Текст книги "Превращения гиперболоида инженера Гарина"
Автор книги: Ирина Радунская
сообщить о нарушении
Текущая страница: 16 (всего у книги 20 страниц)
Американским физикам хорошо известен и Скобельцын-ученый. Во многих учебниках описано, как, задумав изучить передачу энергии от кванта света – фотона к электрону, Скобельцын поместил камеру Вильсона в магнитное поле. Так он мог не только видеть следы электронов, но и измерять их энергию. Комптон, патриарх американской науки, прочитав его статью, прислал тогда еще совсем молодому ученому поздравительную телеграмму. Сейчас такой метод широко применяется во многих областях физики. При его помощи в начале двадцатых годов Скобельцын впервые увидел след космической частицы. Увидел и на всю жизнь увлекся изучением физики космических частиц. Увлекся и увлек за собой многих. Его ученики и ученики его учеников в ФИАНе и в десятке других институтов составили самую мощную, самую передовую школу исследователей космических частиц. Эта школа дала многочисленные побеги, проросшие в других областях физики, прежде всего в области ядерной физики_и физики элементарных частиц.
Таунсу, однако, не повезло – Скобельцына не было в Москве. Но нет худа без добра. Его встречал заместитель Скобельцына, которым оказался не кто иной, как Басов. Поэтому они смогли, не мешкая, перейти к самому, с их точки зрения, главному – к знакомству с работами в области квантовой электроники. Правда, до этого Басов ознакомил Таунса с подготовленной для него программой. Посещение лабораторий Басова и Прохорова в пятницу и субботу. Лекция профессора Таунса и посещение Института радиотехники и электроники Академии наук в понедельник. Осмотр других лабораторий ФИАНа – по его выбору и физического факультета МГУ во вторник. Поездка в Ленинград, поездка в Новосибирск, поездка в среднеазиатские республики, поездка в Ереван и Тбилиси. Наконец возвращение в Москву и заключительный визит в Институт кристаллографии Академии наук.
Кроме научной программы, предусматривались посещения театров, осмотр Кремля, экскурсии по городу и Подмосковью.
Таунс был явно поражен. Он, конечно, слышал о русском гостеприимстве. Но, несомненно, кто-то внушал ему мысль о «замкнутом обществе», о духе недоверчивости и секретности, о «железном занавесе». И вот он встретил радушный и доброжелательный прием, попал в атмосферу делового и искреннего сотрудничества.
Однако программа есть программа, и ее надо выполнять. Снова через холл мимо фотографий и потом налево по длинному коридору они прошли в крыло, в котором помещается лаборатория квантовой радиофизики, руководимая Басовым.
Еще несколько лет назад Басов и Прохоров работали вместе. Но за эти годы молодая квантовая электроника так развилась, приток молодежи стал настолько большим, что работать в рамках одной лаборатории оказалось невозможным. Произошло организационное разделение. Так родилась Лаборатория квантовой радиофизики, «Басов-лэб», как ее называют иностранцы. Прохоров сохранил за своей старое название – лаборатория колебаний.
Итак, профессор Таунс входил в святая святых, к алтарю того бога, которому он и его спутники служили верой и правдой, в лабораторию квантовой радиофизики.
Отстанем от них. Они сейчас зайдут в небольшой кабинет Басова и начнут говорить о вещах, для нас, простых смертных, слишком сложных. Лучше подождем немного и присоединимся к ним, когда начнется осмотр лаборатории.
БАСОВ-ЛЭБ
Вот открывается дверь, и из кабинета Басова выходит Таунс. За ним Басов и его сотрудники. Они направляются в лабораторию. Пойдемте за ними. Квантовая теория нам не помешает. Наоборот, она поможет нам многое понять. Конечно, мы не будем пытаться изучить ее так, на ходу. Это невозможно, и не стоит пробовать. Но мы по мере необходимости будем пользоваться ее плодами. Ведь срывая яблоки с древа познания, не обязательно нагибаться к его корням, изучать движение жизненных соков, проникать в тайны фотосинтеза и строение хлорофилла.
Лаборатория! Велик русский язык. Но, как и другие языки, он далек от совершенства. Один из его пороков – многозначие слов. Вот, например, слово «лаборатория». Оно обозначает учреждение или часть учреждения, в котором ведутся исследовательские работы. Оно же обозначает и помещение, приспособленное для научной работы, для проведения специальных испытаний или учебы.
