Из студенческой песни

Двадцать — двадцать пять лет назад студенты Московского энергетического института на своих вечерах нередко пели:

Первокурсники обычно спрашивали своих старших товарищей, кто этот Валя-фабрикант, которым гордится их институт?

Но оказывалось, что человек с такой странной фамилией отнюдь не владеет фабриками, а преподает в их институте и успешно работает в области оптики. И Фабри, которым гордятся французы, тоже занимался оптикой. А один из гениев немецкого народа — Кант, перед тем как окунуться в пучины идеалистической философии, много сделал для развития естественных наук.

Валентин Александрович Фабрикант, о котором распевали московские студенты, в 1939 году блестяще защитил докторскую диссертацию. В этой диссертации, опубликованной годом позже, был небольшой раздел, посвященный доказательству того, что одно поразительное явление, наблюдавшееся лишь в лучах небесных светил, можно воспроизвести в лаборатории.

Это был чисто теоретический раздел работы. Фабрикант не выполнил в то время соответствующего опыта. Началась Великая Отечественная война.

По сравнению с драматическими событиями тех лет открытие Фабриканта казалось неактуальным и было надолго забыто.

Никто не подозревал тогда, что новому открытию суждено приблизить век космических путешествий.

Загадка кометных хвостов

Кто знает, как давно человек впервые увидел в небе комету, хвостатую звезду — одно из самых редких и удивительных явлений! Появление новой кометы до сих пор считается крупным событием в науке: ведь природа комет еще полностью не изучена.

Каждый раз, когда в небе появлялась хвостатая звезда, у ученых возникал один и тот же недоуменный вопрос: почему хвост кометы всегда направлен от Солнца? Давно выяснилось, из чего состоит и сама комета и ее хвост, но почему он вопреки силе притяжения отворачивается от Солнца, — это странное обстоятельство не находило объяснения.

Но вот у ученых возникла полудогадка-полууверенность: ведь солнечный свет, несомненно, материален и способен оказывать механическое воздействие на встречные предметы. Эта удивительная гипотеза подтвердилась знаменитыми опытами русского физика П. Н. Лебедева, изучившего давление света в лабораторных условиях. И ученые поняли истинные причины странного поведения хвостатых звезд: солнечный свет отталкивает атомы и пылинки, из которых состоит кометный хвост, сильнее, чем солнечное тяготение привлекает их! И, наблюдая все новые и новые кометы, смогли убедиться, что возникновение и развитие кометного хвоста — действительно результат давления солнечного света.

Хотя ученые и обнаружили механическое действие света, о практическом его использовании не возникало даже мысли. Еще бы! Такая мысль показалась бы просто абсурдной. Расправляясь с самыми длинными из кометных хвостов, солнечные лучи не в состоянии шевельнуть даже волосом на голове человека. О каком же практическом использовании давления света могла пойти речь?

Тем не менее… Современная техника в некоторых вопросах просто зашла в тупик. И может выйти из него только с помощью давления световых волн!

Вот пример. Как может человек за время своей короткой жизни побывать на звездах, расположенных на расстояниях в сотни и тысячи световых лет от Земли? Умчать туда может только сверхскоростная ракета. Но никакие химические топлива не в состоянии разогнать ракету до скорости, необходимой для полетов за пределы солнечной системы. Это сделать могут только электромагнитные волны.

Расчеты показывают, что если создать мощный пучок электромагнитных волн, то его реактивная сила может разогнать ракету гораздо сильнее, чем любой другой двигатель. Теоретически таким путем можно даже приблизиться к предельной скорости — скорости света. Правда, на пути создания таких ракет, названных фотонными, еще столько трудностей, что эта задача пока остается разрешимой лишь на бумаге.

На плечах света

А в последнее время, буквально в наши дни, ученые придумали для световых волн еще одну работу. Работу удивительную, на первый взгляд просто невероятную.

Над нашей планетой летает уже много искусственных спутников. Они изучают погоду, исследуют ионосферу и поле тяжести Земли. Их орбиты проходят на сравнительно малых высотах. Из-за трения в верхних слоях атмосферы спутники быстро теряют скорость, снижаются и сгорают. Срок их жизни ограничен, а ведь на них затрачивается много средств, от них ждут длительной службы.

Вот тут-то и родилась заманчивая идея: что, если попытаться удержать спутники на орбитах, подпирая их с Земли… пучками света? Пусть, решили ученые, лучи специальных мощных источников, расположенных на Земле, поступают со спутниками так же, как лучи Солнца с хвостами комет.

