ПОБЕДА

Два молодых человека не отрываясь смотрели на экран осциллографа. Они видели светящуюся линию, середина которой плавно уходила вниз и вновь вздымалась к прежнему уровню. Кривая больше всего напоминала парящую птицу. Так изображают птиц дети. Так рисовали их на своих картинах и старые японские мастера.

Один из физиков медленно вращал ручку прибора, и изгиб кривой постепенно уменьшался, пока она не превращалась в прямую линию. Затем на месте провала возникал плавный подъем. Действуя очень осторожно, можно было заставить кривую вознестись вверх так же, как она только что изгибалась вниз. Потом кривая опять выпрямлялась, и, наконец, на ней снова возникал провал.

Еще несколько дней назад это казалось очень интересным и важным. Но теперь изящная кривая вызывала досаду и отвращение. Ведь не для этого же, в самом деле, разбирали они прибор, полировали его детали, вновь и вновь откачивали из него воздух!

— Рискнем? — спросил Прохоров. Басов только кивнул. Движение руки. Стрелка вольтметра подскочила еще на несколько тысяч вольт. Вчера при этом неизбежно возникал пробой. Но теперь все было спокойно.

В который раз медленно вращается ручка прибора. И опять кривая превращается в прямую и начинает изгибаться вверх. Вдруг на ее вершине возникает узкая полоска.

Они переглянулись. Неужели?!

Все так же методично движется рука, вращающая рукоять прибора. Медленно увеличивается и расширяется полоска. И вот в ее середине отчетливо виден поясок.

— Типичный бантик, — сказал один.

— Работает, — отозвался второй.

Так в лаборатории колебаний Физического института Академии наук СССР родился молекулярный генератор, поразительный прибор, сердцем которого был не мотор, не шестерни, не какие-нибудь другие детали. Главную роль в нем играли невидимые глазу молекулы аммиака. Они делали здесь то, чего никто никогда от них не ждал. Они излучали радиоволны.

Именно бантик на капризной кривой и возвестил ученым о долгожданной минуте.

Американскому ученому Франклину приписывают такие слова: «К чему новорожденный ребенок?»

Действительно, кто знает, что из него получится, что внесет он в жизнь.

Молекулярный генератор, как всякий новорожденный ребенок, обещал многое или ничего: все зависело от того, как пойдет дело дальше, чему его научат родители.

Никто не знает, как распространяются слухи. Физики убеждены, что они летят быстрее, чем свет. А это значит, что они не материальны. И на сей раз слух непостижимо проник через стены, полы и потолки. И распахнулась дверь, и в комнату начали входить научные работники, лаборанты, механики. Каждый хотел взглянуть на бантик, поздравить, а если позволят, и покрутить ручку. Конечно, такой чести удостаиваются далеко не все. Для этого нужно пользоваться большим уважением или принять хоть малое участие в работе, когда она еще безнадежно далека от завершения. И первым по праву положил руку на рукоять прибора В. В. Никитин, монтировавший и налаживавший радиосхемы, — в ФИАН он пришел радиотехником, потом стал студентом-заочником, а затем инженером, а позже научным сотрудником и кандидатом наук. Никитина сменил Д. К. Бардин, талантливый механик, сделавший, как говорят физики, «все железо». А «все железо» — это и точнейший резонатор из специального сплава — суперинвара, и корпус из нержавеющей стали, и конденсатор, и многое другое. И только потом к прибору прорвался маститый теоретик и неожиданно для всех закрыл вентиль баллона, из которого поступал аммиак. Бантик исчез и, к всеобщему восторгу, возник вновь, как только был открыт вентиль.

— Наука торжествует, — изрек теоретик и отошел в сторону.

Так физики празднуют победу. И при этом говорят только о том, что надо проверить, и измерить, и переделать. И праздник переходит в трудовые будни. И по-прежнему по утрам уборщица, выметая обрезки проводов и капли олова, вздыхает: «Кванты, кванты…» — и толкует своим подругам, работающим на других этажах:

— А мы запустили молекулярный генератор… Генератор. Что такое генератор? Генератор — это источник. Генераторы электрического тока достигли в наши дни огромных мощностей — в 300 и даже 500 тысяч киловатт.

Какова же мощность молекулярного генератора? Около одной миллиардной доли ватта. Жужжание комара куда мощнее.

Так что же привлекло к этому немощному прибору помыслы молодых ученых? Они стремились не к мощности, — а к точности. В их детище не было радиоламп, привычных конденсаторов и сопротивлений, всех этих деталей, порча которых терзает нервы владельцев радиоприемников и телевизоров. Нерукотворные молекулы, дружно-излучавшие радиоволны в новом приборе, сообщали ему свои качества — неизменность, постоянство, свойственное творениям природы. Расчеты показывали, что при помощи нового прибора можно измерять время так точно, как это никогда не удавалось людям. Часы, в которых функции маятника исполняет молекулярный генератор, и за 1000 лет не ошибутся ни на секунду. Конечно, в обыденной жизни такие часы ни к чему. Они необходимы для управления космическими ракетами, штурманам кораблей и самолетов, для решения многих технических задач.

Научные открытия зачастую рождаются близнецами. В это же время в США заработал прибор, которому его создатель Таунс и его сотрудники Гордон и Цайгер дали странное имя «мазер», составленное из первых букв фразы, описывающей на английском языке принцип действия прибора. После первых сообщений всем стало ясно, что в Физическом институте в Москве и в Колумбийском университете в Нью-Йорке независимо проводилась работа с одинаковым результатом.

Вскоре молекулярный генератор появился и в Институте радиотехники и электроники Академии наук, и в Метрологическом институте в Харькове, и во многих других местах. А затем в работу включилась и промышленность. Басов и Прохоров были вдохновителями всех основных работ в новой области науки, развившейся из их исследований.

…Приходилось ли вам следить за эстафетным бегом? Спортсмены, сменяя друг друга, несут палочку от старта до заветного финиша. И плох тот бегун, который, переминаясь с ноги на ногу, дожидается в начале своего участка, пока товарищ протянет ему эстафету. Такого никто не возьмет в команду. По его вине будут потеряны драгоценные мгновения. Хороший спортсмен начинает бег рядом с товарищем заранее, до того как тот окончит свою дистанцию, и палочка передается на полной скорости. Нелегко овладеть этим искусством.

Еще сложнее научная эстафета. Ее участники зачастую не видят друг друга и передают свою эстафету через редакции различных журналов. Реже им представляется возможность кинуть палочку в зал конференции или симпозиума. Поднимай, кто хочет, и неси дальше. И так, помогая друг другу и соревнуясь между собой, ученые несут светоч науки вперед и выше, к сияющим вершинам знания.

Вскоре после того, как приборы-близнецы заработали в Москве и НьюЙорке, Прохоров и Таунс встретились на заседании Фарадеевского общества в Лондоне. Английские коллеги пригласили их, чтобы услышать о приборах, которые ознаменовали собой рождение новой области науки.

Прохоров прочитал подготовленный вместе с Басовым доклад, в котором излагалась созданная ими теория работы молекулярного генератора. В ней квантовая механика впервые объединялась с теорией колебаний. Этот союз позволил предвычислить условия, при которых генератор начинает работать, рассчитать даваемую им энергию, частоту его колебаний и определить влияние на эту частоту различных внешних воздействий. Такая теория очень напоминала теорию работы радиопередатчика, но молекулярный пучок заменял в ней и колебательный контур и источник питания обычного генератора.

Измерения, проведенные Басовым и Прохоровым в течение первых месяцев работы молекулярного генератора, подтвердили правильность их теории.

Таунс тоже рассказал о своих работах, но его теория оказалась более примитивной, а некоторые элементы конструкции делали американский прибор менее надежным. Дело в том, что, понимая необходимость вымораживания аммиака, Таунс и его сотрудники решили охлаждать жидким азотом непосредственно электроды сортирующей системы. В результате на электроды постепенно намораживался в виде белого инея твердый аммиак. Через некоторое время в сортирующей системе возникали пробои, и прибор приходилось выключать для размораживания и откачки аммиака. С этим, конечно, можно было бы примириться, но нарастание слоя аммиака еще задолго до наступления пробоев влияло на эффективность сортирующей системы. В результате постепенно менялась интенсивность пучка активных молекул, а это сильно воздействовало на частоту генерации. Не очень удачен был и выбор резонатора.

Но каковы бы ни были отдельные особенности обоих молекулярных генераторов, это, по существу, приборы-близнецы, сходства между ними много больше, чем различий.

Различия касались деталей. Общность охватывала основные принципы — получение энергичных молекул методом сортировки в электрическом поле и введение обратной связи при помощи резонатора.

Главную трудность в каждом деле представляет правильное определение цели работы и первый шаг в новом неизведанном направлении. Какие бы трудности ни возникали дальше, сколько остроумия и труда ни потребуется для их преодоления, они будут преодолены, если генеральный курс проложен верно. Весь прогресс человечества обеспечивается сочетанием бесстрашных прорывов в неизвестное, совершаемых одиночками, и титанического труда по освоению целины и уборке урожая, остающегося на долю большинства.

К чести Басова, Прохорова и Таунса, они не застыли на постаменте, подняв в будущее указующие персты, они не отошли от дальнейшей работы. Более, того, как мы увидим дальше, они не ограничились и разработкой найденной ими жилы. Все трое, как истинные новаторы, и в дальнейшем с успехом прокладывали новые тропы в незнаемое, с неутомимостью истинных тружеников прорубали широкие просеки в неведомую страну квантовой электроники.

Басов и Прохоров заботились и о расширении фронта исследований. Они размножили чертежи своего первого молекулярного генератора и щедро раздавали их всем желающим идти их путем.

Лаборатория колебания ФИАНа стала местом паломничества, в которое непрерывным потоком шли посетители, унося с собой не только чертежи, но и советы и, пусть небольшой, опыт обращения с новорожденным прибором. Теперь каждый желающий работать в области квантовой электроники мог погрузиться в ее истоки, покрутить ручки молекулярного генератора, наблюдая при этом за кривыми на экране осциллографа.

 

ЗА ПЕРВОЙ ЛАСТОЧКОЙ

Первый младший брат молекулярного генератора заработал в Институте радиотехники и электроники АН СССР, или попросту ИРЭ, если следовать принципу бытующих у нас сокращений.

И это произошло совсем не случайно. При организации ИРЭ в 1954 году в него из лаборатории колебаний ФИАНа перешла группа под руководством М. Е. Жаботинского. Он принадлежал к младшему поколению школы Мандельштама — Папалекси. Еще студентом он посещал семинары Л. И. Мандельштама, а дипломную работу выполнил под руководством М. А. Леонтовича. В ней развивалась теория рамочной антенны, работающей под землей, и теория распространения электромагнитных волн в трубах (в то время, в 1940 году, еще не было придумано слово «волновод»). В армии он, как и Прохоров, попал в разведку, но бес изобретательства не оставил его и на фронте. Войну он кончал в лаборатории, прерывая научную и конструкторскую работу для участия во фронтовых испытаниях. После войны под руководством С. М. Рытова прошел аспирантуру ФИАНа, защитив диссертацию через год после Прохорова. Помогал Прохорову в работе с синхротроном, а затем занялся применением спектральных линий для стабилизации частоты.

Еще в старом ФИАНе на Миусах Жаботинский вместе с аспиранткой Наташей Ирисовой и дипломником Виктором Веселаго создал систему, позволяющую управлять частотой клистрона (генератора сантиметровых волн) с помощью спектральной линии аммиака. Они научились сверять убегающую частоту клистрона с неизменно точной частотой молекул аммиака, как сверяем мы время от времени свои наручные часы по часам Спасской башни Кремля. Это была хитрая задача. Чтобы поставить наручные часы на точное время, нам нужно просто подвинуть стрелки. И все. Чтобы сверить частоту излучения радиогенератора с «позывными» такой крошечной радиостанции, как молекула, нужны особая изобретательность, своеобразная ловкость и обширные знания. Системы сравнения — это сплав физики и радио. Это узел, в котором завязаны фотоны и молекулы, волноводы и провода. Наука о квантовых стандартах частоты — это особая наука, без которой двадцатый век в электронике, возможно, не стал бы двадцатым.

На первых порах молодых ученых постигла неудача. Спектральная линия аммиака, получавшаяся в радиоспектроскопе и игравшая роль своеобразной стрелки, была слишком широкой и не позволяла добиться нужной им точности. Разве можно было бы прочесть точное время на циферблате, если бы часовая стрелка была толщиной в час или даже в минуту?

Тогда они обратились к другим «часам» — атомы цезия в установке, разработанной американским физиком Рэмси, обещали более узкие линии. Такие спектральные линии могли блестяще сыграть роль частотомера. С их помощью можно было очень точно мерить частоту колебаний генератора радиоволн и управлять его частотой.

Однако, узнав о рождении молекулярного генератора, они, естественно, решили применить его в своих работах. Не удивительно, что, опираясь на дружескую помощь Басова и Прохорова, они смогли сделать это сравнительно быстро.

Главное внимание в ИРЭ было обращено на создание специальных радиосхем, позволяющих использовать выдающуюся стабильность молекулярного генератора для проверки других приборов, работающих в радиодиапазоне. Без этого он оставался бы в какой-то мере «вещью в себе». Прежде всего они создали установку, позволяющую за несколько секунд калибровать кварцевые генераторы по сигналу молекулярного генератора. И делали это с фантастической точностью. Ошибка при этом не превышала двадцатой части от миллиардной доли измеряемой величины. Такая точность была достигнута впервые.

Работая в тесном контакте с Басовым и Прохоровым, они занялись усовершенствованием молекулярного генератора. Прежде всего они подумали о том, что не везде есть жидкий азот и не всегда под рукой' мощные вакуумные установки.

Как обойтись без них, не снижая выдающихся качеств молекулярного генератора?

Начались эксперименты. Ученые отыскивали наилучшие режимы работы генератора, видоизменяли его детали, подбирали более удачные источники, мудрли с откачкой.

Наконец, изменив устройство источника пучка молекул аммиака, им удалось сделать пучок гораздо более узким. Теперь большинство молекул попадало в отверстие резонатора. Для нормальной работы генератора в него достаточно было впускать в сотни раз меньше молекул аммиака, чем в старых малонаправленных источниках.

Это, казалось незначительное, достижение не замедлило дать плоды. Теперь можно было обойтись без вымораживания аммиака. С откачкой могли справиться сравнительно небольшие вакуумные насосы. Так ученым удалось создать молекулярные генераторы, способные работать в условиях, при которых обеспечение жидким азотом связано с большими трудностями.

Но жизнь многообразна. Встречаются и такие случаи, когда жидкий азот имеется в изобилии, но применению молекулярного генератора мешают вакуумные насосы. Они громоздки, требуют большого расхода энергии. Некоторые из них вызывают вибрацию и шум.

Новый экономичный источник молекулярного пучка помог решить и эту задачу. На его основе был создан молекулярный генератор, работающий без обычных вакуумных насосов. Их ролы с успехом выполнял древесный уголь, охлаждаемый жидким азотом. Еще замечательный химик Зелинский, изобретатель противогаза, использовал в нем способность древесного угля жадно поглощать различные газы. 'При охлаждении эта жадность чрезвычайно возрастала. Древесный уголь превращался в своеобразный вакуумный насос. Конечно, он не был ненасытным. Но в сочетании с новым экономичным источником молекулярного пучка очень небольшое количество угля не насыщалось в течение нескольких суток. А во многих случаях это вполне достаточный срок.

Наряду с такими чисто техническими усовершенствованиями в ИРЭ велись настойчивые поиски путей повышения точности генерации.

В некоторых случаях радистам недостаточно иметь одну стабильную частоту. Недаром говорят, что требования практики — одна из сил, движущих науку. Пока не возник этот заказ, никто не догадался спросить уравнения — не слишком ли много хотят от первенца новой науки? Но когда вопрос был поставлен, уравнения ответили — это возможно, и даже подсказали, как зажечь свечу с двух концов.

В этой работе принимала активное участие молодая сотрудница ИРЭ Галя Васнёва, окончившая тот же МИФИ, в котором в свое время учился Басов. Еще дипломницей она пришла в ФИАН и, включившись в работы по стабилизации частоты, продолжила эти исследования в новом институте. Когда я с ней познакомилась, это была тоненькая застенчивая девушка; защитного цвета блуза с погончиками, какие были модны в послевоенные годы, особенно подчеркивала ее женственность и юность. Как-то не верилось, что Галя может стать серьезным и деловым ученым. Однако уже через пару лет я увидела ее портрет в одной из московских газет. То, над чем она работала, привлекло внимание. Это была важная и серьезная работа даже для зрелого физика.

Она начала с того, что позади резонатора, в котором молекулы генерировали радиоволны, поставила второй резонатор, настроенный на другую частоту. На что она рассчитывала? Зачем пошла на усложненне?

Проследим за нитью ее рассуждений. Она обратила внимание на то, что не все молекулы, отбираемые сортирующей системой, обладают одинаковой энергией. Оказывается, пучок содержит несколько «сортов» активных молекул. Каждый из этих сортов немного отличается от других и поэтому способен излучать радиоволны, чуть-чуть различающиеся по частоте.

Галя знала: для того чтобы молекулярный генератор заработал, резонатор должен быть точно настроен на частоту определенного «сорта» молекул. Но при этом работает только одна часть пучка активных молекул. Остальные пролетают резонатор без всякой пользы. Перестроить резонатор на частоту, соответствующую другому «сорту» молекул? Но тогда они начнут генерировать новую частоту, а генерация прежней частоты прекратится. Как же использовать пропадающие зря молекулы? Что… если поставить один за другим два резонатора и каждый настроить на свой «сорт» молекул? И Галя заставила прибор излучать сразу две стабильные частоты. Это было неожиданно и ново. Как это скажется на качестве работы молекулярного генератора?

Галя не успела довести проверку до конца, как стало известно, что за океаном ученые тоже построили молекулярный генератор с двумя резонаторами. Это были А. Джаван и Т. Ванг, сотрудники Таунса, и работавший независимо от них В. Хига. Однако они настраивали оба резонатора на одну и ту же частоту. Трудно сказать, какую цель они преследовали. Ведь в соответствии с существовавшей в то время теорией пучок активных молекул должен был уже в первом резонаторе излучить всю энергию, которую он мог отдать. Может быть, именно это и думали проверить ученые? Впрочем, Хига хотел испытать двухрезонаторный прибор и в качестве усилителя. Он добивался таких условий, когда генерация в первом резонаторе еще не наступала, и тут вводил в него извне слабый сигнал. Слабую радиоволну, которую хотел усилить. И действительно, этот сигнал действовал на переполненные до краев энергией молекулы, как хлыст, и они отдавали радиоволне все свои энергетические избытки — волна за их счет усиливалась.

Этот опыт открыл новые детали в поведении двухрезонаторного генератора. Когда внешнего сигнала не было, никаких колебаний ни в первом, ни во втором резонаторах не возникало. Это, однако, ни в коей мере не могло удивить ученых. Поразительным оказалось другое.

Заставив пучок генерировать в первом резонаторе, обе группы ученых обнаружили во втором колебания на той же частоте и почти столь же сильные, как в первом! Но второй-то был настроен на другую, хотя и близкую частоту… В чем же дело? Теория не только не могла этого объяснить, но полностью противоречила такой возможности. На этом сюрпризы не кончились.

В обычном однорезонаторном генераторе частота колебаний, хотя и слабо, зависела от настройки резонатора. В двухрезонаторном приборе от настройки первого резонатора зависела не только частота генерации в нем самом, но и частота колебаний во втором резонаторе! Вскоре обнаружился еще более невероятный факт. Частота колебаний во втором резонаторе совсем не зависела от его собственной настройки — к всеобщему изумлению, она в точности следила за настройкой первого. Это уж никак не согласовывалось с формулами. Созданные в соответствии со строгой теорией приборы начинали жить своей собственной жизнью, озадачивая ученых все новыми и новыми сюрпризами.

В дополнение ко всем неожиданностям, в момент, когда первый резонатор оказывался расстроенным так сильно, что колебания в нем прекращались, колебания во втором продолжались как ни в чем не бывало. Они лишь скачком меняли свою частоту, подлаживаясь теперь уже под настройку не первого, а своего собственного резонатора. Как бы потеряв одного хозяина, они прислушивались к другому.

Можно только удивляться, почему столь неожиданные наблюдения не вызвали большого интереса и лавины исследований. Лишь через год В. Велс попытался объяснить, как это все происходит, а еще через два года Ф. Редер и С. Бикарт повторили эти опыты, допустив, впрочем, некоторые ошибки в своих наблюдениях.

Прошло еще около двух лет, и загадкой двухрезонаторного генератора увлеклись Басов и его сотрудники. Задачу атаковали сразу с двух сторон. Теорию разрабатывал А. Н. Ораевский, бывший дипломник, а в то время аспирант Басова. Наблюдения проводил опытный экспериментатор, в то время кандидат, а потом доктор физико-математических наук Г. М. Страховский со своими аспирантами.

Страховский принадлежит к старшему поколению. Он, пожалуй, ровесник Прохорова. И не уступает ему в росте. Статная фигура спортсмена. Твердая рука. Острый взгляд следопыта, следопыта науки.

Увидев Ораевского впервые и еще не зная, с кем имею дело, я сразу подумала: о, это теоретик! Спокойное, задумчивое выражение лица. Глубокие глаза. Скупые, почти ленивые движения. У доски он преображается. Пишет и орудует тряпкой очень быстро, хотя говорит медленно, четко произнося каждое слово. Кажется, он хочет вбить его в вашу память. Так было, когда к доске выходил дипломник, таков и доктор физико-математических наук.

