Текст книги "Превращения гиперболоида инженера Гарина"
Автор книги: Ирина Радунская
сообщить о нарушении
Текущая страница: 17 (всего у книги 20 страниц)
ЛАБОРАТОРИЯ КОЛЕБАНИЙ
Приезд Таунса совпал с важной датой, лаборатория колебаний праздновала свое тридцатилетие. Праздновала, несмотря на то, что тридцать лет вовсе не принадлежат к числу дат, предусмотренных для юбилейных торжеств.
Это событие как нельзя лучше характеризует дух лаборатории, психологию ее сотрудников, внутреннюю жизнь ее коллектива. Непраздничная дата совпала с успешным завершением важных исследований. Научные достижения лаборатории получили высокую оценку, и коллективу была присуждена крупная денежная премия.
Теперь невозможно установить инициаторов, но общественные организации провели внутренний плебисцит. Подавляющее большинство высказалось против раздела денег, за то, чтобы использовать их на проведение коллективного вечера. Торжественного и неофициального вечера с приглашением старых сотрудников лаборатории, по различным причинам работающих теперь в других местах.
В обширном колонном зале ФИАНа в виде огромной буквы «П» растянулся украшенный цветами и фруктами стол. Так стоят столы на бесчисленном множестве банкетов, и никто не придает этому никакого значения. Тут можно ждать обвинения в сентиментальности или в стремлении к философии на мелком месте, но факт остается фактом. Организатором лаборатории колебаний и ее первым заведующим был Папалекси. И Прохоров начал свой отчетный доклад с рассказа об идеях Мандельштама и Папалекси и о связи новых работ лаборатории с трудами ее создателей. Юмор и природный такт подсказали Прохорову, где ему следует от научных проблем перейти к застольной речи, которую он закончил тостом за процветание ФИАНа.
Бывший сотрудник лаборатории, профессор МГУ В. В. Мигулин напомнил о тех годах, которые кажутся древней историей многим научным работникам, родившимся после войны. О том романтическом периоде, когда Саша Прохоров вошел в его группу, чтобы делать науку в поле и в море. Вслед за ним С. М. Рытов рассказал об аспиранте Прохорове, и многие вместе с ним вспомнили полузабытые строки.
Вот Прохоров крошка —
Другим в пример —
Катает в колясочке дальномер
И кричит: «Господа и дамочки,
Смотрите на наши гаммочки!»
Они были написаны в первый послевоенный год, когда Академия наук праздновала свое двухсотдвадцатилетие. Гостям показывали работы института. И одним из наиболее интересных приборов был фазовый радиодальномер Мандельштама и Папалекси, дававший неведомую в то время точность. На экране этого дальномера непрерывно деформировалась кривая, больше всего напоминающая греческую букву «гамма».
Старейший из сотрудников Мандельштама и Папалекси И. М. Борушко вспоминал об увлекательных походах, в которых эти дальномеры испытывались в самых трудных условиях.
А потом младшее поколение рассказывало о ненаучных путешествиях и байдарочных походах. И здесь Прохоров никогда не был отстающим. Ведь недаром один из заместителей директора советовал ему для солидности засовывать под костюм подушку.
Хорош тот учитель, которого обгоняют его ученики. Среди учеников академиков Мандельштама и Папалекси есть академики, много членов-корреспондентов Академии наук, а докторов наук трудно сосчитать. Мы понимаем, что только политические мотивы, довлевшие долгие годы над Нобелевским комитетом, были причиной тому, что Мандельштам и Ландсберг, открывшие комбинационное рассеяние света несколько раньше, чем Раман, не разделили с ним Нобелевскую премию. Но Нобелевская премия, полученная Прохоровым и Басовым, служит еще одним украшением славного знамени школы Мандельштама и Папалекси.
Эстафета поколений, пожалуй, нигде не играет такой роли, как в науке. Многие десятки студентов, сменяя друг друга, постоянно работают в лаборатории колебаний. Здесь почти с первого дня на каждого из них смотрят, как на равноправного сотрудника. И эта атмосфера доверия и требовательности дает свои плоды. Большая часть из сидящих за праздничным столом – бывшие студенты и аспиранты Прохорова или дипломники и аспиранты его бывших учеников, ставших уже уважаемыми учеными. Многие гости приехали из Баку, Еревана и Тбилиси, из более близких городов или из московских институтов, где они развивают традиции школы Мандельштама и Папалекси. При каждом удобном случае гости стараются приехать в ФИАН, и не когда-нибудь, а именно в субботу.
