Текст книги "Превращения гиперболоида инженера Гарина"
Автор книги: Ирина Радунская
сообщить о нарушении
Текущая страница: 11 (всего у книги 20 страниц)
Карловы уже выполнили ряд замечательных работ. Особенно удачными оказались те, в которых для улучшения парамагнитных усилителей применены сверхпроводящие магниты.
Сверхпроводимость, открытая свыше полувека назад, до последнего времени не имела практического применения. Ученые всего мира исследовали это замечательное явление, состоящее в том, что вблизи абсолютного нуля некоторые металлы полностью лишаются электрического сопротивления. Электрический ток в них при этом может течь беспрепятственно, не требуя для своего поддержания никаких источников. Казалось, ничто не препятствует ему, дай только начальный импульс посильнее. Но нет – ток, протекающий в сверхпроводнике, сам ограничивает свою силу. Став слишком большим, электрический ток разрушает сверхпроводимость. Конечно, не нагревом – где нет сопротивления, нет и выделения тепла. Ток разрушает сверхпроводимость неразрывно связанным с ним магнитным полем.
Три советских физика-теоретика, удостоенные в Ленинской премии, – А. А. Абрикосов, В. Л. Гинзбург и Я. П. Горьков, – используя метод, разработанный академиком Л. Д. Ландау, задумали сделать сверхпроводник более стойким к разрушающему действию магнитного поля. Они изучили процессы, определяющие свойства сверхпроводников, и поняли, какими их нужно сделать, чтобы пропускать по тончайшим сверхпроводящим проволочкам очень сильный ток. Одновременно появилась и возможность создавать материалы, остающиеся сверхпроводниками при более высокой, чем раньше, температуре. Металлурги создали специальные материалы, а инженеры научились делать из них тончайшие проволочки. Появились сверхпроводящие магниты, дающие поля в десятки тысяч эрстед.
Фиановцы подхватили эту эстафету. Их парамагнитные усилители и без того требовали применения жидкого гелия. Грех был не попробовать здесь сверхпроводящих магнитов. И опыт удался. Усилитель стал много легче, надежнее и удобнее, а сверхпроводимость сделала шаг из лаборатории в жизнь.
Новая область, как магнитом, притягивала талантливых людей. В. Б. Штейншлейгер, бывший уже известным специалистом в области сверхвысоких частот, почувствовал, что парамагнитные усилители могут вывести радиотехнику из многих затруднений. Для этого нужно прежде всего сделать их возможно более простыми и надежными. Штейншлейгер и его сотрудники, работая в тесном контакте с Прохоровым, решили важную и трудную задачу создания усилителя бегущей волны сантиметрового диапазона, работающего при температуре жидкого гелия, равной 4,2 градуса. Этот усилитель не требовал дополнительных манипуляций по понижению температуры ниже температуры жидкого гелия, необходимых для усилителя Сковила и остальных усилителей, разработанных в то время за рубежом.
Однако, несмотря на все преимущества квантовых парамагнитных усилителей бегущей волны, они до сих пор не нашли применения в дециметровом диапазоне. Дело в том, что по мере увеличения длины волны даже применение замедляющих структур не позволяет сделать конструкцию усилителя достаточно малой. Например, лучший парамагнитный усилитель бегущей волны, разработанный фирмой Белл для волны 21 сантиметр, имеет магнит весом в 90 килограммов.
При непрерывной работе в него дважды в сутки необходимо доливать по 7 литров жидкого гелия. Остальные подобные усилители еще менее удобны в работе.
Это заставило ученых искать другие пути создания квантовых усилителей дециметрового диапазона, имеющих более широкую полосу, чем простые резонаторные усилители. Штейншлейгер и Карлов в Советском Союзе и некоторые зарубежные исследователи предложили применить для расширения полосы дополнительные резонаторы, связанные с рабочим резонатором квантового парамагнитного усилителя. Это дало некоторый эффект, но большого расширения полосы в дециметровом диапазоне добиться не удалось.
