Безумные идеи

Хотя ученые и обнаружили механическое действие света, о практическом его использовании не возникало даже мысли. Еще бы! Такая мысль показалась бы просто абсурдной. Расправляясь с самыми длинными из кометных хвостов, солнечные лучи не в состоянии шевельнуть даже волосом на голове человека. О каком же практическом использовании давления света могла пойти речь?

Тем не менее... Современная техника в некоторых вопросах просто зашла в тупик. И может выйти из него только с помощью давления световых волн!

Вот пример. Как может человек за время своей короткой жизни побывать на звездах, расположенных на расстояниях в сотни и тысячи световых лет от Земли? Умчать туда может только сверхскоростная ракета. Но никакие химические топлива не в состоянии разогнать ракету до скорости, необходимой для полетов за пределы солнечной системы. Это сделать могут только электромагнитные волны.

Расчеты показывают, что если создать мощный пучок электромагнитных волн, то его реактивная сила может разогнать ракету гораздо сильнее, чем любой другой двигатель. Теоретически таким путем можно даже приблизиться к предельной скорости — скорости света. Правда, на пути создания таких ракет, названных фотонными, еще столько трудностей, что эта задача пока остается разрешимой лишь на бумаге.

А в последнее время, буквально в наши дни, ученые придумали для световых волн еще одну работу. Работу удивительную, на первый взгляд просто невероятную.

Над нашей планетой летает уже много искусственных спутников. Они изучают погоду, исследуют ионосферу и поле тяжести Земли. Их орбиты проходят на сравнительно малых высотах. Из-за трения в верхних слоях атмосферы спутники быстро теряют скорость, снижаются и. сгорают. Срок их жизни ограничен, а ведь на них затрачивается много средств, от них ждут длительной службы.

Вот тут-то и родилась заманчивая идея: что, если попытаться удержать спутники на орбитах, подпирая их с Земли... пучками света? Пусть, решили ученые, лучи мощных специальных источников, расположенных на Земле, поступают со спутниками так же, как лучи Солнца с хвостами комет.

Сделали предварительный расчет и убедились, что эта задача реальна не только теоретически, но и практически. Необходимое для этого давление света сравнительно мало, так как невелико и трение спутника в весьма разреженных верхних слоях атмосферы.

Однако те же расчеты натолкнули на обескураживающий вывод. Оказывается, даже мощным прожекторам такая задача не по плечу. Они не способны дать нужные для этой цели световые пучки. Вы, наверное, замечали, что луч прожектора, имеющий вначале диаметр 1...2 метра, постепенно расширяется, так что на расстоянии в несколько километров площадь светового пятна составляет сотни квадратных метров. В результате на высотах, на которых движутся исследовательские спутники Земли, световые волны, излучаемые прожектором, разбегаются на столь обширную площадь, что их давление, малое даже вблизи прожектора, оказывается ничтожным.

Оптика подсказывает, что для уменьшения расходимости светового пучка прожектора нужно уменьшить площадь источника света. Но это связано с уменьшением его мощности, так как повысить температуру источника не позволяют свойства известных нам материалов. Таким образом, классическая светотехника оказалась в замкнутом круге. И ученые убедились, что решение поставленной задачи обычными методами невозможно.

Выход из тупика был найден в результате объединения методов радиотехники, квантовой механики и оптики. На стыке этих наук возникла квантовая радиофизика, позволившая создать принципиально новые источники света и радиоволн.

Оказалось, что необходимые мощные пучки электромагнитных волн могут дать людям не прожекторы, не уже известные генераторы волн и даже не ослепительное Солнце, а... атомы и молекулы!

И на Солнце, и в прожекторе, и в электрической лампочке свет излучается в виде независимых друг от друга волн из отдельных атомов и от отдельных электронов, совершающих хаотические движения из-за сильного нагрева. Эти независимые волны невозможно объединить в узкий мощный пучок. Для создания такого пучка нужно заставить атомы излучать световые волны не беспорядочно, а согласованно.

На возможность такого согласованного излучения из многих атомов указал еще Эйнштейн, и оно действительно наблюдалось астрономами в некоторых небесных телах.

Готовя свою докторскую диссертацию, Валентин Александрович Фабрикант обосновал пути искусственного получения такого дружного излучения атомов и молекул. И хоть война помешала ему провести соответствующие опыты, его теория заложила одну из важнейших частей в фундаменте новой науки — квантовой радиофизики.

Лишь после того, как страна залечила раны, нанесенные войной, Фабрикант вернулся к своему открытию и вместе с сотрудниками сформулировал его в столь четкой форме, что им было выдано авторское свидетельство на это изобретение.

Это было в 1951 году, с тех пор прошло 16 лет, и теперь трудно установить, почему Фабрикант ограничился заявкой на изобретение и не выступил с сообщением о своем открытии перед товарищами-учеными.

Но недаром говорят, что идеи носятся в воздухе. Уже в 1952 году, ничего не зная о работах Фабриканта, молодые советские физики Н.Г. Басов и А.М. Прохоров доложили на научной конференции о своих работах, в которых обосновывалась возможность создания прибора, названного ими молекулярным генератором и усилителем радиоволн. А вскоре их молекулярный генератор заработал.

Как теперь уже широко известно, это замечательный прибор. Он излучает такие постоянные радиоволны, которых не давал еще ни один генератор, созданный руками человека.

Молодые ученые решили, что атомы и молекулы можно заставить «вращать» стрелку часов, и преобразовали излучение молекулярного генератора в импульсы, следующие друг за другом с необыкновенной точностью. Эти импульсы они заставили управлять ходом обыкновенных электрических часов. Так были созданы уникальные часы, ход которых практически не нуждается в регулировке и сверке с астрономическими наблюдениями. Такие часы проработав без остановки несколько сот лет, не ошибутся и на секунду.

Осенью яблоки поспевают во всех садах. Как потом выяснилось, в далекой Америке, ничего не зная не только о работах советских коллег, но и друг о друге, над той же проблемой бились еще две группы ученых. В Колумбийском университете этими работами руководил молодой профессор Ч. Таунс, а в Мэрилендском университете — Дж. Вебер.

Таунс с сотрудниками первый опубликовал краткую заметку о построенном ими молекулярном генераторе радиоволн, который может работать и как усилитель. Они дали своему детищу имя «мазер», образованное первыми буквами английских слов «усиление микроволн посредством индуцированного излучения». Это краткое и звучное слово, напоминающее о новом принципе, постепенно вошло в лексикон ученых.

Можно не сомневаться в том, что и Вебера в Мэриленде и Фабриканта и Басова с Прохоровым в Москве взволновала первая публикация Таунса о рождении нового прибора. Но такова судьба ученых — все стремятся к цели, но кто-нибудь должен оказаться первым.

Фабрикант предложил общий принцип. В Физическом институте в Москве и в Колумбийском университете в Нью-Йорке ученые, не знавшие об этой идее, не только самостоятельно пришли к ней, но и построили приборы, похожие друг на друга, как два близнеца.

В 1954 году Басов и Прохоров описали другой способ реализации этого принципа. Они нашли, что систему атомов или молекул можно заставить усиливать или генерировать радиоволны, если облучать эти атомы и молекулы более короткими радиоволнами или освещать их ярким светом с подходящей длиной волны. Вскоре американский ученый Бломберген разработал этот способ специально для усиления радиоволн при помощи особых кристаллов, погруженных в жидкий гелий.