Суббота в ФИАНе – особый день. В другие дни большие двери института редко открываются после девяти часов утра. Все давно на местах и работают. Иное дело в субботу. Не успеет вбежать в институт последний из опоздавших сотрудников, как двери штурмует новая волна, непрерывно нарастающая еще целых полчаса. Это гости.
Ровно в девять тридцать уже много лет подряд начинаются объединенные субботние семинары лабораторий колебаний и квантовой радиофизики. Семинары, которые, по существу, превратились в бесконечную научную конференцию, собирающую несколько сот постоянных участников. Выступить на этом семинаре считает за честь каждый работающий в области квантовой электроники. Квантовая электроника постепенно вытеснила с этих семинаров другие разделы радиофизики, и эта целеустремленность отличает семинар от других популярных семинаров с более широкой тематикой.
И еще одним отличается этот семинар: непринужденной деловой товарищеской атмосферой. Открывает заседание семинара не Прохоров, а ученый секретарь, один из посменно назначаемых добровольных носителей тяжелого организационного бремени, «которое ведь кто-нибудь должен нести». На этих семинарах, если только докладчик не запросит пардона, его можно перебивать в любом месте любыми вопросами. А после окончания доклада град вопросов и буря дискуссии помогают обнаружить неточности и слабости, подтвердить истину и выбрать дальнейший путь. И каждый раз дискуссия заканчивается традиционной репликой секретаря: «А теперь предоставим слово Александру Михайловичу».
Но в эту субботу традиция была нарушена. Гость не был готов и, по согласованному расписанию, на субботу был назначен осмотр лаборатории колебаний, а доклад профессора Таунса был перенесен на понедельник.
Ставшие уже классическими исследования парамагнитного резонанса, давшие так много и физике и технике, не очень интересовали гостя. Он сам не работал в этой области и, естественно, стремился к тому, что его увлекало. А увлекали его сложные проблемы квантовой электроники, таящие еще неизведанные пути.
И ему было что посмотреть у Прохорова.
Один из замыслов Прохорова недавно казался совершенно фантастическим. Теперь это полноправное направление. Новая просека в чаще неведомого. Прохоров обосновал возможность создания оптического квантового генератора, в работе которого участвует энергетический уровень, на самом деле не существующий. Не удивительно, что поначалу это казалось многим чисто математическим упражнением, так сказать, игрой ума. Но для Прохорова это, по-видимому, было развитием одной из идей, теперь общепризнанной, а ранее казавшейся безумной.
Речь идет о переходах через удаленные уровни. Началось это много лет назад. Исследования процессов установления равновесного состояния в кристаллах, предназначенных для работы в парамагнитных усилителях, во многих случаях заводили ученых в тупик. Зачастую такие процессы протекали гораздо быстрее, чем это можно было предвидеть. И все расчеты шли насмарку. Не избегли таких разочарований и советские физики, в том числе Прохоров и Маненков.
Квантовая физика обнаружила, что в природе существует множество запретов. И они соблюдаются гораздо строже, чем многие законы, созданные людьми для упорядочения человеческих взаимоотношений. Конечно, и в физике имеются законы, обладающие ограниченной сферой действия. Так, недавно было обнаружено, что казавшийся незыблемым закон сохранения четности неприменим к процессам, связанным с участием нейтрино. Но существуют и такие запреты, которые должны соблюдаться неукоснительно. Именно они запрещали переходы между некоторыми близкими уровнями энергии в парамагнитных кристаллах.
Несмотря на то, что соединенными усилиями были оценены все причины, хотя бы в малой степени разрешающие эти переходы, теория не сходилась с опытом. Переходы происходили несравненно быстрее, чем предсказывали расчеты. Казалось, что природа знает какой-то неизвестный людям путь обхода незыблемого запрета.
