Текст книги "Возвращение чародея"

Автор книги: Владимир Келлер

сообщить о нарушении

Текущая страница: 14 (всего у книги 16 страниц)

Она не имеет ничего общего с идеей «гиперболоида инженера Гарина».

Как же физикам удалось в конце концов решить полувековую задачу – построить генератор «бесшумного» света? Каким воздействием на атомы они заставили их испускать световые кванты, одинаковые по частоте и, как мы сейчас увидим, по направлению (что очень важно для концентрации и передачи больших количеств энергии)?

Проблемой № 1 на этом пути была проблема создания такой материальной среды – твердой, жидкой или газообразной, в которой возбужденные атомы количественно преобладали бы над невозбужденными. Почему? Да потому, что только возбужденные атомы способны излучать энергию. Невозбужденные же атомы, которые способны лишь поглощать энергию, являются, по меткому выражению советского физика Н. Г. Басова, «нахлебниками».

От них надо избавиться, но как? Дело это совсем нелегкое. Ведь каждое вещество состоит из возбужденных и невозбужденных атомов, и хотя число первых возрастает с нагреванием, но сколько бы мы ни поднимали температуру вещества, количество «нахлебников» всегда будет больше количества «рабочих», возбужденных атомов. Поэтому в обычных условиях все тела поглощают кванты, падающие на них извне. Если же тело не облучается, то накопленные им кванты под влиянием спонтанного излучения «высвечиваются» наружу и переходят в тепло.

Надо было как-то перехитрить природу: создать искусственно такую «активную среду», чтобы большинство ее атомов или молекул могло быть возбуждено.

Одно из первых предложений в этом направлении предусматривало создание активной среды в газах. «Почему бы, – задали себе вопрос физики, – не рассортировать газовые молекулы на две группы так, чтобы возбужденные молекулы собрались в узкий пучок, а невозбужденные отклонились бы в сторону?»

Потом появились предложения и в отношении твердой среды. Постепенно проблема № 1, при всей ее сложности, получила свое решение, причем не только принципиальное, но и чисто практическое.

Становилась на очередь проблема № 2: как использовать активную среду, как ее заставить с максимальной быстротой начать излучение? Речь шла о фантастической возможности «размножать» кванты.

Вот тут-то и была извлечена на свет полузабытая, высказанная мимоходом при исследовании другого явления идея Эйнштейна о существовании индуцированного излучения.

Уже в 1951 году три советских физика – В. А. Фабрикант, М. М. Вудынский и Ф. А. Бутаева – изложили в авторской заявке краткую теорию усиления света и радиоволн путем создания активной среды и получения индуцированного излучения. Условия, необходимые для прямого наблюдения такого излучения, Фабрикант сформулировал еще раньше, в 1940–1941 годах, в бытность свою учеником С. И. Вавилова. Но начавшаяся война прервала исследования и задержала создание квантового генератора. Это предложение прошло мимо внимания ученых.

В 1952 году одновременно в СССР (Н. Г. Басов и А. М. Прохоров) и в Америке (Ч. Таунс, Дж. Гордон, X. Цайгер и отдельно от них Дж. Вебер из Мерилендского университета) был предложен принцип генерации и усиления электромагнитного излучения в квантовых системах – принцип, основанный на создании активной среды и использовании индуцированного излучения.

В 1957–1958 годах советские ученые Н. Г. Басов, Б. М. Вул, Ю. М. Попов и их американские коллеги Ч. Таунс и А. Шавлов независимо друг от друга разработали принципы конструирования квантовых генераторов и усилителей в диапазоне видимого света.

В 1959 году профессора (ныне действительные члены АН СССР) Николай Геннадиевич Басов и Александр Михайлович Прохоров были удостоены Ленинской премии за разработку нового принципа генерации и усиления радиоволн (создание молекулярных генераторов и усилителей). А в 1964 году за эту же работу им была вручена высшая награда Западного мира – Нобелевская премия. Вместе с ними был награжден и американец Ч. Таунс.

С 1955 года развитие радиофизики пошло семимильными шагами, и квантовые приборы начали ставить рекорды во многих областях науки и техники. Например, был предложен метод, по которому можно построить часы небывалой точности: за десятки тысяч лет непрерывного хода они будут отставать или спешить менее чем на секунду.