Сделали предварительный расчет и убедились, что эта задача реальна не только теоретически, но и практически. Необходимое для этого давление света сравнительно мало, так как невелико и трение спутника в весьма разреженных верхних слоях атмосферы.

Однако те же расчеты натолкнули на обескураживающий вывод. Оказывается, даже мощным прожекторам такая задача не по плечу. Они не способны дать нужные для этой цели световые пучки. Вы, наверное, замечали, что луч прожектора, имеющий вначале диаметр 1–2 метра, постепенно расширяется, так что на расстоянии в несколько километров площадь светового пятна составляет сотни квадратных метров. В результате на высотах, на которых движутся исследовательские спутники Земли, световые волны, излучаемые прожектором, разбегаются на столь обширную площадь, что их давление, малое даже вблизи прожектора, оказывается ничтожным.

Оптика подсказывает, что для уменьшения расходимости светового пучка прожектора нужно уменьшить площадь источника света. Но это связано с уменьшением его мощности, так как повысить температуру источника не позволяют свойства известных нам материалов. Таким образом, классическая светотехника оказалась в замкнутом круге. И ученые убедились, что решение поставленной задачи обычными методами невозможно.

Выход из тупика был найден в результате объединения методов радиотехники, квантовой механики и оптики. На стыке этих наук возникла квантовая радиофизика, позволившая создать принципиально новые источники света и радиоволн.

Оказалось, что необходимые мощные пучки электромагнитных волн могут дать людям не прожекторы, не уже известные генераторы волн и даже не ослепительное Солнце, а… атомы и молекулы!

И на Солнце, и в прожекторе, и в электрической лампочке свет излучается в виде независимых друг от друга волн из отдельных атомов и от отдельных электронов, совершающих хаотические движения из-за сильного нагрева. Эти независимые волны невозможно объединить в узкий мощный пучок. Для создания такого пучка нужно заставить атомы излучать световые волны не беспорядочно, а согласованно.

На возможность такого согласованного излучения из многих атомов указал еще Эйнштейн, и оно действительно наблюдалось астрономами в некоторых небесных телах.

Готовя свою докторскую диссертацию, Валентин Александрович Фабрикант обосновал пути искусственного получения такого дружного излучения атомов и молекул. И хоть война помешала ему провести соответствующие опыты, его теория заложила одну из важнейших частей в фундаменте новой науки — квантовой радиофизики.

Лишь после того, как страна залечила раны, нанесенные войной, Фабрикант вернулся к своему открытию и вместе с сотрудниками сформулировал его в столь четкой форме, что им было выдано авторское свидетельство на это изобретение.

Идеи носятся в воздухе

Это было в 1951 году, с тех пор прошло 16 лет, и теперь трудно установить, почему Фабрикант ограничился заявкой на изобретение и не выступил с сообщением о своем открытии перед товарищами-учеными.

Но недаром говорят, что идеи носятся в воздухе. Уже в 1952 году, ничего не зная о работах Фабриканта, молодые советские физики Н. Г. Басов и А. М. Прохоров доложили на научной конференции о своих работах, в которых обосновывалась возможность создания прибора, названного ими молекулярным генератором и усилителем радиоволн. А вскоре их молекулярный генератор заработал.

Как теперь уже широко известно, это замечательный прибор. Он излучает такие постоянные радиоволны, которых не давал еще ни один генератор, созданный руками человека.

Молодые ученые решили, что атомы и молекулы можно заставить «вращать» стрелку часов, и преобразовали излучение молекулярного генератора в импульсы, следующие друг за другом с необыкновенной точностью. Эти импульсы они заставили управлять ходом обыкновенных электрических часов. Так были созданы уникальные часы, ход которых практически не нуждается в регулировке и сверке с астрономическими наблюдениями. Такие часы, проработав без остановки несколько сот лет, не ошибутся и на секунду.

Осенью яблоки поспевают во всех садах. Как потом выяснилось, в далекой Америке, ничего не зная не только о работах советских коллег, но и друг о друге, над той же проблемой бились еще две группы ученых. В Колумбийском университете этими работами руководил молодой профессор Ч. Таунс, а в Мэрилендском университете — Дж. Вебер.

