Превращения гиперболоида инженера Гарина
Шрифт:
Свыше десяти лет назад американский ученый Захарайс стремился получить медленные атомы цезия для увеличения стабильности атомнолучевых трубок. Он предложил создать для этой цели атомный фонтан. Идея была удивительно простой и изящной. Все знают, что в любом газе атомы (или молекулы) движутся хаотически. Некоторые очень быстро, другие медленно. Как масса атомов распределяется по всевозможным скоростям, вычислил еще Максвелл. Захарайс решил направить пучок атомов вверх наподобие струи воды в фонтане. Конечно, атомный фонтан можно создать только внутри установки, из которой тщательно откачан воздух. Тогда быстрые атомы, он имел в виду цезий, ударятся в верхнюю крышку установки и прилипнут к ней. Медленные, не долетев до крышки, замедлятся под действием притяжения Земли и повернут обратно. Если источник
Захарайс соорудил высокий вакуумный колпак и расположил под ним свой фонтан. Насосы откачали воздух, источник пучка атомов нагрелся до нужной температуры и… никакие атомы не возвратились в нижнюю часть установки. Результат потряс не только Захарайса, но и всех, узнавших о странном поведении его фонтана. Природа нарушала закон Максвелла! Именно так говорили все, ибо до сих пор закон Максвелла правильно описывал все, с чем встречались люди в природе и в специально поставленных опытах. Понадобилось большое время и упорный труд, чтобы реабилитировать природу и Максвелла. Ведь никто серьезно не обвинял природу. Все понимали, что ее законы не зависят от людей. Во всем был виноват фонтан. Оказалось, что канал, формирующий струю атомов, не пропускает медленных атомов. Вылетающий пучок в отличие от газа в сосуде, содержит преимущественно быстрые атомы, медленных там почти нет. А раз они не вылетают вверх, их нечего ожидать и внизу.
Басов и Ораевский предложили другие способы получения медленных молекул. Большинство из них были основаны на том или ином способе замедления тех быстрых молекул, которые составляют большинство в молекулярных пучках. Но экспериментальные трудности не позволили пока реализовать ни один из этих способов.
К приезду Таунса действовал лишь один, простейший способ. Его простота не позволяла рассчитывать на многое, но важно было, как говорят физики, зацепиться. Вместо обычной сортирующей системы в молекулярном генераторе стояло то, что механики лаборатории окрестили «кривым ружьем». Это была сортирующая система в виде ряда колец, предложенная двумя учеными, Крупновым и Сиворцовым из Горького. Но в отличие от того, что делалось раньше, воображаемая ось, проходящая внутри колец, была прогнута. Электрические силы заставили медленные молекулы следовать вдоль искривленной системы, а быстрые молекулы, преодолевая действие этих сил, вырывались наружу. Так, в отличие от Захарайса, в резонатор должны были попасть не только молекулы, имеющие вполне определенную малую скорость, а все молекулы, скорость которых меньше какой-то избранной.
Расчет оправдался. На экране осциллографа можно было видеть, как по мере понижения напряжения, подаваемого на «кривое ружье», из пучка вырывались все более медленные молекулы и спектральная линия на глазах «худела». К сожалению, медленных молекул было так мало, что генерация не начиналась. Но ни фиановцы, ни Таунс не сомневались в том, что для получения генерации достаточно заменить резонатор другим, имеющим меньшие потери.
В связи с предстоящим улучшением резонатора Таунсу рассказали еще об одном интересном проекте — моделировании лазера при помощи молекулярного генератора. Ученые всего мира испытывают трудности в связи с тем, что ширина спектральных линий, на которых работают лазеры, очень широка. Это мешает исследованию важных, характеристик лазеров. Молекулярный генератор работает на спектральных линиях, ширина которых в сотни тысяч раз меньше. Но применить молекулярный генератор для моделирования лазера не удается из-за различия их резонаторов. Резонансная кривая в случае оптического резонатора много уже, а в случае радиочастотного резонатора много шире, чем соответствующая спектральная линия.
Прекрасная экспериментальная база ФИАНа позволяет выйти из затруднения чрезвычайно оригинальным, хотя и не простым путем. Стоит заменить обычный резонатор сверхпроводящим, и ширина его резонансной кривой уменьшится в миллионы раз. Так будет создана радиочастотная модель лазера.