Количество конструкций квантовых генераторов все множится, но принцип их работы в основном не изменяется. Описать его можно на примере рубинового генератора, построенного американским физиком Т. Майманом.

Искусственный рубин, который применяется в этом генераторе, представляет собой окись алюминия (корунд). Сам по себе корунд прозрачен. Столь характерный для рубина красный цвет обусловливается атомами хрома, которые в небольшом количестве замещают атомы алюминия и сильно поглощают зеленый свет. Торцы стерженька из рубина строго параллельны. Они очень тщательно отполированы и посеребрены так, что образуют зеркальца, обращенные друг к другу. Одно зеркальное покрытие полупрозрачно. Источниками индуцированного излучения в этом приборе являются атомы хрома, возбуждаемые мощной вспышкой газоразрядной импульсной лампы, дающей широкополосный, так называемый подкачивающий, свет.

Процесс создания при помощи рубина остронаправленного и мощного потока квантов напоминает цепную реакцию образования нейтронов в урановых котлах. Под влиянием поглощенного зеленого света, обладающего большей энергией, чем красный, все большее количество атомов хрома приходит в возбужденное состояние. До некоторого момента рубиновый кристалл будет при этом испускать лишь красное флюоресцентное свечение в сравнительно широком интервале спектра, причем свечение распространится равномерно во все стороны. Кванты, отражающиеся от одной зеркальной стенки к другой, все время увеличиваются в числе: многократно отражаясь, каждый квант столь же многократно проходит сквозь рой возбужденных атомов и вызывает цепную реакцию индуцированного излучения новых таких же квантов.

При этом луч все время сужается, становясь все более мощным. Пучок лучей, распространяющийся между зеркалами вдоль оси кристалла, постепенно подавляет лучи, распространяющиеся в других направлениях. Плотность энергии в нем повышается, потому что происходят обе концентрации, о которых мы говорили: концентрация по направлению в пространстве и концентрация по частоте колебаний.

Когда эта общая концентрация достигает некоторой критической степени и кристалл начинает генерировать свет, как радиостанция – радиоволну, ослепительная рубиновая молния прокалывает пространство.

Любое вновь открытое физическое явление немедленно вызывает у исследователя вопрос: «Какой в нем прок для человека?»

Какой же прок науке, производству от квантовых генераторов?

Вот, например, часы фантастической точности, которые могут быть созданы с их помощью. Зачем они? Оказывается, они уже сегодня нужны для вождения самолетов и кораблей, для точного измерения больших расстояний. Завтра они понадобятся в межпланетной космонавтике, так как без них невозможно обеспечить точное попадание космических кораблей на другие планеты. Они найдут применение также в науке, в том числе для проверки некоторых утверждений теории относительности.

Фокусировка когерентного излучения в малых объектах позволяет создать высокие концентрации энергии. Новые источники света в миллионы раз превосходят яркость Солнца. Энергия этих источников может быть преобразована в другие виды энергии.

Мы уже говорили о давлении света. Оно обычно невероятно мало и может быть обнаружено лишь очень тонкими лабораторными приборами. А вот рубиновая молния, вырывающаяся из посеребренного торца квантового генератора, способна создать буквально фантастическое давление – порядка миллиона атмосфер.

Располагая таким высоким световым давлением, ученые и инженеры смогут осуществить ряд важных в научном и промышленном отношении процессов: исследование свойств веществ в сильных электрических полях, ускорение заряженных частиц, ускорение химических реакций, точную обработку различных материалов. При помощи квантовых генераторов и усилителей могут быть разрешены многие важные проблемы физики твердого тела, спектроскопии, биологии и медицины. Освоение волн видимого диапазона поможет уже в близком будущем создать необычайно высокоскоростные вычислительные машины.

Пучок лучей, испускаемый лазером, расходится гораздо меньше, чем свет любого другого источника. В опытах по передаче сигналов на 40 километров эти лучи разошлись всего на 30 метров в диаметре. Угол расходимости пучка радиоволн пропорционален длине волны и обратно пропорционален размеру передающей антенны. Это сразу показывает преимущество световых радиостанций перед работающими на более длинных волнах. По подсчетам Басова, чтобы осветить с Земли на Луне площадку в 1 квадратный километр в оптическом диапазоне волн, понадобится прожектор диаметром всего 20–30 сантиметров. В сантиметровом диапазоне радиоволн для этого потребуется антенна диаметром более километра.

