50 лет советской физики
Шрифт:
Как же удалось заставить атомы работать так согласованно?
Хорошо известно, что любая среда, в которую проникает свет, поглощает и рассеивает его лучи. Если бы Исааку Ньютону оказали, что возможно создать среды, усиливающие пропускаемый ими свет, он бы наверняка в это не поверил.
Классическая теория колебаний утверждает, что диполь, на который воздействует периодически изменяющееся электромагнитное поле, может, в зависимости от соотношения фаз между колебаниями поля и колебаниями самого диполя, либо поглощать энергию поля, либо отдавать ее полю. В первом случае имеет место положительная абсорбция, во втором — отрицательная
А. Эйнштейн первым в 1917 г. распространил этот принцип на квантовые системы, указав, что атомы также должны испускать вынужденное излучение под влиянием падающей электромагнитной волны. Только при этом условии ему удалось вывести формулу Планка на основе статистических соображений.
В 1927 г. английский физик П. Дирак обратил внимание на то, что вынужденное излучение атомов должно иметь место лишь при условии совпадения частоты падающего электромагнитного излучения с одной из возможных частот для атомов данного сорта. Иными словами, атомы должны испускать такие же кванты, какие содержатся в падающем излучении.
Заинтересовавшись природой вынужденного излучения, советский физик, профессор В. А. Фабрикант решил подробно разобраться в этом вопросе. В 1939 г. В. А. Фабрикант защитил докторскую диссертацию, в которой впервые теоретически обосновал возможность создания оптических сред, усиливающих проходящий через них свет. В 1951 г. он вместе с М. М. Вудынским и Ф. А. Бутаевой подал авторское свидетельство на эту идею, осуществление которой позволило бы создать принципиально новый способ усиления электромагнитного излучения.
На пути к созданию такой среды, значительная часть атомов которой, в нарушение термодинамического равновесия, длительное время находится в возбужденном состоянии, встретились очень большие трудности. Первыми их преодолели советские физики академики Н. Г. Басов и А. М. Прохоров. В 1952 г. они сообщили на научной конференции о работе по созданию молекулярного усилителя и генератора радиоволн на аммиаке. В этом необычном генераторе все молекулы аммиака согласованно излучали электромагнитные волны одной и той же длины. Постоянство частоты генератора было так велико, что первым его применением оказалась служба времени. Построенные на таком принципе молекулярные часы имеют непревзойденно высокую точность.
Вскоре об аналогичном молекулярном генераторе радиоволн сообщил американский физик Ч. Таунс. Он же предложил называть такие генераторы мазерами.
Так родилась квантовая электроника.
Но всеобщее признание она получила лишь после создания квантовых генераторов оптического диапазона — лазеров. Первый лазер был создан в 1960 г. Немалая доля заслуг в создании лазеров также принадлежит советским физикам академикам Н. Г. Басову и А. М. Прохорову и профессору В. А. Фабриканту.
Вот как, например, выглядит газовый лазер.
Его основная деталь — продолговатая трубка, заполненная смесью двух благородных газов — гелия и неона. За торцами трубки находятся плоские строго параллельные зеркала, способные отражать до 99 % падающего на них света, одно из которых
Возбуждая с помощью электродов газовый разряд в трубке, мы прежде всего сообщаем энергию атомам гелия, а они, в свою очередь, возбуждают путем столкновений атомы неона. Так как атомы неона излучают полученную энергию не мгновенно, а с некоторой задержкой, в газовой смеси возникает большое количество возбужденных атомов неона. Первые же кванты, излученные атомами неона, многократно отражаясь от зеркал, стимулируют путем вынужденного излучения лавинообразный процесс освобождения энергии, приводя к мощной вспышке монохроматического света. Этот процесс можно повторять с большой частотой.
Лазеры имеют много преимуществ перед обычными источниками света. Чтобы получить от нити лампы накаливания такую же яркость светового луча, какую дает лазер, надо нагреть ее до температуры в 10 миллиардов градусов, а это в полтора миллиона раз выше температуры поверхности Солнца.
Плотность энергии в пучке лазерного света так велика, что под влиянием ее расплавляются самые тугоплавкие материалы и прожигаются отверстия в алмазах.
Луч лазера может уходить на огромные космические расстояния от Земли, перенося энергию и информацию. Информационная емкость такого канала связи чрезвычайно велика — по нему одновременно можно передавать тысячи телевизионных программ.
Лазер можно использовать для избирательного возбуждения отдельных компонент в сложных химических смесях, вызывая и стимулируя необычные химические реакции.
Применение лазеров создает принципиально новые возможности осуществления управляемых термоядерных реакций и ускорения элементарных частиц до сверхвысоких энергий.
Лазеры открывают невиданные перспективы перед многими разделами современной оптики. Помимо этого, они уже позволили создать новый ее раздел — нелинейную оптику сверхмощных световых полей.
За фундаментальные исследования в области квантовой электроники академики Н. Г. Басов и А. М. Прохоров вместе с Ч. Таунсом в 1964 г. удостоены Нобелевской премии.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Заканчивая краткий обзор крупнейших достижений советской физики, прежде всего следует еще раз отметить его крайнюю неполноту. Цель настоящего обзора — на отдельных конкретных примерах показать, каких высот достигла советская физика за короткий срок своего существования. Поэтому в нем было рассказано лишь об отдельных достижениях, не охватывающих даже наиболее крупных работ в той или иной области физики. Так, например, рассказывая о работах С. И. Вавилова и Л. И. Мандельштама в области физической оптики, мы ничего не сообщили о фундаментальных оптических исследованиях, выполненных рядом других советских физиков.
Крупные достижения имеет большой отряд советских радиофизиков, радиотехников и специалистов в области электроники. Создание нелинейной теории колебаний, открытие параметрического резонанса, новые принципы усиления и генерации электромагнитных волн разных диапазонов, радиолокация Луны и далеких планет солнечной системы, сверхдальняя космическая радиосвязь — вот далеко не полный перечень их успехов.
Немало ценных работ сделано советскими физиками в области физики диэлектриков.
Советские физики успешно работают также в области магнетизма, акустики, физики ультразвука, молекулярной физики и других разделах физики наших дней.