Чтение онлайн

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.

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.