Прохоров и Маненков решили обнаружить этот путь. И они нашли его. Оказалось, что частица, находящаяся на том уровне, с которого путь вниз запрещен, может с большой вероятностью подняться на более высокий уровень, а уже потом, практически мгновенно, свалиться вниз. Прохоров и Маненков проверили это предположение на многих примерах, и опыт подтвердил его. Уличив природу в таком обходе запретов, Прохоров и Маненков решили извлечь из этого пользу. Они разработали метод, позволяющий из наблюдения двухступенного процесса определять высоту вспомогательного уровня, играющего основную роль при таких переходах. Это был способ изучения уровней, для наблюдения которых прямыми методами в то время, а в некоторых случаях и теперь не существует нужной аппаратуры. Прохоров и Маненков обнаружили, что в некоторых случаях непрямые переходы между близкими уровнями, разделенными запретом, могут происходить через удаленный третий уровень, лежащий не только выше, но и ниже этой пары. Об этих работах я вспоминаю каждый раз, пересекая по подземному коридору близ ФИАНа Ленинский проспект, переход через который запрещен.
По-видимому, статьи об этих работах Прохорова и Маненкова несколько опередили время. Они не встретили резонанса. Но впоследствии аналогичные исследования были выполнены за рубежом Орбахом. Наверно, статья Орбаха появилась в очень подходящий момент. Почва для нее уже была подготовлена. Факт остается фактом – непрямые переходы в течение нескольких лет даже в нашей стране называли Орбаховским процессом.
Впрочем, Прохоров не рассказывал гостю о непрямых переходах, уже вошедших в учебники. Нужно было беречь время, и он начал с не менее парадоксальной идеи.
Речь шла о двухфотонном оптическом квантовом генераторе. Конечно, двухфотонное поглощение было известно и раньше. При очень интенсивных полях атомные системы могут поглощать не только фотоны резонансной частоты, но и пары фотонов, суммарная энергия которых совпадает с разностью энергий соответствующих уровней.
О возможности противоположного процесса никто не думал. Но после того, как Прохоров и Селиваненко указали на возможность создания двухфотонного лазера, трудно понять, почему об этом не догадывались раньше. Конечно, в слабых полях вероятность двухфотонных процессов очень мала и их трудно наблюдать. Но если поля достаточно сильны, то при подходящих условиях вынужденный переход системы с верхнего уровня на нижний может сопровождаться рождением сразу двух фотонов. Таких, чтобы сумма их энергии равнялась энергии, выделяемой системой. На схемах, иллюстрирующих двухфотонный процесс, можно видеть верхний и нижний уровень, соединенные двумя стрелками. Но ни одна из них недостаточно длинна, чтобы перекинуть между ними мост. И они объединяются, стыкуясь между собой там, где пет никакого промежуточного уровня. Впрочем, физикам удобнее считать, что там есть виртуальный уровень (они почему-то не воспользовались русским словом «воображаемый»).
Конечно, Таунсу было любопытно узнать, при каких условиях можно осуществить такой процесс Прохоров и Селиваненко набросали расчет. Оказалось, что для этого нужно поместить активную среду в резонатор, настроенный сразу на обе желаемые частоты, и принять меры для подавления генерации на частоте, свойственной самой атомной системе. Достаточно после этого воздействовать на систему коротким, но мощным импульсом одной из избранных частот, и процесс начнется. А начавшись, он будет продолжаться до тех пор, пока мы сможем поддерживать среду в активном состоянии. Самое интересное и важное здесь – это возможность плавной перестройки частоты. Если генерация началась, то резонатор можно перестраивать в широком диапазоне, соблюдая лишь одно условие: сумма двух его частот должна оставаться равной частоте прямого перехода между рабочими уровнями.
Расчеты показали, что осуществить перестраиваемый двухфотонный генератор далеко не просто. И он до сих пор не создан. Но такой генератор очень нужен для управления химическими реакциями, и он, несомненно, будет построен.
От обсуждения теоретических проблем гость перешел к знакомству с тончайшими опытами, в которых советским физикам удалось с большой точностью измерить температуру плазмы, образующейся в сфокусированном луче оптического квантового генератора. В этой работе, кроме Прохорова и его сотрудника П. П. Пашинина, участвовал руководитель спектральной лаборатории ФИАНа профессор Сергей Леонидович Мандельштам, сын Леонида Исааковича, и его сотрудница Н. К. Суходрев.