Не больше пятнадцати лет прошло с тех пор, как Басов и Прохоров работали в помещении, состоящем из одной-единственной комнаты. Теперь их лаборатории – это большие творческие коллективы, работающие в прекрасно оборудованных помещениях. В них более сотни сотрудников. Уже многие' из них стали кандидатами и докторами наук. В этом году к защите намечены двадцать диссертаций! Да и сами Басов и Прохоров приобрели солидность. Звание академиков – пока набиралась книга, их избрали в АН СССР, – ленинских и нобелевских лауреатов обязывает. Некоторые их ученики уже руководят большими коллективами в других институтах. И нам придется потрудиться, если мы хотим вместе с Таунсом познакомиться со всем, что делается здесь, в лабораториях. Ведь Таунс специалист, он понимает своих коллег с полуслова. Но не будем падать духом и пойдем за ним.
В комнате, в которую они вошли, стоял первый молекулярный генератор. Нет, он уже не работал. Сделав свое, он превратился в музейный экспонат. Как паровоз Черепановых, он уступил дорогу своим потомкам, которых теперь успешно вытесняют тепловозы и электровозы. Трудно сказать, к какому поколению относятся молекулярные генераторы, которые с интересом рассматривал Таунс. Во всяком случае, они успели изменить специальность. Они уже не отсчитывают точное время, а помогают ученым изучать тончайшие детали строения молекул, атомов и атомных ядер. Они вновь превратились в радиоспектроскопы, от которых они происходят, замкнув цикл эволюции.
Спектроскописты стремятся все более подробно изучать строение спектральных линий. Но спектроскопы, как и телескопы или микроскопы, не могут быть безгранично зоркими. Тонкие, но важные подробности ускользают от нас вследствие несовершенства существующих приборов. Теория строения атомов и молекул говорит, что многие спектральные линии состоят из нескольких линий, сливающихся воедино только по вине спектроскопа. Именно эти недоступные наблюдению линии должны стать ступенями на пути к еще не покоренным вершинам науки. Для проверки теории и уточнения наших знаний крайне важно рассмотреть по отдельности эти слившиеся линии.
Изучение свойств молекулярных генераторов с двумя резонаторами открыло фиановцам еще одно свойство их приборов. Оказалось, что при медленном изменении расстояния между резонаторами на ленте самописца одна за другой появляются неразличимые ранее линии спектра аммиака. Те самые, предсказанные теорией линии, увидеть которые еще недавно считалось невозможным.
Этот результат особенно заинтересовал гостя потому, что он почувствовал здесь рождение новой главы спектроскопии. Он отлично понимал, что новый метод позволит увидеть незримые подробности спектра не только в аммиаке, но и во многих других молекулах.
Басов, Ораевский и Страховский сказали Таунсу, что ветеран квантовой электроники – молекулярный генератор еще не отказался от борьбы за звание эталона частоты. Им не надо было объяснять гостю, что все надежды ветерана в соревновании с молодым соперником – водородным генератором – в том, чтобы сбросить излишнюю полноту со своей спектральной линии. Ведь в аммиачном генераторе она примерно в три тысячи раз толще, чем в водородном. Все они знали и путь к похудению. Нужно было увеличить время пребывания молекул в резонаторе.
Но то, что удалось в случае атомов, не подходило для молекул аммиака. Пока не известно ни одного вещества, столкновение с которым проходило бы для аммиака так же незаметно, как это бывает при соударении атома водорода с пленкой парафина или тефлона. Поэтому создать для аммиачного генератора накопительную колбу пока невозможно. Басов и Ораевский, зная это, давно предложили несколько путей к заветной цели. Все эти пути должны были привести к одному результату – получению очень медленных молекул аммиака. Таких медленных, чтобы они не проскакивали через резонатор за тысячные доли секунды, а спокойно летели бы в нем как можно дольше. Они мечтали о секундах или хотя бы десятых долях секунды.