Он слывет среди физиков глубоким теоретиком. Я думала, что он кончил Московский университет. Там готовят хороших теоретиков. Оказывается, он из Физтеха, как коротко называют Физико-технический институт в Долгопрудной, где физики получают самую серьезную и разностороннюю подготовку. И Ораевский кончал вовсе не как теоретик. В дипломе у него значится «инженер-физик». Только в лаборатории Басова он специализировался в теории, сделал диссертацию по квантовым генераторам, много красивых расчетов по стандартам частоты, по лазерам. Ораевский всегда в центре интересов лаборатории. И вообще особенность теоретиков, работающих с Басовым, в том, что они всегда в лаборатории. Везде теоретики трудятся дома — так, я знаю, принято и у математиков Боголюбова и у учеников Ландау. Басовцы на своих местах с девяти до девяти. Они все время в гуще событий. Экспериментаторы просят что-то рассчитать, дать рецепт технологам, подсчитать примеси, температурные режимы, прикинуть напряжения и токи в схемах. Теоретики здесь нарасхват.

Дружный натиск дал свои плоды. И надо сказать, плоды неожиданные. Читая статьи того времени, я освоилась с мыслью, что пучок активных молекул способен отдать первому резонатору не больше и не меньше, чем половину энергии, запасенной молекулами того «сорта», на частоту которых настроен резонатор. Но когда Басов читал это место в рукописи, он подумал, а потом загадочно сказал:

— Может, и больше…

Значит ли это, что прежний расчет его не удовлетворяет? Сомнение положило начало новым раздумьям, которые прояснили непонятное поведение молекул. Более подробное исследование дало неожиданный результат. Оказывается, под действием электромагнитного поля первого резонатора молекулы начинают вести себя совсем по-новому — они образуют своеобразный коллектив. И этот коллектив бдительно контролирует все акты испускания и поглощения фотона отдельной молекулой. Причем коллектив отдает предпочтение или, можно даже сказать, поощряет акты испускания фотонов и как бы подавляет акты поглощения!

Кстати, возможность такого коллективного состояния молекул еще раньше, без всякой связи с молекулярным генератором, предсказал американский ученый Р. Дики. Он назвал это состояние сверхизлучающим, так как стремление к излучению при этом зависит не от числа молекул, а от квадрата их числа, то есть растет очень быстро.

Молекулы, находящиеся в сверхизлучающем состоянии, могут излучать до тех пор, пока пучок не излучит всей запасенной в нем энергии! Такое излучение может наблюдаться и при полете молекул в свободном пространстве, только при этом оно будет происходить медленно. Если же пучок молекул, приведенный в сверхизлучающее состояние в первом резонаторе, попадет во второй резонатор, настроенный на подходящую частоту, то сверхизлучение произойдет очень интенсивно. При этом пучок коллективизировавшихся молекул снова излучит ровно столько же, сколько он уже излучил в первом резонаторе, то есть вторую половину первоначально запасенной в нем энергии.

После этих работ стало ясно, что двухрезонаторный молекулярный генератор обладает преимуществом перед обычным молекулярным генератором.

Ведь несмотря на то, что свойства самих молекул чрезвычайно неизменны, частота колебаний молекулярного генератора была далеко не так стабильна, как этого ожидали его создатели. Оказалось, что она определяется не только свойствами молекул, но и настройкой резонатора. А настройка резонатора, к сожалению, не остается постоянной.

Если зимой в лаборатории открывают окна, одним из первых замечает это резонатор и расстраивается. Конечно, его можно держать в теплице, как огуречную рассаду зимой. Для этого существуют термостаты. Но это уже лишние заботы. Можно поступить и иначе. Соорудить резонатор из особого материала, инвара, который слабо реагирует на изменение температуры. Так конструкторы и поступают. И все же полностью изолировать резонатор от внешнего мира нельзя. Ведь молекулярный генератор и создан для того, чтобы транслировать свою «радиопередачу» во внешний мир. И хочешь не хочешь, а через тот же волновод, по которому энергия молекулярного генератора передается потребителю, внешний мир влияет на него, на настройку его резонатора, генерируемую частоту.

Инженеры, естественно, стараются уменьшить этот вредный эффект, ставят специальные развязки, через которые электромагнитная волна способна проходить только в одну сторону и не может пройти в обратную. Однако такие развязки не идеальны. Они уменьшают влияние внешнего мира на резонатор молекулярного генератора, но не изолируют его полностью.

Конечно, читателю уже давно стало ясно, как двухрезонаторный молекулярный генератор помогает справляться с этой трудностью. Ведь в таком генераторе частота зависит только от первого резонатора, а сигнал берется от второго, никак не влияющего на частоту. При этом к первому резонатору не присоединяется никакой волновод. Он в электрическом отношении совершенно изолирован от внешнего мира. Это особенно важно для генераторов, подверженных тряске, вызывающей неизбежные деформации волноводов. Исследования двухрезонаторного молекулярного генератора, проведенные в Физическом институте АН СССР, были вскоре подтверждены работой английских физиков. Но это было лишь одно из направлений развития новой области науки. Впрочем, было бы удивительно, если бы все ограничились одним направлением!

Вскоре после работ Басова и Прохорова молекулярные генераторы заработали в Харьковском институте мер и измерительных приборов, где их применили для периодической проверки кварцевых часов, в Горьковском университете и в других местах Советского Союза.

 

В СТРАНЕ СЫРА И ЧАСОВ

Молекулярные генераторы и за рубежом переходили из лаборатории в лабораторию. И ученые продолжали находить новые особенности и новые неожиданности, которые в результате упорного труда превращались в новые победы. Один из учеников Таунса, своеобразный и талантливый, К. Шимода, ставший профессором Токийского университета и продолжающий свои исследования в Токио, еще работая с Таунсом, сделал одно тонкое наблюдение. Шимода заметил, что пучок молекул, пролетая сквозь резонатор, излучает энергию не равномерно. Излучение может быть более сильным вначале или же в конце полета и меняться в зависимости от интенсивности пучка и от других причин. Это вызывает сильный неконтролируемый уход частоты. В статье, написанной Шимодой и Таунсом вместе с Вангом, содержалось не только описание неприятного открытия, но и рецепт борьбы с его действием. Они предложили пускать в резонатор одновременно два одинаковых встречных пучка молекул. Конечно, для этого надо было иметь два одинаковых источника и две сортирующие системы, отбирающие из этих пучков активные молекулы. Если все наладить достаточно хорошо, стабильность генератора увеличилась бы в 10–15 раз!

Это было так заманчиво, что в исследования включились ученые из других стран: Швейцарии, Франции, Англии, Канады, Австралии, Чехословакии, ФРГ. Особенно плодотворны они были в Швейцарии.

Швейцария не только страна гор и сыра, но и страна часовщиков. Города и деревни Швейцарии ютятся в горных долинах, зажатых между скалистыми хребтами и снежными вершинами. Поэтому в Швейцарии нет ни очень крупных городов, ни больших заводов. Заводы и заводики, расположенные в мелких городах и в сельской местности, разбросаны по всей стране.

Исторически сложилось так, что часовым ремеслом занялись преимущественно мастера, живущие вокруг Невшательского озера. В этих же краях постепенно возникла и часовая промышленность. Со временем Невшатель стал столицей швейцарских часовщиков.

В предгорьях над городом располагается Невшательская обсерватория, одной из задач которой издавна стало определение точного времени по наблюдениям небесных светил. Эта столь важная для часовой промышленности работа была одной из обязанностей молодого астронома доктора Бонаноми. Бонаноми одним из первых понял значение молекулярного генератора для тех, кто занимается определением точного времени. Он увлекся этой идеей. Но астрономическая обсерватория неподходящее место для работ, связанных с созданием новых сложных приборов. Для этого нужны сотрудники, станки, деньги.

Горы амфитеатром спускаются к Невшательскому озеру. Внизу, недалеко от берега, расположен Невшательский университет. Казалось, что для новой сложной работы доктор Бонаноми изберет университет. Но университет университету рознь, а Невшательский университет уделял очень мало внимания физике. Не больше, чем это требовалось для общего образования филологов, медиков и богословов.

К счастью, вблизи от университета швейцарские часовые фирмы создали на коллективных началах (редчайший в капиталистическом мире случай) исследовательский институт. Институт изучал все, что относится к теории, конструкции и технологии часового производства. Здесь интересовались всем, что относится к измерению времени.

Естественно, что доктор Бонаноми, спустившись с астрономических высот, предпочел полуподвальные помещения в правом крыле часового института. Правда, в этом институте и директор и другие сотрудники почитали механику, кинематику механизмов и технологию металлов. Но они понимали, что в давно устоявшуюся страну часовщиков непреодолимо вторгаются кванты.

Вскоре к Бонаноми присоединились И. де Принс и П. Карташоф, отец которого давно переселился в Швейцарию из царской России. Эта группа наглядно доказала, что знаменитое суворовское «не числом, а умением» относится и к области науки. Здесь проводили тонкие исследования спектра молекул аммиака и изучали стабильность частоты молекулярного генератора, предлагали и проверяли различные способы увеличения его точности.

Радиоинженеры давно знали, что для неискаженного приема сложных телевизионных или радиолокационных сигналов полезно заменять обычные резонансные контуры системой двух или даже трех связанных контуров. Бонаноми и его сотрудники решили применить этот опыт в молекулярном генераторе. Они присоединили к резонатору молекулярного генератора второй такой же резонатор. Он располагался рядом с первым, но пучок молекул в него не попадал. И тем не менее он не был лишним. Задачей второго резонатора было пассивное воздействие на первый с тем, чтобы, как говорят ученые, их общая резонансная характеристика стала более пологой и меньше влияла на частоту генератора. Несмотря на простоту, это небольшое усовершенствование дало заметный эффект.

В борьбе за точное время каждая крупица качества была на вес золота. И ученые ухитрялись добывать их из интимных различий родственных частиц. Например, протона и нейтрона. Они давно досадуют на то, что спектр излучения молекул аммиака очень сложен. И винят в этом ядро азота, входящего в аммиак. Это ядро состоит из семи протонов и семи нейтронов. Вот если бы там было их не семь, а восемь, говорят физики, все было бы иначе. Спектр был бы куда проще, и возни с молекулярным генератором было бы меньше.

И в этом действительно есть резон.

Возьмите для сравнения электронные оболочки атомов. Во внешних электронных оболочках атомов так называемых инертных газов всегда содержится по 8 электронов. Для атомов это идеал, большего им не нужно. Так возникает химическая инертность этих газов. Они не стремятся к соединению с другими элементами, довольные тем, что имеют. Если же во внешней электронной оболочке атома содержится только 7 электронов, атом стремится прихватить недостающий электрон у других элементов, что влечет за собой его большую химическую активность. Отсюда «жадность» галогенов, особенно фтора и хлора.

Как видно, нечто подобное присуще и атомным ядрам. Например, ядро кислорода, содержащее 8 протонов и 8 нейтронов, имеет очень упорядоченную структуру, отчасти напоминая этим симметричную электронную оболочку инертных газов. А вот ядро обычного азота, содержащее на один протон и один нейтрон меньше, чем кислород, уже в высшей степени несимметрично. Подобно электронной оболочке галогенов. Причина явно кроется в седьмых протонах и нейтронах, не имеющих пары внутри ядра. Ядро изотопного азота, содержащего наряду с семью протонами уже восемь нейтронов, гораздо симметричней, чем ядро обычного азота с его семью нейтронами. Ядро изотопного азота более похоже на симметричное ядро кислорода, чем на ядро обычного азота. Поэтому и спектр излучения молекул аммиака, содержащего не обычный, а изотопный азот, более прост, чем спектр аммиака, в который входит обычный азот.

И что самое поразительное — тонкие исследования вполне четко уловили разницу в работе молекулярного генератора, использующего простой аммиак или его изотоп. Они показали, что в результате даже столь ничтожного различия ядер молекулы аммиака, содержащие обычный азот или его изотоп, по-разному ведут себя в электрическом поле квадрупольного конденсатора. И это заметно сказывается на работе прибора. Так, ничтожные колебания напряжения, приложенного к сортирующему молекулы конденсатору, влияют на интенсивность пучка активных молекул обычного аммиака гораздо сильнее, чем в случае изотопного аммиака. Тот реагирует меньше. По-разному это сказывается и на частоте колебаний. Молекулярный генератор, работающий не на обычном, а на изотопном аммиаке, оказывается в 10–15 раз стабильнее. В 10 раз!

И эту десятку физики получили за счет одного лишнего нейтрона в ядре атома азота! Нейтрон — и десятикратное улучшение результатов. Никто, кроме физиков, даже химики, не может и мечтать отличить изотопный азот от обычного или аммиак с изотопным азотом от простого аммиака. Как глубоко должны были ученые проникнуть в глубины материи, чтобы чувствовать себя хозяином в атомном ядре!

Это все очень тонкие вещи, скрытые в ядрах атомов, но, поскольку ученые используют атомы как детали в своих новых приборах, необходимо во всех тонкостях знать строение и свойства этих деталей. Когда не работает большой прибор, его зачастую приходится разбирать до винтика. Атомные приборы приходится разбирать до нейтронов и протонов. Да еще делать это мысленно! Зато такие мысленные операции объясняют с первого взгляда непонятные капризы уникальных приборов. Так случилось и на этот раз.

И все-таки изотопный аммиак не решил всех проблем. Он очень дорог. Конечно, его можно применять в отдельных случаях, но для широкого распространения молекулярного генератора надо было найти другой метод увеличения его стабильности. К счастью, физики уже достаточно много знали о характере и склонностях объекта своего внимания, поэтому им пришлось искать недолго. Одна из множества спектральных линий обычного аммиака — та, которая имеет индекс (3, 2), — случайно обладает такой же простотой, что и спектральные линии дорогого изотопного аммиака. Ученые немедленно воспользовались этой находкой. Они изготовили резонатор, настроенный на частоту этой спектральной линии, и генератор заработал. Правда, при этом мощность генератора заметно уменьшилась, но стабильность частоты все же существенно возросла.

Физики здесь уподобились селекционерам, выводящим новый сорт. Те всегда взвешивают, что важнее — морозостойкость, продуктивность, вкус?

Физики стремились к большей стабильности. Они получили ее. А мощность в данном случае играет второстепенную роль. Молекулярные генераторы никогда и не претендовали на пьедестал сильнейшего. Борьба идет за точность работы, за точность отсчета времени, и началась она тогда, когда молекулярных генераторов не было и в помине.

 

ЛЮСТРА И АТОМ

Великий Галилей во время церковной службы обратил внимание на то, что одна из больших люстр собора качается, причем качается очень регулярно. Сравнив ритм ее колебаний с биением своего сердца, он убедился в том, что период движения люстры не зависит от ее размахов. Это побудило Галилея заняться изучением законов качания маятников. Он установил, что период маятника зависит от его длины. Из этих наблюдений родились маятниковые часы.

Вскоре Британское адмиралтейство объявило конкурс на часы, способные указывать точное время на борту корабля в условиях качки, — задача, недоступная маятниковым часам.

Премию получил Гюйгенс, более известный как создатель волновой теории света. Он изобрел вращающийся маятник с пружинкой — балансир, который тикает в миллионах хронометров, карманных и наручных часах.

Поколения часовщиков улучшали конструкцию часов, повышали их точность. Современные карманные и наручные часы лучших марок ошибаются не больше, чем на секунду в сутки. Морские хронометры отсчитывают время с погрешностью не более нескольких секунд в месяц. Специальные астрономические часы теперь снабжаются электрическим приводом, а их маятник качается в герметическом футляре, из которого откачан воздух. Ошибка таких часов не превышает одной секунды за год.

Это пока предел возможностей механических часов. Даже призвав на помощь электричество, механики не смогли продвинуться дальше в борьбе за точность отсчета времени.

Следующий шаг сделали радиоспециалисты. Это были А. Шайбе в Германии и Л. Эссен в Англии. Они создали кварцевые часы. Далеко не все здесь было новым. И до них радиоинженеры умели увеличивать стабильность частоты ламповых генераторов радиоволн, заменяя в них один из колебательных контуров пластинкой кварца. Но Шайбе не только научился делать очень хорошие кварцевые пластины, но соединил свой генератор со специальными радиосхемами, игравшими роль зубчатых передач в механических часах. Эти схемы преобразовывали высокую частоту колебаний кварцевого генератора в низкую частоту, пригодную для вращения маленького синхронного моторчика. Моторчик двигал стрелки, подобные стрелкам обычных часов. Кварцевые часы Эссена отличались, пожалуй, только тем, что он применял вместо кварцевых пластин — кольца, особым образом вырезанные из кристаллов кварца.

Кварцевые часы сразу превзошли лучшие маятниковые часы. Они работали так точно, что с их помощью удалось обнаружить неравномерность суточного вращения Земли. Это привело ученых ни больше ни меньше как к пересмотру представлений о роли часов!

Со времен Ньютона, знаменитые законы которого объединили астрономию с механикой, время стало таким же элементом науки, как пространство. Ученые исследовали движение небесных тел, работу механизмов — словом, все, с чем они имели дело в пространстве и во времени. Мир размещался в едином беспредельном пространстве, в котором подобно огромной реке текло единое время.

Три века в науке существовал строгий порядок, и почти три века люди не могли обнаружить ни малейшего отступления от этого порядка. Но в конце прошлого века Максвелл внес в учение об электричестве и магнетизме такую же ясность, как это сделал Ньютон для механики. Максвелл объединил учение о свете и. учение об электричестве. Из его теории следовала необходимость существования электромагнитных волн, длина которых в миллионы раз больше длины световых волн. Из его теории вытекало также существование эфирного ветра. Теория говорила, что эфир должен увлекать за собой электромагнитные волны так же, как воздушные потоки уносят с собой звук. Никто не думал тогда, что эфирный ветер унесет навсегда ньютоновское абсолютное время.

Теория предсказывает, а эксперимент… Что же сказал эксперимент?

Эксперимент, выполненный Герцем, действительно привел к открытию электромагнитных волн длиной в несколько десятков сантиметров (длина волны света измеряется десятыми долями микрона — десятитысячными долями сантиметра). Вскоре Попов применил герцевские волны для связи. Родилось радио, а электромагнитные волны длиной от миллиметров до километров получили название радиоволн. Так эксперимент подтвердил одно из предсказаний теории Максвелла.

Осталось подтвердить второе. Но эксперимент, выполненный блестящим американским физиком Майкельсоном, не обнаружил предсказанного эфирного ветра. Может показаться, что в этом нет ничего особенного. Нужно только поставить более точный опыт — и теория будет подтверждена полностью. Однако все было не так-то просто.

Отрицательный опыт Майкельсона стал первым ударом колокола, возвестившим о кризисе старой физики и предстоящем рождении новой. Дело в том, что Майкельсон был первоклассным экспериментатором и достигал выдающейся точности. Его филигранный опыт обнаружил, что теория Максвелла, считавшаяся непогрешимой, не соответствует реальному миру.

Опыт — высший судья науки. Конечно, ни один судья не гарантирован от ошибок. Но не в этом случае. Здесь ошибка не превышала одной миллионной.

И Майкельсон и другие ученые многократно повторяли этот опыт в различных вариантах и лишь увеличивали точность, с которой установлен факт расхождения теории и эксперимента. Они не могли обнаружить ни малейшего дуновения эфирного ветра. И нет-нет, а у кого-нибудь из них да появлялось крамольное сомнение: полноте, существует ли вообще это порождение фантазии Максвелла? Не выдумка ли это? А выдумка, надо сказать, была красивой и соблазнительной. В науке не часто рождаются такие вот «летучие голландцы», которые пригрез-ятся вдруг гению и будоражат потом не одно поколение ученых-мечтателей, пока трезвый опыт или расчет не изгонит его со страниц истории.

Эфирный ветер! Эфир физиков не имел ничего общего с тем эфиром, который применяется при хирургических операциях или в химчистке для вывода жирных пятен. Эфир физиков — это эфир поэтов, эфир древних мыслителей, нечто нематериальное, неуловимое — символ пустого пространства. Эфир физиков — это гипотетическая среда, в которой распространяются свет и радиоволны, — словом, все электромагнитные волны, предсказанные теорией Максвелла. Ничем другим этот эфир и не должен был проявлять себя. Этим он ставил себя вне опыта и даже вне здравого смысла.

Воздух, в котором распространяются звуковые волны, ведет себя иначе. Все живое, кроме некоторых бактерий, дышит им. Мы можем откачать воздух из сосуда, тогда внутри сосуда исчезнут и всякие звуки. Мы можем охладить воздух и превратить его в жидкость. Мы можем изменить его состав, сжигая в нем горючие вещества. При этом одна часть воздуха — кислород — исчезает. То есть воздух можно «пощупать», взвесить, уничтожить, создать. Ничего подобного сделать с эфиром (даже теоретически!) было нельзя. Словом, воздух материален, а эфир нет. Это нечто такое, с чем наука никогда раньше не имела дела. Впрочем, разве только теплород? И надо сказать, сходство оказалось роковым, эфир разделил судьбу теплорода. Они оба оказались просто курьезом.

Но прежде чем ученые убедились в этом, они делали все возможное, чтобы поймать эфирный ветер. И казалось, сделать это нетрудно. Ведь стоя на Земле, несущейся по своей орбите сквозь эфир, мы должны заметить ее движение так же, как слепой человек может определить движение парохода с палубы или поезда с платформы открытого вагона. И так же, как обыкновенный ветер несет с собою пыль — и песок, эфирный несет с собой световые волны. И, заметив, как меняется их скорость, можно таким, правда косвенным, способом доказать существование самого эфирного ветра. Вот на что рассчитывали экспериментаторы.