ЭФФЕКТ ИЛИ ДЕФЕКТ?
В заключение знакомства с семейством советских молекулярных генераторов Таунсу предложили загадку. Вопрос гласил: может ли частота молекулярного генератора зависеть от направления магнитного поля? Таунс ответил: нет, не может. Этот ответ соответствовал наиболее точным теориям.
Каково же было изумление гостя, когда хозяева показали ему, что такая зависимость в действительности существует. В течение долгого времени удивительное явление изучали и в ФИАНе и в одном из метрологических институтов. Провели массу измерений и проверок. Необъяснимое явление действительно существовало. Горячая дискуссия не дала ничего нового. Ее вывод гласил: очень интересно и совсем непонятно.
Кстати, и через полтора года, положение не изменилось. Загадка осталась загадкой. Недавно в Москве гостил один французский ученый; он был так взволнован увиденным, что прибегал в лабораторию по нескольку раз в день — эффект или дефект?
В соседних комнатах Таунс увидел сверхстабильные водородные генераторы. Они, по-видимому, с наибольшим основанием претендуют на роль эталонов частоты. Поэтому становится особенно важным изучить их свойства так же подробно, как это уже сделано для молекулярных генераторов.
Таунс долго и увлеченно обсуждал со своими коллегами различные новые возможности проверки предсказаний теории относительности о неодинаковом течении времени, которые могут быть осуществлены при использовании молекулярных и водородных генераторов. Оживленная дискуссия была прервана телефонным звонком. Из соседней комнаты напоминали о том, что расписание давно нарушено.
Снова возник безнадежный вопрос о том, как объять необъятное. Решили не пытаться. Гость будет сам регулировать скорость и направление своего движения, выбирая то, что его больше привлекает. А привлекала его в тот момент одна фантастическая, почти фантастическая вещь. Таунс уже слышал о том, что Басов с молодыми сотрудниками В. С. Зуевым, П. П. Крюковым, В. С. Летоховым и Р. В. Амбарцумяном заставляют импульсы от оптического квантового генератора бежать быстрее, чем световые волны. Но в это невозможно было поверить! Таунс по дороге с аэродрома даже подтрунивал над Басовым:
— Так во сколько раз скорость у вас больше скорости света?
— В десять, — невозмутимо отвечал Басов.
Так Таунс тогда и не понял, шуткой ли на шутку отвечал Басов или это было сказано всерьез.
И вот теперь в лаборатории он снова в нетерпении спрашивает, правда ли это, и если правда, то можно ли поподробнее?
— Пожалуйста.
И гость услышал даже его поразивший рассказ.
Лазер, при помощи которого наблюдался этот необычный эффект, давал гигантский импульс света мощностью в миллиарды ватт. Басовцы пропускали этот импульс через стержни возбужденного рубина, где он усиливался еще больше. Теория, развитая Сковилом и его сотрудниками, предсказывала, что при этом импульс, который первоначально длился всего несколько десятков миллиардных долей секунды, станет еще короче.
Однако точные измерения показали, что ожидаемого укорочения не получается. Длина и форма импульса остаются почти неизменными. Но совершенно неожиданно оказалось, что вершина импульса бежит вперед гораздо быстрее, чем распространяется свет в пустоте. Результат, казалось, противоречит основному положению современной физики о том, что скорость света в пустоте не может быть превзойдена.
Пришлось прервать опыты, рассказывал гостю Басов, и сесть за стол. Вот что сказали формулы, после того, как их допросили строже, чем это раньше сделал Сковил. Гигантский импульс, несмотря на свою кратковременность, содержит более миллиона световых колебаний. Они начинаются с очень слабых и лишь постепенно достигают колоссальных величин. По мере того как этот импульс пробегает через усиливающий кристалл, слабые колебания на переднем склоне импульса усиливаются, съедая всю энергию, запасенную в кристалле. На долю остальной части импульса уже ничего не остается. Эта часть бежит не усиливаясь, а может быть, даже немного ослабевая из-за рассеяния на неизбежных неоднородностях кристалла и из-за других потерь энергии. Поэтому по мере продвижения светового импульса вдоль кристалла его вершина быстро перекатывается вперед по самому импульсу.