Таунсу не нужно было объяснять, что ни один из известных методов измерения температуры не позволял получить нужной точности из-за крайней быстротечности возникновения и исчезновения этой миниатюрной шаровой молнии. Долгие обсуждения и настойчивые опыты привели наших исследователей к выводу о том, что можно провести расчет, точно связывающий температуру плазмы в этом разряде с испускаемым ею рентгеновским излучением. Они осуществили это на практике. И рентгеновы лучи стали чувствительным органом нового невиданного термометра. При их помощи удалось установить, что температура в плазме, получаемой в фокусе луча лазера, достигает полумиллиона градусов!
В соседней комнате Таунс познакомился с Натальей Александровной Ирисовой, появлявшейся уже на первых страницах этой книги юной аспиранткой, а теперь ставшей опытным молодым физиком. Она руководит группой, ведущей сложные исследования свойств вещества в субмиллиметровом диапазоне радиоволн. Ее цель обеспечить смыкание радиоволн с оптическими волнами методами квантовой электроники. Для этого она и ее сотрудники создают все более совершенные приборы, изучают новые материалы, сообщают товарищам, среди каких веществ следует вести поиски, изобретают все новые конструкции, добиваются увеличения точности и быстроты исследования.
Нельзя не залюбоваться тем, как уверенно действуют они в области, которая, по всеобщему мнению, превосходит по трудности все остальные. Здесь должны акклиматизироваться не только экспериментаторы, но и их приборы. И самыми жизнестойкими, совсем как в биологии, оказались гибриды, глядя на которые невольно думаешь о грани, отделяющей изящество от уродства.
Наталья Александровна с нежностью и осторожностью манипулирует с пустыми металлическими рамками. Только заметив недоумение зрителей, она поясняет, что рамки отнюдь не пустые. Они затянуты тончайшими незримыми проволочками. И образуют различные элементы приборов субмиллиметрового диапазона.
Прохоров поделился с гостем своими мечтами о новых типах оптических квантовых генераторов, о поисках новых активных материалов. Ведь коэффициент полезного действия большинства современных оптических квантовых генераторов очень мал. Он составляет доли процента, в лучшем случае несколько процентов. Прохоров убежден, что здесь можно достичь многого.
Лаборатория колебаний вместе с отделом монокристаллов ФИАНа и с Институтом кристаллографии уже добились повышения коэффициента полезного действия рубинового генератора до нескольких процентов. Так, рубиновый генератор сравнялся с паровозом. Но это не предел. Один из генераторов, созданный в лаборатории, имеет кпд в 13 процентов. Прохоров считает это число счастливым. Ведь удалось догнать тепловоз!
Прохоров – прирожденный фантаст. И к нему тянутся фантасты. Один из «старых» молодых сотрудников Прохорова, В. Г. Веселаго, бывший студентом-дипломником еще в старом ФИАНе на Миусах, затратил массу сил на создание уникальной магнитной установки. В ней в очень большом объеме в течение длительного времени могут поддерживаться огромные магнитные поля. Столь большие поля в других лабораториях создаются лишь в весьма малых объемах или на короткие мгновения. Это очень усложняет исследования. Здесь же Прохоров рассчитывает наблюдать то, что пока еще остается недоступным экспериментаторам. А может быть, при помощи новой установки они натолкнутся и на явления, о которых еще не думают и теоретики!
Знакомство с ФИАНом кончилось для Таунса своеобразным турниром. Он скрестил шпаги с молодым сотрудником прохоровской лаборатории Володей Луговым, который создал новую теоретическую модель комбинационного рассеяния, открытого Мандельштамом и Ландсбергом. Оказывается, и Таунс много работал в этой области (его можно считать заочным мандельштамовским учеником), и у него тоже есть своя модель. И результаты, полученные обоими учеными, совпадали. Казалось бы, о чем им спорить? Результаты-то совпадали, а модели были разные! И решить спор мог только эксперимент. И все присутствующие, захваченные азартом, обсуждали и предлагали свои варианты проверки. Все страшно спорили, пили кофе и спорили. Каждый защищал свою точку зрения, горячился, доказывал. Главные «бойцы» выпили уже по пятой чашке, а к соглашению все не пришли. Каждый остался при своем мнении. Кто прав – покажет время. Вернувшись к себе, Таунс, наверно, тут же засядет за работу. Этот диспут, по словам Таунса, был одним из самых его ярких впечатлений от посещения ФИАНа.
