и дерзкими исследованиями астрономов,
проникших в глубины мирового пространства.
Нильс БОР
Различимы ли молекулы?
Какой странный вопрос, подумаете вы. Конечно, молекула воды отличается от молекулы спирта. И хотя молекулы нельзя различить невооруженным глазом, существует много способов отличить воду от спирта.
А можно ли отличить друг от друга две молекулы одного и того же вещества, например две молекулы воды? Многих и этот вопрос не поставит в тупик.
– Можно, – скажут они, – ведь, кроме обычной воды, существует тяжелая вода, а их молекулы отличаются даже весом.
Но что вы ответите на вопрос: могут ли отличаться между собой две молекулы обычной воды, в которые входит по атому обычного кислорода и по два атома обычного водорода?
Химик, несомненно, ответит на этот вопрос отрицательно, добавив, что нет и не может быть химической реакции, в которой эти молекулы вели бы себя различно.
С точки зрения физиков дело обстоит не так безнадежно. Физики знают, что даже совершенно одинаковые молекулы могут различаться своими энергиями. Например, молекулы воды, льда и пара. Молекулы нагретого водяного пара, отдавая часть своей энергии лопастям паровой турбины и уходя в холодильник, превращаются там в жидкую воду. Молекулы воды, в свою очередь, обладают большими запасами энергии, чем те же молекулы в твердом состоянии, в виде льда.
Поиски дьявола
Ученые, жившие до великих открытий Альберта Эйнштейна, не подозревали, что различие в энергии связано с небольшим различием в массе вещества. Но не в этом дело. Наши современники, зная это, знают также, что такое различие в массах столь мало, что обнаружить изменение запасов энергии с помощью весов совершенно безнадежно. Так можно ли действительно рассортировать молекулы, обладающие различными энергиями?
Вопрос, поставленный таким образом, тоже нуждается в уточнении. Ведь отделить молекулы водяного пара от молекул воды не составляет никакого труда. Для этого нужно подогреть воду, превратить часть ее в пар – и задача решена. Но при этом необходимо затратить энергию на нагревание, А нельзя ли обойтись без таких затрат или по крайней мере получить за счет такого разделения большие количества энергии, чем приходится тратить в процессе производства?
Многие ученые и люди самых различных профессий ломали головы над тем, как воспользоваться огромными запасами тепловой энергии, рассеянной в природе. Какая заманчивая перспектива! Наливаешь в котел обычную воду, механизм отбирает из нее те молекулы, которые в результате хаотического теплового движения обладают большими скоростями, и направляет их в паровую машину. Отработав, эти молекулы снова возвращаются в котел. Под котлом нет огня, его температура остается комнатной. Все делает механизм, причем без затраты энергии.
– Глупости, – скажете вы, – это вечный двигатель. И создать его невозможно.
Да, это вечный двигатель. Причем не простой, механический, о котором в 1755 году Парижская академия наук постановила оставлять без ответа все заявления и предложения, касающиеся вечного двигателя, а так называемый вечный двигатель второго рода, использующий теплоту.
Однако представьте себе такое устройство: сосуд с газом разделен на две части. В стенке маленькое отверстие с задвижкой. Об эту задвижку с обеих сторон беспорядочно ударяются молекулы газа. Если какой-либо механизм на мгновенье открывает задвижку, когда молекула подлетает к ней слева, пропуская ее в правую половину, и задерживает молекулы, летящие справа налево, то постепенно большая часть молекул скопится в правой половине сосуда. Давление там сделается более высоким, чем в левой половине. Пропуская газ обратно, то есть справа налево, через специальную трубку, в которой установлена турбинка, мы сможем получить таким образом некоторую энергию. Повторяя этот процесс много раз, мы получили бы вечный двигатель второго рода.
Невозможность создания вечного двигателя второго рода была доказана в прошлом веке физиками Клаузиусом и Томсоном. А пример, приведенный здесь, был придуман великим английским физиком Максвеллом, чтобы сделать это совсем очевидным. Создать механизм, о котором говорится в этом примере, нельзя. Молекулы будут в среднем переходить справа налево так же часто, как и слева направо. Воображаемый, но неосуществимый механизм, сортирующий молекулы так, чтобы отобрать у них энергию, с тех пор стали называть дьяволом Максвелла.
Нечистый с фонариком
Дьявол Максвелла (или демон Максвелла) родился в 1871 году и прожил долгую жизнь. Несмотря на то, что Максвелл думал, что сам уничтожил свое детище, доказав его неработоспособность, коварный дьявол тревожил несколько поколений ученых.
Как только кто-нибудь задумывался над роковым смыслом второго начала термодинамики, которое утверждает, что все процессы в природе идут таким образом, что энергия постепенно рассеивается, обесценивается и вселенную в конце концов ожидает тепловая смерть (все тепло израсходуется, и мир погрузится в темноту ледяной ночи), ему начинал являться Максвеллов дьявол.
Мариан Смолуховский, занимавший кафедру теоретической физики в Львовском университете, в 1912 году первый отметил роковое влияние хаотического теплового движения молекул на работу демона Максвелла. Он понял, что хаотические удары молекул приводят к случайному открыванию и закрыванию задвижки и тем препятствуют нарушению законов природы.
Прошло еще 15 лет, и загадка Максвелла послужила толчком к работе, ставшей одним из камней в фундаменте новой науки – кибернетики. В 1929 году Л. Силард указал, что демон, если он хочет вовремя заметить молекулу и управлять ею, должен получать и своевременно использовать информацию о движении отдельных молекул.
Прошло еще около двадцати лет, пока не удалось доказать, что демон не может вовремя увидеть отдельные молекулы, если только его не снабдить фонариком или другим приспособлением для своевременного узнавания молекул.
