Превращения гиперболоида инженера Гарина
Шрифт:
Эстафета поколений, пожалуй, нигде не играет такой роли, как в науке. Многие десятки студентов, сменяя друг друга, постоянно работают в лаборатории колебаний. Здесь почти с первого дня на каждого из них смотрят, как на равноправного сотрудника. И эта атмосфера доверия и требовательности дает свои плоды. Большая часть из сидящих за праздничным столом — бывшие студенты и аспиранты Прохорова или дипломники и аспиранты его бывших учеников, ставших уже уважаемыми учеными. Многие гости приехали из Баку, Еревана и Тбилиси, из более близких городов или из московских институтов, где они развивают традиции школы Мандельштама и Папалекси. При каждом удобном случае гости стараются приехать в ФИАН, и не когда-нибудь, а именно в субботу.
Суббота в ФИАНе — особый день. В
Ровно в девять тридцать уже много лет подряд начинаются объединенные субботние семинары лабораторий колебаний и квантовой радиофизики. Семинары, которые, по существу, превратились в бесконечную научную конференцию, собирающую несколько сот постоянных участников. Выступить на этом семинаре считает за честь каждый работающий в области квантовой электроники. Квантовая электроника постепенно вытеснила с этих семинаров другие разделы радиофизики, и эта целеустремленность отличает семинар от других популярных семинаров с более широкой тематикой.
И еще одним отличается этот семинар: непринужденной деловой товарищеской атмосферой. Открывает заседание семинара не Прохоров, а ученый секретарь, один из посменно назначаемых добровольных носителей тяжелого организационного бремени, «которое ведь кто-нибудь должен нести». На этих семинарах, если только докладчик не запросит пардона, его можно перебивать в любом месте любыми вопросами. А после окончания доклада град вопросов и буря дискуссии помогают обнаружить неточности и слабости, подтвердить истину и выбрать дальнейший путь. И каждый раз дискуссия заканчивается традиционной репликой секретаря: «А теперь предоставим слово Александру Михайловичу».
Но в эту субботу традиция была нарушена. Гость не был готов и, по согласованному расписанию, на субботу был назначен осмотр лаборатории колебаний, а доклад профессора Таунса был перенесен на понедельник.
Ставшие уже классическими исследования парамагнитного резонанса, давшие так много и физике и технике, не очень интересовали гостя. Он сам не работал в этой области и, естественно, стремился к тому, что его увлекало. А увлекали его сложные проблемы квантовой электроники, таящие еще неизведанные пути.
И ему было что посмотреть у Прохорова.
Один из замыслов Прохорова недавно казался совершенно фантастическим. Теперь это полноправное направление. Новая просека в чаще неведомого. Прохоров обосновал возможность создания оптического квантового генератора, в работе которого участвует энергетический уровень, на самом деле не существующий. Не удивительно, что поначалу это казалось многим чисто математическим упражнением, так сказать, игрой ума. Но для Прохорова это, по-видимому, было развитием одной из идей, теперь общепризнанной, а ранее казавшейся безумной.
Речь идет о переходах через удаленные уровни. Началось это много лет назад. Исследования процессов установления равновесного состояния в кристаллах, предназначенных для работы в парамагнитных усилителях, во многих случаях заводили ученых в тупик. Зачастую такие процессы протекали гораздо быстрее, чем это можно было предвидеть. И все расчеты шли насмарку. Не избегли таких разочарований и советские физики, в том числе Прохоров и Маненков.
Квантовая физика обнаружила, что в природе существует множество запретов. И они соблюдаются гораздо строже, чем многие законы, созданные людьми для упорядочения человеческих взаимоотношений. Конечно, и в физике имеются законы, обладающие ограниченной сферой действия. Так, недавно было обнаружено, что казавшийся незыблемым закон сохранения четности неприменим к процессам, связанным с участием нейтрино. Но существуют и такие запреты, которые должны соблюдаться неукоснительно. Именно они запрещали переходы между некоторыми близкими уровнями энергии в парамагнитных кристаллах.
