В океане энергии

Откуда вообще берутся световые лучи? Чем объясняются законы их преломления и отражения? Причиной появления света всегда являются электроны, входящие в состав атомов и молекул. Вы знаете, что ядра и электроны в атомах связываются между собой электромагнитными полями, образуя сложную систему. Система эта обладает запасом энергии, складывающимся в основном (если не считать внутриядерной энергии) из энергий отдельных электронов. Энергия электрона в основном сосредоточена в его электромагнитном поле. Поля отдельных электронов складываются, значит, складываются и их энергии. Поэтому правильнее говорить, что энергией обладает весь атом, точнее, его электромагнитное поле, хотя при различных расчетах иногда удобнее учитывать вклад каждого электрона по отдельности.

В чем состоит главное свойство атома? Его энергия квантуется. Она не может быть любой, а всякий раз принимает одно из некоторых значений — уровней. Значение энергии определяет состояние атома. Все это справедливо и для молекул, но молекулы — системы более сложные, они могут принимать больше различных состояний, а правила, по которым определяют, какие состояния возможны, а какие нет, гораздо мудренее.

Большую часть времени атом проводит на основном уровне. Существуют возбужденные уровни, на которых энергия электрона больше, чем на основном. Переход атома из основного состояния в возбужденное происходит под воздействием какой-либо внешней причины. Напротив, из возбужденного состояния в основное атом может перейти сам по себе. При переходе с одного из возбужденных уровней на основной или вообще с высшего на низший уровень энергия атома уменьшается. Но конечно, она не исчезает бесследно. Энергия либо передается соседним атомам, либо выделяется в форме кванта электромагнитных колебаний. Энергия этого кванта равна разности энергий атома до и после перехода. Такую порцию электромагнитных колебаний называют фотоном. Частота колебаний фотона пропорциональна энергии. Это еще один из фундаментальных законов нашего мира. Значит, надо атом сначала перевести на возбужденный уровень, а затем он уже сам перейдет на основной с излучением кванта электромагнитных колебаний.

Как перевести атом в состояние с большей энергией (на более высокий уровень)? Есть много разных способов. Можно сообщить атомам тепловую энергию, как в керосиновой или электрической лампах, можно воздействовать на них электронами (экран телевизора), световыми квантами (светящиеся краски). Атомам можно передать энергию, выделяющуюся при протекании химической реакции (светлячок) и многими другими способами. Выждав некоторое время, атом сам по себе (спонтанно) возвращается на один из более низких уровней и излучает фотон. Такой фотон необязательно является фотоном видимого света, но это уже детали. Важно, что энергия фотона всегда равна разности энергии атома до и после перехода.

Каждый фотон вылетает в определенном направлении и уносит с собой не только порцию энергии, но и порцию количества движения, или импульс. Импульсы, так же, как и энергия, подчиняются законам сохранения, поэтому атом, испустивший фотон, обязательно приобретает дополнительный импульс (так называемый импульс отдачи), равный по величине и противоположный по направлению импульсу испущенного фотона. Все происходит как при выстреле из ружья, которое «отдает» в плечо. При спонтанном излучении направление, в котором испускается фотон, совершенно случайно. Именно поэтому в подавляющем большинстве случаев свет излучается источником во все стороны. Поскольку направления случайные, нет никаких оснований к тому, чтобы в каком-то одном направлении или вообще в какую-то сторону излучалось больше или меньше фотонов.

Эстафета

При спонтанных переходах нельзя предсказать заранее ни момент времени, когда атому вздумается перейти с более высокого энергетического уровня на более низкий, ни направление, в котором будет излучен фотон. Но кроме спонтанных переходов, возможны также вынужденные переходы. Представьте себе, как команды легкоатлетов соревнуются в эстафетном беге. Вот бегун е палочкой в руках приближается к границе этапа. Его товарищ по команде, ожидающий своей очереди, сначала совершает какие-то не совсем понятные движения, потом разбегается и почти на самой линии палочка переходит из рук в руки. Примерно то же самое происходит, когда поблизости от атома, находящегося в возбужденном состоянии, пролетает фотон, впрочем, не любой фотон, а такой, энергия которого почти в точности равна разности между энергиями возбужденного и более низкого состояний атома.

Фотон — порция электромагнитного излучения, и нет ничего необычного в том, что возбужденный атом «чувствует» его приближение заранее. Он «настраивается» определенным образом (вспомните радиоприемник). А каков результат? Под воздействием пролетающего мимо фотона возбужденный атом переходит на более низкий энергетический уровень и, в свою очередь, излучает фотон. Но не зря атом настраивался. У двух фотонов, пролетающего и излученного, одинаковыми оказываются не только энергии, а значит, и частоты, но и импульсы. Оба фотона летят строго в одном и том же направлении, как бегуны в эстафете.

Но и это еще не все. Оказывается, колебания пролетавшего фотона и колебания вновь образованного фотона совершаются в одной фазе. Что это значит? У двух волн в один и тот же момент — гребень и в один и тот же момент ->— впадина. Если теперь каждый из пары фотонов встретит по возбужденному атому, то произойдут два вынужденных перехода. Фотонов станет четыре. Затем, их может стать восемь, шестнадцать и т.д. Все они имеют строго одинаковые значения энергии, одинаковые фазы и одинаковые импульсы, т. е. движутся как солдаты на параде в ногу и в одном направлении.

Фотоны, образовавшиеся в результате последовательных актов вынужденного излучения, образуют строго параллельный световой пучок, причем у всех фотонов пучка энергия одна и та же, а значит, одна и та же частота или, проще говоря, один и тот же цвет Такой световой пучок называют монохроматическим. Кроме того, электромагнитные колебания у всех фотонов совершаются в одной и той же фазе. Такой световой пучок называют когерентным.

Так что же, образовать строго параллельный да к тому же еще когерентный световой пучок совсем просто? Получается, что нужно лишь располагать веществом, часть атомов которого находится в возбужденном состоянии, а потом подействовать на это вещество одним-един-ственным фотоном с нужной энергией. Чем. больший

путь пройдет фотон в веществе, тем больше образуется вторичных фотонов, тем соответственно большей оказывается мощность светового пучка. Кажется, это не слишком сложно? Беда в том, что акты вынужденного излучения — не единственное, что может натворить фотон, пролетая в веществе.

Если на пути фотона встречается атом, находящийся в основном состоянии, он заимствует энергию фотона, проще говоря, поглощает фотон и переходит в возбужденное состояние. Фотон при этом исчезает. Подобное явление так и называется поглощением. Акты вынужденного излучения и поглощения совершаются одинаково охотно, т. е. с одинаковой вероятностью. Законы вынужденного излучения и поглощения фотонов сформулировал Альберт Эйнштейн.

Что происходит в веществе на самом деле, зависит от того, каких атомов больше — возбужденных или находящихся в основном состоянии. Любой фотон, имеющий нужное значение энергии, с равной вероятностью либо послужит причиной вынужденного излучения (тогда фотонов станет два), либо окажется поглощенным (тогда не останется ни одного фотона). Если, возбужденные атомы преобладают, соответственно преобладают и акты вынужденного излучения. Вещество ведет себя как источник параллельного когерентного светового луча. А если больше атомов находится в основном состоянии? Акты поглощения преобладают над актами излучения. Вещество поглощает световые лучи, или, как мы говорим, оказывается непрозрачным.

