Текст книги "В поисках чуда (с илл.)"
Автор книги: Лев Бобров
сообщить о нарушении
Текущая страница: 13 (всего у книги 25 страниц)
Еще одно чудо света?
Еще издревле человек использовал свет для своих повседневных нужд. Им отгонял он ночную мглу и хищных зверей, им мгновенно передавал важные вести тем, кто оставался недосягаем для звука или гонцов.
Свет обожествляли. Самый мощный его источник – Солнце – был персонифицирован греками в образе Гелиоса. 35-метровая бронзовая статуя лучезарного бога поднялась в III веке до нашей эры на острове Родос, чтобы стать одним из семи пресловутых чудес. В те же годы на противоположном берегу Средиземного моря закончилось строительство не менее грандиозного сооружения:
Башню на Фаросе, грекам спасенье, Сострат Дексифанов,
Зодчий из Книда, воздвиг, о повелитель Протей!
Ночью издали видят плывущие морем все время
Свет от большого огня в самом верху маяка.
Маяк, воздвигнутый в 280 году до новой эры на скалистом мысе острова Фарос близ Александрии, представлял собой настоящий небоскреб.
Колоссальное многоярусное сооружение вздымалось ввысь на 120 (по некоторым источникам – на 170) метров.
Наверху полыхал огромный факел; топливо для него доставлялось навьюченными ослами по пологой винтообразной лестнице, построенной внутри «высотного здания». Система металлических зеркал усиливала световой поток, отбрасывая его далеко в ночной мрак.
Шестнадцать столетий «маячило» перед глазами изумленных мореходов фаросское диво; и по сей день еще легко уловить осколок его овеянного легендами имени в слове «фара».
Кстати, о фарах. Даже они, обычные автомобильные лампы с зеркалами, и уж тем паче их мощные собратья на современных маяках – как далеки они от смрадных пожарищ, которые больше чадили, нежели светили, даром что были вознесены на верхушки исполинских постаментов вроде многоэтажной каменной башни в Александрийском порту.
На каком отдалении видели марсовые древних галер фаросскую «путеводную звезду»? Десять километров? Двадцать? Сто?
Многие миллионы километров – с такой дистанции можно рассмотреть невооруженным глазом сфокусированный луч квантового генератора.
Генератора современного типа, то есть далеко не самого совершенного из всех его мыслимых воплощений.
Становится реальностью межзвездная оптическая связь (до ближайшей к нам звезды свет идет четыре с лишним года). Конечно, самые мощные лазеры гораздо крупнее автомобильной фары или даже прожектора (недавно построен гигант длиной свыше десяти метров), но есть и такие, что запросто умещаются на небольшом лабораторном столе.
Осенью 1963 года сотрудники Физического института имени П. Н. Лебедева установили лазер в фокусе телескопа имени Г. А. Шайна (Крымская астрофизическая обсерватория) – этот уникальный астрономический инструмент с диаметром зеркала 2,6 метра по своей оптической мощности занимает первое место в Европе, а по качеству изображения не уступает крупнейшему в мире рефлектору на горе Маунт Паломар (США). Понятно, почему именно на него пал выбор московских физиков. Но на сей раз дальнозоркий крымский «циклоп» не ловил сияния далеких, светил: он сам стал прожектором.
Его нацелили на Луну. На затененном участке нашего естественного спутника заиграл зайчик. Не очень яркий: отраженный сигнал, попав в зрачок второго телескопа, оказался в миллиарды миллиардов раз слабее первоначального, посланного с Земли. И все же его уловил чувствительный прибор.
Световое зондирование небесных тел позволит в десятки, если не в сотни, раз точнее определять расстояния до различных участков той или иной планеты, чем с помощью радиолокации.
«Гиперболоид инженера Гарина», вызванный к жизни воображением А. Н. Толстого, разрезал световым «скальпелем» сталь броненосцев, словно дальнодействующий автогенный аппарат. Герой этого фантастического романа тоже использовал систему зеркал, собирая в нерасходящийся пучок лучи от ослепительно белого пламени, которое давали некие таинственные «пирамидки».
Ну, а лазер?
Уже сегодня его луч пробуравливает самые тугоплавкие металлы, самые твердые материалы.
Например, бритвенное лезвие с расстояния в 10 метров.
Именно так специальными агрегатами, созданными в Московском научно-исследовательском институте металлорежущих станков, прожигаются наитончайшие калиброванные каналы в различных промышленных изделиях. Скажем, в рубиновых камнях для часовых механизмов.