Радикальное решение задачи было найдено М. Е. Жаботинским и А. В. Францессоном из Института радиотехники и электроники Академии наук СССР. Они тоже применили многорезонаторную систему. Однако в отличие от предшественников все их резонаторы активны, то есть в каждом из них находится парамагнитный кристалл. Это позволило на волне 21 сантиметр получить в трехрезонаторном усилителе полосу, большую, чем в усилителе бегущей волны фирмы Белл (при одинаковом усилении). Полоса их усилителя ограничивается только свойствами кристалла рубина, примененного здесь в качестве активного вещества.
Жаботинский и Францессон сильно уменьшили размеры усилителя, заменив обычные объемные резонаторы миниатюрными резонаторами так называемого полоскового типа. В них резонирует не металлическая полость, а маленькие полоски фольги, помещенные внутри волновода. Благодаря этому здесь удалось обойтись магнитом в 90 раз более легким, чем магнит в усилителе фирмы Белл. Это, в свою очередь, позволило полностью погрузить магнит в жидкий гелий, что придало усилителю чрезвычайную стабильность.
Малый объем усилителя и небольшое количество рабочего вещества, необходимого для получения нужного усиления, позволило значительно сократить расход жидкого гелия. При непрерывной работе в него надо доливать только по 5 литров жидкого гелия, и не каждые сутки, как в усилителе фирмы Белл, а лишь дважды в неделю.
Этот усилитель пока является рекордным как по своим радиотехническим характеристикам, так и по эксплуатационным свойствам. Он установлен на Большом радиотелескопе Главной астрономической обсерватории в Пулкове.
ВЕНЕРА С ЗЕРКАЛОМ
Радиоастрономия, исследования космического пространства и сверхдальняя радиосвязь пока являются главными областями применения квантовых парамагнитных усилителей. С их помощью уже сделан ряд интересных открытий и проведены многие важные исследования.
Например, при помощи парамагнитного усилителя с бегущей волной, созданного Штейншлейгером и сотрудниками, пулковские радиоастрономы открыли радиоизлучение ионизированного космического водорода на волне 5 сантиметров.
Ионизированный водород в больших количествах имеется вблизи горячих звезд и в туманностях. Изучая его излучение, можно получить ценные сведения не только о его распределении и движении в пространстве, но и о свойствах ионизирующих его светил. Оптическая астрономия не способна наблюдать водород в таком состоянии. Поэтому открытие его радиоизлучения явилось ценным вкладом в науку.
Исследование нейтрального межзвездного водорода тоже недоступно оптической астрономии. Между тем водород, являющийся самым распространенным элементом во вселенной, играет основную роль в ее эволюции. Изучение радиоизлучения космического водорода на волне 21 сантиметр уже дало много новых сведений о строении галактик, их движении и развитии.
Еще один парамагнитный усилитель бегущей волны Штейншлейгера и сотрудников, работающий на волне 8 сантиметров, позволил провести ценные исследования строения известной Крабовидной туманности. Эти исследования проводились во время затмения туманности Луной, что дало возможность оценить излучение, исходящее от отдельных частей туманности.
Пожалуй, самые интересные результаты, полученные при помощи квантовых парамагнитных усилителей, относятся к радиолокации планет – этой активной ветви радиоастрономии. Кстати, о возможности радиолокации Луны первыми еще во время Отечественной войны писали Мандельштам и Папалекси.
В Советском Союзе работы по радиолокации планет ведутся под руководством академика В. А. Котельникова. При этом успешно используются резонаторные парамагнитные усилители Жаботинского и Францессона, работающие на волне около 40 сантиметров. Вот вкратце как развивались эти работы.
В 1957 году, когда первый советский спутник открыл нам путь в космос, мечты К. Э. Циолковского о полетах к другим планетам превратились в задачу близкого будущего. Однако оказалось, что, даже создав достаточно мощные ракеты, невозможно направить их к цели с нужной точностью.
Это может показаться странным. Ведь высокая точность астрономических расчетов общеизвестна. Но астрономы вычисляют положения планет при помощи своей астрономической единицы длины – среднего расстояния от Земли до Солнца. А выразить эту единицу в земных метрах с нужной точностью никто не умел. Лучшие измерения астрономов содержали ошибку в тысячи километров. А это уже верный промах. Казалось бы, можно послать радиосигналы на Луну – самое близкое небесное тело, чтобы, точно определив расстояние до нее, рассчитать небесный треугольник, в вершинах которого находятся Солнце, Земля и Луна. Задача казалась проще простой – по катету определить гипотенузу, прямо-таки седьмой класс. Но нужно было еще измерить угол между Луной и Солнцем, а сделать это точно пока невозможно. Пришлось обратиться к планетам. Правда, здесь возникло новое осложнение – планеты слишком далеки. Их трудно достать радиолокатором. И физики выбрали Венеру. Она ближе других подходит к Земле. Но это все же десятки миллионов километров. Можно ли получить радиоэхо от Венеры?