Население электронного дома

Передавая энергию веществу, можно образовать в нем сколько угодно возбужденных атомов. Можно загонять атомы на сколь угодно высокие энергетические уровни. Но природа ленива — всякая физическая система стремится принять такое состояние, в котором ее собственная энергия минимальна. Это один из фундаментальных законов природы. Как бы вы ни нагревали вещество, количество атомов на более низком энергетическом уровне, не обязательно основном, всегда преобладает над количеством атомов, находящихся на более высоком энергетическом уровне.

Число атомов, находящихся в данном состоянии (на данном энергетическом уровне), называют населенностью этого уровня. Представьте себе, что в электронном доме на каждом этаже сделаны полки, стелажи, как в библиотеке. Электроны располагаются по этим полкам. Если бы вам поручили расставить по полкам книги, причем сказали, что, мол, расставьте их в любом порядке, как вы поступили бы? Конечно, сначала набили нижние полки, а потом, когда внизу все заполнилось, взбираясь по стремянке, стали бы заполнять верхние полки.

Точно так же поступает и природа. Чем ниже энергетический уровень, тем больше на нем электронов. Повышается температура — электроны перебираются на более высокие уровни (на более высокий этаж), но снова на нижних полках электронов больше, чем на верхних. В равновесном состоянии (это очень важное уточнение) на более низкой энергетической полке электронов всегда больше, чем на более высокой. Это важнейшее обстоятельство известно как распределение Больцмана.

Распределению Больцмана подчиняются не только атомы и молекулы, но любые объекты, обладающие энергией, способные взаимодействовать между собой и передавать друг другу часть своей энергии. То же самое произойдет, если вы насыпете в банку много стальных шариков и потрясете ее. Чем больше энергия шарика, тем чаще сталкивается он с другими шариками, тем «охотнее» делится с ними своей энергией. В результате большая часть шариков в банке обладает некоторой более низкой энергией.

Возьмите стержень из любого материала и поднесите один его конец к пламени горелки. В первый момент в части стержня, соприкасающейся с пламенем, образуется много «энергичных» атомов. Они сразу начинают взаимодействовать, передавая энергию другим атомам до тех пор, пока вдоль всего стержня не установится одинаковая температура, т. е. пока все атомы стержня не подчинятся распределению Больцмана.

Если изолированная система, состоящая из многих объектов, подчиняется распределению Больцмана, говорят, что она находится в состоянии равновесия. Как вывести систему из равновесия, нарушить распределение Больцмана? Подействуйте на нее извне. Но и в этом случае распределение Больцмана скоро восстановится, как у нагреваемого стержня. Система придет в равновесие, если угодно, приспособится к новым условиям.

Развивая аналогию с электронным домом, можно представить себе, что где-то случилось нечто интересное и жильцы устремляются наверх, чтобы посмотреть. Но любопытство скоро проходит, и на первом этаже их снова будет больше, чем на втором, на втором — больше, чем на третьем, на третьем — больше, чем на четвертом и т. д. Природа ленива — с этим ничего не поделаешь.

Вещество наоборот

Теперь осветите какое-нибудь вещество лучом света — направьте на него пучок фотонов. Если энергия фотонов не совпадает ни с какой разностью между двумя энергетическими уровнями, фотоны проходят сквозь вещество, не взаимодействуя с его атомами,— вещество прозрачно. А если энергия фотона оказывается достаточно близкой хотя бы к одной разности между двумя энергетическими уровнями, тогда происходят акты вынужденного излучения и акты поглощения, но поскольку менее энергичных электронов больше, актов поглощения также больше, и все фотоны рано или поздно оказываются поглощенными. Вещество непрозрачно.

Все это относится к веществу в его равновесном состоянии, к веществу, предоставленному самому себе. Наши аналогии помогли сформулировать задачу, которая известна в физике как задача получения вещества с инверсией населенностей, т. е. вещества, у которого количество жильцов верхних этажей электронного дома преобладает над количеством жильцов нижних этажей. Удачный литературный образ превратился со временем в строгий научный термин.

Как получить вещество с инверсией населенностей, иначе, активное вещество? Эта задача имеет даже не одно, не два, а множество решений. Простейшее состоит в механическом разделении возбужденных и невозбужденных атомов или молекул. Его нельзя признать самым удачным, но оно интересно тем, что привлекает то самое свойство ленивости природы, которому оно, казалось бы, должно противодействовать.

Давайте, однако, по порядку. Пусть вещество, в котором вы хотите создать инверсию населенностей, представляет собой газ, находящийся в обычных условиях. В таком газе всегда есть много возбужденных молекул и всегда количество молекул на более низких энергетических уровнях преобладает над количеством молекул на более высоких энергетических уровнях. С помощью насоса образуйте газовую струю и пропустите ее через сильно неоднородное электрическое поле. Электрическое поле называют неоднородным, если значения его напряженности в различных точках пространства отличаются друг от друга. Любой электрон, обладая электрическим зарядом, взаимодействует с электрическим полем — на электрон в электрическом поле действует сила, равная произведению заряда электрона и напряженности поля. А раз на электрон действует сила, значит, он приобретает дополнительную порцию энергии.

И вот тут наблюдается интересное явление, получившее название эффекта Штарка. Внешнее электрическое поле либо притормаживает электрон, уменьшая его полную энергию, либо, наоборот, подхлестывает его, увеличивая энергию. Соответственно увеличивается или уменьшается энергия всего атома. От чего это зависнт? От уровня, на котором находился атом или молекула. Один и тот же атом (молекула), находясь в одном состоянии, увеличивает свою энергию во внешнем электрическом поле, а находясь в другом состоянии, уменьшает свою энергию. То же самое происходит и во внешнем магнитном поле.

Эффект Штарка дает нам возможность потягаться с природой, пользуясь ее же оружием. Каждая физическая система стремится занять состояние, в котором ее собственная энергия минимальна. Что это означает применительно к нашему случаю? Каждый атом стремится занять такое положение в пространстве, где его полная энергия минимальна. Поле неоднородно, и различным точкам пространства соответствуют различные значения напряженности. Атомы (молекулы), чья энергия увеличивается во внешнем поле, устремятся туда, где поле поменьше, а атомы (молекулы), чья энергия уменьшается во внешнем поле,— туда, где поле посильнее. Это одни и те же атомы, но находящиеся в разных состояниях.

Вот и получается, что газовая струя разбивается на несколько отдельных струек, причем в каждую струйку попадают атомы с одинаковыми значениями энергии (находящиеся в одинаковых состояниях). Все возбужденные атомы оказываются сосредоточенными в одной и той же струе. Такой метод получения инверсии населенностей получил название метода механического разделения.

Теперь дело за малым. Направьте струю в воронку и соберите газ в какой-нибудь резервуар. Вещество с инверсией населенностей получено. Дальше все происходит само собой. Хотя бы в одном из атомов случается спонтанный переход, и возникающий при этом фотон служит причиной многих вынужденных переходов, т. е. образования когерентного светового пучка. Вещество с инверсией населенностей излучает одну или несколько последовательных световых вспышек до тех пор, пока большая часть атомов не переходит в основное состояние или пока в веществе не установится нормальная населенность (равновесное состояние).