Таунс с сотрудниками первый опубликовал краткую заметку о построенном ими молекулярном генераторе радиоволн, который может работать и как усилитель. Они дали своему детищу имя «мазер», образованное первыми буквами английских слов «усиление микроволн посредством индуцированного излучения». Это краткое и звучное слово, напоминающее о новом принципе, постепенно вошло в лексикон ученых.

Можно не сомневаться в том, что и Вебера в Мэриленде и Фабриканта и Басова с Прохоровым в Москве взволновала первая публикация Таунса о рождении нового прибора. Но такова судьба ученых — все стремятся к цели, но кто-нибудь должен оказаться первым.

Фабрикант предложил общий принцип. В Физическом институте в Москве и в Колумбийском университете в Нью-Йорке ученые, не знавшие об этой идее, не только самостоятельно пришли к ней, но и построили приборы, похожие друг на друга, как два близнеца.

В 1954 году Басов и Прохоров описали другой способ реализации этого принципа. Они нашли, что систему атомов или молекул можно заставить усиливать или генерировать радиоволны, если облучать эти атомы и молекулы более короткими радиоволнами или освещать их ярким светом с подходящей длиной волны. Вскоре американский ученый Бломберген разработал этот способ специально для усиления радиоволн при помощи особых кристаллов, погруженных в жидкий гелий.

Затем эстафета вернулась в Москву, где Фабрикант предложил еще один способ, позволяющий на основе открытого им явления построить газовую ячейку, усиливающую уже не радиоволны, а видимый и инфракрасный свет.

Еще два пути усиления и генерации света и инфракрасных волн нашла в Физическом институте группа ученых под руководством Басова. И наконец, в Америке были созданы первые модели генераторов света и инфракрасных волн. В них работали кристаллы рубина, подробно исследованного ранее Прохоровым. А вскоре заработали и квантовые генераторы на смеси газов неона и гелия, возбуждаемых электрическим разрядом, и генераторы на искусственных кристаллах менее известного минерала флюорита, ранее изученного в Ленинграде Феофиловым, и даже на специальных стеклах и полупроводниках.

Итак, исследовав излучение паров различных металлов, газов, драгоценных кристаллов рубинов и изумрудов, даже стекол и жидкостей, испробовав молекулы и атомы всевозможных веществ, ученые отыскали среди них такие, которые можно заставить излучать волны еще более короткие, чем радиоволны, — излучать свет. Излучать не хаотически, как электрическая лампочка или прожектор, а упорядоченно, как лучший радиопередатчик.

Мирные лучи

Так родились удивительные, невиданные источники света, которым физики дали созвучное с мазерами имя «лазер». Приборы эти испускают мощные пучки света.

— Чтобы получить от нити лампы накаливания луч света такой же яркости, как луч квантового генератора, ее потребовалось бы нагреть до температуры 10 миллиардов градусов, — говорит Басов. Иными словами, надо было бы иметь источник света в миллион раз более горячий, чем Солнце.

Эти приборы не похожи на громоздкие прожекторы и маяки.

Они умещаются на ладони. Так, сердцем первого генератора света являлся цилиндрик искусственного рубина длиной в несколько сантиметров и диаметром в пять миллиметров.

И эти мощные источники света не раскалены до чудовищной температуры, как Солнце. Они совершенно холодные и поэтому особенно удобные. И дают они такой узкий световой луч, что не будет преувеличением говорить о световой игле.

Расходимость пучков световых волн в таких приборах при правильном выполнении определяется в конечном счете только их размерами. Но в отличие от обычных приборов, в которых для уменьшения пучка нужно уменьшать размеры источника (уменьшая одновременно достижимую мощность), в новых устройствах расходимость тем меньше, чем больше сечение источника, что позволяет одновременно увеличивать и направленность и мощность светового потока.

Первые модели источников света, основанные на новых принципах, подтвердили ожидания ученых. Источник, использующий кристаллы рубина или флюорита, дает пучок света в виде конуса с углом около одной десятой градуса. Но световая игла может быть еще острее. Ведь расхождение пучка света в этих приборах обусловлено неоднородностями применяющихся кристаллов и еще примерно в сто раз превосходит теоретический предел. Этот предел практически достигнут в источниках, в которых в качестве рабочего вещества применена смесь подходящих газов.

Если при помощи простой оптической системы направить свет такого источника в сторону Луны, то он осветит на ее поверхности пятно диаметром всего в 3 километра. Естественно, напрашивается мысль о локации Луны таким способом. Ведь тогда можно будет рассматривать все мельчайшие подробности ее рельефа!

