Марк Перельман - Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы

• Название: Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы
• Автор: Марк Перельман
• Издательство: Книжный дом «ЛИБРОКОМ»
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2012
• ISBN: 978-5-397-02592-8

Все мы знакомы с открытиями, ставшими заметными вехами на пути понимания человеком законов окружающего мира: начиная с догадки Архимеда о величине силы, действующей на погруженное в жидкость тело, и заканчивая новейшими теориями скрытых размерностей пространства-времени.

Но как были сделаны эти открытия? Почему именно в свое время? Почему именно теми, кого мы сейчас считаем первооткрывателями? И что делать тому, кто хочет не только понять, как устроено все вокруг, но и узнать, каким путем человечество пришло к современной картине мира? Книга, которую вы держите в руках, поможет прикоснуться к тайне гениальных прозрений.

Рассказы «Наблюдения и озарения, или Как физики выявляют законы природы» написаны человеком неравнодушным, любящим и знающим физику, искренне восхищающимся ее красотой. Поэтому книга не просто захватывает — она позволяет почувствовать себя посвященными в великую тайну. Вместе с автором вы будете восхищаться красотой мироздания и удивляться неожиданным озарениям, которые помогли эту красоту раскрыть.

Первая часть книги, «От Аристотеля до Николы Теслы», расскажет о пути развития науки, начиная с утверждения Аристотеля «Природа не терпит пустоты» и эпициклов Птолемея, и до гелиоцентрической системы Коперника и Галилея и великих уравнений Максвелла. Читатель проделает этот огромный путь рука об руку с гениями, жившими задолго до нас.

«От кванта до темной материи» — вторая часть книги. Она рассказывает о вещах, которые мы не можем увидеть, не можем понять с точки зрения обыденной, бытовой ЛОГИКИ' о принципе относительности, замедлении времени, квантовании энергии, принципе неопределенности, черных дырах и темной материи. История загадочной, сложной и увлекательной современной физики раскроется перед читателем.

Итак, вперед — совершать открытия вместе с гениями!

---

Отметим, что Шокли проявил большую активность и после своих эпохальных успехов: ему принадлежат более 90 патентов в различных областях электроники (в том числе, в создании элементов магнитной памяти). Браттейн продолжал исследовать и улучшать параметры полевых транзисторов, которые очень чувствительны к поверхностным дефектам, и разрабатывать солнечные батареи. О работах Бардина по сверхпроводимости, принесших ему вторую нобелевскую премию, нужно рассказывать отдельно.

Заметим, что если переход от германия к кремнию позволил резко улучшить качество полупроводниковых приборов, то новый скачок может быть достигнут с переходом от кремния к углероду (взгляните на таблицу Менделеева — они в одном столбце!), но для этого нужно научиться получать дешевые промышленные алмазы, точнее — алмазные (не ювелирные!) пленки. Можно также усложнять вид полупроводниковых устройств — переходить к гетероструктурам, микроминиатюризовать их. Так что вся эта область остается предметом активных разработок.

Глава 3 Мазеры и лазеры

1. Изобретение мазера

Первые квантовые генераторы построили, одновременно и независимо, как мы уже говорили, Чарлз X. Таунс (р. 1915) в США и Александр Михайлович Прохоров (1916–2002) и Николай Геннадиевич Басов (1922–2000) в СССР. По-видимому, Прохоров и Басов сделали такое устройство чуть раньше, но из-за проволочек в редакции журнала их статья вышла несколько позже статьи Таунса (между собой они вопросы приоритета никогда не дискутировали). Поэтому мы постараемся параллельно рассмотреть пути, которые привели их к открытию.

Таунс в 1939–1947 гг. проводил исследования в знаменитых Лабораториях телефонной компании «Белл», где разрабатывал, главным образом, авиационный радар (радиолокатор) для прицельного бомбометания. Таким образом, он шел в физику от радиофизики, точнее, от радиотехники микроволн — электромагнитных волн сантиметрового и миллиметрового диапазонов[47].

Любопытно отметить, что Н.Г. Басов — по первому образованию ветеринар, так и прошел фронт в этой специальности, но после известий о ядерных взрывах решил стать физиком.

В то время в радиолокационных установках излучение генерировалось электронами, которые осциллировали (колебались) внутри металлических резонаторов и создавали стоячие волны между параллельными стенками резонатора. Поэтому длины волн излучения были кратны размерам резонатора и самая короткая достижимая длина волны была около 1 мм (частота —300000 МГц).

Еще занимаясь радарами, Таунс понял, что для них нельзя использовать все длины волн: молекулы воды в воздухе, например, интенсивно поглощают миллиметровые волны. Но отсюда следовало, что поглощение микроволн может служить основой для новой техники — микроволновой спектроскопии, позволяющей определять строение молекул.

А затем Таунсу пришла в голову идея: микроволны такого диапазона соответствуют разности энергий между некоторыми молекулярными уровнями. Значит, можно попробовать кардинально перестроить всю радарную технику — вместо того, чтобы возбуждать электроны в резонаторе, заставить молекулы прямо излучать нужные кванты.

Но ведь каждая молекула излучает, вообще говоря, сама по себе, а нужно получить мощный импульс. Как же заставить их излучать одновременно?