Совсем не обязательно ждать, пока в одном из атомов произойдет спонтанный переход. Можно направить в сосуд, содержащий вещество с инверсией населенностей (его называют активным веществом), несколько фотонов. Направите немного фотонов, а получите, во всяком случае в первые моменты времени, гораздо больше. Пользуясь повседневным языком, направите в сосуд с активным веществом слабенький световой луч — получите сильный. Это и есть не что иное, как эффект усиления.

Мазер, отец лазера

Только что описанный метод положен в основу конструкции первого мазера. Слово «мазер» представляет собой последовательность первых букв слов английской фразы, которая в переводе на русский язык обозначает «усиление микроволн за счет вынужденного излучения». Что такое вынужденное излучение, вы уже знаете. Как за счет вынужденного излучения можно усиливать, тоже знаете. Неясно только, почему микроволны? Потому что усилитель, использующий активное вещество, впервые был построен именно для микроволн, т. е. для квантов, энергия и частота которых значительно ниже, чем энергия и частота квантов, относящихся к диапазону видимых световых лучей. Активное вещество мазеров усиливало пучки излучений, относящихся к диапазону сантиметровых радиоволн.

Изобретение способов получения активного вещества послужило началом целой цепи сложных задач. Лишь тот, кто никогда не сталкивался с инженерным творчеством, может полагать, что установление нового физического принципа сразу открывает дорогу к появлению множества физических приборов, работающих на основе этого принципа. Скорее наоборот, открытие некоего физического принципа кладет начало новым трудностям. Именно так обстояло дело и в той области науки и техники, становление которой связано с открытием метода получения и использования активных веществ и которая в дальнейшем получила название квантовой электроники.

Какие трудности? Разберемся хотя бы в самых главных из них. Перед вами сосуд со свежеполученным активным веществом. Пусть по-прежнему это газ, в котором инверсия населенностей получена методом механического разделения. Итак, сосуд, заполнен атомами, большая часть которых находится в возбужденном состоянии. Не дожидаясь милостей от природы — в нашем случае спонтанного излучения,— запускаем туда фотон и... Да, действительно, получаем несколько актов вынужденного излучения, а следовательно, несколько фотонов, составляющих вместе с первоначально запущенным когерентный световой пучок. Но... Вот тут-то начинается целая серия «но».

Во-первых, чтобы полученный таким образом пучок фотонов вызвал сколь-либо заметный эффект, фотонов в нем должно быть очень много — миллиарды миллиардов. Что это значит? Фотоны должны пройти в активном веществе довольно большое расстояние. Подсчеты показывают, что такое расстояние измеряется десятками метров. Попробуйте заполнить активным газом трубку длиной 10 м при условии, что газ сильно разреженный (ведь в трубку попадает малая часть исходной газовой струи). Кроме того, имейте в виду, что вынужденно излучают только атомы, расположенные на пути фотонов, остальные излучают спонтанно, и каждое такое излучение кладет начало самостоятельному пучку фотонов, направленному в другую сторону и не когерентному с исходным. Каков результат? Если объем с активным веществом излучает, это излучение направлено во все стороны и не когерентно. Похоже, что усилия затрачены впустую.

Первую трудность довольно легко преодолеть. Возьмите сравнительно короткий отрезок трубки, заполненной активным веществом, и по торцам ее, строго параллельно друг другу, расположите два зеркала. Если фотон-инициатор на своем пути от левого торца трубки до правого породил, скажем, сто подобных себе когерентных фотонов, то, достигнув правого торца, эти сто фотонов отражаются от зеркала и отправляются в обратный путь. На обратном пути каждый из них порождает еще сто фотонов. Десять тысяч фотонов отражаются от левого зеркала и т. д. Процесс происходит до тех пор, пока вещество остается активным, т. е. пока в нем еще имеет место инверсия населенностей.

Усиление происходит непрерывно, если в трубку постоянно подкачивать свежее активное вещество. В процессе участвуют фотоны, направление движения которых совпадает с осью трубки. Фотон, направление движения которого хоть чуть-чуть отклоняется от оси трубки, после двух-трех отражений выходит за пределы трубки и не «портит* активное вещество. Полученный в результате параллельный когерентный пучок фотонов можно вывести за пределы трубки, сделав одно из зеркал полупрозрачным.

С первой трудностью вы справились. Но как получить монохроматический пучок, т. е. пучок, все фотоны которого имеют строго одинаковую энергию, а значит, строго одинаковую частоту? Так могло бы быть, если бы у всех атомов и молекул разности между двумя соответствующими энергетическими уровнями имели строго одинаковое значение. На самом деле так не бывает. Энергетические уровни в атомах и молекулах имеют конечную ширину, или тонкую структуру. Объясняется это множеством причин. Например, электрон, состояние которого считается соответствующим данному энергетическому уровню, а спин направлен, скажем, справа налево, на самом деле обладает энергией, слегка отличающейся от энергии электрона, находящегося в точно таких же условиях, но имеющего спин, направленный слева направо. Возможны и другие эффекты.

Атомы в газе находятся в постоянном движении. Если в каком-то атоме происходит вынужденный переход, частота излученного кванта равна некоторой величине, определяемой разностью энергетических уровней, между которыми произошел переход, плюс-минус скорость движения атома. Это так называемый линейный эффект Доплера. Плюс берется, когда атом движется в ту же сторону, ^ что и излученный фотон. В противном случае берется знак минус. Если скорость движения атома или электронов внутри атома сравнима со скоростью света, они живут в собственном времени в соответствии с соотношениями теории относительности. Снова поправка, известная как квадратичный эффект Доплера. Если атомов в активном веществе немного, пучок фотонов получается маломощным. Однако взяв побольше атомов, вы столкнетесь с их влиянием друг на друга, а это снова послужит причиной изменения частоты отдельных фотонов.

Который час?

Попытаемся оценить, насколько серьезны отклонения от монохроматичности. Знаете ли вы, что одним из первых практических применений мазеров стало использование их в качестве атомных часов? До 1957 года самыми точными часами в мире считалась наша старушка Земля, причем учитывалось ее вращение вокруг собственной оси. Развитие науки и техники потребовало часов более точных. С 1957 по 1967 год для точного измерения промежутков времени стали использовать движение Земли по орбите вокруг Солнца. Погрешность таких часов составляла 10-8, т. е. относительная погрешность измерения времени равнялась одной миллионной доле процента.

В 1967 году впервые появились часы, где роль маятника играли атомы цезия-133. Точнее, использовались кванты, излучаемые при переходе электронов между двумя определенными уровнями сверхтонкой структуры основного состояния этих атомов. И здесь удалось перехитрить природу. Вместо того чтобы использовать переходы между возбужденным и основным или двумя возбужденными состояниями, решили использовать переходы внутри одного и того же состояния. Это позволило избежать ошибки, связанной с размытостью отдельных энергетических уровней.

Каков результат? Погрешность цезиевых часов определяется величиной порядка 10~и, т. е. относительной погрешностью в одну миллиардную долю процента. Что же касается Земли, то из эталона времени она превратилась в объект для проверок. И не зря. Оказалось, что часы Земля не так уж точны. Они «ходят» в тысячу раз хуже цезиевого эталона.

Начиная с 1967 года секундой стали называть интервал времени, в течение которого совершается 9 192 631 77Q колебаний в цезиевых часах. Аналогичным образом изменилось и определение единицы длины — метра. Теперь метр — это расстояние, которое проходит свет в вакууме за 1/299 792 458 долю секунды.

