работающими в телевизионном диапазоне спектра радиоволн. Такие передатчики легко вырабатывают 10 тысяч ватт в полосе гораздо более узкой, чем 1 мегагерц. Как источники «одноцветных» радиоволн они мощнее Солнца в миллиарды раз.
Белый свет, излучаемый любым тепловым источником, можно сравнить с шумом. В акустике даже существует термин «белый шум», обозначающий шум, в котором беспорядочно смешаны всевозможные звуки.
Принципиальная разница между световыми неупорядоченными волками и радиоволнами проявляется при попытках сконцентрировать в возможно меньшую область пространства возможно бóльшую электромагнитную энергию.
Лампа накаливания излучает свет во все стороны, и никакая оптическая система не может собрать его в одну точку. В лучшем случае в фокусе линзы получится небольшое изображение накаленной нити. Даже самые совершенные прожекторы дают заметно расходящийся луч, так как источником в них является накаленная нить или электрическая дуга, которая не может быть сделана очень малой.
Упорядоченные электромагнитные волны, излучаемые радиостанцией, легко поддаются управлению. Они могут быть сфокусированы в пучки, расходимость которых определяется лишь размерами применяемых антенн. Чем больше антенна, тем ýже пучок.
Концентрируясь двояко — по направлению в пространстве и по заданной частоте, — радиоволны могут дать такие высокие плотности электромагнитной энергии на одной волне, какие не бывают даже в недрах звезд.
Вот почему ученые так упорно искали новые возможности энергетики именно в радиодиапазоне.
Мне вспоминается один забавный эпизод в архангельском порту. Катерок отвозил нас с берега на пароход, стоявший довольно далеко в море. Один из пассажиров махал рукой провожавшей его женщине, и оба молча улыбались: говорить прощальные слова было явно бесполезно — их заглушил бы шум. Вдруг — это поняли все по изменившемуся виду женщины — она о чем-то вспомнила. Она закричала, замахала рукой, пытаясь что-то объяснить. Увы, мы были слишком далеко, и наш катерок, рокоча мотором, продолжал увеличивать расстояние. И тут случилось нечто, всех нас развеселившее. Неожиданно на берегу наступила тишина. Люди (в основном молодежь, народ сознательный), видимо, догадались, что дело важное, и замолчали. Потом раздалось мощное скандирование хора:
— Клю-чи-от-квар-ти-ры-у-На-за-ро-вых! Клю-чи-от-квар-ти-ры-у-На-за-ро-вых…
Мужчина понял и радостно закивал головой.
Я вспомнил этот случай в связи с рассказом о квантовых усилителях. Чем-то эпизод в архангельском порту напоминает замену хаотического светового переноса энергии упорядоченным радиоволновым переносом. Любопытны две ступени этого перехода: шум толпы выключается, затем толпа включается вновь, но уже единым хором. Мощность одиночного сигнала резко возрастает, а действие помех исчезает. Чем не намек на теоретическую возможность перейти от светового, неупорядоченного способа передачи на расстояние электромагнитной лучевой энергии к упорядоченному радиоволновому способу!
Вернемся на минуту снова к роману А. Н. Толстого. Можно ли серьезно видеть в фантастическом изобретении инженера Гарина пророческую мысль? Нет, нельзя, конечно. Если перевести на физический язык идею, лежащую в основе произведения Толстого, то это идея концентрации беспорядочной тепловой энергии раскаленных атомов; она бесперспективна. А та идея, которая заложена в современных квантовых генераторах и усилителях, основана совсем на другом физическом явлении: на
Она не имеет ничего общего с идеей «гиперболоида инженера Гарина».
Как же физикам удалось в конце концов решить полувековую задачу — построить генератор «бесшумного» света? Каким воздействием на атомы они заставили их испускать световые кванты, одинаковые по частоте и, как мы сейчас увидим, по направлению (что очень важно для концентрации и передачи больших количеств энергии)?
