Текст книги "Превращения гиперболоида инженера Гарина"
Автор книги: Ирина Радунская
сообщить о нарушении
Текущая страница: 12 (всего у книги 20 страниц)
НОВЫЙ ГАРИН
Впрочем, в оптике столь неожиданные метаморфозы произошли не вдруг и не сами собой. То, что к концу пятидесятых годов было достигнуто в радиодиапазоне, не могло быть попросту перенесено на более короткие волны.
Квантовым генераторам на пути от радиоволн к свету предстояло преодолеть два барьера. Требовалось изыскать новые методы получения активной среды и создать резонаторы, способные откликаться на световые волны.
На конференции Шавлов пересказал недавно опубликованную им совместно с Таунсом статью, в которой указывался путь к инфракрасным и световым мазерам.
Прохоров рассказал, как он вместе с Барчуковым вышел из тупика, в который попадал каждый, пытавшийся на пути к свету вслед за радистами попросту уменьшать размеры резонатора.
Прохоров есть Прохоров, он не стал дожидаться рождения нового Левши. Он умеет отыскивать парадоксальные решения, и, вместо того чтобы мучительно подбирать ключи к двери, преграждающей путь, он предпочитает перескочить через препятствие. Он предложил отказаться от обычных объемных резонаторов и показал, что для очень коротких волн их можно с успехом заменить двумя параллельными зеркалами.
Теперь все понимают, что он попросту предложил использовать в качестве резонатора интерферометр Фабри и Перо, который оптика давно использовала в качестве спектроскопа. Но заслуга состоит и в том, чтобы взглянуть на известное с новой точки зрения, перебросить мост между старым и новым. И характерно, что это сделал не кто-нибудь из оптиков, привыкших работать с интерферометром Фабри и Перо, а радиофизик из школы Мандельштама и Папалекви. Характерно и то, что радиофизик Таунс почти одновременно с Прохоровым и совершенно независимо пришел к тому же решению.
Мало кто из участников конференции обратил внимание на доклад И. Видера, посвященный некоторым экспериментам с рубином. Тем более что и в докладе Шавлова говорилось о рубине, но он сказал, что известная теперь всем красная линия рубина не подходит для создания квантового генератора света. Еще никто из присутствовавших, в том числе сам автор, не знал, что изображенная им схема энергетических уровней рубина станет столь знаменитой. Но в зале сидел Т. Мейман, доклад которого был посвящен парамагнитному усилителю на рубине. И можно не сомневаться в том, что он внимательно слушал Видера. Скоро Мы узнаем, к чему это привело.
Незаметно прошел и доклад Джавана, незадолго перед тем перешедшего из Колумбийского университета в лабораторию фирмы Белл. Он обсуждал возможность приведения в активное состояние смеси гелия и неона, но не при помощи оптической накачки, как это предлагали Таунс и Шавлов для паров щелочных металлов, а посредством электрического разряда. Впрочем, доклад Джавана не содержал расчетов, подтверждающих возможность применения этого метода.
Дискуссия была краткой. Один из присутствующих вспомнил, что еще в 1930 году было опубликовано сообщение об инверсии населенностей, полученной при помощи электрического разряда в смеси паров натрия и ртути. Замечание было принято к сведению, и только.
Но в перерыве к Джавану подошел Басов. Басов интересовался тем, как Джаван оценивал шансы на положительный результат. Ответ был неутешительным. Расчеты столь сложны, что их не удается довести до точных числовых результатов. Вся надежда на опыт.
Однако зерна, посеянные на конференции в, казалось, совсем не подготовленную почву, взошли неожиданно быстро.
Молния сверкнула за океаном, а раскаты грома раздались из Лондона, где издается известный научный журнал «Природа». В одной из его тоненьких тетрадок уже в первой половине 1960 года появилось коротенькое сообщение Т. Меймана о том, что он создал новый генератор световых волн. Успех пришел к Мейману не случайно. Он не был новичком в квантовой электронике. Но если работы в области квантовых парамагнитных усилителей, о которых он докладывал на конференции, принесли ему известность лишь среди специалистов, то о его новом достижении узнал весь мир.