Вы, вероятно, полагаете, что по крайней мере одну из множества задач, стоящих перед квантовой электроникой, наконец-то удалось решить до конца? Ничего подобного! 1967 год как раз и следует считать годом начала яростной борьбы за точность.

Вперед и выше

Если на расстоянии между зеркалами мазера укладывается целое число длин волн усиливаемого излучения, то возникает эффект дополнительного усиления. Из множества фотонов почти с равными частотами, а значит, и длинами волн выделяются те, длина волны которых целое число раз укладывается в промежутке между зеркалами. Что делать, если расстояние между зеркалами изменилось, например, при колебаниях температуры? Ничего, в таком случае вводится в действие система автоматического регулирования расстояния. Много и других усовершенствований позволило на сегодня достигнуть точности атомных часов порядка 5-Ю-14, т.е. за 700 ООО лет непрерывной работы в атомных часах накопится ошибка не более чем в 1 с. Это не предел, а очередной достигнутый рубеж.

Зачем нужна такая фантастическая точность? Нет ли здесь погони за чисто спортивными рекордами? Ничего подобного. По словам академика Н. Г. Басова, лауреата Нобелевской премии, «точные измерения длины времени и частоты важны не только для практики, но и для фундаментальной науки. Они открывают возможность проведения прецизионных экспериментов, в том числе по проверке физических теорий, предсказывающих очень слабый эффект. К подобным теориям, в частности, относится общая теория относительности. Сегодня ее следствия проверены с погрешностью около 1%, что само по себе представляет выдающееся достижение».

Пользуясь высокостабильными стандартами частоты, можно более точно определить многие мировые константы. Например, сравнить два квантовых перехода, имеющих различную природу. Это дает информацию о величине постоянной тонкой структуры, об отношении магнитного момента протона к его спиновому моменту, об отношении масс электрона и нуклона. Длительное непрерывное сравнение двух таких частот помогло бы решить вопрос, поставленный еще в 30-е годы Полем Дираком и до сих пор не нашедший ответа: постоянны ли мировые константы: заряд и масса электрона, постоянная Планка, гравитационная постоянная, или они медленно меняются с развитием Вселенной?

Вот еще один из непреложных законов развития науки: открытие в одной достаточно узкой области немедленно используется в других областях, позволяет продвинуть их, а достигнутый прогресс тут же кладется в основу новых исследований.

В поход за мощностью

Мощность фотонных пучков в газовых мазерах, используемых в качестве атомных часов, столь же мала, сколь велика точность этих часов. Это вполне объяснимо. С самого начала следует брать достаточно разреженный газ, чтобы по возможности исключить взаимное влияние одних атомов на другие. А дальше производится последовательный отбор. Сначала из общего числа атомов отбираются возбужденные. Затем из общего числа фотонов, получаемых в результате вынужденного излучения, отбираются те, частота которых близка к заданной. Получаемый в результате пучок фотонов содержит в буквальном смысле слова несколько фотонов в секунду — и вполне достаточно. Ведь задача — получить частоту колебаний с весьма высокой точностью. Дальнейшее усиление (без изменения частоты) осуществляется чисто радиотехническими методами.

К этой проблеме можно подойти и с другой стороны. Один моль любого вещества содержит примерно 6-1023 атомов (число Авогадро), масса одного моля цезия составляет 133 г. Предположим, что в исходном потоке выделяется 1 мг паров цезия в 1 с. Этому соответствует поток, содержащий примерно 45-1017 атомов в 1 с. Дальше в результате механического разделения выделяется одна стотысячная доля этих атомов, всего 45-1012 возбужденных атомов в 1 с. Предположим, хотя, вообще говоря, это далеко от действительности, во всех этих атомах совершаются вынужденные переходы с образованием соответствующих фотонов. Энергия фотона в микроволновом диапазоне, т. е. при частотах порядка 1010 Гц составляет примерно Ю-4 эВ, или 1,6-Ю-16 эрг. Какова максимальная мощность, которую можно получить от газового мазера? Примерно 7- 10~3 эрг/с. Что и говорить, очень мало.

Проведем другой расчет. В качестве активного вещества берем не цезий, а кремний. Причем имеется образец массой 1 г. В подобном образце содержится примерно 4-Ю22 атомов. Пусть.как и в предыдущем случае, удается выделить одну стотысячную из общего числа, т.е. 4-1017 атомов. Предположим, что все эти атомы испытывают вынужденные переходы, причем образуются фотоны видимого света с энергией порядка 5 эВ, или 8-10~12 эрг. В результате выделяется мощность 32-•105 эрг. Поскольку в твердом теле атомы расположены очень близко друг к другу, то, как говорят, полное высвечивание всех возбужденных атомов произойдет быстро, скажем, за 10~6 с. В результате получается мощность порядка 32-1011 эрг, т.е. 8-104Дж/с, или 40 кВт. Такая мощность развивается кусочком вещества массой всего 1 г!

Все это можно было предвидеть. По самой сути рассматриваемого эффекта при каждом вынужденном переходе атома из одного энергетического состояния в другое образуется один фотон со строго определенной энергией. Полная энергия, выделяемая мазером, зависит от количества атомов, совершающих вынужденные переходы, а оно, в свою очередь, при прочих равных условиях зависит от плотности вещества. Значит, мазеры на основе твердого тела должны быть мощнее, чем газовые?

Три уровня

Но вот тут-то и возникает одно очень важное обстоятельство. Пока нам известен единственный способ создания инверсии населенностей. Общий запас энергии, накопленный веществом, складывается из запасов энергии отдельных атомов. Именно такой запас имеют в виду, когда говорят, что атом находится в данном энергетическом состоянии. Чем выше полная энергия вещества, тем больше энергии в среднем приходится на один атом. Если нагревать вещество, подвергать его воздействию электрических разрядов, заставлять несколько веществ вступать в химические реакции или любым другим способом повышать общий запас энергии, то повышается и средняя энергия, приходящаяся на один атом. Ведь температура есть не что иное, как величина, пропорциональная средней энергии одной частицы — молекулы, атома или электрона.

Но как бы ни была велика средняя энергия, приходящаяся на одну частицу, если выделить два каких-то значения энергии, вероятность для частицы принимать состояние с более низким значением энергии, если оно вообще возможно, всегда выше, чем вероятность принимать состояние с более высоким значением. А коли так, то среди возможных уровней энергии более населенными оказываются те, которые характеризуются меньшими значениями энергии. Или, проще говоря, частиц с меньшей энергией всегда больше, чем частиц с большей энергией.

«Ленивость» природы — одно из фундаментальных ее свойств, поэтому с самого начала мы даже не мечтали как-то изменить распределение частиц по энергии. Мы сразу пошли по пути механического разделения, т. е. из общего количества атомов отбирали те, которые в данный момент характеризуются состоянием с высокой энергией. Ну а как быть, если надо построить мазер на твердом теле? Ведь твердое — оно на то и твердое, что его нельзя разделять на отдельные частицы. А закон природы на то и закон, что его нельзя нарушать.

Поступим так. Среди всех возможных для одного какого-нибудь атома уровней энергии выделим два. Уровень 1—это уровень, соответствующий основному состоянию атома, а уровень 2 — возбужденному состоянию. Если долго наблюдать за одним атомом, то рано или поздно можно увидеть, что он переходит в возбужденное состояние. Однако в силу того же закона природы возбужденное состояние не является естественным состоянием атома и независимо от того, есть на то внешняя причина или нет, он возвращается в основное состояние, испустив при этом квант энергии.