Такая неуловимо-нежная, неосязаемая субстанция, а действует под стать тарану-долоту! Или ракетному двигателю.
Есть идея – корректировать траектории искусственных спутников, направляя на них с Земли лазерный луч. Свет будет «отталкивать» рукотворную «луну» и не даст ей раньше времени сгореть в плотных слоях атмосферы. Что это – давление света?
«Я, кажется, сделал очень важное открытие в теории движения светил, специально комет… Сообщил Винеру, сперва он объявил, что я с ума сошел, а на другой день, поняв, в чем дело, очень поздравил». Это отрывок из письма великого русского физика Петра Николаевича Лебедева. Сумасбродный немецкий ученый Винер поначалу счел ныне общепризнанную астрономическую истину: хвосты комет направлены всегда в сторону от Солнца потому, что их отталкивает свет нашей дневной звезды. Такой вывод следовал из электромагнитной теории англичанина Максвелла. Но оспаривался крупнейшими авторитетами, в их числе лордом Кельвином, имя которого присвоено абсолютной шкале температур. Изящнейшими экспериментами Лебедев неопровержимо доказал: механическое давление света – факт. К. А. Тимирязев рассказывал, как в 1903 году лорд Кельвин обратился к нему со словами:
– Вы знаете, что я не поддавался на аргументы Максвелла. А вот перед опытами вашего Лебедева пришлось сдаться…
Световое давление в повседневной жизни совершенно неощутимо, его обнаруживают лишь очень чувствительные приборы. Однако при фокусировке лазерного излучения в малых объемах создается до того высокая концентрация энергии, что световой напор может достигнуть миллиона атмосфер! Правда, в случае со спутником, освещенным с Земли, этот эффект почти не скажется; он перекроется другим, куда более заметным: с поверхности космического аппарата, нагретой лазерным лучом, начнут отрываться атомы и молекулы – такое испарение создаст реактивную силу, противодействующую тяготению.
Знаменательно, что идеи «силовой оптики» получили блестящее развитие в трудах того самого института, который носит имя П. Н. Лебедева. Именно там работают академики Н. Г. Басов и А. М. Прохоров. Там (и не только там) работают их многочисленные ученики. Следуя традициям передовой русской науки, обогащая ее наследие, они умножают ее добрую славу. Но у преемников Лебедева иная судьба.
Вынужденный подать в отставку в знак протеста против произвола царского министра, Лебедев в 1911 году был выдворен из университетской лаборатории. Виртуоз физического эксперимента оказался фактически за бортом большой науки. Тяжело переживая злосчастную участь дела, которому он отдал целых 20 лет, 45-летний профессор слег в постель и больше не поднялся, так и не дожив до триумфального стокгольмского эпилога (кандидатуру Лебедева выдвинули на соискание Нобелевской премии).
Преждевременно скончавшийся, а вернее – сведенный в могилу в расцвете творческих сил, Лебедев не увидел послеоктябрьскую Россию. Но дело, начатое им, нашло в новых условиях достойных продолжателей. Впрочем, пора вернуться к лазерам.
Недавно советские инженеры превратили световую рапиру в паяльник. Это станок-автомат. Он скрепляет крохотные, с типографскую точку, детальки электронных схем. Точечную сварку можно вести в самых труднодоступных местах, через узкие щели, через прозрачные перегородки. А другими подобными аппаратами даже сквозь стекловидное тело глазного яблока.
В 1964 году в Украинском научно-исследовательском институте глазных болезней и тканевой терапии имени академика В. П. Филатова успешно опробован новый способ «приваривания» к глазному дну отслоившейся от него сетчатки. В 1966 году сдан в серийное производство офтальмокоагулятор ОК-1. Пациент не успевает ни увидеть, ни почувствовать вспышку – настолько кратковременно и деликатно прикосновение необычного скальпеля.
«В одну телегу впрячь не можно коня и трепетную лань», – гласит знаменитая сентенция, противопоставляющая грациозную легкость грубоватой силе.
Чудодеи квантовой физики сплавили воедино, казалось, несовместимое – деликатность и резкость, слепую мощь и ювелирную точность. Миллионы лошадиных сил – у светового импульса мощность может быть больше, чем у Братской ГЭС. Правда, это всего-навсего блицпревосходство, оно существует постольку, поскольку скоропреходяще, мгновенно – энергия, выделяющаяся за миллионные доли секунды, обеспечила бы собой лишь кратковременную вспышку лампочки карманного фонарика.