Отсюда вывод, что для дальней радиосвязи особенно выгодно пользоваться лазерами. Высчитано, что при помощи существующих уже сегодня квантовых генераторов и усилителей в диапазоне световых волн возможно осуществление радиосвязи на расстояние в несколько световых лет, то есть на расстояние до ближайших звезд.

В печати появились сообщения, что именно этим путем мы скоро сможем ответить на вопрос: «Есть ли там кто-нибудь? Живут ли в глубинах космоса разумные существа, способные принять наши сигналы и как-то на них ответить?» Это сказано в увлечении: сигнал не может быть замечен на фоне звезды, ее шумового излучения. Но вот если бы сигнал посылали с корабля, не излучающего шума, тогда с утверждением, приведенным выше, можно было бы согласиться.

Когда-то люди пользовались оптическим телеграфом. На больших расстояниях одна от другой стояли мачты, на которых то вспыхивали, то угасали световые сигналы. Существовал также оптический телефон. Сейчас даже имена изобретателей этих устройств забыты. И вдруг, как часто бывает в науке, старая идея возрождается на новый лад. С созданием оптических квантовых генераторов началось радиотехническое освоение нового диапазона сверхкоротких электромагнитных волн.

Осуществление радиосвязи в таком диапазоне позволяет передавать чрезвычайно большой объем информации: принципиально один передатчик световых волн может вести одновременно передачу десятка тысяч телевизионных программ. Вместе с тем благодаря уменьшению расходимости пучка радиоволн и использованию направленности радиосвязи новый способ посылки сигналов позволяет очень сильно повысить дальность радиопередачи.

Когда был изобретен и впервые применен в войне против гитлеровской Германии радар, английские солдаты говорили с уважением о новом вооружении: «Он все может, разве что яичницы не сделает». О лазерах так не скажешь: они способны «зажарить яичницу». Они могут за несколько десятитысячных долей секунды поднять температуру вещества до 8000 градусов.

Не в этом, однако, главное. О квантовых генераторах и усилителях можно сказать, что область их применения почти неограниченна. Это одно из самых многообещающих открытий, сделанных в последние годы.

За символами математики

В наше время правильность новой научной гипотезы проверяется не соответствием ее «очевидности» в житейском смысле. Эта «очевидность» срамилась в прошлом много раз (звезды оказались дальше, чем представлялись, Земля – не плоская и т. п.), и ученые нашли другую форму проверки. Сегодня правильность гипотезы подтверждается и гипотеза становится признанной теорией, если выясняется, что она:

во-первых, не противоречит общим законам физики, в справедливости которых пока нет оснований сомневаться;

во-вторых, подтверждается на опыте, имеет выход, так сказать, на поверхность обыкновенных вещей (ибо нет и никогда не будет настолько абстрактной, отвлеченной научной истины, чтобы она не смогла бы быть рано или поздно проверенной конкретным опытом или наблюдением).

Создание квантовых генераторов – одно из ярких проявлений практической дееспособности квантовой механики, свидетельство того, что эта наука блестяще выдерживает вторую из названных проверок.

Первую проверку – соответствие новой гипотезы общим физическим законам – обычно осуществляют физики-теоретики. Если они приходят к выводу, что есть расхождение с проверенными законами, новую гипотезу обычно тут же и отбрасывают, не тратя лишних сил. Если теоретики признают ее теоретическую правильность, гипотеза поступает на контрольную проверку № 2, то есть проверку опытом.

Теоретическая проверка производится с помощью математики. Пишутся и решаются уравнения. Если все в порядке, эти уравнения сами по себе становятся средством дальнейшего развития новых идей.

Роль математики в физике вообще очень велика – настолько велика, что есть даже часть физики (может быть, вернее сказать – часть математики), называемая математической физикой(не смешивать с теоретической физикой!). Деятельность ученых, работающих в области математической физики, имеет следующий характер. Налицо физические идеи, общие физические законы (это и есть теоретическая физика) и выражающие их уравнения; уравнения нужно решать – это дает знание многих важных черт конкретных физических явлений. Но уравнения сложны, решать их – дело огромной трудности. Надо искать эффективные методы их решений, пусть даже только приближенные (как чаще всего и бывает). Здесь нужны как хорошее понимание физического содержания уравнений, так и большое математическое остроумие.

