Чтение онлайн

— Переход атома с верхнего уровня на нижний сопровождается излучением фотона. Энергия этого фотона равна разности между энергиями атома в верхнем и нижнем состояниях. Если мы имеем дело с большим числом одинаковых атомов и эти атомы достаточно долго не испытывали каких-нибудь особых внешних воздействий, то атомы будут находиться в таком состоянии, которое можно назвать равновесным. Это значит, что, несмотря на хаотическое движение атомов, число атомов в верхнем и в нижнем энергетических состояниях не будет меняться. Такое равновесие будет сохраняться и в том случае, если система атомов находится внутри замкнутой металлической полости, стенки которой способны излучать и поглощать электромагнитные волны. И система атомов и электромагнитное поле придут со временем к единому равновесному состоянию.

Я слушала и думала, что для нас с читателем это не новость. Ведь помните, в равновесном состоянии, как заметил еще Больцман, число атомов, находящихся в нижнем энергетическом состоянии, всегда несколько больше, чем их число в верхнем состоянии? И каждый атом, находящийся в нижнем энергетическом состоянии, может перейти в верхнее, поглотив из электромагнитного поля один фотон. И каждый атом, находящийся в верхнем состоянии, может перейти в нижнее, отдав полю излишнюю энергию в виде такого же фотона.

Это же подтвердил и Таунс. Он продолжал:

— Вероятность таких противоположных процессов одинакова. Это значит, что атом, находящийся в нижнем энергетическом состоянии, имеет столько же шансов перейти в верхнее, сколько шансов у атома, находящегося в верхнем состоянии, перейти в нижнее под действием того же электромагнитного поля. Но при равновесии число атомов в нижнем состоянии всегда больше, чем их число в верхнем. Казалось бы, если каждый атом имеет одинаковое число шансов перейти вверх или вниз, то в среднем вверх будет переходить больше атомов, чем вниз. Если бы это было так, равновесие должно было нарушиться и число атомов в обоих состояниях стало бы одинаковым.

(Сейчас он, наверно, заговорит об атомах-приемниках и атомахпередатчиках!)

— Эйнштейн объяснил, почему этого не происходит. Он показал, что наряду с переходами под действием поля, сопровождающимся поглощением и вынужденным испусканием фотонов, существует третий процесс — самопроизвольное излучение фотонов. Оно происходит независимо от поля и сопровождается переходом атомов из верхнего энергетического состояния в нижнее. Именно самопроизвольное испускание обеспечивает сохранение равновесного состояния. Все это вместе взятое объясняет, почему в обычных условиях все вещества поглощают проходящие через них волны света и радио. Но отсюда можно усмотреть и то, как заставить вещество превратиться из поглощающего в усиливающее.

(Вот, вот! Самое главное!)

— Для этого надо сильно нарушить тепловое равновесие, — заключил Таунс. — Так сильно, чтобы число частиц на верхнем из двух уровней стало большим, чем на нижнем. Теперь известно много путей достижения этой цели. Это пространственная фокусировка, примененная в аммиачном лазере. Это оптическая накачка, применяемая в рубиновом лазере. Это электрический разряд в газах или электрический ток в полупроводниках.

Но усиление является лишь одной частью задачи. Вторая, не менее важная часть — это генерация электромагнитных волн.

Для генерации нужна обратная связь. Осуществить обратную связь можно различными путями. В оптике и в диапазоне наиболее коротких радиоволн легче всего осуществить обратную связь, помещая рабочее вещество внутрь резонатора.

Любой квантовый генератор содержит рабочее вещество, находящееся в резонаторе, и устройство для приведения рабочего вещества в активное состояние. Фотон, испущенный вдоль оси резонатора, вызовет лавину точно таких же фотонов. Излучение квантового генератора отличается большой монохроматичностью и направленностью. Это определяет разнообразные возможности его применения.

Профессор коротко рассказал о перспективах, открываемых созданием лазеров перед наукой и техникой. Единственное, для чего лазер не предназначен, закончил он, это для убийства и разрушения.

— Я надеюсь, — сказал профессор Таунс, — что килл-лазер (лазер-убийца) никогда не будет построен!

Эти слова вызвали бурный восторг присутствующих. Лекция очень понравилась слушателям своей лаконичностью и простотой. Таунс в нескольких словах как бы подвел итог достижениям новой, замечательной науки.

Поток вопросов, захлестнувший Таунса, был прерван только сообщением о том, что ректор университета уже ожидает гостя.

После окончания приема началась научная часть визита Профессор Таунс знакомился с лабораториями физического факультета МГУ. Естественно, что особое внимание он уделил отделению радиофизики, возглавляемому одним из учеников Мандельштама и Папалекси, профессором Владимиром Васильевичем Мигулиным, тем самым, который еще совсем молодым ученым руководил первыми шагами начинающего Прохорова. Мигулин до сих пор сохраняет пристрастие к теории колебаний, особенно к параметрическим колебаниям, которые неожиданно тесно переплелись с квантовой электроникой. Однако основную тяжесть этих исследований нес на себе тогда совсем молодой профессор Рем Викторович Хохлов. (Впоследствии академик, ректор МГУ)

И гость особенно заинтересовался главным направлением исследований кафедры, руководимой Хохловым, — нелинейными оптическими явлениями. Так называются разнообразные эффекты, возникающие, когда свойства вещества зависят от интенсивности действующего на него света. Как и в области радио, нелинейные явления в оптике становятся существенными только при очень больших электромагнитных полях. В долазерную эру оптики имели дело лишь с крайне слабыми полями, и для наблюдения нелинейных явлений приходилось создавать очень чувствительную аппаратуру.

Обсуждая эту ситуацию, академик Вавилов, введший в науку термин «нелинейная оптика», писал: «Физики настолько свыклись с линейностью обыденной оптики, что до сих пор нет даже формального строгого математического аппарата для решения реальных „нелинейных“ оптических задач».

С появлением лазеров, особенно лазеров с управляемой добротностью резонатора, дающих гигантские импульсы света мощностью в миллиарды ватт, нелинейные явления приобретают большое, иногда решающее значение не только для физики, но и для технических применений. Кстати, именно Хохлов со своим сотрудником С. А. Ахмановым написали первую монографию в этой области, суммировав и значительно развив в ней и теорию и математический аппарат, который имел в виду Вавилов. Эта монография, хорошо известная за рубежом, несомненно, была одной из причин интереса Таунса к работам ее авторов.

В предыдущих абзацах мы уже несколько раз применили выражение «нелинейные явления». Иногда совершенно невозможно избежать научных терминов. Однако специальные термины, в том числе и научные, вовсе не засоряют язык. Наоборот, они делают его проще, яснее и позволяют достичь краткости. Одно-два слова заменяют целую фразу, а иногда и несколько фраз.

Представим себе, например, график движения поезда, идущего с постоянной скоростью. Изображая путь, пройденный им за какое-нибудь время, мы получим прямую линию. Опуская слово «прямая», физик говорит о «линейном» законе движения, имея в виду, что пройденный путь пропорционален времени. Если же график изображает путь, пройденный свободно падающим камнем, то мы увидим на нем не прямую, а изогнутую линию. Не вдаваясь в подробности, не уточняя истинной формы этой кривой, физик говорит, что она не прямолинейна. Для краткости он говорит: она нелинейна. Это значит, что путь, пройденный падающим камнем, не пропорционален времени, он связан со временем нелинейной зависимостью.