Средняя мощность пучка света, даваемая существующими моделями, еще мала. Она не превосходит мощности большой электрической лампы. Но в то время как электрическая лампа излучает свет во все стороны, эти источники излучают его в виде почти нерасходящегося луча, так что излучаемая энергия может быть сконцентрирована на небольшой поверхности.

Увеличение мощности новых источников — чисто техническая проблема. Она не требует привлечения новых принципов. Можно поступить даже совсем просто — объединить несколько пучков света от нескольких маломощных источников. Это позволяет считать реальным создание системы, способной с поверхности Земли поддерживать искусственные спутники на их орбитах. Но это далеко не исчерпывает возможности новых приборов.

Использовав энергию, излучаемую новыми источниками, можно получить очень высокую температуру. И делается это почти так же, как выжигаются узоры на дереве с помощью увеличительного стекла в солнечный день. Простая линза с фокусным расстоянием в 1 сантиметр может свести свет лазера в точку диаметром в сотую часть сантиметра. При этом достигается плотность энергии в 100 тысяч киловатт на квадратный сантиметр. Это в тысячи раз больше, чем можно получить, фокусируя линзами или зеркалами свет Солнца.

Не подозревая о том, что он говорит о лазере, Алексей Толстой в своем фантастическом романе «Гиперболоид инженера Гарина» писал:

«Первый удар луча гиперболоида пришелся по заводской трубе — она заколебалась, надломилась посередине и упала… Был виден весь завод, раскинувшийся на много километров. Половина зданий его пылала, как карточные домики. Луч бешено плясал среди этого разрушения…»

Наверное, эта картина воодушевляет некоторых американских милитаристов, которые предлагают разить «рубиновой молнией» космонавтов. Недавно один американский журнал, рекламируя деловую ценность лазеров для бизнеса, рассказывал о том, что предпринимается военными кругами, чтобы превратить лазер в орудие смерти.

Вот выдержка из этого журнала.

Лучи смерти

В сверхсекретных лабораториях во всех концах Соединенных Штатов делаются гигантские усилия для того, чтобы превратить лазер в новый вид научно-фантастического оружия.

Свет, испускаемый лазером, теоретически может быть сделан достаточно вредным для того, чтобы его использовать в качестве смертоносных лучей, или достаточно мощным, чтобы служить совершенно новым средством уничтожения ракетных боеголовок в космосе.

Плотный занавес секретности окружает эти усилия. В нынешнем году миллионы долларов расходуются на создание лазерного оружия. Точные цифры засекречены.

Тем не менее сейчас уже известно следующее: в прошлом году ученые добились больших успехов «в усилении» лазеров, которые сейчас могут испускать лучи огромной энергии короткими импульсами. Увеличение мощности лучей представляет собой одну из ключевых проблем в создании эффективного лучевого оружия. Вкратце расскажем об основных направлениях в создании светового оружия.

Противоракетные лучи. Разрушительные лучи, направленные со скоростью света с Земли (или со спутника), будут обследовать небо. Они должны быть способны уничтожать во время полета ракеты с боеголовками или сбивать с курса самолеты.

Лучевые пушки. В качестве оружия для наземных сил портативная лучевая пушка может использоваться как средство, способное парализовать или ослепить противника. Один ученый получил серьезные повреждения глаз из-за того, что нечаянно попал под луч лазера на расстоянии мили от источника света. Сейчас изучается вопрос о том, могут ли лучи более мощного лазера разрушать тело человека.

Лучи с орбиты. Если вредные лучи направить с помощью лазера со спутника на Землю, то можно поразить целые области. Сейчас планируются исследования с целью изучить влияние на человека рентгеновых лучей и гамма-лучей, концентрированно направляемых с высоты многих миль.

Лучи для борьбы с искусственными спутниками. Вращающиеся по орбите спутники считаются легкой добычей для разрушительных лучей, которые могут сбить их с курса и вывести из строя.

В Америке работа над лазерами идет, можно сказать, в трех направлениях. Есть ученые, которым дороги лишь научные результаты прогресса квантовой электроники. Других воодушевляет мысль получить сверхмощное оружие. А третьих, и таких немало, заботит денежная сторона дела.

Один эксперт из их числа сказал озабоченно: «Все эти идеи фантастичны. Многие окажутся неосуществимыми, но если вы осуществите хотя бы одну из них, то получите крупный куш».