ПОНЕДЕЛЬНИК – ДЕНЬ ТЯЖЕЛЫЙ
Осмотр лаборатории колебании не мог уложиться в сокращенный субботний день, но хозяева с удовольствием пожертвовали частью своего отдыха. Гостеприимство недаром считается характерным свойством нашего народа.
Но человеческие возможности ограничены. Это чувствуют даже гурманы. Субботний вечер и все воскресенье были посвящены отдыху. Вечером театр. Днем осмотр Москвы и ее окрестностей. Обед на маленькой даче Прохорова, во время которого женам то и дело приходилось прерывать разгоравшиеся научные дискуссии.
Понедельник начался докладом Таунса. Конференц-зал ФИАНа был переполнен.
Вопросы затянулись, и Таунс должен был прямо из зала спешить в автомобиль, чтобы вовремя попасть на прием к вице-президенту Академии наук СССР академику М. Д. Миллионщикову. Предполагалось, что это будет короткий официальный визит вежливости, и программа предусматривала на него совсем мало времени. Но при составлении программы никто не подумал о том, что Миллионщиков не только вице-президент, но и физик. Уже в первые минуты выяснилось, что и в этом торжественном кабинете он прежде всего физик. И беседа приняла совсем не официальный характер. Незаметно пролетело время обеденного перерыва, и озабоченная секретарша, поняв, что ждать конца беседы безнадежно, принесла собеседникам чай, напомнив, что Таунса ждут в Институте радиотехники и электроники.
Директор Института радиотехники и электроники академик В. А. Котельников, автор теоремы Котельникова, на которую опирается вся теория связи, известен неспециалистам своими выдающимися работами по радиолокации планет. Он выразил, сожаление, что не может показать гостю планетный радиолокатор, который незадолго до этого осматривал известный английский радиоастроном Ловелл. Для этого пришлось бы поехать в Крым, а Таунс предпочел посетить Сибирь, Среднюю Азию и Кавказ. Но в институте находится новый парамагнитный усилитель, предназначенный для применения в радиоастрономии. Впрочем, сказал Котельников, он вкратце расскажет гостю о работах института, и профессор Таунс может выбрать, с какими из этих работ он хотел бы познакомиться подробнее.
Мы не будем сопровождать Таунса по многочисленным лабораториям, ведущим исследования в разнообразных областях радиотехники и электроники. Только закаленный спортсмен и выдающийся ученый может безнаказанно пройти такой маршрут. Мы подготовлены только к посещению лаборатории квантовой электроники, которая, как мы знаем, отпочковалась от лаборатории ФИАНа и которую возглавляет бывший фиановец профессор Жаботинский.
В свое время эта лаборатория вложила немалый вклад в разработку и исследование молекулярных генераторов и цезиевых атомнолучевых стандартов частоты. Но все ее молекулярные генераторы давно переданы в Московский энергетический институт, где они попали в руки студентов и аспирантов, специализирующихся в области квантовой электроники. Часть атомнолучевых стандартов проделала подобный путь, лишь два из них задержались в лаборатории для окончания дипломных работ студентов, но тоже готовились к скорому переезду.
Таунс с интересом осмотрел парамагнитный усилитель, применявшийся при первых опытах по радиолокации планет, и непревзойденный пока по своим характеристикам парамагнитный усилитель для исследования радиоизлучения космического водорода.
Он выслушал рассказ об исследованиях новых материалов, дающих надежду на получение еще более совершенных усилителей.
Особенно заинтересовал гостя рассказ о неожиданных возможностях, предсказанных М. И. Родак, которая извлекла их из оригинального теоретического исследования процессов, происходящих в парамагнитных кристаллах. М. И. Родак совсем молодой девушкой попала на фронт и с честью прошла через горнило военных лет. Она самоотверженно боролась за свободу и счастье человечества, за свою мечту стать ученым. После войны она окончила университет и стала физиком.