Ответ, на этот вопрос дали ученые Института радиотехники и электроники АН СССР. Да, можно.
Большие коллективы включились в подготовку к этим исследованиям. Нужно было провести сложные расчеты, создать мощный передатчик, огромную антенну.
Наблюдения начались 18 апреля 1961 года, когда расстояние до Венеры было минимальным для этого года и участники работы еще были под свежим впечатлением триумфального полета Юрия Гагарина. Радиоволны путешествовали в пространстве пять минут. Легко представить себе напряжение этих минут! Все было предусмотрено и многократно проверено. Сигнал ушел. Найдет ли он Венеру? Вернется ли? Будет ли принят?
Но ждать надо было не пять минут, а гораздо дольше. Нужно было ждать, пассивно наблюдая за автоматической работой планетного локатора. Ведь отраженный сигнал слаб настолько, что его невозможно увидеть на фоне шумов приемника. Только после долгой и сложной обработки результатов можно выяснить, приходит ли вожделенное эхо.
Наконец обработка принятых сигналов закончена. Победа! Аппаратура сработала безупречно. Астрономическая единица длины определена, пока не очень точно, но ошибка составляет теперь всего лишь около тысячной доли процента.
Лишь! Эта доля все же две тысячи километров! Разве можно на этом остановиться?
Летом 1962 года коллектив, руководимый В. А. Котельниковым, сделал следующий шаг. Венера к этому времени, увы, удалилась. Тогда решено было лоцировать Меркурий. Но это гораздо труднее. Во-первых, в это время Меркурий был в два раза дальше от Земли, чем Венера во время опытов 1961 года, Во-вторых, Меркурий – самая маленькая планета солнечной системы. Его поверхность в шесть-семь раз меньше, чем поверхность Венеры. Значит, должно уменьшиться и радиоэхо.
Но ученые были готовы и к этому. Они значительно повысили чувствительность приемника, работающего в радиолокаторе, снабдив его парамагнитным усилителем радиоволн.
Итак, жидкий гелий залит. Рубин охладился почти до абсолютного нуля. Все блоки космического локатора проверены. Опыт начался. Но с увеличением расстояния возросло и время путешествия радиоволн. Их возвращения нужно было ждать 10 минут. Правда, магический кристалл сделал ответный сигнал более ясным и для получения результата требовалось гораздо меньшее время, чем в первых опытах.
Когда закончилась обработка принятых сигналов, стало ясно, что радиоволны отражаются от Меркурия примерно так же, как от Луны. И можно было впервые проверить наши предположения о свойствах поверхности Меркурия. Эта работа принесла советским ученым не только научные достижения, но и мировой рекорд дальности радиолокации.
Осенью того же года, когда Венера опять приблизилась к Земле, на нее снова направили луч космического радиолокатора. Именно тогда на Венеру и обратно простой азбукой Морзе были переданы понятные во всем мире слова: «Ленин, СССР, Мир». Благодаря усилителю сигналы появились просто на осциллографе. Но это был не единственный результат. Точность астрономической единицы длины увеличилась более чем в пять раз. Впервые удалось оценить отражение радиоволн от поверхности Венеры.
А за Венерой начался штурм Марса. Он приблизился к Земле настолько, что оказался в зоне досягаемости планетного локатора и был взят на прицел. Радиоэхо показало, что поверхность Марса, представляющаяся глазу ровной пустыней, в действительности обладает сложным рельефом, более гладким в одних частях и изрезанным в других. Кстати, эти результаты недавно подтвердили фотографии, полученные американскими учеными при помощи космической лаборатории «Маринер-IV».
Ну, а Юпитер? Гигантские размеры этой планеты отчасти компенсировали увеличение расстояния. Радиосигналы, направленные на него, путешествовали около часа. Они принесли сведения об отражательных свойствах этой планеты и новый рекорд дальности радиолокации.
