Крушение парадоксов

Изберем же ту из дорог, которая приведет к лазеру.

В середине сентября 1959 года вблизи Нью-Йорка, в тихом местечке Хай Вью, собралась разноязычная компания ученых. Это были участники первой международной конференции по квантовой электронике. По сравнению с масштабами других международных конференций их было так мало, что организаторы смогли поместить в томе трудов конференции список всех ее участников. Здесь наряду с Басовым, Прохоровым и Таунсом можно найти имена многих знаменитых современных физиков.

Конференция как в зеркале отразила основные направления оптической науки. Большинство докладов и кулуарных бесед касались молекулярных генераторов, атомных часов, парамагнитных усилителей, их исследования и применений. Это было естественно. Но главным в ней было не это. Здесь прозвучали фанфары, возвещавшие вторжение радиофизиков в исконную вотчину оптиков.

После конференции многие лаборатории взялись за новую тематику. Радиофизики подходили к оптическим задачам со своих позиций. Результаты появились быстро.

В начале 1960 года в лондонском журнале «Природа» появилось коротенькое сообщение Т. Меймана о том, что он создал новый генератор световых волн. Принципиально новый.

В лабораторию к Мейману началось паломничество. Там стоял ничем с виду не примечательный прибор. Но посетители не сводили глаз с маленького ящика, на верхней крышке которого лежал металлический цилиндр размером с литровую консервную банку. В середине его торца виднелось небольшое отверстие.

После кратких пояснений Мейман нажимал кнопку, вмонтированную в корпус прибора. В середине листа, прикрепленного к стене лаборатории, на мгновение ослепительно вспыхивало небольшое ярко-красное пятно.

Но те, кто смотрел не на стену, а на прибор, видели, как из отверстия в его торце вылетал луч толщиной не больше карандаша. Почти не расширяясь, этот луч упирался в стену, оканчиваясь ослепительным круглым пятнышком. В комнате было совсем светло, но красный луч выглядел примерно так же, как луч солнца, проходящий в затемненную комнату через отверстие шторы.

После нескольких вспышек металлический цилиндр обычно открывали. Но в нем не было ничего необычного. Разве лишь два тривиальных предмета. Спиральная лампа-вспышка, похожая на те, которыми пользуются фотографы, и бледно-розовый прозрачный кристалл размером с обычную сигарету. Концы его блестели как зеркало. Они действительно были покрыты зеркальным слоем серебра.

Мейман рассказывал коллегам, что розовый стерженек сделан из искусственного рубина. Такой же рубин, но еще более светлый, применяется в мазерах для усиления радиоволн.

В поглощении света участвует не весь материал, образующий кристалл, а только ионы хрома, которых здесь лишь доли процента. Но именно они играют главную роль в работе прибора. Свойства рубина подробно изучены при разработке мазеров. Облучая его радиоволной, можно заставить ионы хрома усиливать радиоволны.

Мейман первый догадался, что, облучая рубин светом лампы-вспышки, можно заставить его усиливать свет. Опыт работы с мазерами и статьи Таунса (а может быть, он читал и статьи Прохорова и Басова) говорили о том, что, применив обратную связь, можно превратить усилитель в генератор, в генератор света, действующий совершенно так же, как обычный радиопередатчик. Какой резонатор можно применить при работе со светом, тоже было известно — пару параллельных зеркал. Проще всего отполировать торцы рубинового стержня и прямо на них нанести зеркальный слой серебра.

Новый прибор оказался настолько похожим на мазер, что Мейман и в названии заменил лишь одну букву, превратив мазер в лазер. Он сказал: «Это потому, что принцип действия обоих приборов одинаков. Различаются только диапазоны длин волн, в которых они работают. Буква «л» — сокращение слова «лайт» (свет). Остальные буквы означают «усиление при помощи вынужденного испускания».