Давайте вспомним, как происходит процесс излучения. Электрон в атоме или молекуле может поглотить фотон, энергия которого равна разности между двумя уровнями, и подняться, в результате, на более высокий энергетический уровень — атом или молекула возбуждаются, т. е. приобретают избыточную энергию (правильнее, конечно, сказать, что в них на верхний уровень поднимается электрон). Через какое-то время после возбуждения (время высвечивания) они переходят на более низкий энергетический уровень спонтанным, случайным образом, выделяя энергию, равную разности между двумя уровнями, в виде фотона. В 1917 г. Альберт Эйнштейн, как мы уже говорили, доказал необходимость существования еще и индуцированного излучения, при котором возбужденные атомы или молекулы, под действием резонансных фотонов, немедленно возвращаются в основное состояние, испуская фотоны, неотличимые от тех, которые стимулировали этот возврат.

Но для того, чтобы получить мощный излучатель, надо собрать вместе много возбужденных молекул. Как сделать, чтобы они не начали излучать преждевременно? Таунс решает эту задачу и в декабре 1953 г. строит такую установку уже в Колумбийском университете. Этот прибор он называет «мазер» (аббревиатура английского выражения microwave amplification by stimulated emission of radiation — микроволновое усиление с помощью стимулированного излучения).

В первом мазере молекулы аммиака проходили через электрические поля специальной конфигурации, которые отталкивали молекулы находящиеся в основном состоянии и фокусировали возбужденные молекулы в резонансной полости. Когда в полости накапливалась достаточная концентрация возбужденных молекул, то небольшая порция излучения резонансной частоты (фотоны с энергией, равной разности между основным и возбужденным состояниями молекулы аммиака) вызывала лавинообразный рост индуцированного излучения, возбуждение еще большего числа молекул, находившихся в основном состоянии, и еще большее возрастание этого излучения. В результате получается мощный усилитель излучения на резонансной частоте (в случае аммиака — в микроволновом диапазоне).

Как при этом оказалось, частота мазеров настолько стабильна, что они могут служить высокоточными часами. С помощью двух мазеров Таунс и его коллеги проверили и подтвердили специальную теорию относительности Эйнштейна, причем эту проверку позже назвали наиболее точным физическим экспериментом в истории. А в радиоастрономии мазеры, усиливающие чрезвычайно слабые, ранее неизмеримые сигналы, позволили распознавать радиоисточники на огромных расстояниях от Земли.

Прохоров и Басов шли к построению молекулярного генератора (предложенное ими название, позже вытесненное словом мазер) несколько иным путем. Прохоров, до войны аспирант в Лаборатории колебаний Физического института АН СССР им. П. Н. Лебедева (ФИАН) в Москве, возвращается после двух ранений на фронте к работе с ламповыми генераторами. Но в 1947 г. его интересы перемещаются в микроволновую область, к так называемому синхротронному излучению вращающихся электронов, а затем к радиоспектроскопии. Он организует группу молодых исследователей, которые, используя радар и радиотехнику, разработанные главным образом в США и Англии во время и после Второй мировой войны, исследуют вращательные и колебательные спектры молекул.

Помимо чисто спектроскопических исследований, Прохоров проводит теоретический анализ применения микроволновых спектров поглощения для усовершенствования эталонов частоты и времени. Полученные выводы привели Прохорова и его молодого сотрудника Басова к идее использования индуцированного излучения.

Для своих опытов они избрали то же вещество, что и Таунс — аммиак, разница состояла лишь в деталях отделения возбужденных молекул от молекул, находящихся в основном состоянии. В 1964 г. Н. Г. Басов, А. М. Прохоров и У. Таунс разделили между собой Нобелевскую премию по физике.

2. Трехуровневая схема

Метод накопления возбужденных молекул, использованный в первых мазерах, был очень громоздок и мало эффективен. Нужно было придумать нечто иное. И новые схемы были, по-видимому, практически одновременно предложены несколькими исследователями.

В 1955 г. Прохоров и Басов предлагают новый «трехуровневый метод» создания мазера: атомы (или молекулы) с помощью «накачки», частота которой соответствует разности энергий между третьим и первым уровнями, загоняются на самый верхний уровень. Система уровней выбрана так, что электроны быстро сваливаются на второй, промежуточный энергетический уровень, который оказывается плотно заселенным.

Ну а далее мазер испускает излучение на частоте, соответствующей разности энергий между промежуточными и нижним уровнями. (Разделение частоты накачки и рабочей частоты сыграло большую роль в эволюции всех квантовых приборов.)

В 1956 г. Николас Бломберген (р. 1920, Нобелевская премия 1981 г.) предлагает отойти от использования только газовых сред как рабочего вещества и взять за основу при разработке мазеров принцип трех уровней в кристаллах.

В том же 1956 г. Таунс показывает, что такие трехуровневые системы можно найти в некоторых твердых кристаллах, содержащих примеси. Эти атомы, будучи возбуждены высокой частотой накачки, могут затем достаточно долго сохранять возбуждение на промежуточном, рабочем уровне, чтобы потом, когда их количество достигнет критического значения, разом под действием фотона резонансной частоты излучить накопленную энергию.