Сейчас трудно найти человека, который не знал бы, к чему привел опыт Майкельсона. В 1905 году Эйнштейн, исходя из того, что опыт Майкельсона доказал отсутствие эфирного ветра и обнаружил новое свойство природы — независимость скорости света от движения источника, создал теорию относительности. Оказалось, что течение времени в движущихся телах зависит от их скорости и именно это делает невозможным обнаружение эфирного ветра. Впрочем, теория относительности сделала ненужным для науки само понятие эфира. Эфир полностью перешел во владение поэтов. А фантасты получили в подарок вполне реальную, хотя пока технически не реализуемую, возможность «омоложения» при дальних космических полетах.

Прошло еще около десяти лет, и Эйнштейн сделал следующий шаг. Скорее это был огромный скачок. Он создал новую теорию, ее называют теперь теорией тяготения. Из этой теории следовало, что время зависит не только от скорости движения, но и от близости больших тел. Например, вблизи Солнца время течет медленнее, чем вдали от него. Великий и неизменный поток ньютоновского абсолютного времени был заменен живой рекой, задерживающей свой бег у массивных звезд и спокойно струящейся в пустом пространстве.

Сколь ни значительны изменения в представлении о времени, вытекающие из работ Эйнштейна, они не коснулись способов измерения времени. Как и миллионы лет назад, люди измеряли время по Солнцу и звездам, а Эйнштейн лишь научил их, как пересчитывать время, измеренное на Земле, ко времени, текущему на других планетах и звездах. При этом часы, как и в старину, нужны только для того, чтобы делить сутки на все более и более мелкие части. И сегодня мы, так же как египтяне в древности, делим день и ночь на двенадцать частей, посвящая каждую не богам, как делали они, а своим современным заботам.

Хотя все живое соразмеряется с видимым движением Солнца, измерять время по Солнцу неудобно. Оно слишком велико и светит слишком ярко. Наблюдать за такой «стрелкой» трудно. И астрономы решили: лучше выбрать за стрелку небесных часов какую-нибудь звезду и отсчитывать время по ее видимому движению. Например, считать за сутки время между двумя высшими положениями этой звезды на небосводе.

Точность при этом увеличилась, но возникла новая трудность — часы, отрегулированные по звездам, идут иначе, чем сверенные по Солнцу. Солнечные часы идут медленнее, чем звездные. И разница составляет 4 минуты в сутки. Так что, вздумай мы жить по звездным часам, нам пришлось бы со временем спать днем и бодрствовать ночью. (Это происходит из-за вращения Земли по ее орбите вокруг Солнца, приводящего к видимому движению Солнца по небосводу.)

Но законы Ньютона, а затем и теория Эйнштейна увязали время, измеряемое по вращению Земли вокруг оси (звездное время), с солнечным временем, учитывающим также движение Земли по орбите. Длительные наблюдения позволили определить отношение средних солнечных суток к звездным суткам. Получилось очень неудобное число — 1,0027378118868. Но очень надежное. Неточна здесь только четырнадцатая цифра. Это число учитывает даже такие «детали», как изменение скорости Земли на различных участках ее орбиты.

Но недаром Майкельсон говорил, что в наш век открытия лежат за шестым знаком точности. Как только точность кварцевых часов перевалила за восьмой знак, оказалось, что вращение Земли вокруг ее оси, которое считалось воплощением равномерного течения времени, непостоянно! Великолепная четырнадцатизначная точность, о которой мы только что говорили, получена не только усреднением солнечных суток, но и усреднением звездных, которые до того казались идеально постоянными.

Впрочем, обнаружив неравномерность вращения Земли, астрономы вспомнили, что их предшественники еще в прошлом веке замечали неувязки между вычисленными положениями Луны и планет и их видимым положением. Чтобы объяснить расхождения, они предлагали различные весьма сложные теории; причем для каждого вновь открываемого расхождения приходилось создавать новую, не связанную с прежними гипотезу. Правда, какие-то намеки на закономерность в этих беспорядках наводили ученых на мысль о том, что они вызваны общей причиной. Но никому в голову не приходило искать эту причину в нерегулярности вращения Земли. Это казалось слишком дерзким.

Теперь, когда неравномерность суточного вращения стала бесспорным фактом, все затруднения, о которых мы говорили, разом исчезли, а многочисленные гипотезы стали ненужными.

При помощи кварцевых часов удалось заметить много новых фактов. Оказалось, что, помимо давно известного замедления скорости вращения Земли из-за приливного трения (это замедление очень равномерно и составляет 0,001 секунды за 100 лет и уже давно учитывается астрономами), существуют периодические и даже беспорядочные вариации длительности суток. Ученые установили, что периодические вариации вызваны тем, что сила приливов зависит от сочетания положения Луны и Солнца. Это вызывает изменение длительности суток с периодом от полумесяца и месяца до 9 и 18 лет. Беспорядочные, но заметные при помощи кварцевых часов нарушения равномерности суточного вращения Земли вызываются и мощными движениями атмосферы, и влиянием вспышек солнечного излучения на движение заряженных частиц, окружающих Землю, и сложными движениями земной коры, а может, и более глубоких ее слоев, и какими-то еще. неведомыми причинами.

Во всяком случае, ученые убедились: суточное вращение Земли, измеряемое по видимому положению звезд, не может быть основой счисления времени.

Астрономы попытались выйти из положения, приняв за основу измерения времени годичное движение Земли вокруг Солнца. Они вычисляют его с огромной точностью, основываясь попросту на законах Ньютона и его абсолютном времени. Тут оно не подводит. Теория относительности привела лишь к очень малым поправкам, доступным наблюдению только для планеты Меркурий. Движение Земли по ее орбите очень стабильный процесс, и он уже некоторое время служит основой секунды. Правда, за увеличение стабильности пришлось заплатить уменьшением точности измерений. Мы оказались сидящими на стрелке этих новых астрономических часов, и определить точное положение стрелки, затрачивающей на обход циферблата целый год, дело нелегкое.

Ученые решили облегчить свой труд и увеличить точность измерения, избрав для определения времени самую быструю стрелку на циферблате неба — Луну. Законы небесной механики связывают между собой движение Луны и движение Земли по их орбитам точнее, чем зубчатые колеса часов связывают движение минутной и часовой стрелок. Измеряя движение Луны вокруг Земли, можно вычислить секунду, определяемую формально из движения Земли вокруг Солнца. Ведь в законы движения обоих светил — дневного и ночного — входит одно и то же время, время из уравнений Ньютона. Но и Луна оказалась ненадежным помощником. Хоть она и обращается по своей орбите лишь за 28 суток, «лунная секунда» не была точнее «звездной». Чтобы сделать ее надежней, надо вести наблюдения и вычисления по крайней мере лет пять! Пять лет регулярных наблюдений (прерываемых только ненастными ночами), во всеоружии новейших астрономических приборов, сложных фотографических процессов, быстродействующих электронных вычислительных машин.

В соревновании за точное время победили не гордые и величественные светила, а скромные молекулы и атомы. Атомные часы оказались гораздо более точными. Молекулы и атомы в квантовых генераторах излучают радиоволны с такой постоянной частотой, что ни один другой процесс не может соревноваться с ними по четкой периодичности. С периодом их колебаний, с этой «атомной секундой» и решили ученые сверить другие часы. Но это удалось не сразу.

Первые сообщения об атомных часах появились в 1952 году, когда Г.

Лайон в США сверил кварцевые часы, правда, не с периодом колебаний молекул аммиака в молекулярном генераторе, а с их спектральной линией поглощения в радиоспектроскопе.

Но он потерпел неудачу. Атомные часы еще не «созрели». Спектральные линии аммиака, наблюдаемые в радиоспектроскопе, были очень широкими, и новые «атомные» часы шли менее точно, чем хорошие кварцевые часы. Мы взяли здесь слово «атомные» в кавычки не только потому, что новый прибор оказался недостаточно хорошим, а из-за того, что его правильнее называть молекулярными часами. Ведь в нем наблюдался не спектр какого-либо атома, а спектр молекул аммиака. Но, как видно, прилагательное «атомный» было в то время слишком притягательным.

Настоящие молекулярные часы, которые по точности превзошли кварцевые, были впервые запущены в Физическом институте АН СССР. Басов и его сотрудники избрали при этом простую, но надежную схему импульсного регулирования. Идея была такова. Хорошие кварцевые часы при помощи специальных радиосхем сравниваются с молекулярным генератором. Как только ошибка кварцевых часов превзойдет заранее выбранную малую величину, в них автоматически вводится нужная поправка.

В Институте радиотехники и электроники АН СССР были разработаны более совершенные системы. Одна из них основана на непрерывной подстройке хода кварцевых часов по сигналу молекулярного генератора, причем подстройка производится, как говорят специалисты, с точностью до фазы. Это значит, что частоты колебаний обеих частей устройства — кварцевых часов и молекулярного генератора — всегда полностью совпадают. Вторая система, разработанная в этом институте, имеет то преимущество, что она совершенно исключает внешнее воздействие на сердце кварцевых часов — кварцевый резонатор. Схема автоматически, по сигналу молекулярного генератора, вычисляет ошибку кварцевых часов и так же автоматически вычитает из их показаний эту ошибку, выдавая время, полностью определяемое молекулярным генератором.

Может возникнуть вопрос: зачем же нужны такие ухищрения, почему нельзя управлять ходом часов непосредственно при помощи молекулярного генератора, не привлекая на помощь кварцевые часы?

Как и во многих других случаях, здесь прямой путь не является наилучшим. Ведь мощность молекулярного генератора не превышает миллиардной доли ватта. Этим не повернешь никакой стрелки. Между молекулярным генератором и часами нужно включить подходящий усилитель. Кроме того, необходимо преобразовать период его колебаний поближе к периоду часов. Ведь период вращения секундной стрелки равен минуте, а период колебаний молекулярного генератора составляет лишь одну двадцать четвертую от миллиардной части секунды. Учтите, что и усиление мощности и преобразование периода нужно осуществить без потери точности. Именно поэтому оказалось удобным строить молекулярные часы, используя в них в качестве составной части стабильные кварцевые генераторы.

Пока ученые мудрили, приспосабливая молекулярный генератор для подстройки часов, у него появился опасный конкурент. Он сразу же захватил поле боя. Родились удивительные часы: не просто точные, а претендующие на звание эталона времени. Они тоже вели свое начало от радиоспектроскопа, но не от известного нам радиоспектроскопа Басова и Прохорова, а от совсем другого, родившегося еще в 1937 году. Вы вправе удивиться и спросить: позвольте, радиоспектроскопия появилась в сорок пятом, а автор говорит о тридцать седьмом годе — не ошибся ли он? Нет, не ошибся. Это один из курьезов науки, если угодно — результат бега по пересеченной местности, когда спортсмен не всегда видит тех, кто впереди и позади него.

 

ТЫ ЗАДАВАЛ ПРАВИЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ?

В 1927 году в лаборатории Штерна появился американец Исидор Раби. Для физика, только что окончившего университет, он был не молод. Вскоре ему должно было исполниться тридцать. Но Раби быстро доказал коллегам, что он недаром прожил свои годы. Он родился в Австрии, но с двух лет жил в Истсайде, в районе нью-йоркской бедноты. Поступив в городскую школу, мальчик стал первым учеником. Он до сих пор вспоминает, как мать встречала его по возвращении из школы: «Задавал ли ты сегодня дельные вопросы учителю?» Пожалуй, только физик может оценить ее мудрость, потому что он знает, как важно научиться задавать правильный вопрос природе. В этом залог правильного ответа.

Окончив школу, Раби получил стипендию и поступил на химический факультет. Физика в США в то время была не в почете. Она не делала денег. Иное дело — химия. Шла первая мировая война, и страна остро нуждалась во взрывчатых веществах, красителях и других продуктах химии.

Проработав после окончания курса химиком-лаборантом всего один год, Раби вдруг поступил в частную банковскую фирму. Но два года служения золотому тельцу убедили его в том, что это не для него. Он вернулся в Корнельский университет, чтобы пройти дополнительный курс и стать доктором химических наук. Однако вскоре Раби понял, что в химии ему больше всего нравится физика, и он перешел в Колумбийский университет, единственное место в Нью-Йорке, где можно было стать физиком. В 1927 году, защитив докторскую диссертацию, он почувствовал, что настоящим физиком так и не стал. В те годы этого можно было достичь только в Европе. Получив осенью стипендию для научной работы, он пересек океан и под руководством Штерна освоил технику экспериментов с атомными пучками. Вернувшись в Нью-Йорк, Раби собрал вокруг себя группу молодых ученых, ставших ядром одной из первых в США школ экспериментальной физики.

Десять лет спустя Раби значительно усовершенствовал исследования атомных пучков. В отличие от Штерна, который применял в своих экспериментах только сильные неоднородные магнитные поля, он дополнительно ввел в свой прибор еще и радиоволну.

Если помните, пучок атомов серебра в приборе Штерна и Герлаха распадался под влиянием магнитного поля на две части (в зависимости от их энергии). И атомы оседали на стеклянной пластинке в виде двух серебряных пятнышек. Раби же поставил на пути атомов второе магнитное поле, противоположное по своему действию и, не дав атомам осесть в двух точках, снова свел их в одну. И стал наблюдать, сколько атомов пройдет через это двойное испытание. Зачем ему это понадобилось? И для чего он использовал еще радиоволну? Минутку терпения.

Раби обладал смелостью, необходимой каждому первопроходцу. В формулах квантовой механики скрывалась возможность взаимодействия между микрочастицами и радиоволнами. Взаимодействия, ничем не отличающегося от того, которое уже давно наблюдалось между этими частицами и светом. Но кванты света в миллионы раз энергичнее квантов радиоволн. И нужно было сочетать решимость с тонким искусством, чтобы поставить своей целью наблюдение столь слабых эффектов. Ведь все работавшие с атомными пучками знали, что непосредственное введение радиоволн в прибор Штерна ровно ничего не дает. Просто некоторое число частиц перейдет из правого пятнышка в левое, и столько же перекочует слева направо. Задача состояла в том, чтобы надежно отделить частицы, взаимодействовавшие с радиоволной, от тех, которые этого не совершили.

Установка Раби состояла как бы из двух приборов Штерна, установленных один за другим. Влияние второй установки полностью уничтожало действие первой. Атомы, выходящие из источника, сперва, как у Штерна, распадались на два пучка, затем снова собирались вместе, опять расходились, но в противоположных направлениях и, наконец, сходились в одну точку. Но это не было переливанием из пустого в порожнее. Раби здесь поступил как хороший аптекарь — перед точным взвешиванием уравнивающий чаши своих весов. Теперь они почувствуют ничтожную крупинку лекарства.

В середине установки Раби поместил катушку, через которую проходили токи высокой частоты от генератора радиоволн. Радиоволна ударяла по атомам. Пока ее частота была далека от той, на которую настроены сами атомы, они не обращали на нее никакого внимания. Они летели в строгом порядке, послушные одной силе — магнитному полю. Но вот ученый начинает вращать ручку настройки радиогенератора и менять его частоту. Постепенно он подбирается к частоте, на которую настроены атомы. Он нащупывает их резонансную волну, как нащупываем мы нужную нам радиостанцию на шкале обычного радиоприемника. И чем ближе настройка радиогенератора к настройке самих атомов, тем большее «волнение» их охватывает. И вот — резонанс! Радиоволна и атомы получили возможность разговаривать на одном языке, на одной частоте. Одни атомы излучают избыток своей энергии, отдают ее радиоволне. Другие, слабенькие, пользуются случаем и занимают у нее часть энергии. Идет интенсивное взаимодействие. Магниты забыты. Атомы не слушают их. Они уже не попадают в одну точку, а разбредаются кто куда!

Что же делает в это время Раби? Раби внимательно следит за стрелкой гальванометра, который он поставил на выходе своего прибора и заставил следить за теми атомами, которые прошли через оба магнита. Пока не было резонанса и все атомы попадали в одну точку, гальванометр «молчал», стоял на нуле. В момент резонанса стрелка вздрагивала и начинала ползти вправо. Чем больше отклонение, тем точнее резонанс. Штерну приходилось томительно ждать, пока на стеклянной пластинке заблестят серебряные пятнышки. Раби получал результат мгновенно.

Он использовал резонанс для изучения поведения атомов в радиочастотном поле. Оно было своеобразным скальпелем, обнажавшим сокровенные свойства и характер атомов.

В дальнейшем, когда прибор Раби был значительно усовершенствован, физики додумались использовать атомы в момент резонанса как камертон для подстройки частоты радиогенераторов. Ведь в момент наивысшего взаимопонимания между атомами и радиоволной, излучаемой генератором, их частоты одинаковы. Точно зная частоту атомов, а ученые ее знали, можно с уверенностью назвать частоту генератора. Так атомы стали играть роль часов Спасской башни, по которым сверяются тысячи часов.

Итак, еще в 1937 году Раби смог наблюдать спектральные линии атомов в радиодиапазоне. Его прибор был, по существу, радиоспектроскопом. Радиоспектроскопом, родившимся раньше, чем радиоспектроскопия. Это не игра слов, ведь общепризнано, что радиоспектроскопия возникла лишь в 1945 году, когда ученые начали систематически исследовать спектры газов в диапазоне сантиметровых радиоволн.

Вспомните героя Мольера, удивившегося, узнав, что он говорит прозой.

Раби не удивился, когда после второй мировой войны родилось слово «радиоспектроскопия». Просто в лаборатории рядом с атомнолучевыми радиоспектроскопами коротковолнового диапазона появились газовые радиоспектроскопы сантиметрового диапазона. Приборы Раби были предысторией. Обычный случай в истории науки.

И все-таки они, строго говоря, были не только предысторией, оборванной и незавершенной. Нет, они имели свою собственную историю, которая продолжается и в наши дни. Радиоспектроскоп Раби положил начало еще более точным атомным часам и даже не часам, а целой ветви новых стандартов времени.

Но прежде чем прибор Раби можно было применить для калибровки частоты радиопередатчика, для управления его частотой, наконец, для создания стандартов частоты и атомных часов, его необходимо было «причесать».

Казалось бы, в приборе Раби радиоволна и атомы общаются на одной волне. Причем на волне строго определенной. На языке науки это значит, что спектральная линия атомов должна быть идеально узкой. Но увы! Ее портили какие-то добавки, как хрипотца иногда портит голос певца. К основной резонансной частоте атомов добавлялись ненужные, лишние частоты. Спектральная линия уширялась.

Это не устраивало ученых. Они должны были по возможности удалить лишний «вес» линии. Но прежде надо понять причину, отдаляющую их от идеала. Может быть, атомы сталкиваются и мешают друг другу? С этим явлением физики уже встречались в радиоспектроскопии газов. Нет, здесь это было невозможно. В атомных пучках таких столкновений не бывает. Атомы не сталкиваются ни друг с другом, ни со стенками установки. Летя целым коллективом, они тем не менее ведут себя как совершенно изолированные.

Причина была не такой простой. Оказалось, что спектральные линии в атомных пучках уширяются главным образом потому, что сама установка имеет ограниченные размеры. Не то что малые, а именно ограниченные. Атомы общаются с радиоволной слишком короткое время, только в те мгновения, когда они пролетают через область, занятую электромагнитным полем, — объемный резонатор в случае сантиметровых волн, катушка или конденсатор при более длинных волнах. И это занимает всего тысячные доли секунды! Конечно, за такое короткое время атомы, попросту говоря, не успевают разобраться, какая волна резонансная, какая нет, на какую им положено реагировать, на какую нет. И излучают в ответ на требование соседних волн! Атом в данном случае ведет себя так же, как обычный волномер — прибор, измеряющий длину волны. Он тоже не может быстро различить две радиоволны, частоты которых очень близки. И он должен взаимодействовать с измеряемой волной в течение вполне определенного времени. В период измерения в волномере должны установиться устойчивые колебания. Если это условие не выполнено, точный отсчет частоты невозможен. И у атомов должно быть время, чтобы они могли опознать окружающее их электромагнитное поле.

Здесь проявляется один из чрезвычайно мощных законов природы. Он гласит: точность измерения энергии пропорциональна времени, затраченному на измерение. Но энергия и частота излучения атомов так тесно связаны, что этот закон распространяется и на частоту.

Это хорошо понял и начал борьбу с этим явлением Норман Рэмси. Уже в 1949 году он добился существенного увеличения точности измерения частоты в атомных пучках. Еще в конце тридцатых годов Рэмси овладел техникой атомных пучков и вместе с Раби и другими его сотрудниками провел этим методом ряд тонких исследований. Понимая, что простым увеличением размеров установки многого достичь нельзя, Рэмси начал искать другие пути. Он решил сделать так, чтобы атомы взаимодействовали с одной и той же радиоволной не в один прием, а дважды, в двух небольших, удаленных одна от другой областях. Если они не успели среагировать на волну в первый раз, дореагируют во второй. В результате на широкой спектральной линии, определяемой временем взаимодействия атомов с каждой частью волны, возникает узкая пика, ширина которой связана со временем их пролета в промежутке между обоими полями. Метод разделенных полей — так Рэмси назвал свой способ. Этот метод получил широкое признание. Он позволяет наблюдать спектральные линии, ширина которых составляет около 20 миллиардных долей от частоты! Это наиболее узкие спектральные линии, полученные до сих пор в атомных пучках, причем в будущем, говорят физики, можно рассчитывать на наблюдение еще более узких линий.

Освоив наблюдение узких спектральных линий атомов цезия, лежащих в хорошо освоенном диапазоне трехсантиметровых радиоволн, ученые приступили к созданию атомных часов. Это была очень заманчивая перспектива, и такие работы почти одновременно начались и в СССР, и в США, и в Англии.