В 1965 году профессора А. М. Прохоров и С. Л. Мандельштам пробовали ионизировать газы: лазерный луч у них своим электрическим полем вызывал пробой в воздухе. Профессор Н. Г. Басов пытается с той же целью вести световой обстрел твердых мишеней. Полагают, что так со временем удастся получать высокотемпературную плазму. А в отдаленном будущем – инициировать термоядерный синтез и управлять им.
Первенцем квантовой электроники, как известно, явился мазер – источник сантиметровых и миллиметровых радиоволн. Термин составлен из первых букв английской фразы, переводящейся примерно так: «Усиление микроволн посредством индуцированного излучения». Еще более коротковолновые (а следовательно, и более высокочастотные) колебания генерирует лазер; здесь вместо «м» («микроволны») фигурирует сокращение «л» («лайт» – значит «свет»). Он работает в видимой области спектра. Ради краткости все члены этого непрерывно плодящегося семейства часто именуются собирательно – просто «лазеры».
Дорогами разведчиков
…Многим не привелось уцелеть под ураганным минометным огнем, который в тот весенний день сорок третьего года обрушился на передовые позиции, занятые под Ржевом 94-м полком 30-й гвардейской стрелковой дивизии одной из армий Западного фронта. Находясь в разведке, был тяжело ранен и старший лейтенант Александр Прохоров. Просто чудом избежал он смерти: истекающего кровью, с зияющей раной в бедре доставили его товарищи в медсанбат.
Крепкий организм выдюжил – через год 28-летний офицер выписался из госпиталя. Но вернуться в строй уже не пришлось, врачи не разрешили. Так бывший разведчик снова очутился в родных пенатах – в лаборатории колебаний ФИАНа (Физического института имени П. Н. Лебедева АН СССР). Отсюда ушел он на войну, не успев закончить аспирантуру, прервав интересное исследование, которое велось под руководством Н. Д. Папалекси и В. В. Мигулина и уже тогда дало новый радиометод наблюдения за ионосферой.
Теперь предстояло наверстать упущенное. Думал ли, гадал вчерашний солдат, только что сменивший застиранную гимнастерку на лабораторный халат, что через 20 лет ему придется во фраке явиться на аудиенцию к шведскому королю?
Александр Михайлович с головой погружается в родную стихию радиофизики. Под руководством профессора Сергея Михайловича Рытова он занимается стабилизацией «блуждающей» частоты радиогенераторов. Вскоре ему вместе с С. М. Рытовым и М. Е. Жаботинским присудят премию имени Л. И. Мандельштама – за теорию стабилизации частоты. Идет разведка на мирных рубежах.
Той порой получает путевку в жизнь большое открытие, сделанное в Казани, где вынуждены ютиться некоторые московские лаборатории, эвакуированные туда на время войны. Там начинается одна из тех дорог, которые сойдутся потом здесь, в столице, в лаборатории Прохорова.
Известно, что железо можно намагнитить. Потом оно надолго сохранит волшебную притягательную силу. Но есть материалы, которые обретают ее лишь на тот срок, пока находятся в магнитном поле.
Будучи удалены из него, они сразу же утрачивают это свойство. К таким «калифам на час» относятся и парамагнетики. Именно их исследовал тогда в Казани Евгений Константинович Завойский.
Делая виток за витком по околоядерной орбите да еще и вращаясь к тому же вокруг своей оси, подобно нашей планете, электроны ведут себя как крошечные магнитики. Если они полностью гасят действие друг друга, то общий результат получается нулевым. Если не полностью, то у атома налицо собственный магнетизм, который, однако, отсутствует у вещества в целом: ведь оно состоит из бесчисленного множества частиц, а те расположены неупорядоченно, кто как, так что суммарный эффект оказывается опять-таки нулевым, хотя слагаемые по отдельности нулю не равны. Вот если бы атомы повернулись в одну сторону, будто стрелки компаса, тогда другое дело. Внешнее магнитное поле как раз и заставляет их поступить таким образом.
Пусть в атоме все магнитные силы, обусловленные вращением электронов вокруг ядра, скомпенсированы. А спиновые не все: один электрон не нашел себе пары. Но его спин (осевое вращение) придает частице свойства волчка. А значит, и гироскопическую устойчивость, упрямое желание сохранить свое положение в пространстве неизменным. Что же произойдет? Примерно то же, что с детской юлой на гладком полу: накренившись, она не падает под действием земного притяжения, только ось ее начинает неспешно бродить по кругу, описывая коническую поверхность около вертикали, исходящей из точки опоры.