Хороший пример такой деятельности – труды советского физика академика Владимира Александровича Фока.

Едва идеи квантовой механики проникли в сознание ученых и нашли себе многочисленных и пламенных сторонников, возникло требование дать этой теории математический язык, разработать формулы, которые учитывали бы возможно больше факторов, влияющих на движение микрочастицы, помогали бы рассчитывать это движение. Основная задача квантовой механики – найти законы движения объекта микромиров – требовала, чтобы ее решили на математическом языке.

Задача эта была не из легких. Не только потому, что объекты квантовомеханического исследования нельзя сделать непосредственно видимыми никакими средствами. Но если бы даже можно было построить такой микроскоп, который увеличивал бы протон до размеров футбольного мяча (допустим на мгновение такую возможность), то исследователь не увидел бы ничего привычного, потому что свойства протона, как и всякого микрообъекта, представляют собой дуалистическое (двойственное) сочетание свойств волны и корпускулы. Если же мы увеличим протон до обычного тела не условно, с помощью микроскопа, а на самом деле (допустим и такую невероятную возможность!), то и в этом случае ничего не выиграем, потому что, раздувшись до размеров футбольного мяча, протон немедленно утратит все свои «фантастические» квантовомеханические свойства.

Представим следующую картину. Человек опустился в батискафе в глубину моря и увидел мир необыкновенной красоты. Перед ним, тараща глаза, проплывают причудливые рыбы, кругом, как на ночном небе, горят белые и желтые «звезды» – люминесцентные «фонари» глубоководных созданий. Некоторых из них человек улавливает приборами и извлекает на поверхность. Но тщетно будет он искать на столе лаборатории игру волшебных красок и движений, так поразивших его из окна исследовательского снаряда. Поблекнут краски и умрут движения вместе с теми, кто был их обладателем. Вырванные из родной среды, существа морской стихии перестанут быть самими собой.

Кто хочет изучать жизнь обитателей морей и рек, должен сделаться водолазом. Он должен научиться погружаться в чуждую обстановку, а не тянуть в свою (смертоносную для живущих под водой) представителей иной стихии.

Примерно то же можно сказать о современном физике, работающем в наиболее абстрактной области науки – в квантовой механике. Положение здесь даже много сложнее, чем для ихтиолога. В отличие от своего собрата – ученого, изучающего жизнь морей, – ученый-квантовик имеет дело с «существами», размеры которых не превышают триллионных долей сантиметра и которые «живут» в стихии, несравненно более фантастической, чем водные глубины.

Малость – принципиальное свойство микрочастицы. А с этим свойством связаны все другие, и прежде всего то, что движение микрочастицы весьма существенно зависит от окружающей обстановки.

Увлеченный трудностями, раскрывшимися в мире микрочастиц, В. А. Фок еще в молодые годы решил посвятить свою жизнь исследованию этой необычайной стихии. «Батискафом» для него служили воображение и научная абстракция, а языком, которым он описывал «увиденное» в затаенных недрах вещества, – математические символы и уравнения. Природа разговаривает с нами языком формул, – на нем надо ей задавать вопросы, на нем же ждать ответа.

Еще в 1926 году Фок разработал такие формулы, которые учитывали сперва наличие магнитных полей, а потом также и увеличение массы частицы, когда ее скорость приближалась к скорости света. Позднее, изучая движение электронов, Фок принял во внимание и наличие других электронов и эффектов, возникающих при взаимодействии с ними.

Ни один физик до того времени не умел достаточно эффективно учитывать, пользуясь языком математики, всех этих весьма существенных обстоятельств, и расчеты, касающиеся микрочастиц, были поневоле очень неточными.

Вершиной творческих успехов В. А. Фока, однако, следует признать его работы, объединенные под туманным для непосвященных названием «Исследования в области квантовой теории поля».

Слово «поле» для той области мира, где разыгрываются квантовомеханические события, было придумано, разумеется, более или менее случайно. С таким же успехом эта область могла бы быть названа океаном, морем или как-нибудь иначе. Главное не в названии, а в его смысле: раз есть волна, значит, должен быть и простор для нее. И уж совсем неважно, как его обозначить в первый раз (важно потом придерживаться раз придуманного термина).