Но произойдет это не сразу. Атом находится в возбужденном состоянии довольно долго, конечно, по атомным масштабам, в среднем от Ю-6 до Ю-3 с. Ему надо как бы набраться решимости, перед тем как соскочить вниз. Возбужденные состояния принято называть метастабильными, что в переводе на разговорный язык; означает «вроде как бы устойчивые». Какова бы ни была полная энергия вещества, в любой момент времени определенное число его атомов всегда находится в ме-тастабильном состоянии. Достаточно пролететь мимо такого атома фотону подходящей частоты, происходит вынужденное излучение и вместо одного фотона оказываются два когерентных, или два близнеца.

Приблизились мы хоть на шаг к решению основной задачи создания мазера на твердом теле? С сожалением должны признаться: нет, не приблизились! Независимо от того, являются возбужденные состояния метастабильными или нет, населенность низших энергетических уровней все равно больше, чем населенность верхних, а значит, акты поглощения фотонов преобладают над актами вынужденного излучения.

Не станем, однако, отчаиваться. А если взять схему не с двумя, а с тремя уровнями? Один из уровней — основной (уровень 1), а два остальных (уровни 2 и 3) соответствуют возбужденным состояниям атома, причем уровень 3 характеризуется большей энергией по сравнению с уровнем 2. Предположим, по той или иной причине атом оказался в состоянии 3. Через какой-то промежуток времени он с большой степенью вероятности перейдет в состояние 2. С большой степенью вероятности опять же потому, что, чем меньший энергетический скачок предстоит, тем охотнее он делается.

Состояние 2 — метастабильное состояние. Задержав-жись в нем на какое-то время, атом переходит в основное состояние. А теперь — внимание! На уровне 1 имеется, скажем, N атомов, а на уровне 3 — в миллиард раз меньше, т.е. АМО-9. Подействуем на вещество мощным лучом монохроматического света. Настолько мощным, что общее количество фотонов, пролетающих за ничтожный промежуток времени, во много раз больше, чем общее количество атомов в образце вещества. Энергия каждого фотона равна разности энергий между уровнями 3 и 1. Что произойдет?

В первый момент N атомов, находящихся на уровне 1, поглощают фотоны и оказываются заброшенными на уровень 3, а ЛМО-9 атомов совершают акты вынужденного излучения, добавив свои ЛМ0-9 фотонов к общему световому потоку, и перебираются на уровень 1. Теперь на уровне 3 имеется N атомов, а на уровне 1 — всего N- Ю-9. Неужели удача?

Нет, радоваться рано. Акты поглощения и вынужденного излучения происходят с равной вероятностью. Поэтому в следующий момент N жильцов уровня 3 совершают акты вынужденного излучения и перебираются обратно на уровень 1, а ЛМО9, поглотив фотоны, перебираются на уровень 3. Так происходит до тех пор, пока не устанавливается равновесие (снова равновесие!) и на уровне 3 оказывается столько же атомов, что и на уровне 1. Число атомов, переходящих с уровня 1 на уровень 3 в единицу времени под воздействием светового луча, равно числу атомов, переходящих с уровня 3 на уровень 1 за то же время. Все, что удалось добиться, приложив столь героические усилия, это уравнять населенности уровней 1 и 3. Но равенство населенностей — это еще не инверсия.

Зачем понадобилось тратить так много слов? Вот зачем. Не все жильцы уровня 3 обязательно совершают вынужденные переходы на уровень 1. Часть из них самопроизвольно (спонтанно) перескакивает на уровень 2. Находясь на уровне 2, они не испытывают никакого воздействия со стороны светового луча, каким бы мощным он ни был. Фотон переводит атом в другое состояние при условии, что его энергия равна разности энергий двух состояний, в нашем случае разности между уровнями 3 и 1. На уровне 2 атомы находятся в мета-стабильном состоянии и через определенные промежутки времени, которые зависят только от самих атомов, также спонтанно переходят на уровень 1.

Все зависит от того, что делают атомы более охотно, т. е. с большей вероятностью. Если они охотнее переходят с уровня 3 на уровень 2 (по сравнению с переходами с уровня 2 на уровень 1, то на уровне 2 постепенно накапливается больше атомов, чем на уровне 1. Населенности уровней 1 и 3 все время, пока действует световой луч, равны друг другу, а население уровня 2 — это атомы, ушедшие с уровня 3. Возможен случай, когда с большей вероятностью совершаются переходы с уровня 2 на уровень 1 (по сравнению с переходами с уровня 3 на уровень 2). Тогда население уровня 3 постепенно превысит население уровня 2.

Вот она, долгожданная инверсия населенностей! Пока действует световой луч, либо население уровня 2 преобладает над населением уровня 1 (чаще всего так и бывает), либо население уровня 3 преобладает над населением уровня 2. Переходы с уровня 3 на уровень 2 или с уровня 2 на уровень 1 никак не зависят от того, что происходит между уровнями 3 и 1. Эти переходы совершаются спонтанно.

Но может быть и иначе. При спонтанном переходе, например, с уровня 2 на уровень 1 излучается фотон, который вызывает вынужденное излучение другого жильца уровня 2. Два когерентных фотона вынудят еще двух жильцов уровня 2 излучить фотоны и т. д. Получается цепочка: освещаем вещество, например, зеленым светом (с большой энергией фотонов) и за счет этого поддерживаем равенство населенностей уровней 1 и 3. За счет спонтанных переходов поддерживается населенность уровня 2, которая в нашем примере превышает населенности уровней 1 и 3. Образуется активное вещество, которое при определенных условиях излучает когерентный световой луч теперь уже красного цвета (с меньшей энергией фотонов). Если излучается именно свет, а не радиоволны, то такой прибор называется не мазером, а лазером, что означает опять же первые буквы английских слов «усиление света (по-английски «свет» произносится как «лайт», отсюда буква «л») за счет вынужденного излучения».

Процесс перевода атомов из состояния 1 в состояние 3 получил название накачки. Накачивать вещество можно различными способами, но пока ограничимся оптической накачкой, т.е. будем считать, что вещество освещается, а энергия фотонов, испускаемых источником света, достаточна для переброса атомов из состояния 1 в состояние 3. Значит, задача создания твердотельного лазера наконец-таки решена? Конечно, воспользоваться идеей трехуровневой схемы накачки весьма заманчиво. Но беда в том, что в твердом теле нет никаких уровней. Энергетические уровни отдельных атомов объединяются там в зоны, и зон, о которых может идти речь, либо только две, как в полупроводниковых изоляторах, либо одна общая зона, как в проводниках.

Ну что же — снова тупик? Не столько тупик, сколько трудность, и трудность преодолимая. Надо брать не чистые вещества, а вещества с примесями. Причем атомов примеси должно быть очень немного. Если выбранное вещество—кристаллическое твердое тело, атомы примеси располагаются в узлах кристаллической решетки, а расстояния между атомами примеси настолько велики, что отдельные характерные для этих атомов энергетические уровни не объединяются в зоны.