 

ОТ РАБИ ДО ЭССЕНА

Раньше всего успех пришел к английскому ученому Люису Эссену.

Эссен давно известен своими выдающимися радиофизическими исследованиями. Он в течение многих лет работает в Национальной физической лаборатории, расположенной в небольшом городке Теддингтоне графства Мидлсекс вблизи Лондона.

Мы уже встречали его как одного из создателей кварцевых часов. Кварцевые кольца Эссена, разработанные в конце двадцатых годов, сделали его имя широко известным среди радиоспециалистов. Впоследствии он завоевал признание систематическими и плодотворными исследованиями вращения Земли, точнейшими измерениями скорости света и многими другими тонкими исследованиями.

Оригинальные черты Эссена-исследователя, пожалуй, рельефнее всего проявились именно в работе над измерением скорости света. Для того чтобы увидеть всю оригинальность его метода, стоит немного остановиться на работах предшественников.

Первым около 300 лет назад за это взялся астроном Олаф Рёмер. Для измерений скорости света нужно иметь очень точные часы и работать с большими расстояниями, на преодоление которых свет затрачивает заметное время. В качестве часов Ремер использовал вращение спутников Юпитера, а стрелкой ему служили моменты их затмений, когда тень планеты закрывала спутники.

Ремер заметил, что промежутки времени между затмениями периодически изменяются. Он правильно понял, что причиной изменений является непостоянство времени, затрачиваемого светом на пробег к Земле при удалении или приближении Юпитера. Измерения Рёмера с нашей точки зрения очень грубы, но, применяя его метод при современной технике наблюдений, можно получить неплохие результаты.

Примерно через сотню лет астроном Джеймс Брадлей заметил, что скорость падения дождевых капель можно определить, измеряя угол, под которым капли пересекают боковое стекло движущейся кареты. Наша «карета» — Земля движется в пространстве. Поэтому фотоны, падающие на Землю от удаленных звезд, тоже летят немного наискосок. Хотя образуемый при этом угол очень мал, Брадлей измерил его и получил значение скорости света, отличающееся от современного всего на один процент.

Прошло еще около ста лет, и Арман Физо применил зубчатое колесо для измерения времени прохождения света от источника до удаленного зеркала и обратно. При подходящей скорости вращения свет, прошедший между одной парой зубьев, возвращался между следующей. Вскоре Леон Фуко заменил в аналогичном опыте зубчатое колесо вращающимся зеркалом.

Сорок лет назад известный уже нам замечательный экспериментатор Майкельсон довел этот метод до высокого совершенства и, проведя опыт между горами Вильсон и Антонио в Калифорнии на расстоянии около 35 километров, измерил скорость света с точностью до одной стотысячной. Одним из основных источников ошибки при этом было отсутствие точных данных о температуре, давлении и влажности воздуха на всем пути светового луча.

Для дальнейшего увеличения точности нужно было переходить к измерениям в вакууме. Но при этом точность измерения уменьшалась из-за уменьшения достижимых размеров установки. Трудность удалось в существенной мере преодолеть применением новейших методов прерывания света, но это не привело к заметному улучшению результатов Майкельсона.

Так обстояло дело с измерением скорости света, когда этой задачей заинтересовался Эссен. Его подход к задаче поразил оптиков. Он отказался от применения света. Будучи радиофизиком, он предпочел иметь дело с радиоволнами. Впрочем, скорость радиоволн измеряли и другие ученые, в частности Мандельштам и Папалекси. Но они имели в виду другие цели и изучали распространение радиоволн в земной атмосфере. Переход от их результатов к скорости электромагнитных волн в пустоте был сопряжен с теми же трудностями учета влияния атмосферы, которые остановили Майкельсона.

Но Эссен поставил себе четкую задачу и соответственно выбрал путь ее решения. Он остановился на сантиметровых волнах и решил вместо измерения их скорости между передатчиком и приемником свести дело к измерению времени их многократного прохождения между стенками объемного резонатора. Это время связано простыми формулами с размерами резонатора и его резонансной частотой. Поэтому фактически Эссен должен был точно измерить именно эти две величины.

Будучи, как и Майкельсон, первоклассным экспериментатором, Эссен отказался от таких помощников, как звезды и планеты, от колоссальных расстояний и провел необходимые измерения в специально приготовленном резонаторе, из которого был тщательно выкачан воздух. Учтя влияние электрических свойств стенок резонатора и всех вспомогательных элементов, он получил чрезвычайно точное значение скорости света.

Таков этот ученый, один из лучших современных экспериментаторов, задавшийся целью перевести английский эталон времени на квантовую основу. Для этого Эссен должен был превратить физический прибор, применявшийся до того лишь для исследования атомных ядер, в метрологическую установку. Он применил в ней метод разделенных полей Рэмси и провел чрезвычайно тщательное сравнение частоты наблюдаемой в ней спектральной линии цезия с группой превосходных кварцевых часов, контролируемых в течение длительного времени по астрономическим наблюдениям Гринвичской обсерватории. Изучив достаточно подробно свойства своей установки, разработав метод ее независимой настройки, Эссен смог объявить о том, что им созданы атомные часы, которые идут лучше любых известных в то время часов. Ошибка в одну минуту могла накопиться в них не скорее, чем за 300 лет.

В 1955 году, когда молекулярный генератор был лишь годовалым младенцем, Эссен уже мог включить свои часы в службу времени. Это были своеобразные часы. Сердцем их служила атомнолучевая трубка с пучком атомов цезия. Она обеспечивала рекордную точность отсчета частоты (а не времени). При этом атомная трубка не работала непрерывно. Ее непрерывная работа оказалась ненужной. Группа кварцевых часов, созданных Эссеном, была так хороша, что ошибка в одну сотую от одной миллиардной секунды накапливалась в них только за неделю. Поэтому достаточно было один раз в неделю включать атомнолучевую трубку и проверять при ее помощи ход кварцевых часов, измеряя частоту входящих в них кварцевых генераторов. При этом никакой регулировки кварцевых часов не производилось. Нужные поправки оставались на бумаге, а если ошибка часов накапливалась, то необходимая поправка вводилась один раз в год.

Длительная работа с атомным стандартом частоты позволила Эссену проделать новые, более точные исследования нерегулярности солнечной и эфемеридной секунды.

Не удовлетворившись достигнутым, Эссен построил огромную девятиметровую атомнолучевую трубку. Ее пришлось поместить вертикально, пробив перекрытие между двумя этажами. Но эта трубка не повысила точности измерений, и Эссен применил ее в качестве радиоспектроскопа для точного измерения частоты спектральной линии атомов рубидия.

За выдающийся вклад в науку, внесенный работами по созданию и применению атомного стандарта частоты, доктор Люис Эссен был в 1959 году награжден Академией наук СССР золотой медалью имени А. С. Попова. Вскоре после этого его работы получили достойную оценку и на Британских островах. Эссен был избран членом Королевского общества, играющего в Англии роль Академии наук.

Теперь цезиевые стандарты частоты работают во многих странах.

Точность их увеличилась еще в 10 раз, и ошибка в одну секунду накопится лишь за 3000 лет. Многое здесь сделали советские ученые, и можно не сомневаться в том, что и эта цифра не останется предельной.

Уже выпускаются сравнительно небольшие атомные часы, предназначенные для применения в лабораториях и в навигационных системах. Но это требует специального рассказа.

Молекулярный генератор потерпел поражение в соревновании с цезиевым стандартом частоты. По стабильности они оказались одинаковыми, но по точности определения частоты, удобству и простоте применения цезиевый стандарт оказался лучше. Сейчас молекулярный генератор оттеснен на второстепенные позиции. Он применяется в некоторых службах времени в качестве дублера, используется в лабораториях в качестве превосходного радиоспектроскопа и готовится к реваншу.

В Горьком и в Токио заработали генераторы на молекулах формальдегида, в Москве — на молекулах аммиака, в которых атомы водорода заменены дейтерием, в США для этой цели применили даже молекулы одного из самых страшных ядов — синильной кислоты.

Пока молекулярный генератор находится в стадии усовершенствования, он выслал на поле боя своего заместителя.

 

ТУПИК БЕЗ ТУПИКА

Впрочем, молекулярный генератор, считающий молодого чемпиона своим прямым наследником, должен признать его небесное происхождение.

В 1945 году голландский астрофизик Ван де Холст высказал предположение, что атомы водорода, находящиеся в межзвездном пространстве, излучают радиоволны длиной около 21 сантиметра. Это не было домыслом или догадкой. Так показали ему строгие математические расчеты.

Путем математического анализа была получена еще одна, совершенно парадоксальная цифра, касающаяся характера этого излучения. Советский ученый И. С. Шкловский вычислил, что каждый атом межзвездного водорода, летая в свободном пространстве, может излучить радиоволну всего один раз за 10 миллионов лет!

Не будем вспоминать о всех возражениях и спорах, которыми были встречены прогнозы о космическом излучении водорода. Скажем о главном. Было ясно, что энергия, излучаемая отдельным атомом, очень мала. Казалось, нет никакой возможности уловить ее. Нет даже столь чувствительных радиоприемников. Но положение спасли размеры нашей Галактики. Они столь велики, что излучение от множества отдельных атомов, находящихся, если можно так выразиться, на луче зрения, складывается в заметную величину. Вот это-то суммарное излучение и удалось зафиксировать современными чувствительными приборами.

Так прогнозы Холста блестяще подтвердились. Радиоволны длиной в 21 сантиметр теперь систематически принимаются радиоастрономами из глубин вселенной.

Атом водорода — самый простой атом в природе — один протон и один электрон. Можно было надеяться, что при его помощи удастся создать самые точные атомные часы. Недаром говорят часовщики: чем проще механизм, тем лучше часы.

За эту задачу взялся профессор Норман Рэмси, тот самый, который придумал метод разделенных полей, ставший решающим шагом при создании атомных часов на пучке атомов цезия. Он решил, что пришла пора воссоздать радиоизлучение космического водорода в лаборатории. В свете опыта, полученного с молекулярными генераторами, ему было ясно, что для этого необходимо сформировать упорядоченный пучок атомов водорода, найти способ сортировать атомы этого пучка, отличающиеся запасом внутренней энергии, и направить отсортированные атомы в резонатор, где они должны излучать избыточную энергию в виде радиоволн.

В земных условиях свободный водород существует только в виде молекул, состоящих из двух атомов. Поэтому первой задачей было получение атомарного водорода. Несмотря на то, что химики знают много реакций, каждый элементарный акт которых приводит к освобождению атома водорода, химия не могла помочь делу: атомы водорода быстро находили друг друга и вновь соединялись в молекулы.

Пришлось обратиться к физике. Одним из удобных способов, разработанным замечательным американским оптиком Вудом, было применение электрического разряда. Поддерживая электрический разряд в разреженном газообразном водороде, он научился создавать такие условия, когда электрические силы разрывают молекулы водорода на отдельные атомы. Воспользовавшись этим и решив первую задачу, Рэмси перешел ко второй — созданию пучка атомов водорода.

Задача оказалась не сложной. Достаточно было при помощи узких каналов — капилляров соединить область разряда с пространством, в котором мощные насосы поддерживали высокий вакуум, и из каналов в вакуум начал вылетать пучок атомов водорода. Конечно, в этом пучке присутствовали и атомы-передатчики и атомы-приемники, причем, как всегда, последних было больше.

Третьим этапом была сортировка. Но атомы, как известно, электрически нейтральны, и центр тяжести отрицательного заряда электронов в них совпадает с центром положительного заряда ядра. Поэтому атомы невозможно сортировать при помощи электрических полей.

К счастью, атомы водорода обладают свойствами маленьких магнитиков. Если бы мы могли рассмотреть такой магнитик, то увидели бы, что он не простой, а составной. И ядро атома водорода — протон и электрон, вращающийся вокруг него, сами являются элементарными магнитиками. Причем магнитик-электрон почти в две тысячи раз сильнее магнитикапротона. Образующиеся из двух таких магнитиков магнитики-водороды могут быть двух сортов. В одном сорте магнитики-электроны и магнитикипротоны направлены одинаково, и поэтому их действие складывается, а в другом сорте они направлены противоположно, и поэтому их магнитное действие вычитается. В результате атомы водорода образуют два сорта, отличающихся своим поведением в магнитном поле.

Этим и воспользовался Рэмси для сортировки атомов водорода. Он создал неоднородное магнитное поле, по своим свойствам напоминающее поле электрического конденсатора молекулярного генератора. В этом поле атомы водорода, способные излучать радиоволны, собираются к оси магнитного поля, а атомы, стремящиеся поглотить их и поэтому играющие вредную роль, отбрасываются в стороны.

Теперь осталось поставить на пути отсортированного пучка объемный резонатор, настроенный на волну 21 сантиметр, и «космическое радиоизлучение» должно было возникнуть в лаборатории. Но…

Но природа не любит легких побед, а опытный ученый не может надеяться на то, что победа будет легкой. Расчет показал, что самый лучший резонатор недостаточно хорош для того, чтобы самый сильный пучок атомов водорода, который может быть практически получен, преодолел потери в резонаторе и вызвал в нем цепную реакцию генерации радиоволн. Атомы водорода в 17 раз легче молекул аммиака и поэтому при той же температуре летят в четыре раза быстрее. Кроме того, их магнитная энергия много меньше, чем электрическая энергия молекулы аммиака.

Но если самый сильный пучок не может возбудить самый лучший резонатор, подумал Рэмси, значит мы зашли в самый настоящий тупик. «Стенкой» этого тупика была задняя стенка резонатора, в которую ударялись атомы водорода, так и не успев отдать полю избыток своей энергии.

Казалось, проще всего убрать эту стенку и превратить резонатор в длинный волновод, по которому атомы могут лететь до тех пор, пока они не расстанутся со своей избыточной энергией. Но еще расчеты астрофизиков показали, что для этого не хватит размеров никакой лаборатории. Убрать стенку в прямом смысле слова не удалось. Но убрать ее было необходимо.

И Рэмси решил убрать стенку тупика, не убирая стенки резонатора! Это не выдумка писателя, а результат глубокого физического анализа.

Беда была в том, что, ударяясь о стенку, активный атом отдает ей свою избыточную энергию и отражается от нее уже приемником радиоволн. Вот Рэмси и решил придать стенке резонатора такие свойства, чтобы она не отбирала избыточную энергию у ударяющихся об нее атомов водорода. В этом случае атомы, летая от стенки к стенке, блуждали бы внутри резонатора так долго, что могли бы «высветить» внутри него свою избыточную энергию.

Не беспочвенная ли это идея — сделать так, чтобы стенка, оставаясь стенкой во всех смыслах этого слова, перестала быть ею с точки зрения взаимодействия с внутренней энергией атома?

Оказалось, что такие стенки можно создать. Для этого их следует покрыть каким-либо веществом, молекулы которого очень слабо взаимодействуют с атомами водорода. Долгие поиски показали, что такие вещества существуют и лучшими из них являются особые сорта парафина и замечательная пластмасса фторопласт, известная также под названием тефлон. Особенность парафинов состоит в том, что почти все электрические поля входящих в них атомов использованы на образование самих молекул парафина. Эта молекула имеет вид длинной цепочки атомов углерода, защищенных от внешнего мира связанными с ними атомами водорода. В результате такого строения молекула парафина взаимодействует с другими молекулами главным образом своими концами. Это проявляется, в частности, в том, что парафин кажется нам очень скользким, потому что его длинные молекулы легко перемещаются одна вдоль другой.

Все сказанное в большой степени относится и к тефлону, сравнительно твердой, термостойкой и очень скользкой на ощупь пластмассе. Только в ней основную защитную роль играют не атомы водорода, а атомы фтора.

Химики описывают свойства молекул парафина и тефлона на своем языке, говоря, что все связи входящих в них атомов насыщены. Они не могут активно связываться с другими атомами и молекулами. Поэтому парафин и тефлон химически пассивны. Они не реагируют даже с плавиковой кислотой, которая в отличие от других кислот растворяет и такое стойкое вещество, как стекло.

Атомы водорода могут десятки тысяч раз сталкиваться с поверхностями, покрытыми парафином или тефлоном, не передавая им свою внутреннюю энергию и не теряя способности излучить эту энергию в виде радиоволн.

Расчет показал, что времени пребывания атома в резонаторе с защищенными стенками достаточно для того, чтобы атом излучил радиоволну до того, как он случайно попадет в отверстие, через которое ранее вошел в резонатор, и покинет его. Это определяет и размер отверстия: если оно слишком велико, атом покинет резонатор, не высветившись и унеся обратно свою избыточную энергию. Если же отверстие слишком мало, то атом и после высвечивания будет долго летать внутри резонатора в качестве приемника и может поглотить порцию энергии, ранее излученной другими атомами или им самим. Слишком малое отверстие затрудняет и питание резонатора пучком активных атомов.

Так Рэмси сумел превратить стенки в своеобразные зеркала, отражавшие атомы водорода без изменения их внутренней энергии. Атомы летали в резонаторе три-четыре секунды и за это время излучали в нем свою энергию.

Но действительно ли это выход из тупика? Ведь атомы, хаотически блуждающие между стенками, — это уже не пучок, а газ. А создать генератор радиоволн на газе — это именно то, что всегда считалось невозможным. Здесь возникало два, казалось, непреодолимых препятствия. Впрочем, первое было действительно непреодолимым только для обычных газов. Для газов, находящихся в состоянии теплового равновесия.

Мы знаем, что невозможно создать генератор на обычном газе, в котором атомов-приемников больше, чем атомов-передатчиков. Но в резонаторе Рэмси был необычный газ. Этот газ состоял главным образом из атомов-передатчиков, влетевших в резонатор в виде атомного пучка. Лишь побыв в резонаторе несколько секунд, атом излучал в нем свою энергию и, превратившись в приемник, вскоре покидал его. Конечно, некоторая часть атомов улетала, еще не успев излучить, но эти неизбежные потери были невелики.

Хуже было другое — ведь спектральные линии газов уширяются не только из-за соударений атомов, но и просто вследствие их быстрого хаотического движения.

Вспомним, что в первых «атомных» часах тоже применялся радиоспектроскоп, дававший спектральную линию поглощения аммиака. Эти часы оказались неработоспособными именно потому, что спектральные линии были слишком широки, что не позволяло определить частоту с большой точностью. Казалось, что это же делает бесперспективным и попытку построения стандарта частоты, основанного на атомах водорода. Однако ученые уже очень хорошо разобрались в механизме излучения молекул и атомов, чтобы их можно было застать врасплох. Да и мы теперь тоже знаем, что молекулы аммиака излучают радиоволны только тогда, когда меняется колебательное движение атомов, входящих в молекулы, или при изменении скорости вращения молекулы как целого. Поэтому молекулы аммиака очень «ранимы» — чуть толкнет их соседняя молекула, и они тут же излучат свой запас энергии, не дожидаясь резонансной волны. На них влияют не только столкновения между собой или с другими атомами и молекулами, но и соударения со стенками сосуда, содержащего газ.

Иное дело атомы водорода — их спектральные линии возникают в результате внутриатомных магнитных взаимодействий, слабо реагирующих на внешние толчки, и поэтому покрытие стенок позволяет им пережить десятки тысяч соударений со стенками без влияния на внутреннее состояние атома. В этом случае защищенной оказывается и ширина спектральной линии. Если при соударении внутреннее состояние атома не изменяется, то нет и причины для уширения спектральной линии. Конечно, При сталкивании двух атомов водорода они повлияют друг на друга. Но газ активных атомов, образующийся в колбе водородного генератора, так разрежен, что атом, влетевший в колбу, вылетит наружу гораздо раньше, чем столкнется в ней с другим атомом.

Но и этого еще недостаточно для создания стандарта частоты на газах. Ведь хаотическое тепловое движение атомов приводит к уширению спектральных линий даже без столкновений, просто вследствие эффекта Допплера. С этим эффектом мы сталкиваемся слишком часто, чтобы долго на нем останавливаться. Эффект Допплера встречается и в обыденной жизни. Стоя на платформе, мимо которой проезжает гудящий поезд, мы слышим внезапное изменение тона гудка, когда приближающийся поезд, минуя нас, начинает удаляться. Так же должен был бы скачком изменяться и цвет его фонарей. Мы не замечаем этого только из-за малой величины изменения частоты света.

Но атомы газа движутся много быстрее, чем поезд, а радиоспектроскоп неизмеримо более чувствителен к изменению частоты, чем глаз. Радиоспектроскоп отмечает, что при комнатной температуре спектральные линии отдельных атомов, летящих в противоположные стороны, отличаются между собой по частоте на несколько десятков тысяч герц. Атомы, образующие газ, имеют всевозможные направления движения и летят с различными скоростями. И спектроскоп фиксирует широкую спектральную линию, образовавшуюся из множества слившихся линий, занимающих сплошной участок спектра.

Казалось, невозможно получить в газе спектральные линии, более узкие, чем те, которые обусловлены допплеровским уширением. Ведь прекратить тепловое движение невозможно. Даже уменьшить его, понижая температуру, нельзя, не нарушив работы прибора.

Но Рэмси использовал в своем приборе тонкость, которая обычно ускользает от внимания при знакомстве с эффектом Допплера. Для того чтобы эффект Допплера развился в полной мере и проявил себя изменением частоты спектральной линии атома или любого другого источника, нужно, чтобы атом, перемещаясь, покрыл расстояние не меньшее, чем несколько длин волн соответствующей частоты. Нужно, чтобы атом побывал во всех участках волны — и на ее гребнях, и на склонах, и во впадинах. А еще лучше, чтобы он побывал во многих волнах. Обычно так и бывает. Но в приборе Рэмси атомы водорода летают внутри небольшой колбы. Размеры колбы не превышали нескольких сантиметров, а длина волны соответствующей спектральной линии водорода равна, как известно, 21 сантиметру. В этих условиях, с точки зрения волны, атомы как бы дрожат на месте. Поэтому они не могут ощутить волновой характер электромагнитного поля. Это значит, что эффект Допплера здесь не должен проявляться. Спектральная линия не будет уширяться. Точные расчеты убедили Рэмси в том, что эти наглядные рассуждения правильны и спектральная линия атомов водорода в его приборе останется очень узкой. Генератор должен работать, и частота его обязательно будет очень стабильной.

