Текст книги "Возвращение чародея"

Автор книги: Владимир Келлер

сообщить о нарушении

Текущая страница: 13 (всего у книги 16 страниц)

Порой в повседневной жизни мы сознательно создаем неопределенности. Например, при игре в лапту бегущий, чтобы увернуться от мяча, бежит с различной скоростью, делает неожиданные скачки и т. д. Неопределенность в его импульсе и положении, естественно, мешает другому игроку правильно прицелиться.

Принцип неопределенности позволяет понять тайну многих загадочных явлений в микромире. Почему, например, при температуре абсолютного нуля частицы все же продолжают колебаться? Да потому, что если бы они остановились, их положения в пространстве и их скорости были бы совершенно определенны, а это противоречит соотношению неопределенностей. Почему, как вы думаете, отрицательно заряженные электроны внешних оболочек атомов не падают под влиянием притяжения на положительно заряженное ядро? Потому, что и в этом случае был бы нарушен принцип неопределенности: электроны оказались бы в ядре, неопределенность Δ xстала бы близкой к нулю (то есть она бы почти исчезла, восторжествовала бы определенность). Из соотношения Гейзенберга видно, что при этом стал бы очень большим импульс частицы. Это значит, что она приобрела бы большую кинетическую энергию и «выпрыгнула» бы из ядра.

«Немудрено, – говорит Фейнман, – что ядро идет на соглашение с электронами: они оставляют себе какое-то место для этой неопределенности и затем колеблются с некоторым наименьшим запасом движения, лишь бы не нарушить этого правила» (соотношения неопределенности.  – В. К.).

Открытие двойственности элементарных частиц и соотношения неопределенности, характеризующего их «поведение», произвело огромное впечатление. Ничего подобного не встречалось в повседневной практике. С изумлением увидели люди в микромире материальные тела, ведущие себя своенравно, подчиняющиеся неведомым до тех пор законам. Казалось, здесь были не простейшие частицы материи, а какие-то очень маленькие «живые существа».

Все было до того удивительно и непонятно, что нашлись люди (в том числе ряд философов и публицистов), которые стали уверять, что электроны «имеют душу», «свободу воли», что в них есть нечто, «роднящее» их с живыми организмами, и т. д.

Конечно, это сущая чепуха. Жизнь – свойство самой высокоорганизованной материи, здесь же речь идет о простейших элементах.

Но какой-то иной, неизвестный классической физике вид причинности, определяющий события в микромире, бесспорно существует. Иначе говоря, изучение явлений в микромире привело к открытию существования двух форм причинности: динамической, которой управляются движения крупных тел, и статистической, управляющей движением элементарных частиц.

Применение классической механики к конкретным задачам построено на предположении, что мы знаем все о силах, прилагаемых к рассматриваемой нами системе тел. Только в этом случае мы можем предсказать поведение системы. Хороший пример – предсказание астрономами расположения планет в определенный будущий момент времени. Но вот представьте себе, что из бездонных глубин космоса в Солнечную систему ворвется какое-то новое небесное тело. Оно тотчас нарушит всю тысячелетиями установленную гармонию и приведет систему к неожиданному, непредсказанному состоянию.

Как видно из примера, первым условием возможности предсказания события, подчиняющегося динамической причинности, является отсутствие непредусмотренных взаимодействий рассматриваемой системы с другими.

Но в идеальном смысле эти условия невыполнимы: никогда нельзя предусмотреть всехвоздействий извне на изучаемую систему. Может быть, здесь и лежит объяснение «своенравия» микрочастиц?

Действительно, когда мы изучаем большие тела, то должны пренебречь малыми и поэтому практически несущественными, непредусмотренными воздействиями. Если мы сумели предусмотреть все практически существенные воздействия, то с практически достаточной точностью будет работать динамическая причинность; если же она не работает, будем искать существенные воздействия, которых мы пока еще не сумели предусмотреть.

Применим эти рассуждения к микромиру. В мире очень малыхчастиц существенных воздействий гораздо больше, и поэтому гораздо большийриск не суметь их все предусмотреть. Отсюда и «своенравие»: просто мы не всё еще знаем об условиях, в которых находится рассматриваемая микросистема. Поэтому и не работает динамическая причинность, поэтому и приходится пользоваться причинностью статистической.