Радиоастрономы других стран тоже применяют парамагнитные усилители, в частности усилители, созданные группами Таунса и Сковила. Эти усилители применяются для изучения Солнца, для исследования радиоизлучения космического водорода и для радиолокации планет.
Радиоастрономия уже не единственная область применения парамагнитных усилителей. Они все шире используются для передачи телевидения и телефонных разговоров через специальные спутники связи, для увеличения чувствительности радиоспектроскопов и для других целей.
Но история с Венерой не кончилась. Ведь ученые еще не узнали ни характера ее поверхности, ни точной скорости вращения, ни положения оси.
Ожидая, пока Венера вновь приблизится к Земле, Котельников и его сотрудники начали готовить эксперимент более сложный, чем раньше. Чтобы точнее провести анализ эха, отраженного Венерой, они решили удалить на большое расстояние приемную часть от передающей. Но сделать это вовсе не просто. Радиоприемная часть современного планетного локатора – не миниатюрная «Спидола». Это огромные тысячетонные антенны со сложнейшей автоматикой, позволяющей вести их за планетой, даже если ее скрывают густые облака. Строительство такого радиоприемника стоит дорого и требует большого времени.
Гораздо проще воспользоваться готовой антенной. Нужно лишь найти такую, хозяева которой увлекутся исследованием планет, а кроме того, обладают большим мастерством, остроумием и терпением, необходимыми для тонкой работы по анализу космического эха. Ведь информация, которую оно несет, записана не словами, а ничтожными изменениями принятого сигнала по сравнению с посланным.
По удачному совпадению в 1963 году в Советском Союзе гостил директор обсерватории Джодрелл Бэнк профессор Бернард Ловелл. Оказалось, что и он мечтает о подобной работе, но у него нет нужного передатчика. В разговоре с В. А. Котельниковым он предложил объединить усилия. Предложение было с энтузиазмом принято. Началась подготовка к совместной работе.
И вот в начале этого года из Москвы была отправлена телеграмма: «Англия. Радастра. Маклесфилд. Ловеллу. Будем работать по Венере 8 и 9 января с 11 до 14. Котельников».
Восьмого января мощные передатчики советского центра дальней космической связи в течение трех часов направляли на Венеру узкий пучок радиоволн. Радиоволны, отразившись от Венеры, возвратились на Землю. Дело было за англичанами.
…Нажатие кнопки – и огромная стальная конструкция, напоминающая опрокинутый на ребро купол спортивного зала, пришла в движение. Обтянутое металлической сеткой ажурное семидесятишестиметровое зеркало английского радиотелескопа Джодрелл Бэнк отыскивало скрытую зимними тучами Венеру. Но вот его движение замедлилось. Оно стало таким же незаметным, как перемещение небесных светил. Это означало, что автоматы нашли Венеру и теперь ведут антенну вслед за ней. И вдруг чувствительный радиоприемник, присоединенный к антенне, обнаружил сигнал… Тотчас полетела телеграмма «Москва. Аэлита. Сигнал от Венеры принят».
А в это время мощные передатчики советского центра дальней космической связи продолжали облучать Венеру узким пучком радиоволн. Это была странная передача. Долгими часами советские ученые следили за излучением радиоволн. Они не передавали никаких сигналов. Более того, ученые принимали все меры для того, чтобы ничто не исказило монотонной идеальности уходящего в космос луча.
Но радиоволны, через шесть минут достигавшие антенны, расположенной в Северной Англии вблизи Манчестера, уже не были идеальными. Покрыв путь в 80 миллионов километров, они приходили крайне ослабленными, смешанными с шумами. Зато они несли в себе сигналы! Драгоценные сигналы, посланные самой Венерой, несущие информацию о ее поверхности, о скорости вращения вокруг собственной оси, о направлении этой оси в пространстве.
Английские астрономы напряженно следили за аппаратурой, записывающей сигналы. Впоследствии они и их советские коллеги обработают записи и извлекут из них то, что сообщила о себе Венера. И со временам перед нами ляжет карта этой загадочной, скрытой сплошными облаками планеты, которую люди окрестили нежным именем богини.