Газеты запестрели заголовками: «Ярче Солнца», «Кровавый луч», «Разящий луч», а среди любителей научно-фантастической литературы нашлись и поклонники Алексея Толстого. Они не преминули написать «Новый Гарин», и «Гиперболоид наших дней», и многое другое.
Действительно, было отчего прийти в возбуждение. Мейман показал журналистам небольшой прибор, на верхней части которого лежал металлический цилиндр размером с литровую консервную банку. В середине ее торца виднелось небольшое отверстие.
– Внимание, – сказал Мейман, указывая на лист бумаги, прикрепленный к стене лаборатории.
Вдруг в середине листа на мгновение ослепительно вспыхнуло небольшое ярко-красное пятно.
– Еще раз, – сказал Мейман и снова нажал кнопку.
Теперь те, кто смотрел на прибор, увидели, как из отверстия в его торце вылетел луч толщиной не больше карандаша. Почти не расширяясь, этот луч упирался в стену, оканчиваясь ослепительным круглым пятнышком. В комнате было совсем светло, но красный луч выглядел примерно так же, как луч солнца, проходящий в затемненную комнату через отверстие шторы.
После нескольких вспышек металлический цилиндр был открыт. В нем оказались лишь два предмета. Спиральная лампа-вспышка, похожая на те, которыми пользуются фотографы, и бледно-розовый прозрачный кристалл, размером с обычную сигарету. Концы его блестели, как зеркало. Они действительно были покрыты зеркальным слоем серебра.
Вот как комментировали журналисты объяснение Меймана.
Розовый стерженек сделан из искусственного рубина. Такой же рубин, но еще более светлый, применяется в мазерах для усиления микроволн. Рубин кажется красным только потому, что он сильно поглощает лучи зеленого и фиолетового света. Если из белого света удалить эти лучи, остаток кажется красным. Это свойство глаза, обнаруженное еще в прошлом веке Гельмгольцем.
В поглощении света участвует не весь материал, образующий кристалл, а только ионы хрома, которых здесь лишь доли процента. Но именно они играют главную роль в работе прибора. Свойства рубина подробно изучены при разработке мазеров. Облучая его радиоволной, можно заставить ионы хрома усиливать радиоволны.
Мейман первый догадался, что, облучая рубин светом лампы-вспышки, можно заставить его усиливать свет. Опыт работы с мазерами и статьи Таунса (а может быть, он читал и статьи Прохорова и Басова) говорили о том, что, применив обратную связь, можно превратить усилитель в генератор, в генератор света, действующий совершенно так же, как обычный радиопередатчик. Какой резонатор можно применить при работе со светом – тоже было известно. Это пара параллельных зеркал. Проще всего было отполировать торцы рубинового стержня и прямо на них нанести зеркальный слой серебра…
То обстоятельство, что новый генератор излучает красный свет, никак не связано с красным цветом рубина. Окраска рубина, как мы знаем, вызвана только тем, что он поглощает зеленые и фиолетовые лучи. Красный цвет луча первого лазера определяется тем, что энергетические уровни иона хрома, участвующие в работе прибора, отстоят друг от друга на величину, равную энергии фотонов красного света.
На вопрос о том, почему он назвал новый прибор словом «лазер», Мейман ответил, что он просто заменил буквой «л» букву «м» в слове «мазер». Он сказал: «Это потому, что принцип действия обоих приборов одинаков. Различаются только диапазоны длин волн, в которых они работают. Буква „л“ – сокращение слова „лайт“ (свет). Остальные буквы означают „усиление при помощи индуцированного испускания“».
Впрочем, название – дело вкуса. Советские ученые предпочитают говорить «оптический квантовый генератор», сокращая его для удобства в ОКГ. Мы привыкли ко всякого рода ломающим зубы сокращениям. Ученые группы Таунса предпочитают «оптический мазер». Может быть, потому, что автор слова «мазер» их шеф. Но в общем разноголосица не вносит путаницу только потому, что все знают, о чем идет речь, и воспринимают слова «мазер» и «лазер» не в первоначальном значении, а просто как название целого класса приборов.