Свыше десяти лет назад американский ученый Захарайс стремился получить медленные атомы цезия для увеличения стабильности атомнолучевых трубок. Он предложил создать для этой цели атомный фонтан. Идея была удивительно простой и изящной. Все знают, что в любом газе атомы (или молекулы) движутся хаотически. Некоторые очень быстро, другие медленно. Как масса атомов распределяется по всевозможным скоростям, вычислил еще Максвелл. Захарайс решил направить пучок атомов вверх наподобие струи воды в фонтане. Конечно, атомный фонтан можно создать только внутри установки, из которой тщательно откачан воздух. Тогда быстрые атомы, он имел в виду цезий, ударятся в верхнюю крышку установки и прилипнут к ней. Медленные, не долетев до крышки, замедлятся под действием притяжения Земли и повернут обратно. Если источник пучка немного наклонен, то медленные атомы опишут плавную дугу, изгибающуюся подобно пучку переспевшей ржи. Чем медленнее атомы, тем круче их путь. Теперь остается поместить резонатор там, где к нижней части установки опускаются атомы, скорость которых привлекает экспериментатора.
Захарайс соорудил высокий вакуумный колпак и расположил под ним свой фонтан. Насосы откачали воздух, источник пучка атомов нагрелся до нужной температуры и… никакие атомы не возвратились в нижнюю часть установки. Результат потряс не только Захарайса, но и всех, узнавших о странном поведении его фонтана. Природа нарушала закон Максвелла! Именно так говорили все, ибо до сих пор закон Максвелла правильно описывал все, с чем встречались люди в природе и в специально поставленных опытах. Понадобилось большое время и упорный труд, чтобы реабилитировать природу и Максвелла. Ведь никто серьезно не обвинял природу. Все понимали, что ее законы не зависят от людей. Во всем был виноват фонтан. Оказалось, что канал, формирующий струю атомов, не пропускает медленных атомов. Вылетающий пучок в отличие от газа в сосуде, содержит преимущественно быстрые атомы, медленных там почти нет. А раз они не вылетают вверх, их нечего ожидать и внизу.
Басов и Ораевский предложили другие способы получения медленных молекул. Большинство из них были основаны на том или ином способе замедления тех быстрых молекул, которые составляют большинство в молекулярных пучках. Но экспериментальные трудности не позволили пока реализовать ни один из этих способов.
К приезду Таунса действовал лишь один, простейший способ. Его простота не позволяла рассчитывать на многое, но важно было, как говорят физики, зацепиться. Вместо обычной сортирующей системы в молекулярном генераторе стояло то, что механики лаборатории окрестили «кривым ружьем». Это была сортирующая система в виде ряда колец, предложенная двумя учеными, Крупновым и Сиворцовым из Горького. Но в отличие от того, что делалось раньше, воображаемая ось, проходящая внутри колец, была прогнута. Электрические силы заставили медленные молекулы следовать вдоль искривленной системы, а быстрые молекулы, преодолевая действие этих сил, вырывались наружу. Так, в отличие от Захарайса, в резонатор должны были попасть не только молекулы, имеющие вполне определенную малую скорость, а все молекулы, скорость которых меньше какой-то избранной.
Расчет оправдался. На экране осциллографа можно было видеть, как по мере понижения напряжения, подаваемого на «кривое ружье», из пучка вырывались все более медленные молекулы и спектральная линия на глазах «худела». К сожалению, медленных молекул было так мало, что генерация не начиналась. Но ни фиановцы, ни Таунс не сомневались в том, что для получения генерации достаточно заменить резонатор другим, имеющим меньшие потери.
В связи с предстоящим улучшением резонатора Таунсу рассказали еще об одном интересном проекте – моделировании лазера при помощи молекулярного генератора. Ученые всего мира испытывают трудности в связи с тем, что ширина спектральных линий, на которых работают лазеры, очень широка. Это мешает исследованию важных, характеристик лазеров. Молекулярный генератор работает на спектральных линиях, ширина которых в сотни тысяч раз меньше. Но применить молекулярный генератор для моделирования лазера не удается из-за различия их резонаторов. Резонансная кривая в случае оптического резонатора много уже, а в случае радиочастотного резонатора много шире, чем соответствующая спектральная линия.
Прекрасная экспериментальная база ФИАНа позволяет выйти из затруднения чрезвычайно оригинальным, хотя и не простым путем. Стоит заменить обычный резонатор сверхпроводящим, и ширина его резонансной кривой уменьшится в миллионы раз. Так будет создана радиочастотная модель лазера.
ЭФФЕКТ ИЛИ ДЕФЕКТ?