Можно подобрать такую пару основное вещество — примесь, чтобы три выбранных энергетических уровня примеси находились на достаточно больших расстояниях от других энергетических уровней. В частности, они могут находиться в пределах запрещенной зоны. Пример такого вещества с примесью — рубин (окись алюминия АЬО'З с примесью хрома). Здесь роль атомов примеси играют атомы хрома. У розового рубина содержание хрома составляет примерно 0,05%, т.е. примерно 1019 атомов на 1 см3, вполне хватает, чтобы создать четко выраженную трехуровневую схему и построить лазер огромной мощности.

Рубиновый лазер представляет собой стерженек рубина диаметром 0,5 см и длиной 4 см. Противоположные торцы стержня полируют, для того чтобы они были строго параллельны, и покрывают пленкой серебра. Вот и все. Освещают стерженек подходящим источником света, например ксеноновой лампой-вспышкой, и в ответ очень короткий, около Ю-3 с, импульс когерентного монохроматического излучения огромной мощности. Короткий потому, что атомы в рубине расположены компактно и вынужденные переходы в них осуществляются практически одновременно огромной мощности по той же причине; Имеются способы существенно сократить длительность импульса, доведя ее до Ю-9 с. Тогда мощность в импульсе достигнет 1010 Вт, что превосходит мощность самых больших электростанций мира.

Назад к газам

Располагать потоком световой энергии мощностью в десятки киловатт весьма заманчиво. В конце этой главы мы поговорим о применениях лазеров и мазеров. Но вас не смущает, что уж больно все гладко обстоит с рубиновым лазером? Не бывает так — природа ничего не дает даром. Давайте искать недостатки. Один из недостатков просто лежит на поверхности. В рубине атомы примеси расположены далеко друг от друга; но они все же взаимодействуют и друг с другом, и с атомами основного вещества гораздо сильнее, чем атомы в разреженном газе. Поэтому правильнее говорить не об отдель-' ных энергетических уровнях, а об очень узких, но все же энергетических зонах.

Точность, с которой поддерживается частота излучения рубинового лазера, не идет ни в какое сравнение с точностью частоты мазеров на разреженном газе с механическим разделением. Воспользовавшись терминологией оптиков, скажем, что ширина спектральной линии излучения рубинового лазера в лучшем случае составляет доли ангстрема. Это мало по сравнению, например, с шириной спектральной линии излучения красного фонаря, которым пользуются фотографы. Но все же долям ангстрема соответствуют сотни тысяч мегагерц. Часов, даже очень плохих, на рубиновом лазере не построишь.

Мы обратились к рубину в погоне не за точностью, а за мощностью. И на этом пути нас, конечно, подстерегают неприятности. Как работают трехуровневые схемы? Вещество поглощает от внешнего источника энергию, количество которой пропорционально разности между уровнями 3 и 1, а излучает количество энергии, пропорциональное разности энергий либо между уровнями 3 и 2 либо 2 и 1. То есть поглощается энергии больше, чем выделяется. Избыток поглощенной энергии преобразуется в тепло.

Речь идет о мощностях в десятки киловатт и размерах рубинового стерженька порядка 1 см3. Если бы рубиновый лазер излучал непрерывно, он испарился бы через доли секунды. Но и для импульсного излучения имеются свои пределы. Существует много причин, по которым часть энергии превращается в тепло. Например, неидеальное отражение от торцов рубинового стержня. Так что импульсные лазеры тоже перегреваются. Перегрев из-за потерь энергии — явление в технике очень даже привычное. Давно придуманы меры борьбы с ним — разные способы охлаждения. Рубиновый лазер, для того чтобы он не слишком перегревался, можно обдувать воздушной струей точно так же, как обдувается радиатор автомобиля.

Вот те на! Не успели мы порадоваться, создав конструкцию без всяких насосов, без газовых трубок и замкнутых объемов, как все начинается сначала: насосы, трубки, газовая струя. А что, если объединить два принципа? Сконструировать лазер на газовой струе.

Рассуждать станем так. Каким-то способом, каким — пока не знаем, нам удалось получить газ с инверсией населенностей. Выпустим струю из такого газа, и пусть эта струя проходит в промежутке между двумя зеркалами, благодаря чему и создается лазерное излучение. Газ при этом нагревается, но он тут же выходит из рабочего объема и поэтому нашей конструкции не грозит разрушение от перегрева. Отработавший газ выбрасывать не жалко — после вынужденного излучения атомы в нем вернулись в основные состояния, и он больше не представляет собой активное вещество.

Получается совсем неплохо. Один и тот же газ используется и для излучения, и для охлаждения. Но как сделать газ активным, создать в нем инверсию населенностей? Мы хотим построить мощный лазер, значит, плотность газа должна быть достаточно большой и методы механического разделения здесь не подходят. Атомы газа в отличие от атомов твердого тела непрерывно перемещаются в пространстве и взаимодействуют друг с другом. В процессе такого взаимодействия происходит непрерывный обмен энергиями. Поэтому в газе все уровни заселены в соответствии с законом распределения, и нельзя выделить отдельные трехуровневые системы, как в твердом теле. В известном смысле из всех состояний вещества газообразное меньше всего подходит для создания инверсии населенностей. Недаром объем с газом всегда используется как классический пример при рассуждениях о распределении по энергиям.

И все же на сегодня наибольшая мощность да еще в режиме непрерывного действия достигнута именно у газовых лазеров. Как это делается? Используется не один, а смесь двух газов, например азота и углекислого газа. С помощью накачки молекулы азота переводятся в возбужденное состояние. Накачка может быть любой, в частности оптической, но по многим соображениям удобнее всего использовать для накачки электрический разряд в газе.

Далее вводится в действие такой механизм. Молекулы азота возбуждаются и переводятся на один из самых высоких энергетических уровней. Все эти уровни близки (чуть выше) к одному из метастабильных уровней молекул углекислого газа. Молекулы азота и углекислого газа взаимодействуют между собой, в результате происходит обмен энергиями и большое количество молекул углекислого газа оказывается на метастабилыюм уровне» Возникает инверсия населенностей, а дальше все уже

известно.

Лазерное горючее

Рассказывая о конструкции газового лазера, мы использовали слова «отработавший газ». Здесь напрашивается тесная аналогия с сжиганием топлива. Газовая смесь, находящаяся в состоянии активного вещества, обладает определенным запасом энергии. В процессе вынужденного излучения топливо «сгорает», иначе говоря, избыток энергии преобразуется в излучение. В результате сгорания, кроме излучения, получается и отработавшее, лишенное избытка энергии вещество, так сказать, выхлоп, который и выводится за пределы рабочего объема.

Есть только одно отличие. Исходный избыток энергии несет в себе не само вещество, как, например, бензино-воздушная смесь в автомобильном двигателе. Избыток энергии создается искусственно в результате накачки. Наверное, стоит обратить внимание на одну важную подробность. Инверсия населенностей в активном газе происходит постольку, поскольку существует метаста-бильное состояние. Если активный газ предоставить самому себе, очень скоро, в данном случае это тысячные доли секунды и даже меньше, произойдет самопроизвольное распределение по энергетическим уровням.

При этом не обязательно в том или ином виде выделяется энергия. Вся энергия, полученная газом при накачке, может сохраниться. Просто при самопроизвольных переходах выделяются фотоны, эти фотоны тут же поглощаются другими атомами, меняя их энергетические состояния. Средняя энергия, приходящаяся на один атом, останется той же, изменяются распределения атомов по энергии, но вещество перестает быть активным. Как говорят «калиф на час», точно так же активный газ можно назвать горючим на миллисекунду.