ВОЗМОЖНО ЛИ ЭТО?
Красный луч Меймана, подобно бикфордову шнуру, воспламенил целый фейерверк. Горючее для него готовилось и собиралось годами. Если за двадцать лет до этого одинокий голос Фабриканта не был услышан, то теперь в десятках лабораторий работали новые квантовые приборы. Это и разнообразные молекулярные генераторы, и парамагнитные усилители, и атомнолучевые стандарты частоты. Уже существовали безукоризненно разработанные теории, были подробно изучены различные вещества. Сложенные костры ждали только искры. Мейману посчастливилось высечь эту искру.
Заводы искусственных камней, предназначенных для часовой и приборостроительной промышленности, быстро освоили выращивание крупных рубинов. Труднее оказалось добиться высокого оптического качества кристаллов, наладить точную обработку их торцов. Здесь требовалась по крайней мере в десять раз более точная обработка, чем при изготовлении лучших астрономических приборов.
Каждый знает, что такое десятая доля миллиметра. Это толщина лезвия безопасной бритвы. Впрочем, не все лезвия так тонки. Сотые доли миллиметра можно измерить только микрометром. Несмотря на свое название, этот прибор не может отсчитать микрона – тысячную долю миллиметра. Для этого квалифицированные слесари-лекальщики пользуются специальными, еще более точными приборами – индикаторами.
Оптики, для которых важны десятые доли микрона, ловят их при помощи специальных оптических приборов. А теперь от них требуют сотые доли микрона! Иначе луч оптического квантового генератора будет по мере удаления расходиться сильнее, чем это должно быть, а в некоторых случаях генератор совсем не заработает. Правда, такие невообразимые точности потребовались позднее, но они потребовались и были достигнуты.
В наш век, когда газеты ожесточенно воюют за каждого читателя, сенсации грозят превратиться в обыденность. Мир привык к сенсациямподенкам. Некоторые фирмы спешат за модой. Прилагательные «космический», «атомный» приносят кредит, поднимают цены акций.
Мейман не стремился к рекламе. Он опубликовал сообщение о своем открытии в виде небольшой заметки в скромном английском журнале. Правда, тридцатью двумя годами раньше индийский физик Раман, опередив Мандельштама, направил именно в этот журнал телеграмму об открытии комбинационного рассеяния света, впоследствии приведшую его к Нобелевской премии. Этот журнал известен тем, что очень быстро печатает такие короткие заметки. Поэтому ученые всего мира внимательно следят за его тонкими тетрадками, и они прочли заметку Меймана. И она взволновала их гораздо сильнее, чем тех читателей газет, которых репортеры стремились потрясти заголовками «Лучи смерти», «Разящий луч» и рассказами о том, как неосторожный молодой ученый временно ослеп, попав в луч лазера на расстоянии десяти миль.
Физиков такие заголовки не смущали. Они знали, что иные газеты привыкли делать из мухи слона. Но они понимали и то, что скромный маломощный прибор Меймана вовсе не муха, а птенец, который скоро станет огромной птицей. И поначалу было совсем не ясно, кем он обернется – жестоким хищником или благородным аистом.
Слишком свежо было воспоминание о том, что последовало за скромной заметкой Гана и Штрассмана о делении ядер урана.
Физики хорошо знали и то, чем отличается красный луч, выходящий из прибора Меймана, от красного света светофора или от кровавого сияния неоновых реклам.
Во всех существующих доселе источниках света – от костра первобытного человека и далеких звезд до привычной электрической лампочки или сверхъяркой лампы, вспыхивающей на летящем самолете или пылающей в огромном прожекторе, – всюду истинными источниками световых волн являются отдельные атомы или электроны, испускающие свои маленькие порции света совершенно независимо, по законам случая. В переводе на мир больших явлений это выглядит так, как если бы Москву освещали лампочками, вспыхивающими то в Лужниках, то на Пресне, то в Химках. Только миллионы одновременно сияющих ламп могут осветить город!