Такая – или очень похожая – точка зрения на «своенравие» микрочастиц действительно существует; ее часто называют точкой зрения «скрытых параметров» («скрытые параметры» – это величины, характеризующие в условиях то, чего мы еще не знаем и что существенно). Однако эту точку зрения разделяют очень немногие физики. Подавляющее большинство их придерживается другой точки зрения, согласна которой статистическая причинность управляет явлениями в микромире не потому, что мы еще не открыли «скрытых параметров», а потому, что такова объективная закономерность микромира. И эта статистическая причинность нисколько не хуже динамической – это совсем не «знание второго сорта». Просто микромир так устроен, что в нем основная роль принадлежит статистической причинности.

Не противоречивы ли эти слова «статистическая причинность»? Вспомним дифракционный эксперимент: согласно квантовой механике нельзя предсказать, в каком месте экрана окажется каждый данный электрон. Где же здесь причинность?

Если бы квантовая механика не давала возможности ничегопредсказать относительно одного электрона, то действительно в этой теории не было бы места причинности. Плохи были бы дела такой теории. Но на самом деле ведь все совсем не так: квантовая механика позволяет делать совершенно точныепредсказания. Так, в случае дифракционного эксперимента она позволяет совершенно точно предсказать пусть не значение координат электрона на экране, а вероятностьэтого значения. Такой возможности оказывается совершенно достаточнодля того, чтобы теоретически объяснять известные явления и предсказывать новые. Чем же предсказание вероятности значения какой-либо физической величины хуже предсказания самого этого значения!

Из непонимания принципиального различия между большими телами, изучаемыми классической механикой, и микрочастицами среди зарубежных физиков и философов возникло немало идеалистических толкований и соотношения неопределенностей и всех вообще законов квантовой механики.

Очень распространилось, например, убеждение, что явления микромира принципиально непознаваемы, что человек никогда не раскроет их до конца. Почему? «Да потому, – отвечают эти люди, – что в каждом звене познавательной цепочки „что – чем – кто“, или „микрочастица – прибор – наблюдатель“, таится то или иное принципиально непреодолимое препятствие».

Что это необоснованно и неверно и что в действительности квантовомеханические явления так же объективны и закономерны, а следовательно, и познаваемы, – нетрудно доказать.

В том, что двойственность микрочастицы («что») не несет в себе ничего «чудесного», мы уже убедились. Не является непреодолимым препятствием для познания микромира (как считают идеалисты) и то обстоятельство, что когда мы со своими приборами («чем») вторгаемся в микромир, чтобы узнать о нем что-то, эти приборы сами искажают микроявления и мешают нам их узнать. Ведь когда мы измеряем температуру воды при помощи термометра, мы тоже почти всегда при этом немножко изменяем эту температуру за счет разницы между температурами воды и термометра. Однако, зная законы тепловых явлений, мы могли бы из фактически полученных результатов исключить помехи и получить абсолютно точные результаты, если бы это нам понадобилось.

Правда, в микромире есть специфика, обусловленная тем обстоятельством, что часть измерительного прибора нельзя сделать очень малой по сравнению с изучаемой системой.

Не будем пытаться обсуждать здесь важных следствий, вытекающих из этой специфики. Скажем только одно: принципиально непознаваемыми явления микромира от этого не делаются.

Не помешает нам когда-нибудь постигнуть тайны микромира и несовершенство наших органов чувств («кто»).

Во-первых, «наблюдателем» может быть и не человек, а, например, фотопластинка, флюоресцирующий экран и т. п. Во-вторых, и наши органы чувств не так уж несовершенны. В 1933 году советский физик Сергей Иванович Вавилов проделал интересный опыт, который позволил увидеть если не отдельные фотоны, то, во всяком случае, столь малые их группы (до 5–7 фотонов), что и это убедительно говорит в пользу прерывного строения света.

Опыт С. И. Вавилова не только наглядно показал прерывистое строение света, но и свидетельствовал о высоких визуально-воспринимательных способностях человека.

Все это говорит о том, что и в явлениях микромира действуют материалистические причинные законы, что и мир квантовомеханических явлений существует объективно, независимо ни от приборов, при помощи которых его исследуют, ни от сознания человека, пользующегося этими приборами.

Мир квантовомеханических явлений познаваем. И в этом мире в действительности нет никаких фантастических чудес.

