Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы

Казалось бы, никакой особой проблемы не должно быть: если электрон переходит на верхний уровень, он поглощает фотон, а если с верхнего, возбужденного уровня спускается вниз, то излучает соответствующий квант. Теперь нужно только определить сколько, при данной температуре, может быть возбужденных атомов — это определяется распределением Больцмана, а затем составить уравнение баланса поглощаемой и испускаемой энергии.

Но тут вдруг оказалось, что такой подсчет ведет не к распределению Планка, а к формуле Вина, давно уже отвергнутой как экспериментом, так и теорией.

И Эйнштейн вводит совершенно новый аспект проблемы излучения: он рассматривает резонансные явления. Суть здесь такова: предположим, что электрон сидит на одном из верхних уровней, при этом существует вероятность, что он спустится вниз и излучит фотон (вероятность эта определяется через обратное время его «жизни» на данном уровне), можно ли внешним воздействием убыстрить его спуск, сократить время жизни?

Эйнштейн рассуждает примерно так. Не будем забывать волновые свойства фотонов — это в какой-то степени и колебательный процесс, а в колебательных процессах попадание в резонанс, как известно может резко раскачать систему или, если действовать строго в противофазе, резко ее затормозить. Поэтому можно думать, что, если на атом с возбужденным электроном налетит фотон точно той же частоты, т. е. попадет в резонанс, то электрон в атоме раскачается и быстрее соскочит вниз, излучит фотон. А это означает, что помимо обычного, спонтанного (от латинского «спонтанеус» — самопроизвольный) излучения может происходить в резонансном поле и индуцированное (или стимулированное, от латинского «стимулус» — острая палка, которой погоняли животных) излучение. Аналогично ему может иметь место и индуцированное, а потому более быстрое поглощение. И вероятности обоих этих процессов должны, конечно, зависеть от интенсивности воздействующего поля.

Оказалось, что только учет вероятностей этих процессов приводит к распределению Планка. (Здесь можно отметить, что уравнение, которым пользовался Эйнштейн при составлении баланса, относится к диофантову типу — одно уравнение с двумя неизвестными. Поэтому Эйнштейн принимает добавочное условие — он ищет только самое простое решение, но можно показать, что от этого вывод распределения Планка не меняется.) По поводу сделанных предположений Эйнштейн сказал: «Простота гипотез позволяет мне считать весьма вероятным, что это рассмотрение станет основой будущих теоретических представлений». Отметим, что Эйнштейн здесь снова использует двойственность, дуализм теории: фотон — и волна, и частица!

Предсказанные возможности существования стимулированного излучения долгое время учитывались разве лишь в астрофизике, хотя экспериментально существование этого эффекта было показано Рудольфом Ладенбургом (1882–1952) в 1928 г. Такое отставание как-то даже не совсем понятно: ведь довольно ясно, что этот эффект должен позволить сначала возбудить много атомов среды, т. е. заставить электроны в них переместиться на верхние уровни, а затем разом, пропуская резонансное излучение, можно заставить их всех излучать, создать мощный, хотя, возможно, и короткий световой импульс. (Здесь допустима некоторая аналогия с накоплением энергии конденсатора в электрической цепи — можно долго его заряжать, а затем быстро, с выделением высокой мощности, разрядить.) Можно думать, что задержка с экспериментами в этой области была обусловлена переключением всеобщего внимания на ядерные исследования.

Первым возможности осуществления такого интенсивного излучения в плазме газового разряда еще в конце 1930-х гг. начал исследовать Валентин Александрович Фабрикант (1907–1991) и получил, после задержки, вызванной участием в войне, мощные импульсы индуцированного излучения. Оптическая накачка была предложена и продемонстрирована Альфредом Кастлером (1902–1984, Нобелевская премия 1966) еще в 1950 г.

Любопытно отметить, что советское авторское свидетельство на оптический квантовый генератор суд присудил, уже в 1970-х гг., В. А. Фабриканту, но Нобелевскую премию он не получил.

Однако переход от научных исследований к их практическому воплощению оказался непростым. И гораздо больших успехов добились фактически одновременно, Александр Михайлович Прохоров (1916–2002) и Николай Геннадиевич Басов (1922–2000), с одной стороны, и Чарлз Хард Таунс (р. 1915), с другой, построившие в 1954 г. первый квантовый генератор на парах аммиака, мазер, послуживший прообразом при создании лазеров — наибольшего достижения оптики второй половины XX в., и удостоенные за это Нобелевской премии 1964 г. (Мы еще вернемся к лазерам.)

Таким образом, между теоретическим предсказанием Эйнштейна и практическим его воплощением в лазерах прошло около сорока лет…

4. Спин электрона, квантовые статистики