Расшифровка полученных данных еще не закончена. Сеансы будут продолжаться несколько месяцев… Каждые несколько дней из Англии в адрес Аэлиты и обратно идут телеграммы о ходе работы.
Кстати, телеграфный адрес Института радиотехники и электроники Академии наук СССР – находка сотрудников. Это связано с полукомичной историей. Телеграфу были предложены на выбор пять слов. Все они оказались занятыми другими учреждениями. Тогда ученые дали на выбор пять названий планет. Телеграф ответил: все планеты заняты, назовите новые слова. Из вновь названных слов оказалось свободным лишь одно – Аэлита. Это было очень удачно – ученые действительно трудятся на грани фантастики.
СОЛНЦЕ НА ЛАДОНИ
ТЫ ИЗМЕНИЛ ДАЖЕ ИМЯ
Путешествие по шкале электромагнитных волн можно сравнить с бегом по сильно пересеченной местности. Издавна, когда еще не существовало самого понятия электромагнитных волн, люди были знакомы со светом. Около трехсот лет назад ученые сумели измерить длину его волны. Для красного света получилось около 0,6 микрона, а для фиолетового примерно 0,4 микрона.
В конце прошлого века Герц открыл электромагнитные волны, предсказанные Максвеллом. Начиная с 1886 года он экспериментировал с волнами длиной в десятки сантиметров. В 1895 году, через год после смерти Герца, Рентген открыл то, что он назвал икс-лучами, а теперь мы называем рентгеновыми лучами.
«Даже набат военной тревоги не смог бы отвлечь внимание от замечательного триумфа науки, весть о котором докатилась до нас из Вены», – передало лондонское телеграфное агентство 6 января 1896 года об открытии Рентгена. Фрау Берта Рентген поднесла руку к прибору мужа, и оба в изумлении рассматривали странный снимок: икс-лучи набросали силуэт тонких косточек женской кисти и на одной из них обручальное кольцо.
Стоке первым понял, что открыт новый вид электромагнитных волн. Он заявил, что если его догадка справедлива, то колебания в рентгеновых лучах должны происходить поперек направления их распространения, а не вдоль него, как в звуковых волнах в воздухе. Догадку Стокса подтвердил в 1904 году Е. Барка, но только опыты М. Лауэ в 1912 году сделали это бесспорным. Лауэ обнаружил, что рентгеновы лучи дифрагируют на решетке кристалла, как полны. Это значит, что они огибают атомы, образующие кристаллическую решетку, подобно морским волнам, огибающим сваи пристани. Он измерил их длину. В зависимости от напряжения, приложенного к рентгеновской трубке, длина волны менялась от тысячных долей микрона до его миллионных долей. Этим Лауэ окончательно доказал, что рентгеновы лучи, природа которых оставалась неизвестной, представляют собой очень короткие электромагнитные волны.
В том же году, когда Рентген открыл свои лучи, – Попов применил волны Герца для связи. Открытие радио и его первые применения связаны с использованием длинных волн Герца. Их длина составляла уже метры и десятки метров.
Постепенно радио осваивало все более длинные волны. Они оказались лучше приспособленными для дальней связи. Это были волны длиной в сотни и тысячи метров. Короткие волны, как пригодные только для опытов, отдали в распоряжение радиолюбителей. Радиолюбители, к удивлению ученых, обнаружили, что короткие волны при очень малой мощности передатчиков позволяют вести радиосвязь на самых больших расстояниях.
Конечно, инженеры немедленно использовали это открытие, оставив радиолюбителям лишь несколько узких участков во всем обширном диапазоне коротких волн. С развитием радио в эфире становилось все теснее. Радиолюбители первыми проникли в диапазон метровых волн. За ними туда устремились военные радисты. Молодое телевидение начало осваивать метровый диапазон потому, что ни один из известных диапазонов не мог выделить столь широкие каналы, которые нужны для высококачественного телевидения.
Радиовойна, война локаторов, разгоревшаяся во время второй мировой войны, заставила радистов на новой базе освоить дециметровый и даже сантиметровый диапазоны. Казалось, круг замкнулся, это опять были волны Герца. Но наука развивается не по кругу, а по спирали. И следующий ее виток пошел еще дальше в сторону световых волн. Вскоре после войны удалось создать электронные лампы для миллиметрового диапазона и получить радиоволны короче миллиметра.