В приборе Меймана источниками света, как и в мазере, были миллиарды миллиардов электронов, входящих в состав ионов хрома, рассеянных в толще рубинового стержня. И все эти электроны испускали свет не независимо, не хаотически, не самопроизвольно. Они испускали его более согласованно, чем звучат скрипки в хорошем оркестре.

Такое совпадение основных характеристик световых волн оптики называют когерентностью. Почти все умопомрачительные достижения лазеров так или иначе связаны с когерентностью. С тем, что вынужденное излучение отдельных частиц в результате обратной связи оказывается жестко связанным и вся масса активного вещества генерирует как одно целое.

До появления прибора Меймана оптики почти всегда имели дело с некогерентным светом. Прибор Меймана впервые показал, что и в оптике слаженный коллектив приобретает качества и возможности, недоступные хаотическому сборищу индивидуальностей.

Физики уже имели дело с вынужденным испусканием электромагнитных волн в сантиметровом диапазоне радиоволн. Там оно привело к недостижимой ранее стабильности генераторов, к предельной чувствительности приемников.

Теперь им было ясно, что вынужденное испускание в оптике дает гораздо больше, чем простое усиление света, о котором писал Фабрикант в своей диссертации. Вынужденное испускание в оптике открывает путь для небывалой концентрации энергии, для передачи энергии на огромные расстояния с очень малыми потерями, для создания новых систем связи... Впрочем, могли открыться возможности, о которых никто еще и не мечтал.

Глава III. Гигантский импульс

Обезьяна, сбросив кокосовый орех с вершины пальмы спешит вниз, чтобы насытиться мякотью плода. Она постигла элементарную связь между причиной и следствием, между целью и способом ее достижения. Она знает, что не способна ни раздавить, ни разгрызть этот орех. Она научилась использовать в своих целях силу тяжести.

Человек не сильнее высших обезьян. Но умнее. Он начал применять, а затем и изготавливать орудия. Положив кокосовый орех на большой камень, он раскалывает его другим камнем. Обезьяна не может постичь того, что удар камнем по ореху заменяет падение ореха на камень. Человек же понял, что простой нажим даже тяжелого камня не даст того, к чему приводит резкий удар более легким.

Как много веков должно было пройти, прежде чем подобные простые соображения привели к механике Аристотеля, а затем к принципу относительности! Сколь разнообразны последствия первых ударов камней по орехам и палиц по черепам диких зверей! Молот древнего кузнеца выполнял ту же функцию, которой служит молот в любой современной кузнице. Плавным взмахом молотобоец передает энергию своих мышц молоту, поднимая его и со все возрастающей скоростью обрушивая на заготовку. Огромный импульс, скопленный молотом во время взмаха, в мгновение ока деформирует заготовку, раз за разом превращая ее из грубой болванки в лемех плуга или ось повозки. Самые совершенные пневматические и электрические молоты выполняют ту же задачу — скопить в себе энергию сравнительно маломощного источника и выплеснуть ее в нужный момент в виде сокрушающего импульса.

Каждый раз, когда человек овладевал новым видом энергии, он стремился найти возможность запасать ее и потом мгновенно высвобождать. Так было и с электричеством. Еще в 1745 году некто Мушенброк в голландском городе Лейдене соорудил сосуд, способный запасать электричество, и поражал соседей яркими громыхающими разрядами. Тогда всем казалось, что молния покорена и скоро будет служить людям.

Но и в наши дни, когда электрические искры обрабатывают твердые сплавы, незримо трудятся в автомобильных двигателях, молния остается лишь грозным и опасным явлением природы, а лейденские банки можно увидеть только в школьных кабинетах физики. На смену им пришли разнообразные конденсаторы, без которых немыслим ни радиоприемник, ни телевизор, ни современный маяк, ни лампа-вспышка, помощница фотографа. Электрическая энергия, запасенная в виде заряда конденсатора, может высвободиться за очень короткие промежутки времени, порождая яркие сполохи сигнальных ламп современных самолетов.