Теперь и сложные автоматы, и безвестные жительницы острова Маврикия будут заменены новыми устройствами, в которых главную роль играет лазерный луч. Сфокусированный до толщины человеческого волоса, луч легко пробивает тончайшие отверстия не только в рубине, но и в алмазе, в кристаллах боразона, карбида бора и других искусственных сверхтвердых материалах.

Лазеры применяются и при сверлении фильеров для протяжки проволоки или формирования полимерных нитей. В последнем случае часто бывает необходимо иметь отверстия сложной формы – овальные, треугольные и еще более сложные.

Можете себе представить, как трудно приготовить их при помощи обычного инструмента?

Лазерный луч без труда решает и другую сложнейшую задачу – сверление отверстий, идущих не перпендикулярно, а наклонно к поверхности изделия.

В технике нередко возникают задачи, с полным правом претендующие на титул головоломок. Сварка в вакууме, изготовление предельно точных деталей – инженеры на многие из них готовы были махнуть рукой: таких сложных решений они требовали для осуществления. И вот лазер с легкостью сваривает между собой две проволочки, заключенные в запаянный стеклянный баллон, из которого выкачан воздух. Работает в автомате, изготавливающем точные малогабаритные сопротивления для радиопромышленности. В таком автомате лазер испаряет угольную пленку, нанесенную на керамику. Лазер незаменим и при производстве микромодулей для радиоэлектроники.

Мощность газовых лазеров, в которых основным рабочим веществом является углекислый газ, может достигать десятка киловатт. Этого достаточно для того, чтобы плавить в вакууме тугоплавкие металлы, выплавлять сверхчистые металлы из руд, обрабатывать керамику и выполнять множество других операций, требующих предельных концентраций энергии.

Лазер делает лишь первые шаги в промышленности и строительстве. Ученые уверены, что перед лазером огромное будущее в управлении химическими реакциями, в создании новых высокоэффективных технологических процессов.

Я смогла здесь коротко рассказать лишь о некоторых новых специальностях лазеров. Их, конечно, много больше, и с каждым днем число увеличивается.

Мне хотелось привести лишь примеры, демонстрирующие гибкость и многогранные возможности лазерной техники. Не сомневаюсь, что каждый из моих читателей найдет многочисленные задачи, решение которых при помощи лазеров было бы проще и эффектнее, чем существующие.