С. И. Вавилов и предвидение открытий

Многие физические (да и не одни физические) открытия у нас в стране обязаны своим возникновением С. И. Вавилову, даже если он и не участвовал в них непосредственно.

Сергей Иванович Вавилов… Имя хорошо известное. Есть улицы, носящие это имя. Институты. Корабли. Выпускались марки с портретом С. И. Вавилова. Это имя встречается в учебниках по физике. Ученые да и большинство образованных людей вообще знают, что Вавилов возглавлял Академию наук СССР – был ее президентом. Причем в особо ответственное время – с 1945 по 1951 год, – когда не только залечивались раны, нанесенные стране, ее народному хозяйству второй мировой войной, но и решались новые научные и технические задачи, поставленные жизнью.

С. И. Вавилов занимался и другими важными делами: преподавал в ведущих вузах, создавал не только научные труды, но и популярные книги, был главным редактором Большой советской энциклопедии, вел активную общественную работу.

Говорят, что человек и обстановка, в которой он живет, похожи друг на друга. Если это правда, то и по предметам обстановки можно смутно угадать, каким был человек, живший в их окружении.

Попробуем сделать это, заглянув воображением в домашнюю библиотеку С. И. Вавилова.

Книг в ней не так уж много, но какой удивительный их подбор! Античная и новейшая классика, философия и естественные науки, русские, английские, немецкие, итальянские, французские книги стоят рядом. Вавилов читал и перечитывал заново почти всех авторов на их родных языках: римлянина Лукреция и англичанина Фарадея, американца Майкельсона и голландца Гюйгенса, русских ученых двух столетий – Ломоносова, Софью Ковалевскую, Попова, Лебедева, Крылова…

Но чаще всего Вавилов обращался к томику «Фауста». Поля исписаны комментариями и критическими замечаниями. Многие не уместились да полях, и Вавилов продолжал их в двух тетрадочках, переплетенных с книгой.

Кажется, что особенного в любви С. И. Вавилова к «Фаусту»? Да все культурные люди любят эту книгу! И многие воображают себя Фаустами. Как понимают это. Иной ученый, пожалуй, и обидится, если его не назвать «фаустовским человеком»: ему покажется, что хотят сказать, что он не ищущий, не дерзкий, не пылко жаждущий познания.

От простоты такого объяснения не остается, однако, и следа, когда мы узнаем, как относился Вавилов к главному герою бессмертного произведения. Оказывается, он его осуждал. Он осуждал Фауста, а о его подручном – Вагнере – отзывался с теплотой, считал его чуть ли не образцом ученого.

Что же привлекало С. И. Вавилова в Вагнере? Оказывается, трудолюбие Вагнера и его любовь к «источникам», то есть к ученым и научным идеям прошлого. Вавилов мог бы сказать и о себе, как говорил у Гёте подручный Фауста:

 
Моя отрада – мысленный полет
По книгам, со страницы на страницу…
Я знаю много, погружен в занятья,
Но знать я все хотел бы без изъятья.
 

С. И. Вавилов родился в 1891 году в Москве и, видимо, от своих родных унаследовал привычки и любовь к труду. Его отец прошел удивительный путь от мальчика на побегушках до управляющего огромной Трехгорной мануфактурой. А мать – главная хозяйка дома, простая и строгая женщина – была в то же время и первой слугой в доме. В семье Вавиловых привыкли относиться с уважением ко всякому труду. Неудивительно, что таким же трудолюбивым, как Сергей Иванович, вырос и его брат – Николай Иванович, впоследствии тоже академик, один из выдающихся биологов мира.

В 1914 году С. И. Вавилов окончил с отличием Московский университет, а после фронта, с начала 1918 года, сразу стал работать в Москве в Физическом институте, возглавляемом академиком П. П. Лазаревым.

Первые же достижения С. И. Вавилова были отмечены на конференции в Берлине в 1926 году, на «Олимпе» (в «обители богов») тогдашней физики. В присутствии Вавилова его работы расхвалили такие крупные физики, как Эйнштейн, Планк, Нернст, Лауэ и др.

Постепенно в С. И. Вавилове вырабатывалось убеждение, что настоящий ученый – это тот, в ком есть одновременно и Фауст и Вагнер, кто умеет сочетать в себе полет мысли и страсть Фауста с трезвым реализмом, даже иногда с «ремесленничеством» (то есть умением делать все своими руками) Вагнера.

