История лазера

«Паунд, Парселл и Рамси выполнили серию экспериментов с кристаллами LiF, которые имеют очень большое время релаксации. Они обнаружили, что спиновая система существенно изолирована в течение времени, которое изменяется от 15 с до 15 мин, и что за времена, короткие по сравнению с этим временем, спиновая система может находиться в состоянии с отрицательной температурой. В этом состоянии уровни с более высокой энергией заселены более полно по сравнению с уровнями с низкой энергией. Такая система характеризуется тем, что когда на нее падает внешнее излучение, то вынужденное излучение превосходит поглощение».

В эксперименте Парселла и Паунда они наблюдали сигнал, который получался из-за распада инверсной населенности зеемановских уровней. Никто не придал значения тому, что это — метод, который позволяет получить инверсию, или тому факту, что система с отрицательной температурой, связанная с микроволновым резонатором или волноводом, может дать когерентное усиление благодаря процессу вынужденного излучения. Вероятно, это было из-за того факта, что этот метод получения инверсии давал только краткосрочное существование инверсной населенности. Лишь позднее методы получения инверсии были использованы для создания мазеров.

Глава 10

МАЗЕР

Теперь мы готовы рассказать, как был изобретен мазер или, лучше сказать, как он был открыт, имея в виду, что во Вселенной существуют звездные мазерные источники, и поэтому человек эффективно воспроизвел в лаборатории то, что уже существовало в природе.

Чтобы сделать ярче картину, окружающую создание сперва мазера, а потом и лазера, полезно рассмотреть состояние исследований по физике и дух, с которым эти исследования выполнялись в годы после Второй мировой войны. Перед Первой мировой войной исследования проводились персонально или малыми группами, не имеющими связей с промышленностью и не предвидящих каких-либо применений. Ученые старались удовлетворить свое любопытство путем открытия и объяснения новых явлений. Открытие радия Марией Кюри (1867—1934) — яркий пример. Она начала с наблюдения, что некоторые минералы, из которых извлечен уран, элемент, радиоактивность которого была открыта Анри Беккерелем (1852—1908), показывают радиоактивность большую, чем можно было приписать содержанию урана. Поэтому внутри этих минералов должны быть одна или более субстанций с радиоактивностью большей, чем у урана. Это заставило ее изучить эти субстанции. Эти исследования были проведены в сарае с огромными трудностями, без какой-либо помощи, кроме ее мужа Пьера (1859—1906). Финальным результатом было открытие полония и радия (1898). Вскоре было обнаружено, что излучение, испускаемое радиоактивными веществами, обладает биологическими эффектами, и их стали использовать в борьбе с раком. Таким образом, открытие радия привело к важному практическому применению, хотя этого никто не предполагал вначале исследования

Во время Второй мировой войны ситуация изменилась радикально, особенно в США, где были получены самые важные результаты, относящиеся к нашей истории. Разработка радара, который существенно повлиял на исход войны, ядерные исследования, кульминацией которых явилось создание атомной бомбы — всё это показало огромные возможности, заключенные в физических исследованиях, и сколь экстраординарные применения могут быть получены. К концу войны физика предстала как важнейшая наука для будущего.

В 1948 г. изобретение транзистора и последующая революция в электронике предстали еще одним революционным шагом. Теперь исследования не кончались сами по себе с единственной целью получить чистые знания, но они стали способом получить новые знания, ведущие к конкретным применениям со значительным социальным последствием.

Оказалось, что физика не является абстрактной наукой для немногих избранных, но представляет инструмент, способный дать существенные элементы для развития общества или, в зависимости от того, что желают иметь, для его уничтожения. Ядерные исследования и разработка ядерных реакторов для получения энергии (сегодня рассматриваемое с некоторым скепсисом) после Второй мировой войны рассматривались с огромной благосклонностью как средство решения энергетической проблемы для человечества.

В это же время началась связь с промышленностью, научно-исследовательских отраслевых лабораторий и развитие самой промышленности, основанное на результатах физических исследований. Внезапно физики стали значительными и популярными, и большие деньги стали предоставляться им из правительственных источников. В этой атмосфере всякий, кто имел хорошую идею с потенциальными применениями, мог, почти наверняка, рассчитывать на поддержку. Эти идеальные условия в период войны продолжались и в течение холодной войны между США и СССР, вплоть до ее окончания. В этот период разработка мазеров и лазеров получила невиданную финансовую поддержку в Америке, благодаря интересу со стороны военных агентств и промышленности. В других странах не было такого счастливого состояния, хотя кое-что и получалось.

В бывшем Советском Союзе Академия наук рассматривалась как важная часть государства и была богатой и сильной. В институтах, разбросанных по всей стране, работали тысячи исследователей, положение которых было значительно лучше, чем у тех, кто работал в других областях. Также существовали секретные лаборатории для военных целей, которые работали вместе с прекрасными академическими лабораториями, так как только с их помощью можно было получить необходимые приборы и методики.

В Европе были организованы большие международные исследовательские центры, такие как ЦЕРН в Женеве. Эта огромная лаборатория была организована при финансовой поддержке Италии, Франции, Германии, Великобритании, Нидерландов и Бельгии. Были построены огромные ускорители и установки для исследований в области физики высоких энергий. Ни одна из стран в одиночку не смогла бы профинансировать это. Ускорители ЦЕРН дают в руки исследователям хорошо организованных международных групп большое количество частиц с высокой энергией. В довоенные годы исследования с такими частицами проводились в лабораториях, которые ожидали случайного появления малого числа таких частиц в виде космических лучей, их естественного источника. Разработка ускорителей означала, что такие частицы можно получать в большом количестве и работать с ними приемлемым лабораторным образом.

Большая финансовая поддержка со стороны Европы, и особенно Италией, исследований в области частиц высоких энергий имеет свои корни, заложенные престижем Ферми, Амальди и др. Такая финансовая поддержка направлена в хорошо определенном направлении.

Тот факт, что разработка новых устройств, мазеров и лазеров произошла в США и в прежнем Советском Союзе, единственных странах, где исследования проводились в широких областях, можно рассматривать, как основную стратегию не концентрировать исследования лишь на определенных направлениях.

Огромные изменения роли физики и физиков в исследованиях, которые проводились во время войны, можно рассматривать для того, чтобы понять, как дорогостоящие исследования, без гарантии успеха и часто с сомнительными перспективами, могли быть поддержаны без особых проблем. Мазер означал появление техники усиления, столь радикально отличающейся от тех, что обычно используются; она не могла появиться как простое улучшение уже известной электронной техники. Потребовались разработки в новых областях, таких как магнитный резонанс, микроволновая спектроскопия, которые принципиально проводились в США и были описаны нами в предыдущих главах. Более того, в то время электромагнитные волны генерировались и принимались, используя лампы (диоды, триоды и др. которые ныне совсем оставлены), в которых использовались электроны, испускаемые нитями, нагреваемыми электрическим током. Действие этих устройств, а также магнетронов, клистронов и др., было совершенно понятно на основе законов классической электродинамики Максвелла. Инженерам не нужно было изучать квантовую механику, которая совершенно необходима для понимания работы мазера, вплоть до 1948 г., когда был открыт транзистор. Для понимания принципа работы этого устройства необходимо рассматривать электронные состояния в твердых телах, которые описываются законами квантовой механики. С этого времени инженеры открыли для себя квантовую механику и стали изучать ее.