В заключение знакомства с семейством советских молекулярных генераторов Таунсу предложили загадку. Вопрос гласил: может ли частота молекулярного генератора зависеть от направления магнитного поля? Таунс ответил: нет, не может. Этот ответ соответствовал наиболее точным теориям.
Каково же было изумление гостя, когда хозяева показали ему, что такая зависимость в действительности существует. В течение долгого времени удивительное явление изучали и в ФИАНе и в одном из метрологических институтов. Провели массу измерений и проверок. Необъяснимое явление действительно существовало. Горячая дискуссия не дала ничего нового. Ее вывод гласил: очень интересно и совсем непонятно.
Кстати, и через полтора года, положение не изменилось. Загадка осталась загадкой. Недавно в Москве гостил один французский ученый; он был так взволнован увиденным, что прибегал в лабораторию по нескольку раз в день – эффект или дефект?
В соседних комнатах Таунс увидел сверхстабильные водородные генераторы. Они, по-видимому, с наибольшим основанием претендуют на роль эталонов частоты. Поэтому становится особенно важным изучить их свойства так же подробно, как это уже сделано для молекулярных генераторов.
Таунс долго и увлеченно обсуждал со своими коллегами различные новые возможности проверки предсказаний теории относительности о неодинаковом течении времени, которые могут быть осуществлены при использовании молекулярных и водородных генераторов. Оживленная дискуссия была прервана телефонным звонком. Из соседней комнаты напоминали о том, что расписание давно нарушено.
Снова возник безнадежный вопрос о том, как объять необъятное. Решили не пытаться. Гость будет сам регулировать скорость и направление своего движения, выбирая то, что его больше привлекает. А привлекала его в тот момент одна фантастическая, почти фантастическая вещь. Таунс уже слышал о том, что Басов с молодыми сотрудниками В. С. Зуевым, П. П. Крюковым, В. С. Летоховым и Р. В. Амбарцумяном заставляют импульсы от оптического квантового генератора бежать быстрее, чем световые волны. Но в это невозможно было поверить! Таунс по дороге с аэродрома даже подтрунивал над Басовым:
– Так во сколько раз скорость у вас больше скорости света?
– В десять, – невозмутимо отвечал Басов.
Так Таунс тогда и не понял, шуткой ли на шутку отвечал Басов или это было сказано всерьез.
И вот теперь в лаборатории он снова в нетерпении спрашивает, правда ли это, и если правда, то можно ли поподробнее?
– Пожалуйста.
И гость услышал даже его поразивший рассказ.
Лазер, при помощи которого наблюдался этот необычный эффект, давал гигантский импульс света мощностью в миллиарды ватт. Басовцы пропускали этот импульс через стержни возбужденного рубина, где он усиливался еще больше. Теория, развитая Сковилом и его сотрудниками, предсказывала, что при этом импульс, который первоначально длился всего несколько десятков миллиардных долей секунды, станет еще короче.
Однако точные измерения показали, что ожидаемого укорочения не получается. Длина и форма импульса остаются почти неизменными. Но совершенно неожиданно оказалось, что вершина импульса бежит вперед гораздо быстрее, чем распространяется свет в пустоте. Результат, казалось, противоречит основному положению современной физики о том, что скорость света в пустоте не может быть превзойдена.
Пришлось прервать опыты, рассказывал гостю Басов, и сесть за стол. Вот что сказали формулы, после того, как их допросили строже, чем это раньше сделал Сковил. Гигантский импульс, несмотря на свою кратковременность, содержит более миллиона световых колебаний. Они начинаются с очень слабых и лишь постепенно достигают колоссальных величин. По мере того как этот импульс пробегает через усиливающий кристалл, слабые колебания на переднем склоне импульса усиливаются, съедая всю энергию, запасенную в кристалле. На долю остальной части импульса уже ничего не остается. Эта часть бежит не усиливаясь, а может быть, даже немного ослабевая из-за рассеяния на неизбежных неоднородностях кристалла и из-за других потерь энергии. Поэтому по мере продвижения светового импульса вдоль кристалла его вершина быстро перекатывается вперед по самому импульсу.
– А так как мы измеряем скорость импульса по положению его вершины, – говорил Басов, – то, естественно, получаем величину большую, чем скорость света. Иными словами, сама волна бежит со скоростью света, а вершина импульса перемещается быстрее, так как роль вершины импульса постепенно переходит от одного гребня волны к другому!