Сейчас много говорят о предвидении будущего, в частности – будущих открытий. С. И. Вавилова можно смело считать одним из основоположников новой науки «футурологии» (от латинского «футурум» – «будущее»).

Выдающийся советский физик – один из близких соратников Вавилова – академик И. М. Франк, писал: «Во главу угла Вавилов ставил выяснение физической сущности явлений, исследование их механизма, и полагал, что открытия должны возникать именно на этом пути, хотя и могут быть неожиданными».

С. И. Вавилов умер в 1951 году, не только сделав сам много открытий, но и подготовив почву для научного планирования новых открытий(как президент Академии наук).

Вся наша послевоенная научная действительность – подтверждение правильности вавиловского подхода к подготовкеоткрытий.

Мы не научились бы строить атомных электростанций, не полетели бы в космос, не сделали бы больших открытий в астрономии, математике, электронике, если б не научились по-вавиловски планировать науку.

В этом – главным образом в этом – заслуга Сергея Ивановича Вавилова – настоящего«фаустовского человека». Заслуга перед своей страной и перед всей наукой.

Рубиновая молния

Какое огромное практическое применение находят себе «невидимые» кванты и какие грандиозные перспективы они открывают перед человечеством, можно показать на примере одного из самых больших достижений современной науки и техники – квантовых генераторов и усилителей.

Вдохновенный исследователь света Сергей Иванович Вавилов не скрывал своего восхищения той областью оптики, которая имеет дело с предельно малыми световыми потоками и изучает процессы, протекающие в ничтожные отрезки времени. Он назвал эту область микрооптикой и показал, что она существенно отличается от макрооптики – оптики значительных световых мощностей, длительных времен наблюдения и больших по размерам источников излучения.

«За макрооптикой, – писал он в своей последней большой работе „Микроструктура света“, – скрывается микрооптика, отличающаяся от первой в некоторых отношениях так же, как термодинамическое учение о веществе отличается от его молекулярной теории».

Вавилов ожидал от нового раздела оптики большой практической отдачи. Эти ожидания сбылись, особенно на тех направлениях, где микрооптика вступила в союз с другими науками или с техникой. Блестящий пример – успехи того детища квантовой механики (теоретической основы микрооптики) и радиотехники, которое в последние годы чаще всего называют квантовой радиотехникой. Эта новая наука позволила создать поистине чудесный физический прибор. У нас он называется, как мы сказали, обычно квантовым генератором и усилителем, а в странах Запада – «мазером», по начальным буквам английских слов: «microwave amplification by stimulated emission of radiation» – усиление очень коротких волн (подразумеваются электромагнитные волны) путем вынужденного излучения. Говорят также часто «лазер» или «оптический мазер», имея в виду только световые электромагнитные волны («light amplification by stimulated emission of radiation»).

Появились первые квантовые генераторы недавно. Однако уже стало чуть ли не традицией начинать рассказ о них с эпизодов из фантастического романа А. Н. Толстого «Гиперболоид инженера Гарина». Герой этого романа уничтожает бронированные корабли при помощи чрезвычайно тонкого, нерасходящегося луча света невероятной мощности. Плотность энергии в луче настолько велика, что корабли на расстоянии нескольких километров разрезаются светом с такой же легкостью, как режется горячим ножом ломтик масла. Сославшись на роман Толстого, обычно добавляют, что современные квантовые генераторы и усилители в некотором смысле напоминают «гиперболоид инженера Гарина»: они также дают остронаправленный пучок интенсивного света, способный перенести в пространство огромную энергию.

Правда, мощность реального пучка много меньше той, что показывается в романе. Наибольший разрушительный эффект, который удается сейчас получить, – это пробить на небольшом расстоянии от квантового генератора пакет из десяти бритвенных лезвий. Но если лабораторный прибор уже сегодня способен вызвать заметный разрушительный эффект, то почему бы не допустить, что возможности техники и науки завтрашнего дня позволят специалистам послать в пространство луч такой же интенсивности, как в произведении Толстого? И все же есть существенные обстоятельства, говорящие против аналогии.

Писатель имел в виду концентрацию в пространстве обычных световых волн, испускаемых горячим источником. Но из таких лучей, как показал профессор Г. Г. Слюсарев, принципиально невозможно создать пучок, способный произвести существенное разрушающее действие: пучок обязательно будет размазан в пространстве. Это качественное обстоятельство. Есть и количественное.

