Страница 55 из 93
В т.н. фонтане атомы подбрасываются вертикально вверх под действием лазеров, а затем под действием тяжести падают вниз, подобно воде в фонтане. Система устроена так, что атомы взаимодействуют с электромагнитным полем и когда они летят вверх, и когда они опускаются вниз. Тем самым увеличивается время взаимодействия. При высоте в 1 м время взаимодействия струе атомов фонтана достигает 1 с.
В 1989 г. Стивен Чу и Курт Гибл в Стэнфордском университете (США) продемонстрировали первый фонтан с использованием охлажденных атомов натрия. Затем, в 1991 г. Клод Коен-Тануджи и Кристоф Саломон из Ecole Normale Superieure (Париж) вместе с Андре Клероном из Парижской Обсерватории использовали цезий. В результате в 1993 г. Клерон построил первый фонтан охлажденных атомов, с помощью которого в 1995 г. была достигнута точность менее 1 с за 30 миллионов лет (огромное достижение).
Необходимость в столь точных часах возникает, например, в радиоастрономии, или для проверки теории относительности Эйнштейна. Пожалуй, наиболее значительным применением атомных часов является система глобального определения координат (GPS) с помощью спутников. Она нужна для навигации и различных систем мониторинга. Используется набор 24 спутников на геостационарных орбитах. Для точного определения их положения используются сигналы с точной привязкой во времени. Тогда положение человека, имеющего приемник, определяется по разности времени, которое требуется для прохождения сигналов от спутников до приемника. В настоящее время эта система обеспечивает точность определения координат до долей метра, что требует определения временных интервалов до долей наносекунд (1 нс = 10—9 с).
Экспериментальное доказательство инверсии населенности
Вернемся к экспериментам по ядерному резонансу. Некоторые эксперименты, выполненные Блохом и его коллегами, имеют большое значение для нашей истории. В некоторых экспериментах они нашли, что время релаксации воды было между половиной секунды и одной минуты. Чтобы определить это значение более точно, был задуман замечательный эксперимент. Образец воды помещался в постоянное магнитное поле, достаточно высокой напряженности. При приложении осциллирующего поля с изменяемой частотой наблюдался типичный резонансный пик. Затем, за очень короткое время, направление постоянного поля, вдоль которого прецессируют магнитные моменты, изменяло знак (поле инвертировалось). Вначале наблюдался резонансный пик, затем в течение нескольких секунд этот пик исчезал и снова начинал расти, но с отрицательным значением. Это поведение можно объяснить следующим образом. Первоначально магнитные моменты выстраиваются вдоль направления поля, а слабое переменное поле, поглощаясь, индуцирует переходы в направление уровней с большей энергией (это приводит к пику поглощения). Когда постоянное поле изменяет свое направление, спины первоначально оказываются ориентируемыми почти антипараллельно, и теперь переменное поле индуцирует вынужденные переходы с верхнего уровня на нижний уровень. Это происходит до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие в этом новом направлении поля.
В эксперименте Блоха время, необходимое для достижения этого нового равновесия, было около нескольких секунд, и это было как раз то значение релаксации воды, которое и интересовало исследователей. В течение нескольких секунд, необходимых для достижения нового равновесия, населенность спинов была в состоянии инверсной населенности, т.е. с большим числом частиц на более высоком магнитном уровне, чем число частиц на уровне с меньшей энергией.
Блох не обратил внимания на эту особенность, сосредоточившись на проблеме определения времени релаксации и измерения его точного значения. Инверсная населенность, получаемая таким способом, получившим название быстрого адиабатического прохождения, была позднее, в 1958 г., использована, чтобы создать инверсную населенность в двухуровневом твердотельном мазере.
В следующем году Н. Бломберген, молодой голландский физик, о котором мы более подробно поговорим позднее, вместе с Парселлом и Паундом продолжал изучать времена релаксации. Он ввел в теоретическое рассмотрение уравнения, которые описывают поведение числа атомов, находящихся на разных энергетических уровнях. Эти уравнения сыграли фундаментальную роль в описании действия мазеров и лазеров.
Отрицательная температура
В 1951 г. Парселл и Паунд в короткой заметке в Physical Review ввели понятие отрицательной температуры и показали существование отрицательного поглощения. Они рассматривали эксперимент по ядерному поглощению и рассуждали следующим образом. При напряженностях поля, позволяющих системе быть описанной через ее полный магнитный момент (намагничивание), существенно быстрое обращение (перемена знака, инверсия) магнитного поля должно привести к намагничиванию, которое противоположно новому направлению поля. Это обращение должно осуществляться за такое короткое время, чтобы намагничивание не могло мгновенно следовать за полем. Они выполнили эксперимент с образцом флюорида лития, помещаемого в магнитное поле, направление которого, после достижения теплового равновесия, быстро обращалось. Это время инверсии делалось короче, чем спин-решеточная релаксация, и, таким образом, конфигурация ядерных спинов имела достаточно времени, чтобы измениться в течение инверсии поля. В пределах короткого интервала времени, в течение которого спины остаются инвертированными, получается отрицательное поглощение, т.е. испускание.
Этот эффект показан на рис. 40, причем частота периодически варьировалась взад и вперед через значение резонансной частоты. Пик, крайне слева, представляет нормальную резонансную кривую, перед тем как поле инвертируется. Как раз справа от этого положения поле было инвертировано, и следующий пик направлен вниз, что соответствует отрицательному поглощению. Эти отрицательные пики становятся слабее, вплоть до состояния, где исчезают и положительное и отрицательное поглощения (ноль пика). В этом состоянии населенности верхнего и нижнего уровней равны. Последующее увеличение положительных пиков показывает новое установление термодинамического равновесия населенностей.
Если мы теперь вспомним, что в случае молекул, которые могут находиться на двух энергетических уровнях, число молекул, находящихся в верхнем состоянии, равно числу молекул, находящихся в нижнем состоянии, умноженному на экспоненциальный фактор, который является отрицательным отношением разности энергий двух уровней к kT, то мы увидим, что для положительного значения температуры экспоненциальная функция всегда отрицательна, и поэтому экспоненциальный член всегда меньше единицы. Это означает, что населенность частиц в верхнем состоянии всегда меньше, чем населенность в нижнем состоянии. Ситуация, при которой населенность верхнего уровня больше, чем нижнего, соответствует случаю, при котором экспоненциальный множитель больше единицы. Это получается, если kT является отрицательным, т.е. температура отрицательна.
Отрицательная температура просто означает, что занятие состояний с большей энергией более вероятно, чем состояния с меньшей энергией. Это получается в одних и тех же уравнениях. Но дело не только в формулах, отрицательная температура имеет глубокий физический смысл. Через семь лет после введения этого понятия, полное объяснение его значения было дано двумя исследователями, Абрагамом и Проктором. Парселл прокомментировал их работу, говоря: «Это как получение свидетельства о браке через семь лет после рождения ребенка».
Н. Рамси, который в нескольких работах (даже философских) обсуждал смысл отрицательной температуры, писал: