Владимир Келлер - Возвращение чародея

• Название: Возвращение чародея
• Автор: Владимир Келлер
• Издательство: Детская литература
• Жанр: Физика
• Год: 1970

Эта книга — увлекательный рассказ о научном познании окружающего мира. Она знакомит школьников 8–10-х классов с широким кругом вопросов классической и современной физики. Много интересного узнают ребята о законах механического движения, об энергии и ее источниках, о различных состояниях вещества, о законах движения в микромире и не решенных еще научных проблемах.

---

В 1914 году С. И. Вавилов окончил с отличием Московский университет, а после фронта, с начала 1918 года, сразу стал работать в Москве в Физическом институте, возглавляемом академиком П. П. Лазаревым.

Первые же достижения С. И. Вавилова были отмечены на конференции в Берлине в 1926 году, на «Олимпе» (в «обители богов») тогдашней физики. В присутствии Вавилова его работы расхвалили такие крупные физики, как Эйнштейн, Планк, Нернст, Лауэ и др.

Постепенно в С. И. Вавилове вырабатывалось убеждение, что настоящий ученый — это тот, в ком есть одновременно и Фауст и Вагнер, кто умеет сочетать в себе полет мысли и страсть Фауста с трезвым реализмом, даже иногда с «ремесленничеством» (то есть умением делать все своими руками) Вагнера.

Сейчас много говорят о предвидении будущего, в частности — будущих открытий. С. И. Вавилова можно смело считать одним из основоположников новой науки «футурологии» (от латинского «футурум» — «будущее»).

Выдающийся советский физик — один из близких соратников Вавилова — академик И. М. Франк, писал: «Во главу угла Вавилов ставил выяснение физической сущности явлений, исследование их механизма, и полагал, что открытия должны возникать именно на этом пути, хотя и могут быть неожиданными».

С. И. Вавилов умер в 1951 году, не только сделав сам много открытий, но и подготовив почву для научного планирования новых открытий (как президент Академии наук).

Вся наша послевоенная научная действительность — подтверждение правильности вавиловского подхода к подготовке открытий.

Мы не научились бы строить атомных электростанций, не полетели бы в космос, не сделали бы больших открытий в астрономии, математике, электронике, если б не научились по-вавиловски планировать науку.

В этом — главным образом в этом — заслуга Сергея Ивановича Вавилова — настоящего «фаустовского человека». Заслуга перед своей страной и перед всей наукой.

Рубиновая молния

Какое огромное практическое применение находят себе «невидимые» кванты и какие грандиозные перспективы они открывают перед человечеством, можно показать на примере одного из самых больших достижений современной науки и техники — квантовых генераторов и усилителей.

Вдохновенный исследователь света Сергей Иванович Вавилов не скрывал своего восхищения той областью оптики, которая имеет дело с предельно малыми световыми потоками и изучает процессы, протекающие в ничтожные отрезки времени. Он назвал эту область микрооптикой и показал, что она существенно отличается от макрооптики — оптики значительных световых мощностей, длительных времен наблюдения и больших по размерам источников излучения.

«За макрооптикой, — писал он в своей последней большой работе „Микроструктура света“, — скрывается микрооптика, отличающаяся от первой в некоторых отношениях так же, как термодинамическое учение о веществе отличается от его молекулярной теории».

Вавилов ожидал от нового раздела оптики большой практической отдачи. Эти ожидания сбылись, особенно на тех направлениях, где микрооптика вступила в союз с другими науками или с техникой. Блестящий пример — успехи того детища квантовой механики (теоретической основы микрооптики) и радиотехники, которое в последние годы чаще всего называют квантовой радиотехникой. Эта новая наука позволила создать поистине чудесный физический прибор. У нас он называется, как мы сказали, обычно квантовым генератором и усилителем, а в странах Запада — «мазером», по начальным буквам английских слов: «microwave amplification by stimulated emission of radiation» — усиление очень коротких волн (подразумеваются электромагнитные волны) путем вынужденного излучения. Говорят также часто «лазер» или «оптический мазер», имея в виду только световые электромагнитные волны («light amplification by stimulated emission of radiation»).

Появились первые квантовые генераторы недавно. Однако уже стало чуть ли не традицией начинать рассказ о них с эпизодов из фантастического романа А. Н. Толстого «Гиперболоид инженера Гарина». Герой этого романа уничтожает бронированные корабли при помощи чрезвычайно тонкого, нерасходящегося луча света невероятной мощности. Плотность энергии в луче настолько велика, что корабли на расстоянии нескольких километров разрезаются светом с такой же легкостью, как режется горячим ножом ломтик масла. Сославшись на роман Толстого, обычно добавляют, что современные квантовые генераторы и усилители в некотором смысле напоминают «гиперболоид инженера Гарина»: они также дают остронаправленный пучок интенсивного света, способный перенести в пространство огромную энергию.

Правда, мощность реального пучка много меньше той, что показывается в романе. Наибольший разрушительный эффект, который удается сейчас получить, — это пробить на небольшом расстоянии от квантового генератора пакет из десяти бритвенных лезвий. Но если лабораторный прибор уже сегодня способен вызвать заметный разрушительный эффект, то почему бы не допустить, что возможности техники и науки завтрашнего дня позволят специалистам послать в пространство луч такой же интенсивности, как в произведении Толстого? И все же есть существенные обстоятельства, говорящие против аналогии.

Писатель имел в виду концентрацию в пространстве обычных световых волн, испускаемых горячим источником. Но из таких лучей, как показал профессор Г. Г. Слюсарев, принципиально невозможно создать пучок, способный произвести существенное разрушающее действие: пучок обязательно будет размазан в пространстве. Это качественное обстоятельство. Есть и количественное.

Простой расчет показывает, что для того чтобы обычным лучом света (как у Толстого) проколоть такую же пластинку, какую пробивает мазер, температура источника должна быть доведена до 10 миллиардов градусов. А ведь это в полтора миллиона раз горячее Солнца!

Какое же бессчетное количество солнц должно быть сконцентрировано в «гиперболоиде», чтобы, собрав их лучи, разрезáть настоящие корабли!

Как выясняется, создавать высокие плотности лучистой энергии в пространстве можно, только не средствами макрооптики, как в романе А. Н. Толстого, а средствами микрооптики, в возможности которой так верил С. И. Вавилов.

Если к мазеру подходить как к мирному орудию, здесь ясно вырисовываются заманчивые перспективы. Самые невероятные на первый взгляд идеи перестают казаться несбыточными, как только выясняется, что для их реализации можно применить устройства квантовой радиофизики.

Вот примеры.

В 1958 году американцам удалось принять отраженный сигнал радиолокатора, посланный к Венере на волне длиной 3 сантиметра. Немного времени спустя такой опыт и еще успешнее — с более мощным сигналом — был проведен советскими учеными.

Чтобы ясно представить себе значение этого события, надо вспомнить одно соотношение. Оно гласит, что плотность энергии отраженного луча, принимаемого локатором, убывает по сравнению с плотностью энергии первоначального луча пропорционально четвертой степени расстояния от цели. Шофер, читающий письмо при отраженном от стены свете фар своей машины, вряд ли разглядит хотя бы букву, если отъедет от стены вдвое дальше, чем вначале: в кабине станет в 16 раз темнее.

Применив это соотношение для вычисления мощности луча, вернувшегося на Землю после отражения от Венеры, получим потрясающе малую величину. По подсчетам зарубежных авторов, относящимся к американскому опыту, отраженный от Венеры космический радиосигнал попал в приемное устройство, имея мощность всего лишь в одну миллиардную часть миллиардной доли одной миллиардной ватта (в числах это выражается единицей, деленной на единицу с двадцатью семью нулями).

И тем не менее сигнал был принят! Его усилил, сделал явственным квантовый усилитель, работающий в радиодиапазоне.

Позднее с помощью аналогичного усилителя успешно принимались сигналы с космических ракет, удалившихся от Земли на многие миллионы километров.

Наряду с мазерами, радиоволновыми генераторами и усилителями все активнее включаются в человеческую жизнь, становятся надежными помощниками специалистов и оптические квантовые генераторы и усилители — лазеры.

Очень скоро выяснились их мирные возможности. Например, во Франции они нашли применение в глазной хирургии для прижигания кровоизлияний в сетчатой оболочке глаза. Такая операция длится всего несколько микросекунд вместо одной без малого секунды, как раньше. Прежний срок являлся слишком большим, так как при этом нагревались и соседние, здоровые части сетчатки.

В оптических генераторах длины используемых электромагнитных волн сократились с сантиметров до десятитысячных долей миллиметра, и «радиосигнал», предназначенный для усиления, засветился: он перешел из радиодиапазона в область видимого света.