Текст книги "Проклятые вопросы"

Автор книги: Ирина Радунская

сообщить о нарушении

Текущая страница: 18 (всего у книги 23 страниц)

«За чем же дело стало?» – спросит читатель, и от инженеров получит более чем странный ответ: «за прозрачными стеклянными волокнами…»

Стеклянные волокна действительно могут с успехом заменить медные провода, но чтобы они без потерь транспортировали свет на сотни километров, нужно сделать их из очень прозрачного стекла.

Вы, наверно, подумали: как оконное? Так же решила и я, слушая объяснения одного из авторов стекловолоконной линии связи.

– Что вы! – даже обиделся он. – Попробуйте сложить десяток стекол вместе – сквозь них ничего не разглядишь. Для передачи света на большие расстояния оконное стекло совсем не годится. Уже много лет физики, конструкторы, инженеры бьются над созданием таких стеклянных волокон, чтобы они были по-настоящему прозрачны для света, не искажали его, не создавали помех, то есть не вносили ошибок в передаваемую информацию.

Такие поиски ведутся у нас, в России, в США, Японии, Англии, Франции, Германии, в других странах. Листая научные журналы, можно убедиться, что ученые приближаются к цели, к тому, что станет основой стекловолоконной связи будущего.

Уже сейчас по стеклянным волокнам, заменившим медные провода в ряде систем, на многие сотни и тысячи километров бегут световые волны, рожденные лазерами и более простыми полупроводниковыми источниками света. Поэтому параллельно с созданием новых коммуникаций идет интенсивный поиск новых лазеров, которые будут направлять через стеклянные волокна все более плотно упакованную информацию.

Полупроводники оказались для квантовой электроники рогом изобилия. Они стали основой очень миниатюрных и экономичных лазеров. Одна из разновидностей – инжекционный лазер. Он не только мал по своим размерам, но обладает ценнейшим достоинством – неприхотливостью к источникам питания. Для того чтобы такой лазер начал излучать свет, его достаточно присоединить к источнику электрического тока напряжением в несколько вольт. А нанизать на его луч голос или другую информацию очень просто – для этого надо лишь менять в ритм с голосом силу электрического тока, протекающего через лазер. Лазер это почувствует и отзовется соответствующим изменением своего мерцания.

На дальнем конце световода изменения силы света ощутит фотоприемник и превратит их в переменный электрический ток, который заставит работать телефонную трубку, или телевизор, или любой другой приемник информации, например блок памяти ЭВМ. Этот лазер – только одно из многих действующих «лиц» оптической системы связи. Как он будет работать в сочетании со всеми другими деталями? Ведь его партнеры должны уметь взаимодействовать со светом, а не с электрическим током, как это происходит в современных системах связи.

Когда я задала этот вопрос лазерщикам, они удивились. Неужели я еще не видела, как это происходит в действительности? И отвели меня в лабораторию, где системы оптической связи уже стали будничным объектом исследования.

Вот что я увидела.

К маленькой металлической коробочке величиной с пачку сигарет присоединен кабель, более тонкий, чем обычный карандаш. Он исчезает в отверстии стены. Оттуда выходит точно такой же кабель, конец которого присоединен к другой коробочке несколько больших размеров.

– Это наша световодная линия связи, – пояснил молодой ученый. – Одна маленькая коробочка содержит оптический передатчик, другая является приемником оптических сигналов. Дальние концы кабелей соединены с такими же блоками, расположенными в другом здании. Сейчас мы изучаем особенности эксплуатации световодной системы связи.

По такой линии можно передать и телефонный разговор, и программу цветного телевидения, словом, любой вид информации. Такие линии могут соединяться между собой через коммутаторы, что обеспечит связь любого количества абонентов. Самое важное то, что существуют электронные схемы, позволяющие одновременно и независимо передавать по данному световоду десятки тысяч телефонных разговоров, многие программы телевидения и огромный объем другой информации. Существенно и то, что световодные линии не боятся грозовых и промышленных помех, они много компактнее и легче, чем обычные медные кабели.

Эти качества световодных кабелей открывают им путь на борт самолетов и кораблей, в системы промышленной автоматики, управления и в вычислительные комплексы. Они проникнут и в ЭВМ, соединяя между собой блоки и связывая ЭВМ с их периферийным оборудованием.

Полупроводниковые лазеры и другие полупроводниковые оптические элементы вместе со световодами, имеющими вид тончайших пленок и волокон, станут основой новых оптических ЭВМ следующих поколений. В них свет будет служить не только для передачи, но и для обработки информации.