Все эти тенденции проявились даже при толковании слова «мазер» (maser). Когда-то это название сложилось из первых букв длинной фразы, передающей сущность новых приборов (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Теперь это слово получило в американских научных кругах несколько вольных интерпретаций. Вот некоторые из них: «Военные применения кажутся крайне отдаленными» (Military Application Seem Extremely Remote); «больше ученых-прикладников едят регулярно» (More Applied Scientists Eat Regularly); «способ выколачивания денег для дорогих исследований» (Money Acquirion Scheme for Expensive Research); «средство получения поддержки для дорогих исследований» (Means of Acquisition Support for Expensive Research).

Выигрывают все

В нашей стране новые источники света будут применяться очень широко. И не только для поддержания спутников на орбите.

Сконцентрировав пучок света лазера в точку диаметром в доли микрона, можно получить колоссальное давление световых волн в сотни тысяч атмосфер. И уже сегодня такой пучок за миллионную долю секунды пробивает отверстие в стальной пластине толщиной в несколько миллиметров. Это превосходный инструмент для точной, почти ювелирной обработки металлов. Световая игла, раскаленная до чудовищной температуры и развивающая миллионное давление, — да ведь это пока единственный возможный инструмент для обработки жаростойких материалов.

Ученые не могут даже предвидеть все открывающиеся возможности применения такого инструмента. Достаточно сказать, что два пересекающихся пучка света такой плотности непременно начнут взаимодействовать между собой. Но как? На это ответить пока нельзя. Это явление, результаты которого полностью не изучены даже теоретически.

Особенно перспективно применение источников и усилителей видимого света для сверхдальних космических связей, где основное — это получение узких пучков. Только таким путем можно будет поддерживать связь на тех расстояниях, где радиоволны уже непригодны.

Для связи в земных условиях видимый свет не подходит, так как сильно поглощается атмосферой, особенно при неблагоприятной погоде. Здесь будут применяться инфракрасные волны, часть которых хорошо проникает через туман и дождь. Линии связи, работающие на инфракрасных волнах, могут одновременно передавать до 100 тысяч телевизионных программ или многие миллионы телефонных разговоров.

Усилители света и инфракрасных волн нужны и астрономам. Для того чтобы обнаружить чрезвычайно далекие, невидимые глазу звезды и туманности, астрономы должны часами фотографировать небо через огромные телескопы. Дальнейшее увеличение размеров телескопов и чувствительности фотопластинок наталкивается на такие трудности, что на этом пути нельзя рассчитывать на быстрый прогресс. Новые усилители позволят изучать еще более удаленные миры при помощи меньших телескопов и с гораздо меньшими экспозициями. Взгляд человека проникает все дальше в недра вселенной. И еще глубже в недра вещества, так как уже созданы инфракрасные микроскопы, дающие возможность заглянуть внутрь многих тел, непрозрачных для обычного света.

Лазеры смогут ощупать дно морей и океанов, смогут осуществить связь под водой (ведь радиоволны не распространяются в воде).

Генераторы света открывают широкую дорогу прогрессу во многих областях техники и промышленности. Например, они намечают заманчивые пути управления химическими реакциями. При помощи достаточно мощных пучков электромагнитных волн подходящей частоты можно возбуждать сильные колебания определенных молекул, не воздействуя при этом на другие. Так как возбуждение увеличивает химическую активность, то молекулы, получившие дополнительную энергию от световых волн, могут вступать в реакции, не идущие при обычных условиях. Таким путем можно в сложных многокомпонентных смесях вызывать желательные реакции, и управлять их течением, и в результате получать новые химические соединения.

Рождение лазеров дало толчок многим идеям. Уже разрабатываются проекты применения сверхинтенсивных пучков света для стимулирования термоядерных реакций, для ускорения элементарных частиц до сверхвысоких энергий. Энергий, не достижимых при помощи крупнейших современных ускорителей. Есть и другие замечательные проекты. Но осуществление их — пока дело будущего. Ученым предстоит преодолеть еще много преград для реализации этих возможностей.

Над созданием и применением квантовых приборов работают тысячи ученых в сотнях лабораторий. Главную роль в этих работах сыграли Басов, Прохоров и Таунс. Их деятельность достойно оценила Шведская академия наук, присудив им Нобелевскую премию 1964 года.

Как дальше пойдет научная эстафета? Кто будет первым? В этом соревновании не будет побежденных. Гарин был не прав — выиграют все!