Я представляю себе цепочку спортсменов, бегущих один за другим с совершенно одинаковой скоростью. Пусть теперь один из них на бегу передает эстафетную палочку тому, кто бежит перед ним, а этот, в свою очередь, передает ее вперед. При этом эстафетная палочка будет двигаться вперед быстрее, чем сами спортсмены. Нечто подобное происходит и с вершиной импульса в опытах, показанных Таунсу.
«Сверхсветовой» импульс пока кажется неким физическим курьезом. Но, поняв механизм его возникновения, в этой лаборатории сумели добиться и получения сверхкоротких импульсов, предсказанных расчетом Сковила. Это было нелегкое дело. Условия расчета Сковила соблюдались только для тех импульсов, которые не имеют пологой передней части. Только если передний фронт импульса, попадающего на вход усилителя, очень крут, его вершина не сможет убегать вперед, а хвост будет постепенно обрезаться.
Ни одна система управления резонатором, применяющаяся для получения гигантских импульсов, не давала нужной крутизны переднего фронта. После упорных поисков пришлось ввести в лазер вторую систему модуляции, дополнительно обрезающую передний фронт гигантского импульса. Как только система была налажена, все пошло в соответствии с расчетом. Усилитель не только увеличивал высоту импульса, но и обрезал его хвост. Так были впервые получены гигантские импульсы света длительностью всего в несколько миллиардных секунды.
И опыт и его объяснение произвели на гостя большое впечатление. За обедом, который прервал обход лаборатории, он поднял тост за будущую Нобелевскую премию.
Но впереди были другие комнаты и не менее интересные работы. Здесь были и полупроводниковые оптические генераторы различных типов, и генераторы, работающие на всевозможных газах, и твердотелые генераторы, дающие световые импульсы такой мощности, что они превращают газ в ослепительно сияющую плазму.
Гостю показали установку, при помощи которой физики совместно с астрономами проводили в Крымской обсерватории точную светолокацию Луны, сравнивали полученные результаты с тем, что в этом направлении сделано в США, где пока зафиксировали лишь факт приема световых волн, отраженных от лунной поверхности. И в лаборатории, и в коридорах, переходя из комнаты в комнату, и за обеденным столом говорили об одном и том же. Чего можно ожидать от лазеров в будущем? Где следует их применять? Конечно, прежде всего обсуждали, удастся ли при помощи сверхгигантских импульсов управлять термоядерными реакциями. Речь шла и о возможности применения мощного электромагнитного излучения для управления химическими реакциями. Ведь применив такой метод воздействия, можно избирательно разрушать химические связи и направлять течение реакции по новым путям, недоступным при обычных методах. Такие исследования уже начались, а возможность создания для этой цели специальных генераторов уже изучается в лаборатории Прохорова.
Очень важно было бы научиться включать и выключать лазеры при помощи сигналов других лазеров. Это открывает путь к созданию сверхбыстродействующих счетных машин. Особенно ценным была бы возможность применения света в таких машинах и для передачи и сохранения информации.
Полупроводниковые оптические генераторы, работающие при малых токах, могли бы составить основу таких вычислительных машин и других разнообразных сверхбыстродействующих схем, аналогичных радиосхемам.
От этих проектов, относящихся еще к будущему, беседа переходила к вполне реальным применениям лазеров. К оптическим системам связи и передачи телевидения, к лазерным дальномерам и гироскопам. Гости и хозяева сравнивали различные способы применения лазеров для обработки алмазов и твердых сплавов, для сварки самых тугоплавких металлов. Они обсуждали детали того, как лазер помогает выполнять тончайшие операции внутри живого человеческого глаза, как его лучи производят филигранные исследования клеток живого организма, вызывая в них разнообразные изменения. Лазер… лазер…
Человек, по-настоящему увлеченный своим делом, думает о нем постоянно, вновь и вновь рассматривая его с различных сторон, отыскивая новые возможности, разрабатывая программу на завтра и планы на будущее. И только сон может прервать этот поток мыслей. Хотя некоторые считают, что отдельные части мозга трудятся и во сне, передавая сведения, полученные за день, в глубинные тайники памяти.
Оставим теперь наших друзей и их гостя. Ведь и завтра ему предстоит нелегкий день. День в лаборатории Прохорова,