Химические лазеры

Само слово «горючее», точнее, связанные с ним ассоциации, слишком заманчиво для того, чтобы так уж сразу отказаться от попыток продолжить намечающуюся здесь аналогию. Что такое химическая реакция? Точнее, что происходит, когда из двух или более атомов образуется молекула? Образуется новый набор энергетических уровней и новый набор электронных конфигураций.

Для простоты рассмбтрим случай, когда в экзотермической химической реакции участвуют два вещества, например два газа. До начала реакции каждый из газов находился в равновесном состоянии, что означает нормальное распределение по энергетическим уровням. Большинство атомов находится в основных состояниях, но при этом имеется и большое количество атомов, находящихся в возбужденном состоянии. Теперь представьте себе, что встречаются два атома, из которых один находится в состоянии i, а второй — в состоянии /. В каком состоянии должна находиться образовавшаяся в результате молекула? Она не может находиться в состоянии, в точности характеризуемом величиной энергии i+i, потому что такого состояния попросту не существует. Но с большой степенью вероятности она окажется в состоянии, наиболее близком к сумме i+i. Почему? Ответ все тот же: природа ленива, из всех возможных исходов она по преимуществу (заметьте, не всегда, а по преимуществу) выбирает тот, который требует наименьших затрат, в данном случае преодоления меньшей разности энергий.

Даже если указанные состояния i и / были основными состояниями атомов, из этого вовсе не следует, что состояние, которое примет молекула (как мы только что установили, ближайшее к сумме i+i), будет ее основным состоянием. В результате химической реакции образуется множество молекул, находящихся в самых разных энергетических состояниях. Нет ничего необычного в том, что подберется такая пара веществ, атомы которых в момент объединения породят молекулы, находящиеся в метастабильном возбужденном состоянии, иначе, породят вещество с инверсией населенностей.

Поместив смесь двух реагирующих веществ в промежуток между двумя зеркалами, вы получите лазерное излучение и отработавшее вещество, которое представляет собой не что иное, как результат химической реакции. Но теперь уже оно характеризуется тем, что большинство его молекул находится в основных состояниях.

Конструкция химического лазера похожа на реактивный двигатель самолета. Внутрь объема, который у нас есть все основания назвать камерой сгорания, поступают, дейтерий, фтор и углекислый газ (в случае самолетного, двигателя это были бы, скажем, керосин и кислород воздуха). Начинается реакция, которую, так же, как и в самолетном двигателе, может оказаться необходимым инициировать с помощью электрической искры. В процессе протекания реакции на какое-то мгновение возникает инверсия населенностей и, если в нужном месте оказывается пара зеркал (а она и оказывается в нужном месте), образуется лазерное излучение. Инверсия населенностей, как говорят, высвечивается, и продукт реакции, характеризуемый теперь уже нормальным распределением молекул по энергетическим уровням, выбрасывается за пределы камеры сгорания.

Температура газа на выходе больше, чем температура смеси газов на входе (в свое время мы считали это обстоятельство одним из недостатков лазера). Газ, находящийся при большей температуре, обладает дополнительным запасом энергии, и этот запас может быть использован, например, для приведения в действие насоса, накачивающего газовую смесь в камеру сгорания.

Жидкие лазеры

Лазеры строят и на жидкостях — столь разнообразны средства для решения одной и той же задачи. Что надо для того, чтобы возник лазерный эффект? Система из нескольких, не менее трех, четко выраженных энергетических уровней. В жидкости атомы не закреплены на определенных местах, что не дает возможности воспользоваться методом малых примесей. В то же время они недостаточно интенсивно взаимодействуют друг с другом, чтобы можно было организовать непрерывный обмен энергией между атомами различных веществ. Как же поступают в этом случае? Очень просто. Если нельзя закрепить атом в кристалле, его можно закрепить в молекуле. Нужно только, чтобы молекула была достаточно сложной и большой.

Так и поступают. Для жидкостных лазеров используют специальные вещества, называемые хелатами. Хе-латы характеризуются своеобразным строением молекул. В каждой молекуле атом редкоземельного элемента, например европия, окружен и тем самым отделен от остальной молекулы несколькими атомами кислорода.

Атомы кислорода осуществляют связь этого своеобразного блока, состоящего из одного атома европия и нескольких атомов кислорода, с остальной молекулой. С одной стороны, молекула велика, поэтому атомы европия достаточно далеко удалены друг от друга, чтобы вносить свой вклад в общую энергетическую структуру в виде отдельных уровней. С другой стороны, одинаковость моле* кул и практическая несжимаемость жидкостей приводят к тому, что молекулярная структура жидкости, а отсюда и энергетическая структура уровней оказываются вполне регулярными. Получается искомая трехуровневая система, а дальше все происходит как в обычном лазере.

Всеми цветами радуги

Еще один класс лазеров — это лазеры на органических красителях. До сих пор в качестве одного из основных свойств лазеров и мазеров мы указывали на монохроматичность получаемого излучения. Мы даже слегка погрешили против истины, сознательно утаив от читателя, что, к примеру, газовые лазеры на смеси газов могут излучать не на одной, а на нескольких частотах. Иначе говоря, могут испускать не один, а несколько разноцветных лучей одновременно. Правда, каждый луч по-прежнему остается монохроматичным.

Одно из весьма перспективных применений световых (даже не обязательно световых, а скажем, инфракрас-них или ультрафиолетовых) лучей — это передача информации на большие расстояния. Заманчиво иметь передатчик, обладающий такими свойствами лазеров, как высокая концентрация энергии и высокая направленность светового луча, и наряду с этим допускающий возможность перехода с одной частоты на другую или плавной перестройки в пределах всего диапазона.

Можно ли совместить несовместимое? Монохроматичность, лежащую в самой основе работы лазеров (лазер использует вынужденное излучение, а вынужденное излучение получается в случае, когда направление импульса, частота и фаза излучаемого и вызвавшего излучение фотонов совпадают), с возможностью перестройки по частоте?

Оказывается, можно. Надо получить систему еще более сложную, чем трехуровневые системы. С этой целью смешаем много трехуровневых систем, для чего используем сложные молекулы, состоящие из огромного количества атомов, взаимодействующих между собой астрономическим числом способов. Если выдержаны определенные условия, о которых здесь мы не будем говорить из-за их сложности, образуется много систем, состоящих из трех энергетических уровней, и можно заставлять излучать то одну из них, то другую, помещая активное вещество между зеркалами и меняя расстояние между зеркалами, т. е. настройку резонатора. Вот и вся премудрость.

Существуют и широко используются также полупроводниковые лазеры. Ученые работают над созданием рентгеновских лазеров. Появление рентгеновского лазера открывает поистине фантастические перспективы, например, можно будет всерьез говорить о том, чтобы создать установку, позволяющую увидеть единичную молекулу или даже единичный атом.

Но существенно также и другое. Ответьте, пожалуйста, на вопрос: какое главное свойство лазера? Не будем испытывать ваше терпение. Скажем сами. Температура на поверхности Солнца имеет порядок 6 тыс. градусов, при термоядерном взрыве развивается температура 10 млн., в недрах звезд-гигантов — 100 млн. градусов. А в лучах наиболее мощных лазеров температура достигает 10 трлн. градусов (единица с 25 нулями) . Вот что позволил сделать открытый советскими учеными Н. Т. Басовым и А. Н. Прохоровым и одновременно И. Таунсом эффект. Это один из редчайших случаев, когда человеку, его науке и технике удалось во столько раз превзойти природу.