Опыты подтвердили расчеты. Генератор заработал. Правда, мощность его была ничтожна — миллионная часть от миллионной доли ватта. Это было примерно в сто раз меньше, чем мощность молекулярного генератора на аммиаке, но зато стабильность частоты нового генератора была примерно в сто раз лучшей, чем у его предшественника.

Теперь водородный генератор соревнуется за право быть новым эталоном частоты, новым эталоном единицы времени — секунды. И шансы его очень велики. Требуется лишь проверка временем.

Водородные генераторы работают также в Москве, в других городах нашей страны и в Невшателе, в Швейцарии.

В Невшателе Бонаноми, закончив работы по созданию квантовых часов, вернулся в свою обсерваторию. Правда, и здесь он не смог полностью отказаться от увлечения квантами. Он делит свое время между наблюдениями неба и работой в маленькой лаборатории, где, может быть, скоро родится новый прибор — стандарт частоты на пучке атомов таллия. Бонаноми знает, как нелегко создать таллиевые часы, но он надеется, что преодолеет трудности и сможет создать прибор, который превзойдет и водородный генератор и цезиевый эталон.

Профессор Бонаноми не прерывает связи с часовым институтом. Карташоф работает в нем теперь с новым молодым сотрудником Мену. Они регулярно проверяют часы обсерватории по своему цезиевому стандарту частоты, который заслужил репутацию одного из наиболее точных в мире. Они обмениваются радиосигналами с Эссеном в Англии, их сигналы принимают и в Праге, и в Москве, и во многих других городах.

В 1964 году в этой лаборатории был произведен замечательный опыт. В этом году в Лозанне происходила Международная выставка часов. Американская фирма Вариан послала на выставку два водородных генератора, частота которых перед отправкой в Европу была с точностью до 12-го знака определена при помощи цезиевого стандарта частоты Национального бюро стандартов США. Генераторы были разобраны, привезены в Европу и опять собраны. После закрытия выставки эти генераторы были вновь разобраны и перевезены в Невшатель.

Здесь их снова собрали. Карташоф, Мену и американские инженеры сравнили частоты путешествующих водородных генераторов и невшательского цезиевого стандарта частоты. Результат превзошел все ожидания. Измерения совпали с проведенными в США до 12-го знака! Точность в десять раз превзошла то, на что рассчитывали ученые. А рассчитывали они «только» на одиннадцатый знак. На большее они и не надеялись. Даже это было слишком смело. Результаты же совпали и в двенадцатом знаке. Так выяснилось, что квантовые стандарты частоты могут быть еще более усовершенствованы. Для этого необходимо доказать, что совпадение не было случайным.

 

ЗАКУТАЕМ АТОМЫ В ВАТУ

Итак, два главных конкурента на почетное звание чемпиона точности, простите, на возведение в ранг эталона частоты, или, что то же самое, эталона секунды, встретившись, обменялись взаимными комплиментами. Но спор между ними еще не решен.

А в это время набирал силы еще один претендент. Только год назад он скромно довольствовался второстепенной ролью. Но теперь он готовится расширить свои владения. Он прост, легок, дешев, не боится тряски, хотя и нуждается в предварительной калибровке по эталону. Работают в нем атомы щелочного металла рубидия, взаимодействующие с сантиметровыми радиоволнами.

Фактически это тоже радиоспектроскоп. Уже третий, встречающийся на нашем пути. Но это не газовый спектроскоп, с которым работали Басов и Прохоров, и не пучковый спектроскоп Раби. Его изобрели в 1949 году французские ученые А. Кастлер и И. Броссел. Они предложили новый метод радиоспектроскопии, который назвали методом двойного резонанса.

Ничто в жизни, в искусстве, в науке не проходит даром. Все оставляет на поверхности свой «культурный слой». По монетам, украшениям и домашней утвари, найденным археологами, судят об уровне знаний, образе жизни и привычках наших предков. По картинам и книгам предшественников учат следующие поколения. Каждый прибор, всякая плодотворная гипотеза, любая оправдавшая себя теория — это ступенька, по которой новое поколение ученых взойдет выше по дороге прогресса.

Ступенькой, с которой начали свое восхождение Кастлер и Броссел, возможно, послужило учение о комбинационном рассеянии света, открытом за двадцать лет до того Ландсбергом и Мандельштамом в кристаллах и Раманом и Кришнаном в жидкостях. Но вместо комбинации световых волн с акустическими они задумали воздействовать на вещество одновременно светом и радиоволнами.

Так, несколько иным способом, чем Раби, они хотели изучать поведение атомов во время резонанса их с радиоволной. Но они пошли дальше, усложнили опыт и углубили свое проникновение в суть явлений микромира. Уравнения квантовой механики открыли им еще один секрет: оказывается, в момент резонанса с радиоволной атомы особенно жадно поглощают свет. Свет как бы подбадривает их, накачивает в них новые силы для более полного и интенсивного общения с радиоволной. Недаром в научной литературе укрепился термин «оптическая накачка». Формулы же подсказали французским ученым, что новый метод избавит их от громоздких магнитов Штерна и Раби. Для того чтобы обнаружить спектральную линию, им достаточно наблюдать, как атомы поглощают свет. Как только радиоволна, испускаемая генератором, попадет в резонанс с атомами, поглощение ими света увеличится. Значит, по величине поглощения света можно судить о том, настроена ли радиоволна в резонанс с атомами.

Для большинства физиков это было совершенно неожиданным. Это противоречило опыту, накопленному радиоспектроскопией со дня ее официального рождения. Но необычность и невозможность далеко не одно и то же. Предложение казалось фантастическим потому, что оно основывалось на неизвестной до того связи между радиочастотными и оптическими спектрами. А связь эта существовала, и Кастлер и Броссел смело использовали ее в своем приборе. И значительно упростили себе задачу наблюдения за резонансом. Раби придумал для наблюдения резонанса очень изощренный способ, ничего не скажешь. Чем больше атомов принимали участие в резонансе и переставали слушаться магнитов, тем меньшее количество их приходило к индикатору. Раби узнавал об этом по показаниям гальванометра. Он мог очень точно засечь момент резонанса. Но платил за это возней с магнитами, усложняющими всю установку.

Кастлер и Броссел, найдя новый способ оптической регистрации резонанса, создали удивительно простой прибор. Это небольшая колба, в которой летают атомы. Колбочка облучается радиоволнами от маломощного генератора. Настройка этого генератора в резонанс с атомами определяется по изменению яркости света, проходящего через колбочку. Нужный свет излучается маленькой газоразрядной лампочкой, в которой светятся пары рубидия, состоящие из таких же атомов, которые находятся в колбочке.

Сквозь «спокойные» атомы свет проходит почти полностью, без потерь. Чем ближе радиоволна к резонансу с атомами, тем менее прозрачной для света становится колбочка. Он жадно поглощается взволнованными атомами. В момент резонанса свет почти полностью «застревает» в них. Колбочка становится почти непрозрачной. Это и служит сигналом о резонансе.

Уже это краткое описание указывает на крайнюю простоту нового прибора. Он не нуждается ни в каких насосах. Ведь если не считать радиоламп (а они во многих конструкциях успешно заменены транзисторами), то вакуумными деталями здесь являются только колбочка с насыщенными парами рубидия и маленькая спектральная лампа с такими же парами. Нет в новом приборе и магнитов, необходимых для работы атомнолучевых трубок или водородного генератора. Одним словом, он много проще, легче и экономнее своих конкурентов.

Прочтение немногих строчек, потребовавшихся для описания работы Кастлера и Броссела, заняло у вас несколько минут. А они затратили на нее более десяти лет. Десять лет надежд и сомнений, поисков и проверок, попыток и неудач!

Лишь в 1960 году Броссел с сотрудниками, наконец, осуществили удачный опыт с двойным резонансом и доказали, что чувствительность нового метода очень велика. Ведь для изучения поглощения квантов радиодиапазона, обладающих очень малой энергией, здесь применяются световые кванты, энергия которых в миллионы раз больше.

Новый метод позволил успешно изучать свойства атомов ртути, щелочных элементов и некоторых других атомов, легко испаряющихся при сравнительно низких температурах.

Многие ученые, прочитав о работах Кастлера, Броссела и их сотрудников, поняли, что оптическая накачка и оптическая индикация радиочастотного резонанса в щелочных атомах может стать основой нового квантового стандарта частоты.

Однако на пути к этой цели возникло много препятствий. Они очень похожи на те, с которыми, как мы знаем, встретился Рэмси при создании водородного и цезиевого стандартов. Прежде всего и здесь нужно было получить достаточно узкие спектральные линии. Можно сказать, что по сравнению с водородным генератором трудности для цезия возрастают в семь раз. Ведь резонансная радиоволна для цезия (3,2 см) примерно в 7 раз короче, чем для водорода. Для рубидия, один из изотопов которого имеет резонансную волну около 4 сантиметров, дело обстоит немного легче. Но поместить эти атомы в маленькую колбочку с защищенными стенками не удалось. Колбочка должна была быть слишком малой, и сигнал получался очень слабым.

К счастью, для щелочных атомов был найден другой способ сужения спектральных линий далеко за пределом, определяемым эффектом Допплера. Физики придумали для этого такой фокус. Они решили окружить щелочные атомы атомами инертного газа, как бы укутать их в вату. И теперь, если в сосуд, в котором находится немного инертного газа (при давлении в несколько тысячных атмосферы), поместить в миллион раз меньшее количество атомов щелочного металла, то эти атомы окажутся «зажатыми» между атомами инертного газа. Свободное тепловое движение щелочных атомов прекратится. Они не будут сталкиваться ни друг с другом, ни со стенками колбочки, чего так боятся ученые. Атомы рубидия будут метаться между атомами инертного газа, не смещаясь в пространстве на заметное расстояние.

Если при своих метаниях «закутанные в вату» атомы в течение многих периодов радиоволны не смещаются в пространстве на расстояние порядка длины этой волны, то они будут взаимодействовать с ней почти так же, как неподвижные атомы. Эффект Допплера станет очень, очень малым и не вызовет, казалось неизбежного, уширения спектральных линий. Столкновения щелочных атомов между собой в этих условиях будут крайне редкими, ведь в колбочке их в миллион раз меньше, чем атомов инертного газа. А столкновения с атомами инертного газа, так же как столкновения с защитным покрытием стенок, не уширяют спектральные линии щелочных атомов.

Опыт показал, что таким образом действительно можно получить спектральные линии шириной всего в несколько десятков герц. Это примерно в десять раз меньше, чем в атомнолучевых трубках с разделенными полями Рэмси, и в сотни раз меньше, чем в молекулярном генераторе! И в тысячи раз меньше, чем ширина линии, определяемая эффектом Допплера в газах.

Не удивительно, что во многих лабораториях начались исследования с целью создания стандарта частоты нового типа. И такой стандарт был создан. Он не только проще своих собратьев. По стабильности частоты он не уступает им. В течение года его частота не уйдет ни на одну сотую от миллиардной доли своей величины. Дешевизна таких стандартов и удобство работы с ними обеспечит им широкое применение.

Но… Опять «но», досадное, без которого, однако, не было бы прогресса, не было бы науки.

К сожалению, оказалось, что в процессе сужения спектральных линий щелочных атомов, о котором мы только что говорили, смещается резонансная частота этих линий, как «уходит» настройка наших радиоприемников. Особенно неприятно, что это смещение зависит от температуры и давления газа в колбочке. Небольшое изменение частоты происходит и под влиянием вспомогательного света. Все это приводит к необходимости контроля и калибровки стандарта.

Поэтому стандарт частоты с оптической накачкой, к глубокому сожалению его создателей, не может претендовать на роль эталона частоты. Он не может заменить другие квантовые стандарты всюду, но, несомненно, вытеснит их во всех случаях, когда дешевизна, компактность и экономичность важнее и окупают необходимость предварительной калибровки. Впрочем, кто знает, может быть, оптический сдвиг, как ученые назвали смещение резонансной частоты при оптической накачке, будет со временем устранен и соревнование возобновится.

 

МЕЧТЫ АГАФЬИ ТИХОНОВНЫ

Все, о чем до сих пор говорилось в этой книге, связано с измерением времени. Человек и в этой области победил природу. Теперь мы можем жить, не сверяя свои часы со звездами и Солнцем. Незримые атомы и молекулы, подобно гномам из сказки, вращают стрелки наших часов. И их волшебная точность посрамила небесные светила.

Казалось, к чему еще стремиться? Ошибка в одну секунду не накопится и за три тысячи лет! Но ученые отличаются от большинства людей именно тем, что их вечно точит неудовлетворенность. Водородный генератор превосходен по точности, да громоздок и сложноват в обращении. А миниатюрный стандарт с оптической накачкой не способен генерировать стабильные колебания, он лишь управляет частотой кварцевого генератора.

Как не вспомнить здесь рассуждения гоголевской Агафьи Тихоновны: «Если бы губы Никанора Ивановича да приставить к носу Ивана Кузьмича, да взять сколько-нибудь развязности, какая у Бальтазара Бальтазарыча, да, пожалуй, прибавить к этому еще дородности Ивана Павловича, я бы тогда тотчас же решилась. А теперь поди подумай!»

И ученые, да простят они мне легкомысленные ассоциации, думали о том, как совместить в одном приборе достоинства многих. Вот если бы стандарт с оптической накачкой да превратить в генератор!

Ведь свет в этом стандарте пополняет запасы энергии атомов, и они перескакивают на более высокие энергетические уровни. Так нельзя ли таким образом заставить прибор генерировать?

Эта мысль непременно должна была возникнуть у каждого, кто прочел вышедшую в 1955 году заметку Басова и Прохорова «О возможных методах получения активных молекул для молекулярного генератора».

Басов и Прохоров, создав свой молекулярный генератор, тоже не избежали искушения прибавить кое-что к его достоинствам. Им хотелость создать молекулярный генератор без молекулярного пучка, без насосов, без сортирующей системы. Хорошо бы, рассуждали они, не возиться с сортировкой молекул-приемников и молекул-передатчиков, а заставить генерировать какой-нибудь газ. Сделать так, чтобы молекулы-приемники сами превратились в передатчики, а там уж мы знаем, как добиться генерации.

И они нашли такую возможность. Уравнения, эти безмолвные советчики, подсказали им, что это не пустая мечта. Нужно лишь подобрать такой газ, молекулы которого имеют подходящие энергетические уровни. И не два, как было в молекулярном генераторе, а по крайней мере три. Два из них должны отстоять друг от друга как раз на величину энергии кванта нужной нам радиоволны, а третий должен располагаться значительно выше.

В обычных условиях большинство молекул будет располагаться на паре нижних уровней, причем на самом нижнем их окажется больше всего. Конечно, при этом ни о какой генерации не может быть и речи. Газ, к сожалению, будет лишь поглощать радиоволны, так как молекул-приемников в нем больше, чем молекул-передатчиков. Присутствие третьего уровня, на котором находится совсем мало молекул, само по себе не меняет дела.

Все это для нас не ново. Так ведут себя все газы, подчиняясь непоколебимому закону природы, выраженному уравнением Больцмана. Но Басов и Прохоров решили активно вмешаться в поведение молекул. Для этого они в качестве ступеньки использовали третий уровень и призвали на помощь уравнение Эйнштейна. С этим уравнением мы тоже встречались. Оно отражает взаимодействие молекул с внешним электромагнитным полем.

Ничего более конкретного уравнение предложить не могло. Но этого не требовалось. Дальше начиналось творчество. Одно слово суфлера, и актер уверенно произносит монолог.

Перед Басовым и Прохоровым открылась заманчивая перспектива. Казалось, стоит облучить газ электромагнитной волной, настроенной в резонанс с переходом молекул с самого нижнего на самый верхний уровень, и цель будет достигнута. Расчеты подтвердили, что это не заблуждение. Если мощность электромагнитной волны достаточно велика, то она перебросит часть молекул с нижнего уровня на третий. Уравнения сообщили, что если третий уровень лежит достаточно высоко, то на нижнем останется мало молекул, меньше, чем на расположенном над ним втором уровне.

Дальше все было ясно. Мы знаем, что, если на первом энергетическом уровне газа оказывается меньше молекул, чем на втором, то есть молекул-приемников останется меньше, чем передатчиков, газ становится активным.

Стоит поместить его в подходящий резонатор, и начнется генерация!

Но Басов и Прохоров не сделали такого генератора. Не потому, что не сумели. Нет, они могли его создать, но в дело опять вмешалась математика.

Однажды к Прохорову приехал молодой харьковский физик Канторович. Он показал свои расчеты, из которых следовало, что вспомогательное электромагнитное поле, нужное для получения активной среды по методу трех уровней, сделает будущий молекулярный генератор нестабильным. Прохоров улыбнулся и вытащил из портфеля несколько листков. На них его размашистым почерком были написаны формулы, из которых следовало, что частота генератора, о котором говорил Канторович, должна зависеть от частоты и интенсивности вспомогательного поля. Оба весело рассмеялись. Так родилась совместная заметка, надолго загнавшая в архив метод трех уровней.

Ученый не может рассчитывать на бетонное шоссе. Его судьба — бездорожье. Он не может рассчитывать даже на незаметную тропку. Ведь первую тропинку должен проложить именно он, первооткрыватель. Расширять ее, мостить и заливать бетоном будут другие. Может быть, и он тоже. Ведь это не менее трудно и почетно. Но иногда нужно идти и по целине. И, глядя при этом на далекую вершину, можно прозевать не менее прекрасную, скрытую соседним холмом.

Так случилось с методом трех уровней. Отдав все свои помыслы погоне за стабильностью, Басов и Прохоров забыли об опороченном методе. Правда, впоследствии Басов вместе с одним из своих сотрудников, Б. Д. Осиповым, применив этот метод, заставил генерировать пары одного химического соединения. В этой работе они тоже стремились к точности, но отнюдь не к уменьшению погрешности частоты. Их целью было подробное изучение строения молекул этого соединения и ядер входящих в них элементов.

Еще позже, как мы увидим, метод трех уровней найдет чрезвычайно широкое применение, и мы еще не раз убедимся в его возможностях.

Создатели стандартов частоты с оптической накачкой, да и все с ними соприкасавшиеся, не могли не заметить глубокой общности метода оптической накачки и метода трех уровней.

И колесо истории (конечно, не главное колесо, а малое, управляющее лишь одной областью науки) начало новый оборот. Во многих лабораториях нашлись энтузиасты, пожелавшие заставить стандарты частоты с оптической накачкой стать генераторами. Их не пугала обескураживающая работа Канторовича и Прохорова. Они четко сформулировали задачу. Создать стандарт частоты более удобный, простой и дешевый, чем другие, пусть за счет несколько меньшей точности.

Однако создание активной среды еще не достаточно для генерации. Необходимо, как мы знаем, достичь того, чтобы запас энергии в активной среде, способность атомов к усилению были достаточными для компенсации всех потерь энергии в системе, в том числе потерь в системе обратной связи.

Это требование в течение долгого времени стояло на пути всех исследований. Здесь возникало множество трудностей. Долго не удавалось создать достаточно мощного источника света накачки, дающего необходимо узкую спектральную линию. Источник не обеспечивал нужной стабильности излучения. После того, как эти трудности были преодолены, пришлось бороться с тем, что в рабочих колбочках было слишком мало атомов рубидия — наиболее подходящего для этой цели металла. Попытки увеличить их количество приводили к их более частым столкновениям, то есть к уширению спектральной линии, а это, в свою очередь, делало генерацию невозможной. Необходимость улучшить качество резонатора вступала в противоречие с тем, что внутрь него должен был проходить свет накачки.

Успех пришел к американскому ученому Давидовичу и его сотрудникам. Он пришел к тем, кто сумел взглянуть на задачу новыми глазами — от чего-то, ставшего, казалось, обязательным, отказаться, что-то добавить. Как тут не вспомнить великого Родена, который сказал, что камень превращается в скульптуру тогда, когда с него удалено все лишнее. Здесь излишней оказалась колбочка, стенки которой поглощали часть радиоволн. Ведь стенки этой колбочки, справедливо рассуждал Давидович, вносят в резонатор потери, делающие генерацию невозможной. Зачем же она тогда нужна? Но, отказавшись от колбочки, исследователи должны были изготовить резонатор из материала, не реагирующего с рубидием и имеющего малое электрическое сопротивление. Обычно применяемые для покрытия резонаторов серебро и золото поглощают рубидий, образуя с ним род амальгамы, и поэтому не подходят. Давидович не поленился и провел большую работу по изысканию новых веществ, он испытал кучу материалов. Удачным оказался резонатор из нержавеющей стали, покрытый изнутри слоем меди. Так Давидовичу и его коллегам удалось сконструировать очень хороший резонатор, имеющий весьма малые потери. Новшества не ограничились лишь отказом от колбочки. В приборе были применены другие усовершенствования. Одна из стенок резонатора была ажурной. Ведь она должна хорошо пропускать свет! Особенно остроумно была решена задача настройки резонатора и его изоляции от внешнего воздуха.