Такой «танец» называется прецессией. Атом в магнитном поле тоже начинает выделывать бесконечные пируэты вокруг силовой линии, разве что стоит он на воображаемом пуанте – под ним нет пола, он взвешен в пространстве. Благодаря такому круговращению создается дополнительный, наведенный магнетизм – он тоже вступает в игру противоборствующих сил, причем частица стремится занять такое положение, когда энергия ее электронов минимальна. Это состояние наиболее выгодно; достигается же оно лишь в случае, если «стрелка» микрокомпаса смотрит в ту же сторону, что и внешнее поле.
Пусть теперь включено еще одно магнитное поле – перпендикулярное первоначальному, причем более слабое. Будь оно тоже статическим, его влияние почти не проявлялось бы. Но оно переменное.
Если эти регулярные колебания будут «трясти» каждый «волчок» несогласованно с его движением, такие толчки просто погасят друг друга и почти не исказят картину прецессии. Если же они действуют в такт, в резонанс с ней, значит они неотступно преследуют кружащуюся магнитную «стрелку», стремясь отклонить ее на все больший угол от оси вращения. Уступая столь настойчивому «нажиму», частица может повернуться против поля (статичного).
Иными словами, перейти в возбужденное состояние.
Если таких переходов много, то они сопровождаются поглощением энергии. Чтобы наблюдать этот эффект, очевидно, нужно синхронизировать оба колебательных процесса. Как? Можно, конечно, изменять периодичность переменного поля, однако Завойский поступил иначе: он подгонял к ней ритм самой прецессии, плавно варьируя напряженность поля постоянного. Так удобнее: ведь ток в обмотке электромагнита легко усилить или ослабить – достаточно покрутить ручку-регулятор. Генератор же колебаний обычно настроен на строго определенную частоту; зачем же сбивать его с заданного режима? Напротив, чем стабильнее он работает, тем лучше. Но вот резонанс достигнут. На зеленоватой светящейся черточке, пересекающей экран осциллографа, тотчас появляются всплески: поглощение энергии парамагнетиком резко возрастает! К этому, собственно, и сводится электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), обнаруженный Е. К. Завойским в 1944 году. Открытие Евгения Константиновича отмечено Ленинской премией.
Явление ЭПР широко используется в радиоспектроскопии. Почему «спектроскопии»? Почему «радио»?
По той простой причине, что переменное магнитное поле в исследовательской практике заставляют колебаться с частотами радиодиапазона. Собственно, здесь имеют дело с радиоволнами. Их поглощение измеряется особым прибором, который вычерчивает спектр ЭПР – кривую с резким скачкообразным изгибом, соответствующим резонансу и, что очень важно, характерным для каждого вещества. Именно этим методом А. М. Прохоров и его аспирант А. А. Маненков изучили широкий круг кристаллов на предмет их годности в качестве сердечника для квантовых приборов. Так в 1955 году впервые были выявлены многообещающие способности рубина, который впоследствии сделался мировой знаменитостью: ведь именно он стал рабочим телом первого лазера. Он же применяется в парамагнитных усилителях. Одну из таких установок создали профессор М. Е. Жаботинский и А. В. Францессон. Оригинальные конструктивные решения позволили резко уменьшить габариты основных узлов. Магнит «исхудал» до килограмма – его вес в.90 раз меньше, чем у равномощного усилителя фирмы Белл, слывшего лучшим в мире. Такая миниатюризация сократила и расход охладителя – сжиженного гелия. Установка Жаботинского и Францессона по своим техническим характеристикам покамест вне конкуренции: ею оборудован большой радиотелескоп Пулковской обсерватории. А на радиоастрономической станции ФИАН в Пущино (близ Серпухова) вслушивается в космические радиошорохи другой парамагнитный усилитель, с еще меньшим магнитом, – он разработан коллективом ученых под руководством А. М. Прохорова.
В радиоспектроскопии используется и ЯМР – ядерный магнитный резонанс (ядро ведь тоже малюсенький магнитик), но он в тысячи раз слабее ЭПР.
Есть и другие виды резонанса. Разумеется, микроволновая спектроскопия и в отсутствие магнитного поля изучает поглощение радиоволн различными веществами – в основном газообразными. К тому же разреженными. При переходе их в конденсированное состояние взаимодействие между тесно сблизившимися молекулами становится настолько сильным, что спектральные линии, достаточно резкие для независимых частиц, расплываются, утрачивают четкость.