Впрочем, оптики тоже не сидели сложа руки. Они постепенно расширяли свои владения. С большим трудом шло освоение невидимых ультрафиолетовых лучей, самые короткие из которых так сильно поглощаются воздухом, что для их изучения спектрографы приходится откачивать вакуумными насосами. Осваивали оптики и невидимые инфракрасные волны. К концу прошлого века Рубенс научился работать с инфракрасными волнами длиной в десятки микрон. Эти его работы, между прочим, были окончательным толчком, заставившим Планка опубликовать исследования, ставшие истоком современной квантовой физики.
Неисследованным остался лишь участок между миллиметровыми и инфракрасными волнами. Правда, в эту область в течение многих лет производили партизанские вылазки А. А. Глаголева-Аркадьева и некоторые другие ученые, но они пользовались примитивными приборами и больших успехов не добились.
XX век перевалил через середину, а промежуточный диапазон, разделявший радистов и оптиков, не поддавался ни тем, ни другим.
За несколько лет, прошедших после рождения молекулярного генератора и его младшего брата – парамагнитного усилителя, квантовая электроника пережила бурный период развития. Ею заинтересовались и маститые ученые и молодежь. Ряды энтузиастов росли на глазах.
В середине сентября 1959 года вблизи Нью-Йорка, в тихом местечке Хай Вью, собралась разноязычная компания ученых. Это были участники первой Международной конференции по квантовой электронике. По сравнению с масштабами других международных конференций их было так мало, что организаторы смогли поместить в томе трудов конференции список всех ее участников. Здесь наряду с Басовым, Прохоровым и Таунсом можно найти имена Ван-Флека, одного из старейших физиков-теоретиков США, известных нам Блумберхена, Броссела и Бонаноми и других, о которых уже рассказано на предыдущих страницах и будет говориться дальше.
В сентябре в Хай Вью жарко, и после заседаний участники конференции продолжали обсуждения на тропинках парка, на берегу плавательного бассейна, и только темнота загоняла их поближе к цивилизации.
Конференция, как в зеркале, отразила основные направления новой науки. Большинство докладов и кулуарных бесед, конечно, касались молекулярных генераторов, атомных часов, парамагнитных усилителей, их исследования и применений. Это было естественно.
Но теперь, обращаясь к этой конференции, мы видим, что главным в ней было не это. Здесь прозвучали фанфары, возвещавшие о вторжении радиофизиков в исконную вотчину оптиков.
В течение трех веков, прошедших между выходом «Оптики» Ньютона и «Оптики» Борна, оптика достигла такого совершенства, что в ней не оставалось ни одного крупного вопроса, ни одной принципиальной трудности. Казалось, надо подчищать мелочи и по неоспоримым канонам строить все более крупные телескопы, безупречные микроскопы и спектрографы.
Физики считали, что оптика перестала быть предметом исследования. Она превратилась в инструмент науки. В мощное орудие исследования свойств атомов и молекул. Оптика дала удобные методы анализа сплавов и сложных химических соединений. Словом, для оптики пора молодости, когда таинственная незнакомка увлекает горячие головы, прошла. Оптика стала верной помощницей каждого, кому она может быть полезной. Почетная, но прозаическая зрелость!
Но, как это иногда бывает, колесо судьбы начало новый оборот. То, что в течение четверти века казалось исчерпанным, окаменевшим, интересным разве лишь студентам, внезапно засияло ярким светом, оказалось исполненным жизни, удивительных тайн, захватывающих перспектив. И все это было следствием прорыва радиофизиков в страну оптиков. Рождалась квантовая электроника оптического диапазона.
Недаром один из физиков вспомнил в связи с этим такую историю.
Некий ученый бросается к другому и кричит:
– Борис, я не видел тебя двадцать пять лет. Как ты изменился! Ты был толстым, а стал стройным. Ты был коротышкой, а теперь ты так высок. Ты был уже совсем лысым, а теперь у тебя прекрасная шевелюра. Борис, что случилось? Ты так изменился!
– Но я не Борис, – отвечает тот.
– Ах, так ты изменил и свое имя!