Настойчивость и изобретательность привели к успеху. При включении газоразрядной лампочки, освещавшей пары рубидия, находящиеся в резонаторе, в нем начали возбуждаться радиоволны. В отличие от молекулярного и водородного генераторов здесь не было пучков молекул или атомов. Здесь в чистом виде работала система возбуждения вспомогательным электромагнитным полем.

Новый генератор уже сейчас излучает примерно в тысячу раз большую энергию, чем водородный, и является самым монохроматическим генератором радиоволн. Это значит, что относительная ширина излучаемой им спектральной линии меньше, чем во всех существующих приборах. Рубидиевый генератор моложе своих квантовых коллег. Его возможности еще недостаточно изучены. Однако уже теперь ясно, что в некоторых областях техники он вытеснит своих старших братьев.

 

ОТ ЧАСОВ К КОМПАСУ

— Снимите, пожалуйста, часы, — сказал молодой человек и положил мои часики в ящик стола.

Идя за ним по залитой асфальтом дорожке, я вспоминала о таком же ритуале, свято выполняемом на горе Арагац, в Дубне и Новосибирске, — словом, всюду, где сильные магнитные поля применяются для исследования элементарных частиц.

В вестибюле магнитного павильона мой спутник весьма критически посмотрел на мои ноги.

— На шпильках нельзя, — проворчал он, — придется надеть тапочки.

Ни с чем подобным я еще не встречалась, но покорно сунула ноги в огромные шлепанцы.

— Готово, — бодро заявила я.

Но мой спутник не сдвинулся с места. На его лице я заметила недовольство, столь естественное для человека, которого оторвали от важного дела, и смущение, которое я отнесла за счет угрызений совести. Вдруг он отчеканил:

— А еще что-нибудь железное на вас есть? Тут, признаться, смутилась и я. Но, подумав, с облегчением сказала:

— Нет, только пластмасса.

И мы вошли. Однако огромного магнита, способного сорвать с ног туфли, я не увидела. В центре небольшого зала располагались лишь тонкие катушки, похожие на пересекающиеся гимнастические обручи, которые иногда называют хула-хуп. Внутри и вокруг них располагались приборы. Жгуты проводов исчезали в каком-то подобии шкафа.

Заметив дверь в противоположной стене, я уверенным шагом направилась к ней.

— Вы куда? — спросил мой спутник.

— К магниту, — ответила я.

— У нас здесь нет магнитов.

— Так куда вы меня привели?

— В магнитный павильон.

— ?

Впоследствии, знакомясь с работами молодых сотрудников Института земного магнетизма, я частенько вспоминала о первом визите в магнитный павильон, который, по-моему, следовало бы называть немагнитным. Ведь при его строительстве не применялись не только стальные балки, но не использован ни один железный гвоздь.

Дверные ручки, оконные шпингалеты, система отопления — словом, все в них изготовлено из немагнитных материалов.

Входя в эти павильоны, нужно вынимать из карманов ключи, снимать часы и даже ботинки, если подошва на них прибита железными гвоздями. Словом, на любой кусочек железа здесь наложен запрет более строгий, чем «табу» аборигенов Новой Зеландии.

При работе в магнитном павильоне возникают головоломные задачи, никогда не встречающиеся в других местах.

Например, как проверить и отградуировать прибор, предназначенный для измерения магнитных полей в космосе? Ведь эти поля в тысячи раз слабее магнитного поля Земли, поворачивающего стрелку компаса!

Представьте себе, что вы должны взвесить никель, которым покрыта штанга тяжеловеса. Можно, конечно, попытаться снять слой никеля, но, если он наложен добросовестно, это очень и очень трудно. Можно измерить толщину слоя и определить вес расчетным путем, но ведь слой может иметь неодинаковую толщину. Словом, измерить малую величину, объединенную с большей, всегда очень трудно.

Трудно измерять и малые магнитные поля, если земное поле превосходит их в десятки тысяч раз. В магнитном павильоне для этой цели применяются громадные катушки, по которым циркулирует электрический ток. Этот ток создает магнитное поле, которое выполняет задачу посложнее подвигов Геракла. Оно противопоставляет свою силу магнитной силе Земли. Подбирая его величину, можно с большой точностью скомпенсировать магнитное поле Земли в небольшом объеме внутри катушек. Чем больше компенсирующие катушки, тем больше и тот участок пространства, в котором магнитное поле практически равно нулю. Здесь магнитологи и проводят свои исследования.

Измерение слабых магнитных полей и небольших изменений магнитного поля Земли — дело не новое.

Миноискатель — прибор, спасший не одну человеческую жизнь, — один из таких приборов. Он обнаруживает мину, если в ней содержится стальная деталь весом всего в несколько граммов.

Но квантовая электроника открыла путь к созданию магнитометров нового типа, отличающихся еще большей точностью и чувствительностью. Особенно привлекательным была возможность надежной и удобной автоматизации измерения.

Магнитометр нового типа — близкий родственник квантового стандарта частоты с оптической накачкой. В нем работают пары того же рубидия, заключенные в небольшой колбочке. Их облучает маленькая лампочка, в которой тоже светятся пары рубидия. Но для измерения магнитных полей используются другие спектральные линии, а не те, что работают в стандартах частоты. Ведь для стандарта частоты главное — независимость от всех внешних воздействий. Не должно влиять на него и магнитное поле. (Спектральные линии, слабо реагирующие на магнитное поле, расположены, как мы знаем, в сантиметровом диапазоне радиоволн.)

Для магнитометра, напротив, нужны спектральные линии, частота которых сильно изменяется под влиянием магнитного поля. Такие линии соответствуют очень длинным радиоволнам. Поэтому колбочка магнитометра помещается не внутри объемного резонатора, а в катушке, напоминающей катушку радиоприемника.

Так же как в стандарте частоты, момент резонанса радиоволны и атомов рубидия определяется по увеличению поглощения света в парах рубидия. Но измерение частоты резонанса тут не самоцель. Ведь для наблюдаемых здесь спектральных линий частота резонанса однозначно связана с внешним магнитным полем. Примерно так же, как положение стрелки весов с весом груза. Можно сказать, что частота играет в магнитометре роль стрелки. Но показание весов зависит от того, как они установлены на столе, и может меняться в пределах нескольких процентов. Отсчет квантового магнитометра в десятки тысяч раз точнее. Это обеспечивается выдающимися свойствами примененной в нем «стрелки». Физики и радиоинженеры сделали измерение частоты наиболее точным из всех возможных измерительных процессов. И теперь стремятся любое измерение свести к измерению частоты. Для этого, конечно, необходимо найти точную и однозначную зависимость между измеряемой величиной и частотой, подобно связи, существующей между частотой и магнитным полем. Таким способом инженеры уже научились точно измерять толщину тонких слоев лака или хрома, влажность зерна или пряжи, напряжения, возникающие в стальных балках или в основаниях бетонных плотин. Все эти и многие другие величины связываются с частотой простыми закономерностями, преобразующими их изменения в изменения частоты.

Но вернемся к квантовому магнитометру. Исследования показали, что он действительно способен с огромной точностью измерить магнитное поле Земли и его изменения. Это открывает ему путь и в лаборатории геофизиков, изучающих свойства Земли, и в экспедиции разведчиков нефти, руд и других полезных ископаемых. Ему открыт путь в космос для исследования магнитных свойств Луны и планет, для изучения магнитных полей, связанных с потоками заряженных частиц, выбрасываемых Солнцем.

На этом могла бы окончиться главка, посвященная вторжению квантовой электроники в мирное царство геофизики. Могла бы… Но мы не узнали бы самого интересного. В целях удобства, надежности и простоты измерений ученые хотели превратить пассивный прибор, получающий высокочастотную энергию от внешнего источника, в активный квантовый генератор, частота которого строго определяется окружающим магнитным полем. Однако расчеты показали, что, даже создав инверсию энергетических уровней атомов рубидия, служащих для измерения магнитного поля, не удастся преодолеть всех потерь энергии, неизбежных при работе на низких частотах.

Это все же не остановило ученых. Они решили задачу совсем не так, как это сделано в квантовых генераторах стандартов частоты. В этих генераторах атомы и молекулы служат не только в качестве резонансных элементов, определяющих частоту колебаний, но и в роли поставщиков энергии, необходимой для генерации. Лишь третье звено генератора — система обратной связи осуществляется при помощи внешнего объемного резонатора. Это возможно потому, что потери энергии в объемном резонаторе могут быть сделаны очень малыми. При этом относительно большая энергия квантов электромагнитного поля сверхвысокой частоты, на которой работают эти стандарты, достаточна для преодоления неизбежных потерь и для обеспечения генерации.

Энергия квантов низкочастотного поля, которое используется в магнитометрах, в сотни тысяч раз меньше, чем в случае поля сверхвысокой частоты (применяемого в стандартах частоты), а потери энергии в катушках и конденсаторах в сотни раз больше, чем в объемных резонаторах. Поэтому добиться генерации за счет энергии, излучаемой атомами на низкой частоте, невозможно. Кажется, что столь привлекательная идея создания генерирующего квантового магнитометра попала в тупик. Атомы явно не справлялись с поставленной перед ними задачей. Учитывая это, надо было помочь им и вводить недостающую энергию в прибор извне при помощи специального усилителя, работающего на полупроводниковых триодах. Атомы рубидия, находящиеся в колбочке магнитометра, теперь должны были играть не только роль резонансного контура, определяющего частоту колебаний, но одновременно через них должна осуществляться обратная связь между выходными клеммами усилителя и его входом. Таким образом, в новом приборе обратная связь происходит только на частоте, определяемой величиной измеряемого магнитного поля, действующего на атомы рубидия. Поэтому частота генерации в нем однозначно связана с величиной магнитного поля и для измерения магнитного поля достаточно измерить частоту.

Генерирующие магнитометры такого типа разработаны во многих странах. В Советском Союзе эту работу выполнили два недавно окончивших институт физика Е. И. Дашевская и А. Н. Козлов. Козлов занимался главным образом радиотехнической частью прибора, Дашевская проводила физические исследования. (Теперь они уже кандидаты наук.) Моряки любят рассказывать о трагедиях, вызванных ошибкой компаса, вблизи которого случайно оказался кусок железа. Магнитометр — это своего рода сверхчувствительный компас. Можно представить себе, как он реагировал бы в подобных случаях! Исследовать и налаживать такой прибор в обычных условиях невозможно. Поэтому решающую часть своей работы Дашевская и Козлов проводили в «немагнитном» магнитном павильоне, в условиях, при которых век нейлона переплетается с бронзовым веком.

Для создания генерирующего магнитометра Козлову пришлось создать специальные усилители. Они должны были усиливать сигнал, поступавший к их входу, но ни в коей мере не влиять ни на какие другие его свойства. Только при этом частота колебаний, возникающих в магнитометре, будет определяться величиной магнитного поля, действующего на атомы рубидия.

Бесконечными часами в тиши магнитного павильона молодые ученые испытывали прибор при всех значениях магнитного поля, для измерения которого он предназначался. И их труды увенчались успехом. Но это было лишь началом.

Теперь Козлов должен был создать схему, которая, измеряя частоту, генерируемую прибором, выдавала результат измерения прямо в единицах магнитного поля. Он добился и того, что этот результат получался в форме наиболее удобной для передачи по радио, и снова начались тщательные исследования, усовершенствования и проверки.

А наряду с этим приходилось решать и сложные физические проблемы. И в нашей стране и за рубежом велись исследования тонких особенностей спектральных линий, применяемых для измерения магнитного поля. Ученые обнаружили, что форма этих линий изменяется в зависимости от направления света накачки относительно магнитного поля. При повороте прибора спектральная линия теряет симметричный вид, перекашиваясь в ту или другую сторону. Внимательное теоретическое исследование и кропотливые опыты показали, что это не дефект прибора. Формулы говорили, что в атомах рубидия существует несколько очень близких энергетических уровней. Каждый из них порождает самостоятельную спектральную линию, но они так близки, что прибор не способен разделить их и изображает в виде одной немного расширенной линии. Но в действительности их несколько, хотя они и замаскированы. Как выяснилось, эффективность взаимодействия света с каждой из них зависит от направления лучей света относительно магнитного поля. В результате простой поворот прибора приводил к тому, что относительная величина отдельных неразличимых спектральных линий изменялась. При этом деформировался и контур, охватывающий эти линии-невидимки, смещалась его вершина. Так при движении пальцев меняется форма рукавицы. Но так как отсчет частоты производится по общему контуру линии, то при поворотах прибора его показания оказывались немного различными. Конечно, ошибка не очень велика, но при измерениях самых слабых магнитных полей она недопустима. В лабораторных условиях можно было бы избежать этой ошибки, произведя два отсчета при противоположных направлениях прибора и усредняя оба отсчета. Но во многих случаях это неудобно, а иногда и невыполнимо — как с этим справиться при автоматических измерениях в космосе?

Об этих тонкостях можно было бы не упоминать, если бы они были лишь придиркой взыскательных исследований. Но именно такая трудность и возникнет в самых реальных условиях и в самом близком будущем при исследовании магнитных полей Луны, Марса и Венеры. Ведь уже известно, что они очень малы. А Луна, возможно, совсем не имеет магнитного поля. И это надо проверить!

Американские ученые избрали простейший путь. Они, по существу, объединили два прибора в одном. Для этого им пришлось поставить с обеих сторон газосветной лампы две одинаковые колбочки с парами рубидия, два фотоприемника, два усилителя и заставить радиосхему автоматически выдавать усредненное значение величины магнитного поля, фиксируемого в каждой половине прибора. Задача была решена, но вес прибора, его размеры и потребляемая им энергия стали больше. Это было слишком грубое решение задачи.

Лена и Александр рискнули пойти другим путем. Они установили, что основную роль в искажении результирующей формы спектральной линии играют столкновения атомов рубидия с инертным газом, вводимым в колбочку магнитометра так же, как в колбочку стандартов частоты с оптической накачкой. Оказывается, именно эти столкновения приводят к различию во взаимодействии света с отдельными спектральными линиями, совокупное действие которых дает сигнал измерения магнитного поля.

В стандартах частоты используется только спектральная линия, не зависящая от магнитного поля. Те линии, которые от него зависят, сдвигаются в стороны вспомогательным магнитным полем и не участвуют в работе. Поэтому в стандартах частоты инертный газ не искажает формы рабочей линии. Здесь же искажения формы были неизбежны.

Выход был один. Нужно убрать из колбы инертный газ. Вредным на этот раз оказалось как раз то, что недавно было необходимым!

Получалось вроде сказки про белого бычка. То инертный газ напускался специально, и это был шаг вперед. Теперь это оказалось тормозом. Но ведь опыт работы со стандартами частоты показал, что обойтись без инертного газа в рабочей колбе нельзя. В колбочках разумных размеров это привело бы к сильному расширению спектральной линии рубидия из-за эффекта Допплера и к потере стабильности частоты. Может быть, поэтому никто не решался на такой шаг и при разработке магнитометра.

Попав в безвыходное положение, ученый должен найти в себе смелость отбросить давящий груз авторитетов. По-новому взглянуть на драгоценный, но инертный капитал чужого и собственного опыта. И молодой оптимизм победил. Дашевская обратила внимание на то, что колбочка рубидиевого стандарта частоты облучается радиоволнами длиной около 5 сантиметров, а длины волн, соответствующие рабочему диапазону магнитометра, — это сотни и тысячи метров. Именно это огромное различие следует использовать. Ведь колбочка магнитометра несравненно меньше этих длинных волн. Поэтому, даже летая по всей колбочке, атом рубидия остается практически в одном и том же участке действующей на него радиоволны. В этом случае эффект Допплера исчезает так же, как он исчезает в сантиметровом диапазоне, когда атом рубидия мечется почти на месте, стиснутый со всех сторон миллионами атомов инертного газа.

Если это так, а здесь не могло быть ошибки, то для магнитометра инертный газ вовсе не обязателен. Значит, нужно испытать колбочки, не содержащие никакого инертного газа!

Конечно, для того чтобы реализовать эту идею, нужно покрыть стенки колбочки парафином, чтобы и соударения со стенками не уширяли спектральных линий. Дашевская сделала такое покрытие и убедилась, что теория верна теперь. Ее прибор с одной колбочкой, одним фотоприемником и усилителем дает совершенно симметричную спектральную линию и измеряет самые слабые магнитные поля так же точно, как вдвое более сложные приборы в остальных странах.

Гоняться за двумя зайцами — в большинстве случаев бесплодная затея. Но иногда, к сожалению очень редко, они сами лезут в руки. На этот раз повезло Дашевской. Природа выдала ей премию. Возможно, она решила поощрить в лице этой маленькой женщины наш слабый пол. Ведь женщины еще не добились равноправия в среде физиков. Впрочем, лирика тоже еще не вошла в перечень областей, прочно освоенных женщинами.

Изгнав из колбочки своего магнитометра инертный газ, Дашевская смогла выбросить из прибора и специальный фильтр, который до того приходилось помещать между колбочкой и спектральной лампой. Фильтр должен был отсекать часть света лампы, потому что в присутствии инертного газа эта часть света препятствовала процессу оптической накачки. Теперь газа не было и эта часть света оказалась безвредной. Фильтр стал ненужным.

Но раз начав, трудно остановиться. Решив поощрить Дашевскую, природа подарила ей еще маленького «зайчонка». Нет, это была не денежная экономия, хотя фильтр, о котором мы говорим, не очень дешев. И физикам и их магнитометру гораздо полезнее было то, что, выбросив фильтр, который поглощал и часть полезного света, она повысила эффективность прибора.

Советские ученые сделали еще одно усовершенствование, упростившее работу с магнитометром. Дело в том, что его показания немного зависят от температуры. Изменения температуры влияют на давление паров рубидия внутри колбочки, а это, в свою очередь, воздействует на спектральные линии. Поэтому для получения предельных точностей прибор приходится термостатировать, то есть помещать колбочку в камеру с автоматически регулируемой температурой. А эта камера, к сожалению, увеличивает размеры и вес магнитометра тем больше, чем точнее должно поддерживаться постоянство температуры.

Для того чтобы облегчить условия термостатирования, молодые физики решили поместить в колбочку магнитометра смесь рубидия и цезия. При этом образуется как бы раствор одного металла в другом, а давление паров над таким раствором зависит от температуры много слабее, чем давление паров чистого металла. Разумеется, о таком поведении паров над растворами было известно и раньше. Но как редок, как ценен творческий шаг от пассивного знания к практическому применению!

Конечно, не легко взглянуть на факты, десятилетиями переходящие из учебника в учебник, не как на окаменелость. Еще труднее решиться изменить в них хоть небольшую деталь. А там пойдет. Дальше побеждают настойчивость и трудолюбие.

Только что мы видели, как инертный газ, бывший долгое время совершенно необходимым, оказался вредным. Теперь выяснилось, что вместо тщательнейшей очистки рубидия к нему нужно что-то подмешать.

Правда, нечто подобное уже встречалось на пути ученых, создающих полупроводниковые приборы. Они сперва очищают свои материалы так, что на миллион, а то и на миллиард атомов не приходится и одного атома примеси, а потом добавляют в эту стерильную среду специально подобранные и строго дозированные присадки.

Здесь, к счастью, все было гораздо грубее. И первоначальная очистка не столь совершенна, и присадки можно было отвешивать на весах. Пришлось лишь провести сотни опытов, подбирая наиболее удачные компоненты. А когда работа позади, она уже не кажется такой трудной.

Итак, еще одна из ветвей радиоспектроскопии принесла щедрые плоды в виде малогабаритных квантовых стандартов частоты и сверхточных измерителей магнитного поля.

Но и это не последняя ветвь щедрого дерева.

 

ТРИ УРОВНЯ

Мы так увлеклись погоней за точностью и стабильностью генераторов, что чуть не забыли о мазерах. Нечто похожее случилось и с физиками.

Квантовые генераторы в первое время применялись только в качестве источников сверхстабильных колебаний. Но ведь еще в первых работах Басова и Прохорова, так же как и в первой статье Таунса и его сотрудников, указывалось, что их прибор может работать не только как генератор, но и как усилитель. Даже название «мазер», которое дал Таунс своему прибору, говорило об усилении, а не о генерации электромагнитных волн. Мазер есть акроним — сокращение — английской фразы. Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, означающей усиление (а не генерацию) микроволн при помощи вынужденного испускания.

Уже из первых работ создателей молекулярного генератора было ясно, что особенности нового прибора, обеспечивающие выдающуюся стабильность его частоты, неизбежно ограничивают его применение в качестве усилителя. Усилитель на пучке молекул аммиака должен быть чрезвычайно узкополосным. Частота, на которой он может усиливать, способна изменяться только в весьма узких пределах. Такой усилитель не может найти широкого применения и действительно никогда не применялся.

Стабильность молекулярного генератора и узость его полосы усиления обусловлены тем, что работающие в нем молекулы аммиака пролетают сквозь резонатор в условиях строгой изоляции. Они связаны одна с другой и с внешним миром только через электромагнитное поле. В таком состоянии спектральная линия молекул должна была быть не шире миллионной доли герца. Практически она оказывается примерно в миллиард раз шире, так как молекулы пролетают через резонатор приблизительно за одну трехтысячную долю секунды, а за это время определить их резонансную частоту точнее невозможно.

Неудовлетворительные свойства усилителя на пучке молекул аммиака и выдающиеся качества молекулярного генератора на несколько лет определили дальнейшее развитие квантовой электроники. Все занялись совершенствованием квантовых стандартов частоты. О возможности квантового усиления забыли.