Тут-то и приходят на выручку магнитные свойства тел. Только упорядочив ориентацию «микроволчков» и организовав их прецессию с помощью постоянного поля, а затем подогнав ее частоту к той, на которой работает генератор электромагнитного излучения, Завойский резко усилил эффект и получил четкую картину поглощения.
Своим расцветом в СССР радиоспектроскопия во многом обязана усилиям Прохорова и «прохоровцев».
Вскоре после войны Александр Михайлович, возглавив группу молодых искателей, вплотную приступает к фронтальной разведке в этой новой тогда области.
Малоизученная, неустоявшаяся, она манила к себе неизведанными возможностями. И надо сказать, чутье не обмануло Прохорова.
В 1948 году в лабораторию колебаний ФИАНа поступает новый сотрудник. Ему двадцать шесть. Он еще учится в Московском механическом институте, и для Александра Михайловича он долгие годы просто Коля (впрочем, самому Александру Михайловичу чуть больше 30). Минет каких-нибудь пять лет – и недавний студент, досрочно получив диплом, защитит кандидатскую диссертацию, выполненную под руководством доктора физико-математических наук А. М. Прохорова. Собственно, во всем этом нет ничего особенного; молодость наших научных кадров, сочетание учебы с работой, увлеченность, не оставляющая ни минуты для «блаженного ничегонеделанья», быстрое признание заслуг учеников учителями – вещи вполне ординарные в советских исследовательских учреждениях.
Ничего необычного для нас нет и в том, что Басов в свои 20 лет уже изведал горечь военных страданий. Выпускник фельдшерской школы, он вдоволь натерпелся всего, чем памятен фронт, наслушался артиллерийской канонады и стонов раненых, а приняв участие в демонтаже заводов, где германские концерны фабриковали смертоносные химикалии для гитлеровских душегубок, перенес тяжелое отравление, едва не стоившее ему жизни. Сколько ученых, сколько будущих Прохоровых не вернулось в свои лаборатории? Сколько будущих Басовых, еще не начав путь в науке, осталось навсегда лежать на полях сражений? А разбомбленные институты, сожженные библиотеки, муки оккупации, невзгоды эвакуации, мобилизация всех людских и материальных ресурсов для нужд обороны и затем на восстановление хозяйства, на ликвидацию чудовищной разрухи – имеют ли обо. всем этом отчетливое представление американские и канадские коллеги советских физиков, создавшие квантовый генератор, как принято писать, «одновременно и независимо»?
Не в тепличных условиях зрели многие замечательные идеи советской науки, в том числе идея лазера.
В военное время, начиная с 1942 года, советский ученый В. Л. Гинзбург, а вслед за ним и американец Ван-Флек опубликовали серию работ, где доказали, что сантиметровые волны должны ослабляться парами воды, в изобилии наполняющими атмосферу.
Полоса особенно сильного поглощения простирается примерно от одного до полутора сантиметров, и – надо же! – как раз в эти пределы попадали сигналы боевых радаров. Пришлось срочно выискивать иные диапазоны – такие «окна», где невидимый электромагнитный щуп не гасился бы столь заметно.
Если в радиоспектроскопе аммиак или иной газ поглощает волны определенной длины, то он, видимо, может их же генерировать, испуская столь же согласованным потоком, даже направленным пучком, размышляли Прохоров и Басов. Если луч радиолокатора застревает в облаках, как бы впитывается ими, то почему бы водяным парам при некоторых условиях самим не стать источником такого же луча? Нельзя ли превратить скопище молекул из радиоприемника в радиопередатчик?
Уже говорилось: в радиоспектроскопе энергия высокочастотного поля идет на возбуждение атомов и молекул. С квантовомеханической точки зрения возбуждение частицы выглядит как ее переход в новое качество, как прыжок (воображаемый, конечно) с одного разрешенного уровня на другой, более высокий.
Такое «антраша» вызывается строго отмеренной дозой электромагнитного излучения, соответствующей расстоянию между уровнями.
«Совершенно ясно, что, если все атомы в возбужденном состоянии, такая система будет усиливать излучение, – говорил А. М. Прохоров в нобелевском докладе. – Некоторые ученые понимали это еще до 1940 года, однако никто не указал, что можно создать генераторы света… Нужны были определенные предпосылки. Они появились после второй мировой войны, когда начала бурно развиваться радиоспектроскопия».