Наверное, таков и должен быть ответ на вопрос о главном свойстве лазера. На сегодня это возможность создания сверхвысоких плотностей энергии. Одна из областей применения лазеров — запуск термоядерных реакций. Мы уже говорили, что для этого нужна температура не менее 10 млн. градусов. При подобных температурах для лазерного луча не существует препятствий. Поэтому открываютсяГ широчайшие возможности использования лазеров дляобработки всевозможных материалов.

С помощью лазера ничего не стоит просверлить отверстие в алмазе. Благодаря свойству лазерного луча не расходиться, такое отверстие получается очень тонким, несколько'микрометров. Лазерный луч без всякого труда разрезает толстую Чугунную или бетонную плиту. Нет вещества, естественного или искусственного, способного противостоять лазеру. Лазерные установки позволяют производить обработку (не только сверление и резание, но также пайку и сварку) с поистине оптической точностью. Рентгеновские лазеры излучают фотоны с очень высокими энергиями. Поэтому оказывается возможнцм, например, передать по лазерному лучу энергию термоядерного взрыва.

И наконец, солнечный зайчик, с которого мы начали эту главу: лазерные лучи используют для передачи информации (телефонных разговоров, радио- и телевизионных передач) на любые расстояния, в том числе на Луну. А если на пути встречается препятствие, его можно обойти. Для этого лазерный луч пропускают внутри тонкого стеклянного волокна — световода.

Перечислили ли мы хотя бы основные области применения лазеров? Нет, мы даже не делали такой попытки, мы лишь дали некоторое представление о том, к чему могут привести исследования, первоначально имевшие весьма скромную цель — сделать точные атомные часы.

Пятое состояние

Принято считать, что научно-технический прогресс идет по пути увеличения сложности. Вряд ли кто-нибудь станет возражать против того, что современный радиоприемник сложнее колокола или барабана, с помощью которого передавали информацию наши далекие предки, а шагающий экскаватор сложнее лопаты. А что сложнее, лазер или костер, послуживший, по всей вероятности, первым источником лучистой энергии, созданным человеком? В костре так же, как и в лазере, при переходах атомов из одних энергетических состояний в другие излучаются фотоны. Только в костре эти переходы спонтанные, иначе говоря, самопроизвольные, хаотичные. Более того, излучению фотона атомом топлива, сгорающего в костре, предшествует длинная цепь физических и химических преобразований. С этой точки зрения костер гораздо сложнее лазера.

Топливом, сгорающим в лазере, может в принципе служить любое вещество, в котором создана инверсия населенностей (так называемое активное вещество). До самого последнего времени в физике было принято различать сначала три, а потом четыре основных агрегатных состояния вещества. Первые три известны каждому: твердое, жидкое, газообразное. В начале нашего века стало известно четвертое состояние — плазма.

Сейчас есть все основания ввести понятие пятого состояния — состояния с инверсией населенностей. Если удастся перевести вещество в пятое состояние, получим самый универсальный и самый простой или, если угодно, самый естественный источник энергии. Простота здесь важна не только ради простоты. У некоторых типов лазеров коэффициент полезного действия приближается к 100%.

Почему такое огромное расстояние во времени отделяет костер от лазера? Причина простая. Пятое состояние вещества — состояние с инверсией населенностей — не свойственно природе. Оно противоречит извечному и всеобъемлющему стремлению природы к лени, наименьшему действию, стремлению любой системы принять состояние, в котором она обладает наименьшей собственной энергией. Вывести систему из этого состояния можно только повышением уровня организации материи. Пятое состояние вещества — это состояние с высокой организацией. Поэтому, не боясь показаться претенциозными, мы можем назвать пятое состояние вещества умным состоянием, а энергию лазерного луча — энергией повышенного качества, и на этом закончить книгу, посвященную различным видам энергии.

Заключение

Так грозит ли Вселенной тепловая смерть? На страницах этой книги мы пытались показать, что запасов энергии во Вселенной предостаточно и, более того, в силу закона сохранения даже самая малая ее часть не может никуда исчезнуть. Происходят процессы преобразования энергии более высокого качества в энергию более низкого качества. Собственно, то, что понималось под тепловой смертью, и было опасение, что постепенно вся энергия Вселенной превратится в энергию самого низкого качества, т. е. тепловую. Однако оснований для таких опасений нет. Мы повсеместно наблюдаем как процессы ухудшения, так и процессы улучшения качества энергии.

Если верить в теорию большого взрыва, а сейчас все большее и большее число ученых становятся приверженцами этой теории, то вообще оказывается, что, начиная с «момента нуль», когда вся Вселенная состояла из одних излучений, качество энергии имеет тенденцию к повышению. Так что не будем бояться тепловой смерти Вселенной, да и вообще, наверное, имеет смысл прекратить о ней разговоры, вычеркнуть эту проблему как неудачно сформулированную.

Рассуждая о качестве энергии, мы пришли к выводу, гораздо более важному, чем разговор о тепловой смерти. Оказывается, окружающая нас материя, кроме многих своих свойств, известных из курса физики, обладает еще одним весьма интересным свойством — свойством организации. Как раз это свойство определяет очень многое, в том числе и качество энергии. К сожалению, в пределах этой книги мы лишены возможности даже очень поверхностно коснуться организации материи. Для этого потребовалась бы целая книга, и может быть, не одна. Намекнем лишь, что степень организованности материи измеряют сейчас величиной, которая может иметь чис-

ленные значения, и называется эта величина информацией. Поняв роль информации в общем ряде процессов, происходящих вокруг нас, мы еще во много раз увеличиваем свою власть над миром. Как связана информация с качеством энергии, проницательный читатель мог понять из этой книги.

Наконец, последнее. Все время, пока мы писали эту книгу, мы старались и в явной, а подчас и в неявной форме провести одну мысль: мир, каким его описывает современная физика, чудовищно, невообразимо не таков, каким он представляется нашим органам чувств. Поэтому, для того чтобы понять хотя бы отдельные детали мира, недостаточно начитаться учебников, как бы добросовестно этим ни заниматься. Нужно суметь воспитать в себе новое видение, хотя, честно говоря, мы совершенно не представляем себе, как это можно сделать. Но сделать это надо. Иначе мы будем все время находиться в положении человека, считающего, что Земля представляет собой плоский блин, а небесные светила движутся, будучи прикрепленными к хрустальным сферам.

Прощаясь на этом с читателями, мы приведем два высказывания одного из самых проницательных людей нашего века академика Л. Д. Ландау.

«Сейчас человек может работать со знанием там, где его воображение бессильно»,— писал Ландау.

«Если не залезать в слишком далекое прошлое,— подчеркивал он,— то основными колоссами, на которых держится современная физика, являются теория относительности, созданная в 1930 году, и квантовая механика, созданная в 1900—1927 годах. Эти теории являются самыми общими из известных нам законов природы, и дальнейшее развитие теоретической физики возможно лишь на пути дальнейшего их усовершенствования. Кроме того, эти теории научили нас тому, что нельзя подходить к изучению природы с предвзятой меркой представлений, заимствованных нами из нашего скромного жизненного опыта, что природа устроена бесконечно хитрее, чем люди когда-либо могли вообразить себе».