Лишь в 1956 году профессор Николас Блумберхен заново обсудил возможность применения квантовых систем для усиления электромагнитных волн. Блумберхен один из тех ученых, выходцев из Европы, которые в существенной мере обеспечили быстрый прогресс американской науки и дали журналистам право говорить об «импорте мозгов» в США. Блумберхен принадлежит к среднему поколению современных физиков. Он родился в Голландии в 1920 году, окончил университет во время войны, защитил докторскую диссертацию и в возрасте около 30 лет пересек океан в поисках более широкого применения своих способностей. Он теоретик, его работы привлекают четким и рациональным подходом к задаче, конкретными указаниями возможных экспериментальных следствий и практического использования.

Для применения в диапазоне сверхвысоких частот, пишет он, необходимы очень широкополосные усилители. Это, впрочем, было ясно всем имевшим дело с радиолокацией или радиоастрономией. Даже телевидение, особенно цветное, может быть передано только по широкополосным каналам связи.

Для создания широкополосного усилителя необходима квантовые системы, обладающие очень широкими спектральными линиями. Это значит, что пучки невзаимодействующих молекул или атомов здесь непригодны.

Опять, как видите, ничего абсолютного нет! Что годилось для одной цели, непригодно для другой. Но отказ от ранее найденного решения не есть шаг назад. Борьба за чистоту спектральной линии в генераторе перешла на этот раз в борьбу за ее уширение. А широкие спектральные линии возникают в результате сильного взаимодействия микрочастиц. Такие взаимодействия существуют в плотных средах — в жидкостях и твердых телах.

Блумберхен, перебрав различные возможности, предложил использовать для усиления радиоволн спектральные линии парамагнитных ионов, вводимых в качестве примесей в подходящие кристаллы.

Парамагнитные ионы, эти миниатюрные магнитики, входящие в состав многих твердых тел и жидкостей, давно были в поле зрения ученых. Но особенно широкое и успешное исследование таких ионов стало возможным после того, как удалось обнаружить явление электронного парамагнитного резонанса.

Электронный парамагнитный резонанс был открыт и изучен Евгением Константиновичем Завойским, ныне академиком, в его докторской диссертации, защищенной в 1944 году в Физическом институте АН СССР, который в это военное время работал в Казани. Хотя существование электронного парамагнитного резонанса еще в 1936 году было предсказано Гортером и Кронингом на основе теоретических соображений, обнаружить его было нелегко. Дело в том, что магнитные свойства парамагнитных ионов зависят не только от природы самого иона, но и от электрических полей, действующих внутри кристалла и внешнего магнитного поля, в котором находится кристалл. Поэтому один и тот же ион в разных условиях может обладать совершенно различными свойствами, и в довоенные годы их еще нельзя было заранее предсказать.

Хотя из теории ученые знали, что парамагнитные кристаллы должны обладать резонансным поглощением, то есть должны поглощать энергию электромагнитной волны подходящей частотой, это долго не удавалось наблюдать. Трудность заключалась не только в том, что это поглощение легче наблюдать на сверхвысоких частотах, но и в том, что линии парамагнитного резонанса очень широки (это и привлекло к ним впоследствии Блумберхена), так широки, что, перестраивая любые генераторы радиоволн от края до края шкалы, никому не удавалось даже заметить линию парамагнитного резонанса. Здесь-то и проявилось остроумие Завойского. Не то ценимое многими остроумие, вызывающее улыбку на лице собеседника, а столь редкое высшее проявление возможностей человеческого интеллекта, которое движет научный прогресс. Завойский рассуждал так. Частота парамагнитного резонанса зависит от величины магнитного поля. Мы хотим просмотреть очень широкую спектральную линию, а диапазон перестройки генераторов радиоволн слишком узок. Как поступить? Да так, как вы поступите перед осколком зеркала на стене вагона. Подвинуть его нельзя, так подвигайтесь сами, и вы увидите все, что вам нужно. Короче, если нельзя перестраивать генератор, нужно изменять магнитное поле. При этом спектральная линия будет смещаться, проходя перед генератором различными своими частями.

Одним словом, Завойский поместил исследуемый кристалл в поле генератора радиоволн и расположил свой прибор между полюсами большого электромагнита. Изменяя ток в его обмотках, Завойский обнаружил, что при вполне определенной величине тока поглощение радиоволн сильно увеличивается. Это был парамагнитный резонанс.

После открытия Завойского парамагнитный резонанс стал одним из наиболее удобных и точных методов изучения свойств твердых тел и жидкостей. Он наблюдается и в некоторых газах. При таких наблюдениях все и по сей день используют метод Завойского. Частота генератора, дающего радиоволны, необходимые для исследования, остается постоянной, а резонансная частота исследуемого вещества изменяется при помощи регулировки силы тока, питающей электромагнит.

Это отступление в область истории, несомненно, вызвало законный вопрос. Все известные до тех пор квантовые приборы работали на газах или на пучках частиц. Конечно, подобрать подходящие широкие спектральные линии было необходимо. Но этого далеко не достаточно. Как же Блумберхен предлагал приводить кристаллы в активное состояние? Ведь без этого усиление невозможно, а в твердом теле нельзя отделить частицы, находящиеся на верхних энергетических уровнях, от частиц на нижних уровнях! Действительно, никакой метод сортировки здесь неприменим.

Правда, при исследованиях парамагнитного резонанса ядер, а впоследствии и электронного парамагнитного резонанса ученые добивались на короткое время инвертирования, переворачивания населенности энергетических уровней. Первыми, как мы уже знаем, это сделали Пэрсел и Паунд. Они проявили удивительную сноровку, намагничивая кристалл фтористого лития в сильном магнитном поле, а потом быстро перенося его в магнитное поле противоположного направления. Так они перехитрили неповоротливые частицы — парамагнитные ядра фтора и лития, слабо связанные с внешними электронными оболочками, объединяющими атомы в кристалл. При перенесении кристалла в поле противоположного направления ядра не успевают быстро повернуться вслед за полем, и нижние энергетические уровни на некоторое время становятся верхними и наоборот. Значит, если вначале кристалл был в тепловом равновесии, то есть нижний уровень был заселен сильнее верхнего, то при переносе в поле противоположного направления более населенным окажется верхний уровень. И ионам ничего не оставалось, как для возвращения в равновесие высветить неожиданно оказавшийся у них избыток энергии!

Пэрсел и Паунд действительно получали при такой процедуре кратковременное индуцированное излучение, сопровождающее возвращение кристалла в равновесное состояние. Их знаменитый эксперимент, произведенный в 1951 году, теперь можно без преувеличения считать одним из предвестников квантовой электроники.

Впоследствии были разработаны и другие методы, позволяющие на время получить инверсию населенностей в парамагнитных кристаллах. Они могут быть применены при разработке усилителей, работающих в импульсном режиме. Но Блумберхена это не устраивало, он хотел, чтобы его усилитель, как и обычные усилители с электронными лампами, работал непрерывно и так долго, как это понадобится. Он хотел добиться создания устойчивого, постоянно действующего прибора, а не сенсационного успеха.

Глубокие раздумья и теоретические оценки показали ему, что, оставаясь в пределах двух энергетических уровней и не вводя движущихся частей, эту задачу решить невозможно. Но, к счастью, реальные квантовые системы имеют много различных энергетических уровней. Блумберхен решил привлечь на помощь третий уровень. Его идея теперь кажется очень простой. Выберем третий уровень, отстоящий от двух интересующих нас «рабочих» уровней много дальше, чем они отстоят друг от друга. Безразлично, будет ли он сверху или снизу от них. Представим себе, что третий расположен сверху, и для простоты будем считать, что других посторонних энергетических уровней нет.

Тогда в состоянии термодинамического равновесия большинство частиц будут находиться на двух нижних уровнях, причем на самом нижнем их будет немного больше, чем на втором, расположенном слегка выше. На третьем — самом верхнем — уровне, которому Блумберхен подготовил особую роль, будет меньше всего частиц. Идея Блумберхена состояла в том, чтобы при помощи сильного вспомогательного электромагнитного поля, частота которого соответствует резонансу между самым нижним и самым верхним уровнем, заставить частицы совершать переходы между этими уровнями, перепрыгивать с самого низа на самый верх до тех пор, пока населенность этих уровней не станет одинаковой. Расчет показал, что для этого с нижнего уровня на верхний должно быть переброшено так много частиц, что на нижнем уровне их окажется меньше, чем на втором, расположенном близко над ним уровне. Это и было целью Блумберхена. Он хотел добиться того, чтобы частиц на втором уровне стало больше, чем на нижнем. Таким образом между двумя нижними уровнями будет достигнута инверсия населенностей. В квантовых генераторах с пучками молекул аммиака или атомов водорода это достигается сортировкой этих пучков при помощи постоянного электрического или магнитного поля. В результате такого воздействия вспомогательной радиоволны вещество станет активным по отношению к переходам между нижними энергетическими уровнями. Оно сможет усиливать электромагнитные волны, частота которых настроена в резонанс по отношению к переходам между этими двумя уровнями.

В статье, в которой Блумберхен предложил создать квантовый парамагнитный усилитель и обосновал возможность получения инверсии при помощи вспомогательного электромагнитного поля и системы трех уровней, он называет в качестве своих идейных предшественников Паунда и Оверхаузера, применявших аналогичную методику для увеличения чувствительности радиоспектроскопов. Но Блумберхен, повидимому, не знал, что годом раньше, в 1954 году, вышла короткая заметка Басова и Прохорова, в которой они предложили применять метод вспомогательного электромагнитного излучения и трех уровней специально для получения активного вещества в квантовых генераторах и усилителях.

Блумберхен не ограничился простым предложением метода. Он провел дополнительные расчеты, которые показали, что этот метод в диапазоне сверхвысоких частот в обычных условиях практически неприменим. Дело в том, что энергетические уровни, переходы между которыми соответствуют квантам электромагнитного поля этого диапазона частот, расположены слишком близко между собой. Это значит, что населенности их различаются очень и очень слабо и получаемая здесь инверсия будет крайне малой, совершенно недостаточной для работы усилителя. Этот вывод мог бы обескуражить любого. Но Блумберхен был опытным физиком и сумел найти в своих формулах путь к достижению цели.

Формулы показывали, что для создания усилителя придется вести работу при сверхнизких температурах в непосредственной близости абсолютного нуля. Блумберхен говорит о температуре в 2 градуса выше абсолютного нуля, указывая, что при этой температуре жидкий гелий становится сверхтекучим и поэтому в нем не образуются пузырьки, которые могли бы помешать работе усилителя (вот до каких деталей продумана эта статья!). Охлаждать рабочее вещество нужно было и для того, чтобы спектральные линии в рекомендуемых Блумберхеном кристаллах не были чрезмерно широкими.

В заключение своей замечательной работы Блумберхен предсказывает, что усилитель, построенный в соответствии с его расчетами, будет чрезвычайно чувствительным. Из возможных применений нового усилителя Блумберхен указывает радиоастрономию, в частности, наблюдение излучения межзвездного водорода на волне 21 сантиметр.

Прошел всего год, и парамагнитный усилитель, предложенный Блумберхеном, был сделан Сковилом и его сотрудниками. Они применили кристалл этил-сульфата лантана, содержащий 0,5 процента гадолиния, принадлежащего к группе редкоземельных элементов. Этот кристалл помещался внутри специального резонатора, резонировавшего одновременно и на рабочую и на вспомогательную частоты. Это был новый триумф квантовой электроники.

Впрочем, это был не только первый, но и последний квантовый парамагнитный усилитель, построенный на этилсульфате лантана с гадолинием.

Блумберхен, по-видимому, избрал этилсульфат потому, что он уже был хорошо изучен. Но этилсульфат лантана с гадолинием оказался гигроскопичным, плохо выдерживал охлаждение. Он потребовал еще дополнительных усовершенствований и так и не нашел практического применения.

Эстафета снова перебросилась через океан. В Москве, отрывая время от усовершенствования молекулярного генератора, Прохоров и его аспирант А. А. Маненков усиленно изучали парамагнитный резонанс в рубине. Маненков прибыл в ФИАН из Казани, где сложилась большая группа физиков, активно, исследовавших теорию и экспериментальные особенности «Казанского эффекта», как некоторые в шутку называют парамагнитный резонанс, открытый в Казани Е. К. Завойским.

Рубин издревле славится как драгоценный камень. Физики уже знали, что он представляет собой разновидность корунда — бесцветной окиси алюминия, — окрашенного в красный цвет вследствие примеси небольшого количества ионов хрома.

Прохоров решил исследовать рубин потому, что он химически устойчив, по твердости уступает только алмазу и обладает большой теплопроводностью. Трудно поверить, но при температуре жидкого гелия он проводит тепло лучше, чем медь. А это очень важно при работе в условиях низких температур.

В 1955 году основные исследования рубина были опубликованы. Он оказался идеальным материалом для парамагнитных усилителей радиодиапазона. Это было то, чего не хватало ученым, заинтересовавшимся статьей Блумберхена.

В последующие годы одно за другим публикуются сообщения из различных лабораторий о создании и исследовании квантовых парамагнитных усилителей. Большинство из них работает на рубине. В некоторых лабораториях испытывают и другие кристаллы, но по различным причинам дальше опытов дело не идет. Одни кристаллы слишком хрупки, в другие невозможно ввести нужное количество парамагнитных ионов, третьи гигроскопичны.

 

МЕНЬШЕ ШУМА!

В следующую главу мы не можем войти без рубина. Это замечательный волшебный камень, в сердце которого, как оказалось, дремлет красное солнце. Но даже до того, как физики раскрыли его главный секрет, рубин высоко ценился в технике. Его значение и до создания квантовых парамагнитных усилителей выходило далеко за пределы интересов модниц и ювелиров.

Еще в середине прошлого века ученые разработали метод получения искусственных рубинов. Это позволило широко применить рубин в приборостроении. Каждый знает, что качество часов во многом зависит от того, сколько в них «камней». «Камнями» часовщики называют изготовленные из рубина миниатюрные подшипники, в которых вращаются оси часового механизма, и маленькие зубчики на качающейся вилке часового хода. В хороших современных часах иногда более двух десятков таких камней. Подшипники из рубина применяются и в различных электроизмерительных приборах, в компасах, сейсмографах и других точных приборах.

Сейчас приборостроительная промышленность ежегодно расходует тонны искусственных рубинов. Они изготавливаются весьма прозаично: на заводах в специальных печах Вернейля. В этих печах внутри керамического теплозащитного цилиндра бушует пламя кислородо-водородных горелок. Сверху в пламя непрерывно сыплется размолотая до состояния тончайшей пудры окись алюминия, в которую добавлено небольшое количество окиси хрома. Пылинки пудры плавятся на лету и в виде мельчайших капелек падают на затравку — маленький кристаллик рубина, расположенный в нижней части пламени на специальном держателе. В то время как на затравке оседает слой жидкой окиси алюминия, держатель, медленно вращаясь вокруг оси, постепенно опускается вниз.

Спускаясь в более холодную часть печи, окись алюминия затвердевает, сливаясь с кристаллом-затравкой в единое целое. Постепенно вырастает большой прозрачный камень, похожий на застывшую каплю замерзших красных чернил.

Цвет искусственного рубина можно регулировать так же плавно, как, скажем, накал электрической лампочки или тон краски на картине художника. Нужно лишь менять содержание хрома в рубине! Для ювелирных целей и для технических применений обычно в кристалл вводится несколько процентов хрома. Но исследования Прохорова и других физиков показали, что для квантовых усилителей это не подходит. Для них необходим бледнорозовый рубин, содержащий лишь сотые доли процента хрома.

Правда, в некоторых случаях берется немного более высокая концентрация. Американский ученый Т. Мейман обнаружил, что, доведя концентрацию хрома до десятых долей процента, при которой обычные квантовые усилители уже не работают, можно создать усилитель, действующий при температуре жидкого азота, то есть при 77 градусах выше абсолютного нуля. Эффект усиления был им получен даже при температуре сухого льда (твердой углекислоты), а это 195 градусов выше абсолютного нуля. К сожалению, эти весьма интересные опыты не нашли еще практического применения. Хотя работать с жидким азотом, а тем более с сухим льдом много удобнее и дешевле, чем с жидким гелием, усилители, способные действовать при этих температурах, недостаточно хороши и пока не могут конкурировать с другими типами малошумящих усилителей.

Новым приборам было нелегко пробивать себе дорогу в жизнь. Они встречали жестокую конкуренцию со стороны других усилителей и должны были доказать свое преимущество. А преимущество было действительно бесценное.

О внутренних шумах радиоприемников знает каждый внимательный радиослушатель, каждый наблюдательный телезритель. Даже в тихой лесной избушке, удаленной от городов с их заводами, троллейбусами, неоновыми рекламами и рентгеновскими трубками, создающими помехи радиоприему, даже при питании от батарей, даже зимой, когда от ближайших гроз нас отделяют тысячи километров, мы слышим слабый шум и видим на экране телевизоров легкую рябь. Особенно мешает это при приеме дальних радиостанций. Эти шумы и помехи возникают внутри радиоприемников, главным образом в электронных лампах.

В борьбе за чувствительность радиоприемников ученые достигли очень больших результатов. Они близко подошли к пределу — идеальному приемнику, не вносящему в передачу своих собственных шумов. Правда, идеал есть идеал, он, как горизонт, удаляется по мере того, как к нему приближаются. Идеального приемника нет и никогда не будет. Но приблизиться к идеалу не только мечта, но и практическая задача ученых и инженеров.

Лучшие электронные лампы и специальные полупроводниковые параметрические усилители, работающие в диапазоне сантиметровых волн, имеют очень малые шумы. Ученые оценивают их сотнями градусов. Не удивляйтесь, для расчетов оказывается более удобным оценивать шумы в градусах, а не в электрических или акустических единицах. В тех же градусах, которыми мы измеряем температуру. Так, идеальный приемник не шумел бы вовсе и его условная шумовая температура была бы равна нулю градусов. Отдельные образцы современных приемников имеют шумовую температуру вблизи ста градусов. Но и это слишком много для радиоастрономов, которым необходимо принимать очень слабые сигналы. Они бы просто утонули в собственных шумах приемной аппаратуры. Квантовые парамагнитные усилители смогли скачком улучшить чувствительность приемников. Они имеют шумовую температуру, измеряемую лишь десятками градусов, причем большая часть шумов возникает даже не в самом усилителе, а в антенне и волноводах, соединяющих антенну с усилителем. Почти что идеал! Не дотягивают буквально на десятку.

Только такое большое увеличение чувствительности смогло обеспечить квантовым парамагнитным усилителям путевку в жизнь, несмотря на то, что их применение много сложнее, чем работа с электронными лампами или полупроводниковыми усилителями.

Особенно усложняет дело необходимость применения жидкого гелия. Гелий ведь сравнительно редкий газ. Он образуется при радиоактивном распаде природных радиоактивных элементов, и так как гелий легче воздуха, то, попав в атмосферу, он быстро поднимается вверх и в приземном слое воздуха его так мало, что добывать гелий из воздуха все равно, что переливать из пустого в порожнее.

Сейчас основным источником гелия служат природные горючие газы, в которых содержится сравнительно большой процент гелия. Имеется гелий и в источниках радиоактивных вод, в нефти и некоторых минералах. Так что промышленная добыча гелия сейчас с избытком покрывает потребность. Но получить газообразный гелий еще далеко не все. Гелий имеет упрямый характер — он наиболее трудно конденсируемый из всех известных веществ. Долго считалось, что он ни при каких условиях не превращается в жидкость. Он покорился лишь в начале нашего века. Для его сжижения необходимы специальные машины. Хранить жидкий гелий можно только в сосудах, напоминающих большие термосы.

Но ученые вынуждены идти на преодоление всех этих трудностей, лишь бы получить сверхчувствительные малошумящие приемники сверхвысоких частот! Сейчас на повестке дня стоит внедрение специальных гелиевых холодильников. Эти холодильники основаны на тех же принципах, которые используются в большинстве бытовых и промышленных холодильников, только вместе применяемого в них фреона — синтезируемого химиками легко сжижающегося газа — в этих холодильниках циркулирует гелий. Небольшой компрессор сжимает гелий так же, как это происходит в обычных холодильниках. Расширяясь в специальных устройствах, сжатый газ сильно охлаждается и, охладившись, превращается в жидкость.

Малогабаритные гелиевые холодильники не только обеспечат широкое применение квантовых парамагнитных усилителей, но и найдут применение во многих других областях науки и техники.

Но квантовые парамагнитные усилители должны были конкурировать с другими усилителями не только по «малошумности», но и по ширине полосы частот усиливаемых сигналов Усилители резонаторного типа, созданные различными советскими и зарубежными исследователями, были сравнительно узкополосными. Впрочем, ученым, работающим в области квантовой электроники, было ясно, что применение резонаторов вовсе не обязательно. Достаточно создать среду с инверсной населенностью — активную среду, и электромагнитная волна при прохождении по такой среде будет не ослабевать, а нарастать. Она будет не поглощаться, а усиливаться.

Однако простые расчеты показали, что даже в лучших парамагнитных кристаллах такое усиление мало. Для заметного усиления волна должна пробегать по активному веществу многие десятки, а то и сотни метров. Создавать такие громоздкие системы, которые нужно к тому же охлаждать жидким гелием, казалось неразумным.

Резонатор решал эту задачу много проще. Ведь волна, сотни и тысячи раз пробегая между стенками резонатора и каждый раз взаимодействуя с активным парамагнитным кристаллом, получала необходимое усиление в малом объеме. Однако резонатор не обеспечивал необходимой широкополосности. Возникал своего рода порочный круг.

Выход из этого нашли Р. де Грасс, Е. Шульц-Дюбуа и известный уже нам Р. Сковил. Они поняли, что активное вещество могло бы усиливать электромагнитную волну значительно сильнее, если бы эта волна бежала в веществе гораздо медленнее, чем это происходит в обычных волноводах. Это была ключевая идея. Подобно Аладдиновой лампе, она открыла перед исследователями путь к цели.

