Страница 110 из 161
Во времена нашей истории проблема этого излучения, забытая на некоторое время, снова обсуждалась астрофизиками, и группа Дике очень заинтересовалась. После первого контакта Дике и его сотрудники посетили Пензиаса и Вилсона и убедились в реальности их измерений. После этого в Astrophysical Journal были направлены два письма: одно за подписью Пензиаса и Вилсона объявляло об открытии, а второе, подписанное Дике, Пиблесом, Роллом и Вилкинсоном, давало теоретическое объяснение.
Рис. 47. Спектр космического фонового радиоизлучения, измеренного спутником СОВЕ в 1989 г. Точками показаны экспериментальные значения, а сплошная кривая относится к спектру при 2,735 К, рассчитанному по формуле Планка для черного излучения
За это открытие Пензиас и Вилсон получили Нобелевскую премию по физике в 1978 г. Совсем нет необходимости говорить, что это открытие стало возможным благодаря использованию мазера, обладающего крайне малыми собственными шумами. �менно это обстоятельство позволило измерить температуру реликтового излучения. Более точные современные измерения дают 2,735 К, и это является частью экспериментальных доказательств модели Большого Взрыва (рис. 47). Но почему именно 2,735 К, а не другое значение, является одной из наиболее важных проблем современной космологии, относящейся к фундаментальным аспектам строения и эволюции Вселенной. Все это ждет своего ответа.
Атомные часы
Было установлено, что наиболее интересным применением мазеров на атомных пучках является создание атомных часов. Очень точные часы можно использовать, чтобы установить, являются ли астрономические константы действительно постоянными или они изменяются со временем. Также можно проверить справедливость общей теории относительности. Кроме своей научной значимости, атомные часы имеют важное военное и экономическое значение. В 1950-х 1960-х гг. прецизионные стандарты частоты потребовались для навигационных систем. Высокостабильные стандарты частоты, не подверженные вибрациям, стали частью систем управляемых снарядов. Естественно, что военные финансировали эти исследования.
Мазер является оптимальным стандартом частоты, который обеспечивает лучшую точность по сравнению с уже существовавшими атомными часами. Для этой цели водородный мазер стал особенно полезен. Он был создан Рамси и его сотрудниками в 1961 г. и был первым атомным мазером. Его очень точная испускаемая частота была использована для стабилизации микроволнового генератора в системе двух полей Рамси.
Водородный мазер (работает на частоте 1420 МГц) был использован в 1976 г. для проверки положений общей теории относительности. Его также использовали для управления полетом Вояджера-2 в его исторической миссии к Нептуну.
Генерация от ускоренных электронов
В начале 1951 г. физик Ганс Мотц (19091987) предложил новый способ получения излучения на миллиметровых и субмиллиметровых длинах волн, который не включал явного упоминания процессов инверсии населенности или вынужденного излучения, даже если эти концепции неявно использовались в принципе работы. Позднее это устройство превратилось в один из многих путей получения лазерного излучения, получившего название лазер на свободных электронах. Сегодня это один из немногих лазеров, генерирующих очень короткие длины волн.
Мотц сделал свое предложение в 1951 г., когда он был в Стенфордском Университете (Калифорния, США). Его идея заключалась в том, чтобы пропустить пучок электронов через набор магнитов с переменной полярностью.
РџРѕРґ действием магнитного поля электрон движется уже РЅРµ РїРѕ РїСЂСЏРјРѕР№, Р° РїРѕ РґСѓРіРµ окружности. РљРѕРіРґР° электрон попадает РІ поле противоположного знака, РґСѓРіР° изгибается РІ противоположном направлении, Рё траектория становится последовательностью полуокружностей, как показано РЅР° СЂРёСЃ. 48. Рлектроны, движущиеся РїРѕ таким искривленным траекториям, должны испускать излучение согласно законам электромагнетизма. РџСЂРё определенных условиях излучение РѕС‚ отдельных сегментов может стать непрерывным цугом волн. Поскольку электроны РІ пучке движутся СЃ очень высокой скоростью, необходимо учитывать теорию относительности. РћРЅР° показывает, что благодаря ограничениям, следующим РёР· этой теории, длины волн испускаемого излучения связаны СЃ радиусами полуокружностей, РЅРѕ РјРЅРѕРіРѕ короче, попадая РІ область миллиметров или субмиллиметров, Р° РїСЂРё особых конструкциях даже РІ видимый спектр Рё еще короче длин волн. Р�нтересной особенностью такого устройства является то, что РїСЂРё изменении энергии электронов или РїСЂРё изменении расстояния между полюсами магнитов, можно изменять длину волны, С‚.Рµ. получать источник СЃ непрерывной перестройкой длины волны.