В приборе Меймана источниками света тоже были миллиарды миллиардов электронов, входящих в состав ионов хрома, рассеянных в толще рубинового стержня. Но все эти электроны испускали свет не независимо, не хаотически, не самопроизвольно. Они испускали его более согласованно, чем звучат скрипки в хорошем оркестре. Это было вынужденное испускание, при котором не только частота, но и фаза и направление излучения, исходящего от отдельных частиц, совпадают с огромной точностью.
Такое совпадение основных характеристик световых волн оптики называют когерентностью. Почти все умопомрачительные достижения оптических квантовых генераторов так или иначе связаны с когерентностью. С тем, что вынужденное излучение отдельных частиц в результате обратной связи оказывается жестко связанным и вся масса активного вещества генерирует как одно целое.
До появления прибора Меймана оптики почти всегда имели дело с некогерентным светом. Прибор Меймана впервые показал, что и в оптике слаженный коллектив приобретает качества и возможности, недоступные хаотическому сборищу индивидуальностей.
Физики уже имели дело с вынужденным испусканием электромагнитных волн в сантиметровом диапазоне радиоволн. Там оно привело к недостижимой, ранее стабильности генераторов, к предельной чувствительности приемников.
Теперь им было ясно, что вынужденное испускание в оптике дает гораздо больше, чем простое усиление света, о котором писал Фабрикант в своей диссертации. Вынужденное испускание в оптике открывает путь для небывалой концентрации энергии, для передачи энергии на огромные расстояния с очень малыми потерями, для создания новых систем связи… Впрочем, могли открыться возможности, о которых никто еще и не мечтал.
Вспомните известную легенду об Архимеде. В ней говорится о том, как он спас родные Сиракузы, поставив на их стенах сотни воинов с блестящими щитами и приказав им отбросить этими щитами солнечные зайчики на флагманский корабль врагов. Корабль тут же загорелся, а за ним и другие. Враг бежал.
Во многих легендах есть зерно истины. Сиракузы не были побеждены. Враги действительно сняли осаду и удалились восвояси. Может быть, осаждавших ослепили щиты сиракузцев или обескуражила их решимость. Возможно, у них иссякла вода или продовольствие. История об этом молчит. Но физики знают, что щиты сиракузцев не могли поджечь корабли. Если на каком-либо из них и вспыхнул пожар, то по иной причине.
Об этом можно прочитать в интересной и поучительной книге профессора Г. Г. Слюсарева. Она называется «О возможном и невозможном в оптике». Эта книга вышла всего несколько лет назад. Потом она была переиздана. Это прекрасная книга, она не только основывается на непоколебимом фундаменте науки, но и написана так, что каждый, даже очень далекий от физики, поймет, что же могут и чего не могут достичь оптика и светотехника.
Особенно интересно читать эту книгу сегодня. Годы придали ей то, о чем даже не помышлял автор. Листая ее страницы, мы видим, как наука переходит от невозможного к возможному. Ведь почти все то, о чем в ней пишется как о невозможном, действительно было невозможным до 1960 года. А теперь стало, по крайней мере в принципе, возможным!
Нет, законы оптики не изменились. Все, о чем Слюсарев пишет как о недостижимом, осталось недостижимым при помощи старых источников света. Но новые источники – оптические квантовые генераторы – уже сделали многое из этого реальным и обещают в будущем достичь и остального.
ВОЗМОЖНО!
Каждый знает, что оптическая линза или вогнутое зеркало сводит параллельный пучок света в точку, находящуюся в фокусе. Если же в фокусе находится светящаяся точка, то та часть света, которая попадает на линзу или зеркало, превращается в пучок параллельных лучей. Это можно выразить и иными словами. На языке волн мы скажем: сферическая волна, выходящая из точки, совпадающей с фокусом линзы, превращается ею в часть плоской волны, которая может, почти не ослабевая, бежать на очень большие расстояния.