Эта мысль кажется довольно подозрительной. Ведь все электромагнитные волны распространяются со скоростью света. Но здесь отнюдь не возникало конфликта с законами природы. Скорость электромагнитных волн постоянна и неизменна только в пустом пространстве. Внутри вещества и вблизи его границы скорость электромагнитных волн зависит и от свойств вещества и от формы его поверхности и легко может быть изменена. Необходимые методы были уже разработаны при создании электронных ламп с поэтичным названием: ламп с бегущей волной. При этом уже были созданы различные системы, замедляющие электромагнитные волны. Для квантовых парамагнитных усилителей наиболее удобными из них оказались волноводы, вдоль одной из стенок которых торчали штыри или в середине которых помещалась проволочка, изогнутая в виде змейки. Эти простые приспособления не позволяли электромагнитной волне бежать прямо вдоль волновода. Волна вынуждена следовать вдоль изгибов змейки или обегать каждый штырь от подножия к вершине и обратно. В результате ее продвижение вдоль волновода сильно замедляется, чего и хотели достичь ученые. Они расположили вдоль волновода рядом с основанием штырей или рядом со змейкой кристаллы этилсульфата лантана с примесью гадолиния, улучшенные добавлением церия, и убедились в том, что усилитель работает. Но, несмотря на то, что усилитель охлаждался до температуры 1,6 градуса, то есть значительно ниже температуры жидкого гелия, он оказался пригодным только для лабораторных исследований. Слишком мало было даваемое им усиление.

Сковилу и его сотрудникам пришлось отказаться от облюбованного ими вещества и применить кристаллы рубина. Новый усилитель, работавший при температуре 1,5 градуса, показал себя вполне работоспособным. Даваемые им шумы оказались равными всего 12 градусам. Из них примерно 10 градусов относились за счет соединительных элементов, а сам усилитель давал всего около 2 градусов шума.

Создавая свой усилитель, Сковил и его сотрудники столкнулись с трудностью, часто досаждающей радиоинженерам и даже радиолюбителям.

Если в самом обычном усилителе усиленный выходной сигнал снова попадет на вход, возникнет обратная связь. Если эта связь достаточно велика, усилитель превратится в генератор. В нем самопроизвольно возникнут колебания, и он уже не сможет усиливать внешние сигналы.

Но активная среда, этот прекрасный усилитель, должна усиливать электромагнитную волну независимо от того, в каком направлении она бежит — слева направо или обратно. Это значит, что если даже малая часть волны отразится от конца усилителя и побежит к его началу, а затем, снова отразившись, пойдет по нему опять, то она раз от раза будет усиливаться, и если усиление достаточно велико, то усилитель превратится в генератор. Он, как говорят радисты, самовозбудится и будет генерировать радиоволны даже при отсутствии внешнего сигнала. При этом он уже не сможет работать как усилитель.

Сковил, конечно, знал об этом и принял необходимые меры. Он поместил в волновод своего усилителя кусочки феррита. Феррит — это особое магнитное вещество, которое в присутствии магнитного поля пропускает радиоволны, идущие в одну сторону, и поглощает их, если они бегут в обратном направлении. Так как парамагнитный усилитель и без того работал в магнитном поле, то феррит без дополнительных усложнений обеспечивал поглощение обратной волны и тем самым нормальную работу усилителя.

Советские ученые внесли большой вклад в разработку квантовых парамагнитных усилителей. Прохоров первым достиг коротковолнового края сантиметрового диапазона. С ним работал кандидат физико-математических наук Н. В. Карлов и другие фиановцы.

Карлов, который, несмотря на молодость, давно приобрел репутацию хорошего радиоастронома, а стал доктором, подобно Бонаноми, покинул звезды и планеты, чтобы обеспечить радиоастрономам помощь ее ровесницы квантовой электроники. Карлов — автор уникального усилителя, способного усилить почти неуловимое излучение атомов водорода из глубины вселенной. Приняв эту своеобразную радиопередачу, можно исследовать распределение водорода во вселенной и получить новые данные о ее структуре, которые другим способом получить невозможно.

Карлов — один из способнейших молодых физиков школы Прохорова. Кончил он тот же «физтех», что и Ораевский, делал диплом в ФИАНе и с тех пор работа в лаборатории Александра Михайловича. Кстати, работали они вместе с женой — она специалист по аппаратуре. Таким образом, их дуэт перекрывает весь диапазон встречающихся в работе проблем — от теории до практики.

Этим они напоминают мне молодую супружескую пару из лаборатории Басова — Тамару и Толю Никитиных. Они вместе сделали водородный мазер, а потом глава семьи первым защитил диссертацию. Тамара, у которой, кроме водородного генератора, еще маленькие сын и дочь, «защищали» во вторую очередь. И когда у них дома праздновалось это событие, большинство тостов было за совместное творчество, за семейственность.

Карловы уже выполнили ряд замечательных работ. Особенно удачными оказались те, в которых для улучшения парамагнитных усилителей применены сверхпроводящие магниты.

Сверхпроводимость, открытая свыше полувека назад, до последнего времени не имела практического применения. Ученые всего мира исследовали это замечательное явление, состоящее в том, что вблизи абсолютного нуля некоторые металлы полностью лишаются электрического сопротивления. Электрический ток в них при этом может течь беспрепятственно, не требуя для своего поддержания никаких источников. Казалось, ничто не препятствует ему, дай только начальный импульс посильнее. Но нет — ток, протекающий в сверхпроводнике, сам ограничивает свою силу. Став слишком большим, электрический ток разрушает сверхпроводимость. Конечно, не нагревом — где нет сопротивления, нет и выделения тепла. Ток разрушает сверхпроводимость неразрывно связанным с ним магнитным полем.

Три советских физика-теоретика, удостоенные в Ленинской премии, — А. А. Абрикосов, В. Л. Гинзбург и Я. П. Горьков, — используя метод, разработанный академиком Л. Д. Ландау, задумали сделать сверхпроводник более стойким к разрушающему действию магнитного поля. Они изучили процессы, определяющие свойства сверхпроводников, и поняли, какими их нужно сделать, чтобы пропускать по тончайшим сверхпроводящим проволочкам очень сильный ток. Одновременно появилась и возможность создавать материалы, остающиеся сверхпроводниками при более высокой, чем раньше, температуре. Металлурги создали специальные материалы, а инженеры научились делать из них тончайшие проволочки. Появились сверхпроводящие магниты, дающие поля в десятки тысяч эрстед.

Фиановцы подхватили эту эстафету. Их парамагнитные усилители и без того требовали применения жидкого гелия. Грех был не попробовать здесь сверхпроводящих магнитов. И опыт удался. Усилитель стал много легче, надежнее и удобнее, а сверхпроводимость сделала шаг из лаборатории в жизнь.

Новая область, как магнитом, притягивала талантливых людей. В. Б. Штейншлейгер, бывший уже известным специалистом в области сверхвысоких частот, почувствовал, что парамагнитные усилители могут вывести радиотехнику из многих затруднений. Для этого нужно прежде всего сделать их возможно более простыми и надежными. Штейншлейгер и его сотрудники, работая в тесном контакте с Прохоровым, решили важную и трудную задачу создания усилителя бегущей волны сантиметрового диапазона, работающего при температуре жидкого гелия, равной 4,2 градуса. Этот усилитель не требовал дополнительных манипуляций по понижению температуры ниже температуры жидкого гелия, необходимых для усилителя Сковила и остальных усилителей, разработанных в то время за рубежом.

Однако, несмотря на все преимущества квантовых парамагнитных усилителей бегущей волны, они до сих пор не нашли применения в дециметровом диапазоне. Дело в том, что по мере увеличения длины волны даже применение замедляющих структур не позволяет сделать конструкцию усилителя достаточно малой. Например, лучший парамагнитный усилитель бегущей волны, разработанный фирмой Белл для волны 21 сантиметр, имеет магнит весом в 90 килограммов.

При непрерывной работе в него дважды в сутки необходимо доливать по 7 литров жидкого гелия. Остальные подобные усилители еще менее удобны в работе.

Это заставило ученых искать другие пути создания квантовых усилителей дециметрового диапазона, имеющих более широкую полосу, чем простые резонаторные усилители. Штейншлейгер и Карлов в Советском Союзе и некоторые зарубежные исследователи предложили применить для расширения полосы дополнительные резонаторы, связанные с рабочим резонатором квантового парамагнитного усилителя. Это дало некоторый эффект, но большого расширения полосы в дециметровом диапазоне добиться не удалось.

Радикальное решение задачи было найдено М. Е. Жаботинским и А. В. Францессоном из Института радиотехники и электроники Академии наук СССР. Они тоже применили многорезонаторную систему. Однако в отличие от предшественников все их резонаторы активны, то есть в каждом из них находится парамагнитный кристалл. Это позволило на волне 21 сантиметр получить в трехрезонаторном усилителе полосу, большую, чем в усилителе бегущей волны фирмы Белл (при одинаковом усилении). Полоса их усилителя ограничивается только свойствами кристалла рубина, примененного здесь в качестве активного вещества.

Жаботинский и Францессон сильно уменьшили размеры усилителя, заменив обычные объемные резонаторы миниатюрными резонаторами так называемого полоскового типа. В них резонирует не металлическая полость, а маленькие полоски фольги, помещенные внутри волновода. Благодаря этому здесь удалось обойтись магнитом в 90 раз более легким, чем магнит в усилителе фирмы Белл. Это, в свою очередь, позволило полностью погрузить магнит в жидкий гелий, что придало усилителю чрезвычайную стабильность.

Малый объем усилителя и небольшое количество рабочего вещества, необходимого для получения нужного усиления, позволило значительно сократить расход жидкого гелия. При непрерывной работе в него надо доливать только по 5 литров жидкого гелия, и не каждые сутки, как в усилителе фирмы Белл, а лишь дважды в неделю.

Этот усилитель пока является рекордным как по своим радиотехническим характеристикам, так и по эксплуатационным свойствам. Он установлен на Большом радиотелескопе Главной астрономической обсерватории в Пулкове.

 

ВЕНЕРА С ЗЕРКАЛОМ

Радиоастрономия, исследования космического пространства и сверхдальняя радиосвязь пока являются главными областями применения квантовых парамагнитных усилителей. С их помощью уже сделан ряд интересных открытий и проведены многие важные исследования.

Например, при помощи парамагнитного усилителя с бегущей волной, созданного Штейншлейгером и сотрудниками, пулковские радиоастрономы открыли радиоизлучение ионизированного космического водорода на волне 5 сантиметров.

Ионизированный водород в больших количествах имеется вблизи горячих звезд и в туманностях. Изучая его излучение, можно получить ценные сведения не только о его распределении и движении в пространстве, но и о свойствах ионизирующих его светил. Оптическая астрономия не способна наблюдать водород в таком состоянии. Поэтому открытие его радиоизлучения явилось ценным вкладом в науку.

Исследование нейтрального межзвездного водорода тоже недоступно оптической астрономии. Между тем водород, являющийся самым распространенным элементом во вселенной, играет основную роль в ее эволюции. Изучение радиоизлучения космического водорода на волне 21 сантиметр уже дало много новых сведений о строении галактик, их движении и развитии.

Еще один парамагнитный усилитель бегущей волны Штейншлейгера и сотрудников, работающий на волне 8 сантиметров, позволил провести ценные исследования строения известной Крабовидной туманности. Эти исследования проводились во время затмения туманности Луной, что дало возможность оценить излучение, исходящее от отдельных частей туманности.

Пожалуй, самые интересные результаты, полученные при помощи квантовых парамагнитных усилителей, относятся к радиолокации планет — этой активной ветви радиоастрономии. Кстати, о возможности радиолокации Луны первыми еще во время Отечественной войны писали Мандельштам и Папалекси.

В Советском Союзе работы по радиолокации планет ведутся под руководством академика В. А. Котельникова. При этом успешно используются резонаторные парамагнитные усилители Жаботинского и Францессона, работающие на волне около 40 сантиметров. Вот вкратце как развивались эти работы.

В 1957 году, когда первый советский спутник открыл нам путь в космос, мечты К. Э. Циолковского о полетах к другим планетам превратились в задачу близкого будущего. Однако оказалось, что, даже создав достаточно мощные ракеты, невозможно направить их к цели с нужной точностью.

Это может показаться странным. Ведь высокая точность астрономических расчетов общеизвестна. Но астрономы вычисляют положения планет при помощи своей астрономической единицы длины — среднего расстояния от Земли до Солнца. А выразить эту единицу в земных метрах с нужной точностью никто не умел. Лучшие измерения астрономов содержали ошибку в тысячи километров. А это уже верный промах. Казалось бы, можно послать радиосигналы на Луну — самое близкое небесное тело, чтобы, точно определив расстояние до нее, рассчитать небесный треугольник, в вершинах которого находятся Солнце, Земля и Луна. Задача казалась проще простой — по катету определить гипотенузу, прямо-таки седьмой класс. Но нужно было еще измерить угол между Луной и Солнцем, а сделать это точно пока невозможно. Пришлось обратиться к планетам. Правда, здесь возникло новое осложнение — планеты слишком далеки. Их трудно достать радиолокатором. И физики выбрали Венеру. Она ближе других подходит к Земле. Но это все же десятки миллионов километров. Можно ли получить радиоэхо от Венеры?

Ответ, на этот вопрос дали ученые Института радиотехники и электроники АН СССР. Да, можно.

Большие коллективы включились в подготовку к этим исследованиям. Нужно было провести сложные расчеты, создать мощный передатчик, огромную антенну.

Наблюдения начались 18 апреля 1961 года, когда расстояние до Венеры было минимальным для этого года и участники работы еще были под свежим впечатлением триумфального полета Юрия Гагарина. Радиоволны путешествовали в пространстве пять минут. Легко представить себе напряжение этих минут! Все было предусмотрено и многократно проверено. Сигнал ушел. Найдет ли он Венеру? Вернется ли? Будет ли принят?

Но ждать надо было не пять минут, а гораздо дольше. Нужно было ждать, пассивно наблюдая за автоматической работой планетного локатора. Ведь отраженный сигнал слаб настолько, что его невозможно увидеть на фоне шумов приемника. Только после долгой и сложной обработки результатов можно выяснить, приходит ли вожделенное эхо.

Наконец обработка принятых сигналов закончена. Победа! Аппаратура сработала безупречно. Астрономическая единица длины определена, пока не очень точно, но ошибка составляет теперь всего лишь около тысячной доли процента.

Лишь! Эта доля все же две тысячи километров! Разве можно на этом остановиться?

Летом 1962 года коллектив, руководимый В. А. Котельниковым, сделал следующий шаг. Венера к этому времени, увы, удалилась. Тогда решено было лоцировать Меркурий. Но это гораздо труднее. Во-первых, в это время Меркурий был в два раза дальше от Земли, чем Венера во время опытов 1961 года, Во-вторых, Меркурий — самая маленькая планета солнечной системы. Его поверхность в шесть-семь раз меньше, чем поверхность Венеры. Значит, должно уменьшиться и радиоэхо.

Но ученые были готовы и к этому. Они значительно повысили чувствительность приемника, работающего в радиолокаторе, снабдив его парамагнитным усилителем радиоволн.

Итак, жидкий гелий залит. Рубин охладился почти до абсолютного нуля. Все блоки космического локатора проверены. Опыт начался. Но с увеличением расстояния возросло и время путешествия радиоволн. Их возвращения нужно было ждать 10 минут. Правда, магический кристалл сделал ответный сигнал более ясным и для получения результата требовалось гораздо меньшее время, чем в первых опытах.

Когда закончилась обработка принятых сигналов, стало ясно, что радиоволны отражаются от Меркурия примерно так же, как от Луны. И можно было впервые проверить наши предположения о свойствах поверхности Меркурия. Эта работа принесла советским ученым не только научные достижения, но и мировой рекорд дальности радиолокации.

Осенью того же года, когда Венера опять приблизилась к Земле, на нее снова направили луч космического радиолокатора. Именно тогда на Венеру и обратно простой азбукой Морзе были переданы понятные во всем мире слова: «Ленин, СССР, Мир». Благодаря усилителю сигналы появились просто на осциллографе. Но это был не единственный результат. Точность астрономической единицы длины увеличилась более чем в пять раз. Впервые удалось оценить отражение радиоволн от поверхности Венеры.

А за Венерой начался штурм Марса. Он приблизился к Земле настолько, что оказался в зоне досягаемости планетного локатора и был взят на прицел. Радиоэхо показало, что поверхность Марса, представляющаяся глазу ровной пустыней, в действительности обладает сложным рельефом, более гладким в одних частях и изрезанным в других. Кстати, эти результаты недавно подтвердили фотографии, полученные американскими учеными при помощи космической лаборатории «Маринер-IV».

Ну, а Юпитер? Гигантские размеры этой планеты отчасти компенсировали увеличение расстояния. Радиосигналы, направленные на него, путешествовали около часа. Они принесли сведения об отражательных свойствах этой планеты и новый рекорд дальности радиолокации.

Радиоастрономы других стран тоже применяют парамагнитные усилители, в частности усилители, созданные группами Таунса и Сковила. Эти усилители применяются для изучения Солнца, для исследования радиоизлучения космического водорода и для радиолокации планет.

Радиоастрономия уже не единственная область применения парамагнитных усилителей. Они все шире используются для передачи телевидения и телефонных разговоров через специальные спутники связи, для увеличения чувствительности радиоспектроскопов и для других целей.

Но история с Венерой не кончилась. Ведь ученые еще не узнали ни характера ее поверхности, ни точной скорости вращения, ни положения оси.

Ожидая, пока Венера вновь приблизится к Земле, Котельников и его сотрудники начали готовить эксперимент более сложный, чем раньше. Чтобы точнее провести анализ эха, отраженного Венерой, они решили удалить на большое расстояние приемную часть от передающей. Но сделать это вовсе не просто. Радиоприемная часть современного планетного локатора — не миниатюрная «Спидола». Это огромные тысячетонные антенны со сложнейшей автоматикой, позволяющей вести их за планетой, даже если ее скрывают густые облака. Строительство такого радиоприемника стоит дорого и требует большого времени.

Гораздо проще воспользоваться готовой антенной. Нужно лишь найти такую, хозяева которой увлекутся исследованием планет, а кроме того, обладают большим мастерством, остроумием и терпением, необходимыми для тонкой работы по анализу космического эха. Ведь информация, которую оно несет, записана не словами, а ничтожными изменениями принятого сигнала по сравнению с посланным.

По удачному совпадению в 1963 году в Советском Союзе гостил директор обсерватории Джодрелл Бэнк профессор Бернард Ловелл. Оказалось, что и он мечтает о подобной работе, но у него нет нужного передатчика. В разговоре с В. А. Котельниковым он предложил объединить усилия. Предложение было с энтузиазмом принято. Началась подготовка к совместной работе.

И вот в начале этого года из Москвы была отправлена телеграмма: «Англия. Радастра. Маклесфилд. Ловеллу. Будем работать по Венере 8 и 9 января с 11 до 14. Котельников».

Восьмого января мощные передатчики советского центра дальней космической связи в течение трех часов направляли на Венеру узкий пучок радиоволн. Радиоволны, отразившись от Венеры, возвратились на Землю. Дело было за англичанами.

…Нажатие кнопки — и огромная стальная конструкция, напоминающая опрокинутый на ребро купол спортивного зала, пришла в движение. Обтянутое металлической сеткой ажурное семидесятишестиметровое зеркало английского радиотелескопа Джодрелл Бэнк отыскивало скрытую зимними тучами Венеру. Но вот его движение замедлилось. Оно стало таким же незаметным, как перемещение небесных светил. Это означало, что автоматы нашли Венеру и теперь ведут антенну вслед за ней. И вдруг чувствительный радиоприемник, присоединенный к антенне, обнаружил сигнал… Тотчас полетела телеграмма «Москва. Аэлита. Сигнал от Венеры принят».

А в это время мощные передатчики советского центра дальней космической связи продолжали облучать Венеру узким пучком радиоволн. Это была странная передача. Долгими часами советские ученые следили за излучением радиоволн. Они не передавали никаких сигналов. Более того, ученые принимали все меры для того, чтобы ничто не исказило монотонной идеальности уходящего в космос луча.

Но радиоволны, через шесть минут достигавшие антенны, расположенной в Северной Англии вблизи Манчестера, уже не были идеальными. Покрыв путь в 80 миллионов километров, они приходили крайне ослабленными, смешанными с шумами. Зато они несли в себе сигналы! Драгоценные сигналы, посланные самой Венерой, несущие информацию о ее поверхности, о скорости вращения вокруг собственной оси, о направлении этой оси в пространстве.

Английские астрономы напряженно следили за аппаратурой, записывающей сигналы. Впоследствии они и их советские коллеги обработают записи и извлекут из них то, что сообщила о себе Венера. И со временам перед нами ляжет карта этой загадочной, скрытой сплошными облаками планеты, которую люди окрестили нежным именем богини.

Расшифровка полученных данных еще не закончена. Сеансы будут продолжаться несколько месяцев… Каждые несколько дней из Англии в адрес Аэлиты и обратно идут телеграммы о ходе работы.

Кстати, телеграфный адрес Института радиотехники и электроники Академии наук СССР — находка сотрудников. Это связано с полукомичной историей. Телеграфу были предложены на выбор пять слов. Все они оказались занятыми другими учреждениями. Тогда ученые дали на выбор пять названий планет. Телеграф ответил: все планеты заняты, назовите новые слова. Из вновь названных слов оказалось свободным лишь одно — Аэлита. Это было очень удачно — ученые действительно трудятся на грани фантастики.