Простой расчет показывает, что для того чтобы обычным лучом света (как у Толстого) проколоть такую же пластинку, какую пробивает мазер, температура источника должна быть доведена до 10 миллиардов градусов. А ведь это в полтора миллиона раз горячее Солнца!

Какое же бессчетное количество солнц должно быть сконцентрировано в «гиперболоиде», чтобы, собрав их лучи, разрезáть настоящие корабли!

Как выясняется, создавать высокие плотности лучистой энергии в пространстве можно, только не средствами макрооптики, как в романе А. Н. Толстого, а средствами микрооптики, в возможности которой так верил С. И. Вавилов.

Если к мазеру подходить как к мирному орудию, здесь ясно вырисовываются заманчивые перспективы. Самые невероятные на первый взгляд идеи перестают казаться несбыточными, как только выясняется, что для их реализации можно применить устройства квантовой радиофизики.

Вот примеры.

В 1958 году американцам удалось принять отраженный сигнал радиолокатора, посланный к Венере на волне длиной 3 сантиметра. Немного времени спустя такой опыт и еще успешнее – с более мощным сигналом – был проведен советскими учеными.

Чтобы ясно представить себе значение этого события, надо вспомнить одно соотношение. Оно гласит, что плотность энергии отраженного луча, принимаемого локатором, убывает по сравнению с плотностью энергии первоначального луча пропорционально четвертой степени расстояния от цели. Шофер, читающий письмо при отраженном от стены свете фар своей машины, вряд ли разглядит хотя бы букву, если отъедет от стены вдвое дальше, чем вначале: в кабине станет в 16 раз темнее.

Применив это соотношение для вычисления мощности луча, вернувшегося на Землю после отражения от Венеры, получим потрясающе малую величину. По подсчетам зарубежных авторов, относящимся к американскому опыту, отраженный от Венеры космический радиосигнал попал в приемное устройство, имея мощность всего лишь в одну миллиардную часть миллиардной доли одной миллиардной ватта (в числах это выражается единицей, деленной на единицу с двадцатью семью нулями).

И тем не менее сигнал был принят! Его усилил, сделал явственным квантовый усилитель, работающий в радиодиапазоне.

Позднее с помощью аналогичного усилителя успешно принимались сигналы с космических ракет, удалившихся от Земли на многие миллионы километров.

Наряду с мазерами, радиоволновыми генераторами и усилителями все активнее включаются в человеческую жизнь, становятся надежными помощниками специалистов и оптические квантовые генераторы и усилители – лазеры.

Очень скоро выяснились их мирные возможности. Например, во Франции они нашли применение в глазной хирургии для прижигания кровоизлияний в сетчатой оболочке глаза. Такая операция длится всего несколько микросекунд вместо одной без малого секунды, как раньше. Прежний срок являлся слишком большим, так как при этом нагревались и соседние, здоровые части сетчатки.

В оптических генераторах длины используемых электромагнитных волн сократились с сантиметров до десятитысячных долей миллиметра, и «радиосигнал», предназначенный для усиления, засветился: он перешел из радиодиапазона в область видимого света.

Со времен Максвелла любой старшеклассник знает, что знаменитая череда различных излучений – сейчас сюда относятся гамма-излучение, рентгеновское, ультрафиолетовое, световое, инфракрасное и радио – различается лишь частотами колебаний, или длинами волн. Природа же их одинакова – это электромагнитные волны. Казалось бы, чего проще, изменяя конструкцию радиопередатчиков, постепенно уменьшать длины волн и привести их в область видимых радиосигналов? Однако ничего не получалось. Добрых полстолетия никакими ухищрениями никому не удавалось создать радиостанцию, работающую на волнах порядка 430–700 миллимикронов – в диапазоне, доступном человеческому глазу. Самая короткая волна, полученная при помощи электромагнитного генератора, была чуть меньше миллиметра, то есть миллиона миллимикронов.

А между тем природа щедро обеспечила ученых сверхкоротковолновыми радиогенераторами. Таковы атомы, точнее, атомы светящихся веществ. По размерам и по мощности они миниатюрны. Зато в смысле простоты конструкции это идеальные радиостанции: число деталей в них сведено до недостижимого в технике минимума – единицы, в крайнем случае, десятки.