Теперь ни для кого не секрет, что никакая точка не может быть беспредельно малой. В оптике точка – это светящееся пятнышко, размер которого никак не меньше длины световой волны. Параллельный пучок в оптике совсем не похож на тот, о котором написано в учебнике геометрии. От параллельного пучка лучей света, по его краям, всегда постепенно отделяется небольшая часть, уходящая в стороны. Но это, как говорят, детали. Во многих случаях они не играют существенной роли.
Инженеры-светотехники встречаются с гораздо более существенными трудностями. Они не могут увеличить яркость прожектора просто потому, что яркость современных ламп достигла предела. Большего не допускают существующие материалы. Наращивать световой поток дальше можно, только увеличивая размеры лампы. Вот здесь и обнаруживается тупик. Прожектор может превратить в параллельный пучок только свет, идущий из точки. Свет, выходящий из соседней точки, формируется в отдельный (тоже параллельный) пучок, но идущий в другом направлении. Яркость света, излучаемого в первоначальном пучке, при этом не возрастает. Мы можем увеличить размеры площади, освещенной прожектором, но не ее яркость.
Яркость луча любого прожектора быстро уменьшается с увеличением расстояния. Ведь каждый прожектор излучает расходящийся пучок лучей из-за того, что источник света в нем не точечный. Оптический квантовый генератор с самого начала испускает почти не расходящийся пучок света, причем лучи его тем более параллельны, чем больше сечение пучка. Конечно, этот пучок постепенно расширяется из-за дифракции, то есть из-за огибания светом края выходного отверстия. Но это сравнительно небольшая часть, и ученые знают, как ее уменьшить. Поэтому яркость луча оптического квантового генератора очень медленно уменьшается даже на больших расстояниях.
Вот один из примеров невозможного. Никакая оптическая система не может сделать изображение обычного источника света более ярким, чем сам источник. Солнечный зайчик, отброшенный большим вогнутым зеркалом, режет сталь и плавит гранит. Как ни велика температура этого зайчика, она ниже температуры поверхности Солнца.
Если же на зеркало или линзу падает практически параллельный пучок лучей оптического квантового генератора, то вся энергия, заключенная в этом пучке, соберется в фокусе, на площадке размером порядка длины световой волны. Яркость этой площадки будет огромна. Температура в ней быстро поднимется. Легко предвидеть, что при этом произойдет!
Еще пять лет назад об этом и не мечтали. Сфокусированный луч оптического квантового генератора пробивает дырки в стальных пластинках, испаряет алмаз, а если в фокусе нет ничего, кроме воздуха, превращает его в миниатюрную шаровую молнию. Может быть, самое поразительное здесь то, что источник, испускающий этот шквал энергии, сам совсем холодный. Иногда он имеет температуру жидкого азота.
Лазерная оптика обогнала обычную с помощью радио. Обратная связь сыграла решающую роль. Только в результате дружного действия биллионов атомов их совокупное излучение приобретает почти идеальную регулярность в пространстве и времени.
Существенной особенностью лазеров является то, что все они основаны на использовании многообразных вариантов одного давно известного оптикам явления. На использовании разновидностей особого рода свечения – люминесценции. Если вы любите короткие формулировки, то можно сказать, что лазеры родились из союза люминесценции и обратной связи.
С люминесценцией навсегда связано имя академика Сергея Ивановича Вавилова.