Лазеры, почти невидимые глазом, проводящие свет прозрачные пленки и волокна толщиной в тысячные доли миллиметра, линии задержки импульсов, специальные оптические системы памяти, основанные на принципах голографии, – таковы ЭВМ будущего. Уже сегодня в лабораториях можно увидеть совершенно удивительные, невиданные прежде образцы узлов оптических ЭВМ. Образец блока ввода информации в ЭВМ на оптических деталях – это множество мельчайших лазеров, работающих в содружестве с голографическими устройствами, в которых может быть закодирована любая информация. Ею могут быть книги, кинофильмы, телефильмы. Текст одной страницы занимает площадь размером в острие иглы! На одной пластинке может быть умещен текст «Войны и мира».

Когда-нибудь все библиотеки и кинотеки будут хранить не книги, а голографические диски, в которых информация записывается и считывается при помощи миниатюрных лазеров. В небольшой комнате уместится богатство Библиотеки имени В. И. Ленина. На экранах телевизоров уже сегодня можно увидеть кинофильм, книгу, даже страницу и отдельную строчку из подобного хранилища. Такие системы уже есть.

ПОДСТУПЫ К ЗРЕЛОСТИ

Работы в области оптоэлектроники настолько перспективны и важны, что сегодня эту науку можно считать одним из китов, на которых будет построена связь и вычислительная техника будущего.

И еще одна важнейшая сфера лазерных исследований – создание новых, более совершенных, удобных и более мощных лазеров.

Первые лазеры внешне ничем не были похожи друг на друга. Общим был цвет испускаемых лучей – красный. Но эта общность, конечно, возникла случайно. Не случайным была чрезвычайно слабая расходимость лучей (много меньшая, чем расходимость лучей лучшего прожектора) и крайняя узость их спектра, не сравнимая с шириной спектра любого другого источника спета. И то и другое – результаты применения пары параллельных зеркал, между которыми располагалось святящееся вещество лазера.

Дальше начинались различия. В самом первом из лазеров свет исходил из кристалла рубина, который облучался ярким белым светом ламп-вспышек. Рабочим веществом второго лазера служила смесь неона и гелия, а возбуждение свечения вызывалось электрическим током, проходящим через эту газовую смесь, – то же фактически происходит в обычных неоновых трубках газосветной рекламы. Свет первого лазера испускался редкими короткими импульсами, второй светил непрерывно.

Последующее развитие лазеров первоначально пошло по пути поиска других кристаллов и других газов, способных к лазерной генерации света. Это, конечно, был наиболее очевидный, но далеко не единственный путь. Вскоре к кристаллам и газам присоединились стекло и полупроводники, затем жидкости (наиболее эффективными оказались растворы органических красителей). Это важнейший этап в жизни лазеров, и мы посвятим ему отдельную главу.

Возникли новые режимы работы лазеров, новые методы возбуждения. Для этой цели удалось применить электронные пучки, энергию ударных волн и быстрое охлаждение горячих газов, истекающих из специальных сопел. Лазеры «научились» испускать все более короткие импульсы света. Длительность их стала меньше, чем миллиардная доля секунды.

Все результаты появились как следствие естественного развития новой области науки. Однако уже первые шаги в этом направлении открыли возможности новых практических применений лазеров. Как только это было осознано и оценено, началась планомерная разработка специализированных лазеров, отвечающих конкретным запросам науки и техники. В свою очередь, появление новых лазеров открывало все новые пути их использования. Этот замкнутый процесс еще далеко не закончен.

Проблема лазерного термояда потребовала создания целых систем огромной мощности и очень большой энергии, излучающих лазерные импульсы с большой точностью в заданные моменты времени. Иначе невозможно одновременно – со многих сторон – поразить мишень из термоядерного горючего и сжать ее. Мощность, развиваемая таким лазером, превосходит мощность самой большой гидроэлектростанции. Но, конечно, вследствие ничтожно малой длительности лазерного импульса излучаемая энергия не очень велика, хотя она и превосходит энергию среднего орудийного выстрела.

Для промышленных целей – сверления и обработки поверхности рубинов, алмазов, твердых сплавов – применяются твердотельные лазеры (обычно на стекле) или лазеры на смеси углекислого газа с азотом и гелием.

Лазеры на стекле, окрашенном ионами редкоземельного элемента неодима, работают не только в промышленности, но и в медицине, где они помогают излечивать некоторые формы рака и служат хирургам в качестве инструмента для бескровных операций. Без них не обходятся дальномеры и оптические локаторы, они позволяют обнаруживать загрязнения в атмосфере и измерять скорость ветра и течения воды.

Лазеры на углекислом газе используют для сварки и резки металлов, для раскроя материи и кожи. Они также приносят пользу медикам и химикам, технологам и физикам.

Большая часть лазеров излучает свет с вполне определенной длиной волны, изменять которую удается только в очень узких пределах. Последующее развитие лазеров пошло в двух противоположных направлениях.

