Покоренная плазма

Наиболее подходящей средой для опыта, проведенного уже после войны, оказалась плазма. Была изготовлена разрядная трубка, в которую заперли пары ртути в смеси с гелием или водородом. Когда в такой смеси зажигался разряд, то атомы возбуждались как за счет соударений с электронами, так и благодаря поглощению фотонов. Самопроизвольные переходы на нижние уровни при этом уже не уравновешивали подъемы. Большое значение имели и столкновения молекул ртути с атомами примеси. Одним словом, верхний этаж оказывался более заселенным, чем нижний. Когда в такую среду, которую назвали активной, впускали свет, то его фотоны заставляли атомы скатываться на более низкий уровень, то есть вызывали вынужденное излучение. Это излучение прибавлялось к впущенному в среду свету, и после нее он оказывался значительно ярче, сильнее. Плазма не поглощала свет, а усиливала его. Усиливала за счет вынужденного излучения.

Нужно отметить, что не любой свет может вызвать вынужденное излучение. На возбужденный атом должен налетать лишь такой фотон, который данный атом может испустить. На фотоны другого «сорта» возбужденный атом не реагирует. Следовательно, при вынужденном излучении появляются фотоны-близнецы, у которых частота, а следовательно, и энергия, а также другие свойства совершенно одинаковы. Поток таких фотонов и есть когерентный свет.

На первых порах принцип усиления света, открытый профессором В. А. Фабрикантом, нашел применение… в радиотехнике. Это неудивительно, по тому что как свет, так и радиоволны есть электромагнитные колебания, отличающиеся лишь частотой.

В усилителях радиоволн, которые назвали молекулярными, очень слабый радиосигнал попадал в специальную камеру — резонатор. В ней находилось огромное количество возбужденных молекул аммиака. Под действием пришедшей волны происходило лавинообразное сбрасывание молекул аммиака с верхнего уровня. При этом молекулы сами испускали радиоволны, благодаря чему принятый сигнал усиливался во много раз.

Такой усилитель радиоволн можно превратить в генератор, в котором радиоволны возникают самостоятельно, без вмешательства внешнего сигнала. Для этого нужно лишь увеличить приток возбужденных молекул аммиака в резонатор. Такой генератор дает строго постоянную частоту колебаний, что требуется в целом ряде радиотехнических устройств.

Молекулярные усилители и генераторы радиоволн, едва появившись, стали применяться для усиления слабых радиосигналов, приходящих на Землю из космоса, для создания эталонов времени — часов, которые никогда не отстают и не убегают вперед, а также для различных научных исследований. Советские физики Н. Г. Басов и А. М. Прохоров, разработавшие их, были удостоены звания лауреатов Ленинской премии.

И все же вынужденное излучение, так удачно использованное в радиотехнике, еще не раскрыло всех своих возможностей. Многие ученые, в том числе и сам профессор Фабрикант, верили, что вынужденное излучение можно с практической пользой применить и для световых волн. Уж очень заманчивыми казались его свойства, особенно направленность излучения, которая дает возможность получить не веер световых лучей, а острый их пучок. А раз так, то луч света можно сделать мощным, таким, как у гиперболоида инженера Гарина в научно-фантастическом романе Алексея Толстого.

Лазер — гиперболоид наших дней

Вспомним, как в романе Алексея Толстого инженер Гарин решил поставленную им техническую задачу при создании своего гиперболоида.

Двенадцать угольных пирамидок, горящих в фарфоровых чашечках, бросали свой свет на зеркало, выполненное в виде гиперболоида. Отразившись от зеркала, лучи собирались в фокусе, в котором помещалось второе гиперболическое зеркало из тугоплавкого минерала — шамонита. Это небольшое зеркало посылало лучи, строго параллельно. Именно такой луч мог резать, разрушать здания, крепости, дредноуты, скалы.

Позднее, обосновавшись на острове, Гарин для бурения земной коры использовал двенадцать гиперболоидов, в которых световая энергия создавалась электрическими дугами, зажженными между тугоплавкими электродами.

«Весь секрет в том, чтобы послать нерассеивающийся луч», — так один из персонажей романа профессор Хлынов сформулировал задачу, стоящую перед создателем подобного аппарата.

Потребовалось несколько десятилетий, пока физики сумели на деле создать прибор, подобный тому, который действовал в романе писателя-фантаста. Только главное слово здесь было сказано не оптикой, а квантовой механикой — наукой, изучающей жизнь и поведение мельчайших обитателей микромира.