В начале тридцатых годов в особняке на Миусах несколько человек каждый день спускались в абсолютно темный подвал и часами сидели там без всякого дела. Подобно тому, как Шерлок Холмс, желая сосредоточиться, играл на скрипке, некоторые из них пели. Это были академик С. И. Вавилов и его ученики. Они увлеченно трудились над разгадкой самосвечения веществ. Оно зачастую было столь слабым, что приходилось задолго до опыта готовить себя к нему, сидя в темноте и ничего не делая. Так часами сидел П. А. Черенков, нобелевский лауреат, которому посчастливилось открыть известный эффект Черенкова. Так работал и профессор Н. А. Добротин, ставший нобелевским лауреатом и заместителем директора ФИАНа. Так сидел часами и сам Вавилов, и сотрудники этим охотно пользовались, чтобы в тишине обсудить текущие дела и проблемы. Многие из его учеников стали видными учеными и работают не только в Москве, но и в других городах. Один из них, П. П. Феофилов, ленинградец, стал крупнейшим специалистом в области люминесценции. Он вслед за своим учителем исследовал природу свечения, лежащего в основе тех процессов, которые заставляют сиять в темноте циферблаты часов и приборов, гнилушки и светлячки в лесу и брызги морской воды в августовские ночи, а в наших домах образуют изображение на экранах телевизоров.
Феофилов, теперь уже вместе со своими учениками и сотрудниками, особенно подробно исследовал законы люминесценции ионов редких земель в различных кристаллах и стеклах.
Редкими землями, или редкоземельными элементами, называют группу металлов, некоторые из которых действительно крайне редки, а другие встречаются в больших количествах и широко применяются в технике, в частности в металлургии, стекольной промышленности, при изготовлении кремней для зажигалок, и трассирующих пуль, и снарядов. Впрочем, слово «земли» в их названии имеет только исторический смысл и пришло в науку из глубокой древности. Древнегреческие философы, средневековые алхимики и химики доменделеевского периода применяли это слово в различных, часто противоположных смыслах.
Уже Лавуазье предположил, что неразложимые, неплавкие, негорючие и нелетучие вещества, называвшиеся «землями», являются окислами и химикам еще предстоит их разложить. Через двадцать – двадцать пять лет все эти «земли» и ряд вновь открытых были действительно разложены на кислород и металлы. Но химики продолжали по привычке называть эти окислы землями.
Менделеев, создав свою периодическую систему, дал полную классификацию окислов и тем самым сделал термин «земли» излишним. Но традиции языка оказались сильнее здравого смысла. Более того, применительно к группе редких земель этот термин со временем присоединился не только к окислам, но и к самим металлам, имеющим очень близкие химические свойства.
Группа редкоземельных металлов в свое время доставила много хлопот Менделееву. Все они в отношении химических свойств аналогичны самому легкому из них – лантану. Они как бы выпадали из периодического закона, в соответствии с которым химические свойства должны изменяться от элемента к элементу, повторяясь через каждые 8 или 18 номеров.
Большую помощь Менделееву оказали исследования чешского химика Б. Браунера, который заинтересовался открытием Менделеева еще в семидесятых годах прошлого века. В результате длительных исследований редких земель Браунер решил, что все они как исключение должны быть выделены в особую группу. Менделеев принял это предложение. Он даже попросил Браунера, давно ставшего не только его заочным сотрудником, но и другом, написать раздел «Элементы редких земель» для седьмого издания своего знаменитого труда «Основы химии».
Квантовая физика подтвердила справедливость идей Браунера. Особенности редких земель связаны с тем, что по мере усложнения атомного ядра, после того как число протонов в нем становится равным 57, его заряд компенсируется не обычным прибавлением электронов на все более удаленные орбиты, а заполнением внутренних орбит, оставшихся не использованными в более легких атомах. При этом внешние орбиты всех 15 редких земель одинаковы, а именно они определяют химические свойства атомов.
Но Феофилова и его сотрудников интересовали не внешние электроны редких земель, а как раз те не заполненные электронами орбиты, которые отличали один редкоземельный элемент от другого. Постепенное заполнение этих орбит вызывало сложные изменения в спектрах. Расшифровка таких изменений представляла чрезвычайно увлекательную и сложную задачу. В ходе ее решения оказалось, что исследование спектров редкоземельных элементов позволяет получить ценные сведения о строении тех кристаллов, в которые редкие земли входят как очень малая примесь. Это было очень важно и для физики атома, и для теории строения кристаллов, и даже для решения сложных технологических задач, возникающих при варке лучших сортов стекла.