Как видите, без света он обойтись не может, а фонарик требует затраты энергии. Опять не удалось обойти второе начало термодинамики. Но для того чтобы доказать, что без затраты энергии демон вообще не может получить информации, необходимой для его деятельности, понадобилась сложная работа, закончившаяся лишь во второй половине нашего века.
Думали ли в 1951 году молодой аспирант Николай Геннадиевич Басов и немного старший по возрасту доктор физико-математических наук Александр Михайлович Прохоров о дьяволе Максвелла?
Неизвестно. Они были увлечены одним очень интересным явлением, которое, казалось бы, не имеет никакого отношения ни к нашим вопросам, ни к дьяволу Максвелла.
На распутье
Примерно за пять лет до этого, вскоре после изобретения синхротрона – ускорителя заряженных частиц, Прохоров задумал выяснить, нельзя ли использовать новый замечательный прибор в качестве источника радиоволн. Конечно, синхротрон создан, чтобы разгонять электроны до скоростей, близких к скорости света, а вовсе не для того, чтобы использовать рождаемые ими радиоволны. Но как знать... Ведь и радио было изобретено как средство связи, а развилось в почти всеобъемлющую область техники.
После того как тяжелое ранение вернуло Прохорова с фронта Отечественной войны, он в науке остался разведчиком. Сменив тяжелые будни войсковой разведки на нелегкие дни научного поиска, Прохоров проявлял удивительную настойчивость.
Примерно через год после начала работы с синхротроном к Прохорову присоединился студент-практикант Басов. Война наложила свой отпечаток и на его жизнь. Со школьных лет он стремился к точным наукам, но началась война, и его призвали в армию. Окончив фельдшерскую школу, Басов ушел на фронт. Лечил и спасал раненых, укрывал дымовыми шашками переправы, демонтировал заводы, где гитлеровцы изготовляли отравляющие вещества. Тяжело отравленный, попал в госпиталь.
И вот он студент при кафедре теоретической физики; оканчивает Инженерно-физический институт на год раньше срока, выполнив дипломную работу, половину которой составил эксперимент. Здесь впервые сказался его научный почерк: теоретик по образованию и по склонности, Басов – тонкий знаток и любитель экспериментальной работы. Впоследствии друзья шутили: «Фельдшер медицины и доктор физики».
Первый этап совместной работы молодых ученых не дал науке много нового. Они пришли к выводу, что из синхротрона не сделаешь хорошей радиолампы.
Выбор правильного направления – основное и в походе, и в политике, и в науке. Наиболее обещающие пути в науке лежат на границах различных областей, на стыках новых рубежей техники. Одно из таких направлений – радиоспектроскопия, наука, развившаяся в послевоенные годы. Она позволяет изучать молекулы и атомы на основе их способности поглощать радиоволны. Это была та область работы, к которой наши друзья были подготовлены лучше всего. Прохоров, радиофизик по образованию, основательно проварился в «котле» Физического института Академии наук СССР, в котором непрерывно клокотали дискуссии по вопросам теории элементарных частиц, атомного ядра и космических лучей. Басов же, теоретик по образованию, полностью овладел техникой сантиметровых волн и обращался с волноводами и резонаторами так же свободно, как радиолюбитель с детекторным приемником.
Итак, они взялись за радиоспектроскопию. Начали просвечивать различные газы радиоволнами. Изучая поглощение волн, расшифровывали строение и свойства молекул. Они рассказывают:
– Это увлекательная, но кропотливая работа. Ее можно сравнить с разгадкой хорошего кроссворда. Трудно сказать, что сложнее в этой работе: расчеты или опыт. Вначале не знаешь, как подступиться, а потом не можешь оторваться.
Итак, ученые выясняли способность атомов и молекул поглощать.
И вот тут-то, сами того не подозревая, они встретились с дьяволом Максвелла.
Лучи в плену
Все началось с того, что специалисты, занимающиеся созданием радиолокаторов, столкнулись с загадочным обстоятельством.
Пучок радиоволн длиною в 1,3 сантиметра, посланный радиолокатором в поисках цели, растворялся в пространстве. Казалось, что кто-то невидимый ставил на пути лучей ловушку и большая часть радиоволн захлопывалась в ней.
Причина этого явления была неясна. Было лишь очевидно, что из-за сильного поглощения применять радиоволны длиною около 1,3 сантиметра для радиолокации невозможно.
Странное явление очень заинтересовало ученых. Начались поиски разгадки.
Пропуская радиоволны через разреженные газы, ученые убедились в том, что многие газы сильно поглощают короткие радиоволны. Но не все. Азот и кислород, например, пропускают без изменения радиоволны длиною в 1,3 сантиметра, а водяные пары поглощают их. Различные газы поглощают не все проходящие через них радиоволны, а лишь те, которые имеют определенную длину. Остальные они пропускают, не задерживая.
Создалось впечатление, что молекулы как-то настроены на эти волны и поэтому поглощают только их. Этим свойством молекулы очень напоминают радиоприемники. Ведь радиоприемники, как мы знаем, обладают способностью отделять сигналы одной радиостанции от сигналов остальных. И молекулы, подобно радиоприемникам, принимают лишь те волны, на которые они настроены.
Это было то самое явление поглощения газами радиоволн определенной длины, которое и толкнуло ученых на мысль использовать радиоволны для анализа различных смесей.
В этой работе приняли участие Басов и Прохоров. И вот тут-то у них и возникла мысль: если молекулы способны поглощать радиоволны, значит они могут и излучать их?
Если за счет радиоволн они пополняют свой запас энергии, значит они могут и отдавать ее опять-таки в виде радиоволн?
Долгое время эта задача казалась неразрешимой.