Несмотря на то, что соединенными усилиями были
Прохоров и Маненков решили обнаружить этот путь. И они нашли его. Оказалось, что частица, находящаяся на том уровне, с которого путь вниз запрещен, может с большой вероятностью подняться на более высокий уровень, а уже потом, практически мгновенно, свалиться вниз. Прохоров и Маненков проверили это предположение на многих примерах, и опыт подтвердил его. Уличив природу в таком обходе запретов, Прохоров и Маненков решили извлечь из этого пользу. Они разработали метод, позволяющий из наблюдения двухступенного процесса определять высоту вспомогательного уровня, играющего основную роль при таких переходах. Это был способ изучения уровней, для наблюдения которых прямыми методами в то время, а в некоторых случаях и теперь не существует нужной аппаратуры. Прохоров и Маненков обнаружили, что в некоторых случаях непрямые переходы между близкими уровнями, разделенными запретом, могут происходить через удаленный третий уровень, лежащий не только выше, но и ниже этой пары. Об этих работах я вспоминаю каждый раз, пересекая по подземному коридору близ ФИАНа Ленинский проспект, переход через который запрещен.
По-видимому, статьи об этих работах Прохорова и Маненкова несколько опередили время. Они не встретили резонанса. Но впоследствии аналогичные исследования были выполнены за рубежом Орбахом. Наверно, статья Орбаха появилась в очень подходящий момент. Почва для нее уже была подготовлена. Факт остается фактом — непрямые переходы в течение нескольких лет даже в нашей стране называли Орбаховским процессом.
Впрочем, Прохоров не рассказывал гостю о непрямых переходах, уже вошедших в учебники. Нужно было беречь время, и он начал с не менее парадоксальной идеи.
Речь шла о двухфотонном оптическом квантовом генераторе. Конечно, двухфотонное поглощение было известно и раньше. При очень интенсивных полях атомные системы могут поглощать не только фотоны резонансной частоты, но и пары фотонов, суммарная энергия которых совпадает с разностью энергий соответствующих уровней.
О возможности противоположного процесса никто не думал. Но после того, как Прохоров и Селиваненко указали на возможность создания двухфотонного лазера, трудно понять, почему об этом не догадывались раньше. Конечно, в слабых полях вероятность двухфотонных процессов очень мала и их трудно наблюдать. Но если поля достаточно сильны, то при подходящих условиях вынужденный переход системы с верхнего уровня на нижний может сопровождаться рождением сразу двух фотонов. Таких, чтобы сумма их энергии равнялась энергии, выделяемой системой. На схемах, иллюстрирующих двухфотонный процесс, можно видеть верхний и нижний уровень, соединенные двумя стрелками. Но ни одна из них недостаточно длинна, чтобы перекинуть между ними мост. И они объединяются, стыкуясь между собой там, где пет никакого промежуточного уровня. Впрочем, физикам удобнее считать, что там есть виртуальный уровень (они почему-то не воспользовались русским словом «воображаемый»).
Конечно, Таунсу было любопытно узнать, при каких условиях можно осуществить такой процесс Прохоров и Селиваненко набросали расчет. Оказалось, что для этого нужно поместить активную среду в резонатор, настроенный сразу на обе желаемые частоты, и принять меры для подавления генерации на частоте, свойственной самой атомной системе. Достаточно после этого воздействовать на систему коротким, но мощным импульсом одной из избранных частот, и процесс начнется. А начавшись, он будет продолжаться до тех пор, пока мы сможем поддерживать среду в активном состоянии. Самое интересное и важное здесь — это возможность плавной перестройки частоты. Если генерация началась, то резонатор можно перестраивать в широком диапазоне, соблюдая лишь одно условие: сумма двух его частот должна оставаться равной частоте прямого перехода между рабочими уровнями.