Исследователи пытливо вглядывались в удивительный мир квантов. К каким только математическим ухищрениям они не прибегали, чтобы разобраться, что происходит в микромире! Чего только не придумывали, чтобы можно было предугадать ход событий на его аренах: ведь первая задача науки – научиться предвидеть будущее по событиям настоящего! Положение усложнялось тем, что полей было не одно, а несколько. В зависимости от сорта частиц существуют поля: электромагнитное, мезонное и т. д. Но проникнуть в тайны мира квантов казалось невозможным. Неведомое было закрыто на крепкий замок. Были ясны многие основные физические идеи, но отсутствовал эффективный математический аппарат для решения ряда важных конкретных задач.

Внимательно смотрел на мир невидимок и Владимир Александрович Фок. Долго и напряженно изучал он поведение частиц при их превращениях. Много пришлось бы говорить о всех трудностях, с которыми он столкнулся. Надежды сменялись разочарованиями. Казалось, постигнуть смысл происходящего невозможно: слишком не приспособлен для этой цели человеческий разум, слишком велик груз обычных представлений…

Но вот наконец победа! Фок раскрывает тайны, казавшиеся непостижимыми. Он проникает в недра Неведомого. Он дает важнейшие математические методы решения большого класса квантовомеханических задач.

Отныне сложные и важные процессы микромира можно рассчитывать, предугадывать изменения, которые происходят в микромире, и делать все это с высокой точностью.

Мировая наука сразу подхватила смелые идеи и методы В. А. Фока и поставила их на вооружение при исследовании взаимодействий мельчайших крупиц материи.

Особенно широкие горизонты раскрылись перед этими методами в квантовой теории поля в годы после второй мировой войны. Если сам Фок вынашивал свои идеи применительно лишь к электромагнитному или электроннопозитронному полю, то они оказались настолько плодотворными и универсальными, что их стали применять и для других полей. Показав, как надо учитывать возможность изменения числа частиц в процессе, Фок облек в математическую форму не только закономерности возникновения или поглощения квантов света при переходе электронов в атоме с одной орбиты на другую, но и некие более общие, применимые и к другим квантам и частицам, закономерности.

Теперь идеи и методы академика Фока широко применяются в различных разделах физики.

Хочу закончить эту главку одним чрезвычайно общим соображением.

Цивилизация, созданная людьми, вполне естественно носит ярко выраженный антропоморфный, то есть человекоподобный, очеловеченный характер. Дома, машины, самолеты, книги, автоматические ручки, меры времени и меры веса, симфонии и ритмы танцев, стихи, философия, наука, словом, все на свете, созданное людьми, – все создано для одного-единственного существа – человека. Все приспособлено под его рост, вес, сроки жизни и расписание дня, духовное развитие, духовные потребности, тонкий зрительный и слуховой аппарат, приспособлено в тех диапазонах, в каких живут предельно отличающиеся друг от друга люди.

Ни одно иное существо, как бы разумно оно ни было, не смогло бы без каких-то специальных приспособлений воспользоваться плодами человеческой цивилизации.

Очевидно, аналогичный вывод надо сделать и по отношению к человечеству, если оно когда-нибудь столкнется с высокоорганизованными внеземными существами.

Будет время, и люди перенесутся уже не мысленно, а вполне реально на другие планеты, в другие обстановки и сферы бытия. Почти бесспорно, что они когда-нибудь отыщут в мироздании иные, чем земной, очаги жизни. Не будем говорить о том, будут ли эти очаги носить следы какой-нибудь цивилизации. Одно бесспорно: кто бы ни жил там – те существа не могут ни в малейшей степени походить на нас. Почти наверняка у человека найдется больше сходства с ящерицей, а может быть, и с деревом, чем с инопланетными существами. Невероятно, чтобы встретилась планета с набором тех же диапазонов, что на Земле: температур, давлений, состава атмосферы, масс живых существ, – с диапазоном жизненных свойств таких существ, их ощущений, чувств опыта и т. п.

Сознание людей потребует какого-то «перевоплощения», отказа от антропоморфности, чтобы понять жителей далеких миров. Может быть, мы уже имеем доказательства того, что люди будущего справятся с такой задачей? Может быть, одно из этих доказательств – то, что ученые находят путь «перевоплощения» для понимания таких миров, как квантовая механика?

Открытие космических возможностей человеческого сознания способно наполнить нас горделивым чувством, дать повод помечтать о новых необъятных горизонтах разума.