Если можно говорить о «мужских» и «женских» специальностях, то, пожалуй, самой «неженской» является теоретическая физика. Известно много замечательных женщин – математиков, химиков, биологов, филологов… Трудно даже перечислить области науки, в которых женщины продемонстрировали свое равноправие. Но когда Родак выбирала себе специальность, мир знал только одну женщину, добившуюся больших успехов в области теоретической физики. Такой пример мог только насторожить. Заставить подумать: а нет ли здесь в самом деле правила, какого-либо неведомого запрета? Поискать дороги полегче. Но Родак не испугалась. Возможно, ей помогла армейская закалка. Может быть, сыграла роль способность сосредоточиваться на поставленной цели, умение видеть за сухими формулами живую осязаемую природу.
Выбор оказался удачным. Способности и выдержка привели к успеху.
Родак сделала много интересных работ, но, пожалуй, только физик оценит все значение такой маловыразительной фразы: Родак нашла путь непрерывного поддержания инверсии между двумя электрическими уровнями в парамагнитных кристаллах без использования какого-нибудь третьего уровня. Вспомним, что в 1951 году Пэрселл и Паунд получили инверсию между двумя уровнями в кристаллах фтористого лития, но только на очень короткое время. В 1956 году Блумберхен, не видя другого пути, предложил использовать для непрерывной работы парамагнитного усилителя систему трех уровней. Сейчас эта восходящая к Басову и Прохорову схема применяется во всех существующих парамагнитных усилителях. Гипноз успеха был так силен, что о двухуровневых системах и не вспоминали.
Анализируя теорию взаимодействия парамагнитных ионов, Родак обнаружила, что при некоторых условиях должны возникать эффекты, о которых еще никто и не догадывался. Самым поразительным из них был такой. Если облучать парамагнитный кристалл радиоволной, частота которой лежит на склоне спектральной линии этого кристалла, то еще дальше на склоне этой же спектральной линии могут возникнуть условия для усиления радиоволн. Так впервые была обнаружена возможность непрерывного усиления или генерации радиоволн при помощи одной спектральной линии, а значит, с использованием лишь двух энергетических уровней.
Таунс задал молодой женщине много вопросов, поясняя свои мысли кривыми. Родак отвечала на них при помощи уравнений, ибо для физиков зачастую строчка математического уравнения заменяет получасовую речь. В заключение беседы гость заметил, что, по его мнению, экспериментальные работы в этом новом направлении будут чрезвычайно интересными, и поздравил автора с большим успехом.
В марте 1966 года ученый совет института подтвердил высокую оценку, присудив Родак за диссертацию, посвященную этим исследованиям, ученую степень кандидата физико-математических наук.
Время летело так быстро, что знакомство с работами по созданию новых материалов для оптических квантовых генераторов, с исследованиями свойств их излучения и посещение других лабораторий уже в какой-то мере напоминало туристскую экскурсию. (Желая увидеть как можно больше, человек обычно переоценивает свои силы и прежде всего свою способность к самоограничению. Кто из нас, начав обход музея размеренным шагом, не задерживался перед какой-нибудь картиной, забывая обо всех планах, о советах путеводителя. А потом, перед самым закрытием, мы гимнастическим шагом пробегаем мимо не менее интересных экспозиций.)
Вы лучше поймете, в каком состоянии вышел Таунс из Института радиотехники и электроники, если вспомните, что в этот день он пренебрег обедом. А мне говорили, что, по оценкам врачей, ученый тратит во время работы примерно столько же энергии, сколько и землекоп. К счастью, от института до гостиницы, по московским масштабам, рукой подать. Впрочем, даже короткой поездки по улицам Москвы оказалось достаточно для того, чтобы Таунс предстал перед своей супругой таким свежим и бодрым, как будто не было ни доклада перед незнакомой аудиторией, ни длинных научных дискуссий, ни утомительного осмотра лабораторий.
А вечер, как и предыдущие вечера, тоже был занят. И вряд ли ученый, каким бы гостеприимным хозяином он ни был, может избавить своего коллегу-гостя от обсуждения сложнейших научных вопросов.