Проблемой № 1 на этом пути была проблема создания такой материальной среды — твердой, жидкой или газообразной, в которой возбужденные атомы количественно преобладали бы над невозбужденными. Почему? Да потому, что только возбужденные атомы способны излучать энергию. Невозбужденные же атомы, которые способны лишь поглощать энергию, являются, по меткому выражению советского физика Н. Г. Басова, «нахлебниками».
От них надо избавиться, но как? Дело это совсем нелегкое. Ведь каждое вещество состоит из возбужденных и невозбужденных атомов, и хотя число первых возрастает с нагреванием, но сколько бы мы ни поднимали температуру вещества, количество «нахлебников» всегда будет больше количества «рабочих», возбужденных атомов. Поэтому в обычных условиях все тела поглощают кванты, падающие на них извне. Если же тело не облучается, то накопленные им кванты под влиянием спонтанного излучения «высвечиваются» наружу и переходят в тепло.
Надо было как-то перехитрить природу: создать искусственно такую «активную среду», чтобы большинство ее атомов или молекул могло быть возбуждено.
Одно из первых предложений в этом направлении предусматривало создание активной среды в газах. «Почему бы, — задали себе вопрос физики, — не рассортировать газовые молекулы на две группы так, чтобы возбужденные молекулы собрались в узкий пучок, а невозбужденные отклонились бы в сторону?»
Потом появились предложения и в отношении твердой среды. Постепенно проблема № 1, при всей ее сложности, получила свое решение, причем не только принципиальное, но и чисто практическое.
Становилась на очередь проблема № 2: как использовать активную среду, как ее заставить с максимальной быстротой начать излучение? Речь шла о фантастической возможности «размножать» кванты.
Вот тут-то и была извлечена на свет полузабытая, высказанная мимоходом при исследовании другого явления идея Эйнштейна о существовании индуцированного излучения.
Уже в 1951 году три советских физика — В. А. Фабрикант, М. М. Вудынский и Ф. А. Бутаева — изложили в авторской заявке краткую теорию усиления света и радиоволн путем создания активной среды и получения индуцированного излучения. Условия, необходимые для прямого наблюдения такого излучения, Фабрикант сформулировал еще раньше, в 1940–1941 годах, в бытность свою учеником С. И. Вавилова. Но начавшаяся война прервала исследования и задержала создание квантового генератора. Это предложение прошло мимо внимания ученых.
В 1952 году одновременно в СССР (Н. Г. Басов и А. М. Прохоров) и в Америке (Ч. Таунс, Дж. Гордон, X. Цайгер и отдельно от них Дж. Вебер из Мерилендского университета) был предложен принцип генерации и усиления электромагнитного излучения в квантовых системах — принцип, основанный на создании активной среды и использовании индуцированного излучения.
В 1957–1958 годах советские ученые Н. Г. Басов, Б. М. Вул, Ю. М. Попов и их американские коллеги Ч. Таунс и А. Шавлов независимо друг от друга разработали принципы конструирования квантовых генераторов и усилителей в диапазоне видимого света.
В 1959 году профессора (ныне действительные члены АН СССР) Николай Геннадиевич Басов и Александр Михайлович Прохоров были удостоены Ленинской премии за разработку нового принципа генерации и усиления радиоволн (создание молекулярных генераторов и усилителей). А в 1964 году за эту же работу им была вручена высшая награда Западного мира — Нобелевская премия. Вместе с ними был награжден и американец Ч. Таунс.
С 1955 года развитие радиофизики пошло семимильными шагами, и квантовые приборы начали ставить рекорды во многих областях науки и техники. Например, был предложен метод, по которому можно построить часы небывалой точности: за десятки тысяч лет непрерывного хода они будут отставать или спешить менее чем на секунду.
Количество конструкций квантовых генераторов все множится, но принцип их работы в основном не изменяется. Описать его можно на примере рубинового генератора, построенного американским физиком Т. Майманом.
Искусственный рубин, который применяется в этом генераторе, представляет собой окись алюминия (корунд). Сам по себе корунд прозрачен. Столь характерный для рубина красный цвет обусловливается атомами хрома, которые в небольшом количестве замещают атомы алюминия и сильно поглощают зеленый