Одно из них – создание сверхстабильных лазеров, длина волны которых фиксирована с огромной точностью. Она известна и остается неизменной в пределах миллионной части от миллиардной доли своей величины. Это наибольшая точность, достигнутая в науке и технике.

Второе направление – разработка лазеров, длина волны которых может по желанию оператора изменяться в широких пределах и устанавливаться в точности на заданное значение. Для этой цели обычно применяются лазеры, рабочим веществом которых служат растворы красителей. Такие лазеры незаменимы для решения сложных задач разделения изотопов и для управления химическими реакциями. Лазерный метод позволяет более экономично, чем какой-либо другой, отделять один изотоп легких элементов от его двойников. Сейчас усилия многих ученых направлены на создание эффективного метода разделения изотопов урана, этого основного горючего для атомных электростанций. Лазер помогает химикам получать новые соединения, недоступные традиционным химическим методам. Ему покорились даже инертные газы. В течение долгого времени они оправдывали свое название, не вступая в химическое соединение с другими элементами. Сравнительно недавно ученым с помощью лазера удалось заставить их при известных условиях нарушить свою инертность. Полученные соединения были взяты в качестве рабочих веществ для новых лазеров, которые обещают стать весьма эффективными.

Квантовая электроника не только открывает новые возможности другим областям науки и техники, но и активно использует их новейшие достижения. Например, полупроводниковые лазеры, в которых первоначально применялись лишь соединения индия с сурьмой, теперь работают и на более сложных соединениях трех и четырех элементов, а также на элементах из кремния и германия высшей чистоты.

После появления лазеров было реализовано и одно из поразительных изобретений – голография. Мощные газовые и твердотельные лазеры позволяют зафиксировать и воспроизвести объемные изображения движущихся предметов. Записывать и анализировать разнообразную сложную информацию. Производить измерения различных величин, таких, как скорость и смещение, изменение температуры и давления, производить анализ состава крови и расшифровку текстов, решать множество других разнообразных научных и технических задач, каждая из которых вполне заслуживает отдельного подробного описания.

Итак, перед нами раскинулась и засверкала радуга возможностей, которые таятся в новой области науки – квантовой электронике.

СЕКРЕТ УСПЕХА

Мы узнали о решительной готовности лазерщиков перевести на принципиально новые рельсы развитие целых областей промышленности и техники. Покорение энергии ядерного синтеза даст неиссякаемые энергетические ресурсы. Осуществится давняя мечта человечества напоить водой пустыни, превратить районы вечной мерзлоты в сады, преодолеть космические дали…

Создание принципиально новой техники связи, оптической связи, вызовет революционные преобразования в культурной жизни общества, в сфере образования, в общении людей между собой.

Внедрение лазерной химии откроет путь к получению материалов, неизвестных природе, к созданию веществ с заранее намеченными свойствами.

И всю эту россыпь возможностей породило одно открытие, один скромный прибор, – молекулярный генератор, рожденный одновременно и совершенно независимо в Москве в ФИАНе и в Колумбийском университете в Нью-Йорке. Потомки этого маленького прибора принесли не только огромные перемены в промышленность, науку и технику. Они проиллюстрировали плодотворность научных исследований, возможность совершенно неожиданных открытий, таящихся в традиционных областях знания. Находки ученых пойдут на пользу следующим поколениям.

В этом смысле поучительна сама история создания молекулярных генераторов.

В нашей стране открытие Басова и Прохорова было воспринято как серьезное и требующее внимания и заботы. Молекулярный генератор сразу получил «зеленый свет» для дальнейшего совершенствования и внедрения.

В этом, конечно же, немалая заслуга прежде всего авторов открытия. Сами того не сознавая, они оказались двумя половинками одного мощного интеллекта, и их прорыв в неведомое был впечатляющим и весомым.

Солдаты Отечественной войны, возвращенные победой к любимой работе, они испытывали особый творческий подъем, жажду созидать. Это придавало им сверхчеловеческую трудоспособность, стимулировало врожденную потребность в генерации идей. К тому же они были молоды и умели верить в чудо. Никакой боязни ошибки, только дерзкая вера в успех, в самих себя, в волшебство науки.

И главное, что способствовало успеху советских создателей квантовой электроники, – это поддержка их научной инициативы в Академии наук и в организациях, обеспечивающих развитие науки и техники, атмосфера здорового сотрудничества, царящая в среде наших ученых и инженеров, доброжелательность, объективность, понимание путей и перспектив научно-технического прогресса.