Чтобы понять, как посылает свои электромагнитные импульсы такое миниатюрное устройство, надо вспомнить картину энергообмена в атоме, нарисованную еще в начале века Максом Планком и Нильсом Бором. Чем-то эта картина напоминает, образно говоря, стрельбу из пистолета.

Чтобы атом отдал энергию – «выстрелил», его надо вначале «зарядить»: ввести в него энергию со стороны. Если пистолет стреляет только целыми и обладающими одинаковой энергией пулями, то примерно так же «стреляет» и атом. Атом испускает и поглощает электромагнитную энергию не непрерывно, а скачкообразно, очень маленькими порциями, – квантами, или фотонами. Каждая из этих порций совершенно точно отмерена и соответствует определенной частоте колебаний, или длине волны.

Процесс энергообмена в атоме протекает так. Начнем с момента, когда атом «не заряжен», пребывает, как говорят физики, в невозбужденном, основном состоянии. Такой атом не может испускать энергию – он может ее лишь поглощать. Положим, что это и произошло: в атом попал извне квант вполне определенной величины (как правило, атом поглощает лишь один квант, причем соответствующий строго определенной частоте колебаний). Поглотив этот квант, атом в тот же миг скачкообразно переходит в возбужденное состояние. «Пистолет» заряжен. Как же происходит «выстрел»? Оказывается, есть два способа отдачи энергии возбужденным атомом, сопровождающихся переходом его в основное (или в некоторое промежуточное) состояние: спонтанно, то есть самопроизвольно, без вмешательства извне, и вынужденно, под влиянием облучения. В обоих случаях из атома вылетает запасенный им ранее, при возбуждении, квант энергии, но второй способ, как показал еще открывший его Альберт Эйнштейн, эффективнее.

Замечательно, что квант, испущенный атомом в результате вынужденного излучения, ничем не отличается от тех квантов, которые вызвали его излучение. Существенно – позже мы узнаем почему, – что эти кванты совершенно одинаковы: имеют одинаковую частоту, поляризацию и направление распространения. Излученный таким образом квант органически входит в вызвавший его излучение поток и усиливает его.

Второй способ часто называют индуцированным излучением. Открыт он был давно – в 1917 году, однако долго оставался предметом чистой теории. Никому не приходило в голову, что от него может быть какой-нибудь прок. Неожиданно явление индуцированного излучения оказалось дверью в новую область прикладной физики: оно легло в основу действия квантовых генераторов.

Однако об этом мы поговорим несколько позднее. Сперва надо разобраться, почему обычные светящиеся тела до последних лет не удавалось использовать как генераторы световых радиоволн.

Прежде всего надо ясно представить себе, чем электромагнитные волны, излучаемые радиостанцией, отличаются от электромагнитных волн, испускаемых электрической лампой накаливания.

Конечно, это различие связано с длиной волны, но посмотрим внимательнее, в чем оно заключается.

Чтобы лучше разобраться в (честно скажем) не совсем простом вопросе, обратимся к выручалочкам-аналогиям.

Радиостанция излучает чрезвычайно упорядоченные волны, которые можно сравнить с морской зыбью – одна волна в точности похожа на все остальные. Электрическая же лампочка излучает одновременно всевозможные световые волны: здесь нет упорядоченности, здесь хаос. Прежде всего эта хаотичность излучения электрической лампочки связана с тем, что белый свет – это беспорядочная смесь всех цветов радуги, которым соответствуют световые волны разнообразных длин. Их можно уподобить морю в центре циклона, где все бурлит и где в вихре брызг невозможно различить отдельные волны.

Но есть и другая, очень важная сторона этой хаотичности: отдельные волны в излучении электрической лампочки, как говорят физики, некогерентнымежду собой – между ними нет согласованности; это различие между некогерентным и когерентным (согласованным) излучениями похоже на разницу между шумом толпы и пением хора.

Энергия, излучаемая лампой, распределена между всеми длинами волн. Если же мы захотим получить от нее одноцветный свет, например отфильтровав его цветным стеклом, то яркость света окажется очень малой – большая часть энергии затратится на нагревание фильтра.

Рассмотрим еще один пример: величайший естественный светильник нашей части мира – Солнце. Клокочущий «котел» космической энергии отдает с одного квадратного сантиметра своей поверхности около 10 киловатт излучения. Конечно, это немало. Это очень высокая плотность излучения. Но не следует забывать, что речь идет о хаотическом (неупорядоченном), разноволновом излучении. В отличие от радиостанции, отдающей всю энергию на одной частоте, главная фабрика тепла нашей части мира работает на множестве частот.

Чтобы не обременять читателя расчетом, заметим, что если бы можно было выделить полоску шириной 1 мегагерц в области зеленого света, где Солнце излучает максимальную энергию, то обнаружилось бы, что каждый квадратный сантиметр его поверхности производит мощности всего-навсего… одну стотысячную ватта.

Насколько это мало, показывает сравнение солнечной поверхности с искусственными передатчиками, работающими в телевизионном диапазоне спектра радиоволн. Такие передатчики легко вырабатывают 10 тысяч ватт в полосе гораздо более узкой, чем 1 мегагерц. Как источники «одноцветных» радиоволн они мощнее Солнца в миллиарды раз.

Белый свет, излучаемый любым тепловым источником, можно сравнить с шумом. В акустике даже существует термин «белый шум», обозначающий шум, в котором беспорядочно смешаны всевозможные звуки.

Принципиальная разница между световыми неупорядоченными волками и радиоволнами проявляется при попытках сконцентрировать в возможно меньшую область пространства возможно бóльшую электромагнитную энергию.

Лампа накаливания излучает свет во все стороны, и никакая оптическая система не может собрать его в одну точку. В лучшем случае в фокусе линзы получится небольшое изображение накаленной нити. Даже самые совершенные прожекторы дают заметно расходящийся луч, так как источником в них является накаленная нить или электрическая дуга, которая не может быть сделана очень малой.

Упорядоченные электромагнитные волны, излучаемые радиостанцией, легко поддаются управлению. Они могут быть сфокусированы в пучки, расходимость которых определяется лишь размерами применяемых антенн. Чем больше антенна, тем ýже пучок.

Концентрируясь двояко – по направлению в пространстве и по заданной частоте, – радиоволны могут дать такие высокие плотности электромагнитной энергии на одной волне, какие не бывают даже в недрах звезд.

Вот почему ученые так упорно искали новые возможности энергетики именно в радиодиапазоне.

Мне вспоминается один забавный эпизод в архангельском порту. Катерок отвозил нас с берега на пароход, стоявший довольно далеко в море. Один из пассажиров махал рукой провожавшей его женщине, и оба молча улыбались: говорить прощальные слова было явно бесполезно – их заглушил бы шум. Вдруг – это поняли все по изменившемуся виду женщины – она о чем-то вспомнила. Она закричала, замахала рукой, пытаясь что-то объяснить. Увы, мы были слишком далеко, и наш катерок, рокоча мотором, продолжал увеличивать расстояние. И тут случилось нечто, всех нас развеселившее. Неожиданно на берегу наступила тишина. Люди (в основном молодежь, народ сознательный), видимо, догадались, что дело важное, и замолчали. Потом раздалось мощное скандирование хора:

– Клю-чи-от-квар-ти-ры-у-На-за-ро-вых! Клю-чи-от-квар-ти-ры-у-На-за-ро-вых…

Мужчина понял и радостно закивал головой.

Я вспомнил этот случай в связи с рассказом о квантовых усилителях. Чем-то эпизод в архангельском порту напоминает замену хаотического светового переноса энергии упорядоченным радиоволновым переносом. Любопытны две ступени этого перехода: шум толпы выключается, затем толпа включается вновь, но уже единым хором. Мощность одиночного сигнала резко возрастает, а действие помех исчезает. Чем не намек на теоретическую возможность перейти от светового, неупорядоченного способа передачи на расстояние электромагнитной лучевой энергии к упорядоченному радиоволновому способу!

Вернемся на минуту снова к роману А. Н. Толстого. Можно ли серьезно видеть в фантастическом изобретении инженера Гарина пророческую мысль? Нет, нельзя, конечно. Если перевести на физический язык идею, лежащую в основе произведения Толстого, то это идея концентрации беспорядочной тепловой энергии раскаленных атомов; она бесперспективна. А та идея, которая заложена в современных квантовых генераторах и усилителях, основана совсем на другом физическом явлении: на резонансе, на индуцированном – не тепловом – излучении.