Совершенно о другом отношении к новому прогрессивному явлению красочно, но с чувством глубокой тревоги пишет один из создателей квантовой электроники Таунс: «Основа квантовой электроники – радиоспектроскопия – родилась в трех главных компаниях, разрабатывавших в США радары и другое военно-радиотехническое оборудование, и в Колумбийском университете, сотрудничавшем с ними. В промышленных лабораториях надеялись, что новая область физики даст значительные практические результаты. Американцы, практичный народ, охотно принимают то, что сулит быстрые прибыли. Я сам писал справку дирекции исследовательского отдела лаборатории «Белл Телефон» с целью убедить ее в пользе радиоспектроскопии. Однако спустя несколько лет промышленные лаборатории, первыми начавшие работу в этой области, прекратили ее, и исследования по радиоспектроскопии полностью сосредоточились в университетах. Там радиоспектроскопия привлекла значительное количество способных студентов и опытных профессоров, поскольку она открывала возможности для изучения поведения атомов и молекул».

До сих пор вызывает недоумение то обстоятельство, что большие промышленные лаборатории, интенсивно занимавшиеся проблемами электроники, не понимали в то время, что исследования по радиоспектроскопии газов имеют большое значение для их деятельности.

В компании «Дженерал Электрик» ученые, работавшие в этой области, были переключены дирекцией на другую работу, казавшуюся более перспективной в коммерческом отношении. Дирекция лаборатории «Белл Телефон» оказалась более осторожной и решила все же продолжать эти исследования. Однако, учитывая недостаточную ценность тематики для электроники и связи, продолжила ее разработку силами… одного научного сотрудника.

Положение не изменилось и после создания мазера. Даже в конце шестидесятых годов, когда Таунс вместе с Шавловым, работавшим в фирме «Белл Телефон», перенесли идею мазера в оптический диапазон, фирма отказалась запатентовать новый прибор.

Причина отказа была сформулирована таким образом: оптические волны никогда не были сколько-нибудь полезными для связи, и, следовательно, изобретение имеет слабое отношение к деятельности фирмы!

Так случилось, что пальма первенства в создании лазера досталась Т. Мейману, работавшему в другой американской компании, как видно более чутко улавливающей новые веяния. Эта ситуация красноречиво подтвердила, что предвидение, своевременное признание нового – один из решающих моментов в развитии науки.

Таунс, размышляя о судьбе лазера и в связи с ней о судьбах всех новых идей, делает такой вывод: «Неожиданность в развитии техники является нашим неизменным спутником». И это-то затрудняет внедрение в жизнь всего нового. Расплывчатость в определении цели, которая часто сопутствует новым открытиям, затрудняет их признание, а следовательно, финансирование. То ли дадут новые идеи выход в практику, то ли нет…

«Представим себе, – предлагает Таунс, – положение человека, взявшегося тридцать лет назад планировать некоторые технические усовершенствования: более чувствительный усилитель, более точные часы, новый метод сверления, новый инструмент для глазной хирургии, более точное измерение расстояний, трехмерную фотографию и так далее. Хватило ли бы у этого планировщика дальновидности и смелости предложить широкое изучение взаимодействия волн диапазона сверхвысокой частоты с молекулами в качестве основы для разрешения любой из этих проблем?

Конечно же, нет! – отвечает себе Таунс – За более чувствительным усилителем он обратился бы к специалистам в этой области, которые, затратив значительные усилия, подняли бы чувствительность в два, но не в сто раз. Для изготовления более точных часов он, вероятно, нанял бы тех, кто имеет соответствующий опыт в вопросах хронометрии; для повышения интенсивности источников света он подобрал бы совершенно другую группу ученых или инженеров, которые едва ли могли бы надеяться на увеличение интенсивности в миллион и более раз, даваемое лазером. Чтобы повысить точность измерений или улучшить фотографию, он попытался бы усовершенствовать уже известные методы и, вполне возможно, добился бы некоторого улучшения, но не на порядок величины!»

И когда переворот во всех этих областях произвела одна-единственная наука – квантовая электроника, когда она предложила для решения всех этих проблем совершенно новые идеи, это было так неожиданно и неправдоподобно, что поддерживать, а тем более развивать их отказывались буквально все промышленные фирмы, которые предпочитают подсчитывать будущие прибыли и дивиденды, а не рисковать во имя прогресса науки.

Ясно, что недооценка потенциальных возможностей радиоспектроскопии – не случайная ошибка одной организации или отдельного лица, а довольно обычная реакция на новое, непривычное.

Сама эта ситуация – тоже вклад квантовой электроники в будущее. Предостережение, основанное на опыте становления новой науки. История создания лазеров и мазеров, их неудержимое проникновение в ту или иную область науки и техники, их спонтанное фонтанирование удивительными возможностями предостерегает нас и наших потомков от пренебрежения нежданными открытиями, от категоричного и однозначного ответа на «проклятый» вопрос: можно ли планировать открытие, можно ли предсказать открытие, научить творчеству?

Может быть, впрямую все это и невозможно, но та подспудная напряженная работа мысли, которая происходит в творческих коллективах, работа, которой предшествует опыт учителей, опыт развития мысли, идеи, помогает оптимистично ответить на эти вопросы.