Но тела, скрепленные пружинами, не закреплены намертво. Они могут колебаться около той точки, в которой они закреплены. Так же обстоит дело и с атомами, входящими в молекулу. Они тоже могут колебаться вокруг своих положений равновесия. Далеко разойтись они не могут, так как их стягивают между собой электроны. Сильно сблизиться между собой они тоже не могут, так как их расталкивают одноименные заряды ядер.
Таким образом, все ядра в большей или меньшей степени колеблются вокруг своего положения равновесия.
И если бы мы могли увидеть молекулу аммиака, то атомы представились бы нам туманными пятнышками, размеры которых зависят от размахов их колебаний.
Присмотревшись внимательней, мы заметили бы, что размеры туманных пятнышек внезапно меняются. Они то увеличиваются, то уменьшаются.
Это значит – колебательное движение может становиться то сильнее, то слабее. Значит, может изменяться не только вращательная, но и колебательная энергия молекулы аммиака?
Да, изменения колебательной энергии тоже могут быть вызваны как столкновением с другой молекулой, так и поглощением или излучением электромагнитной волны. Только это уже не волны радиодиапазона. Они принадлежат к области инфракрасного света.
Это было опять не то, что искали наши ученые. Им хотелось создать генератор радиоволн, а вовсе не источник инфракрасных лучей. И если бы на этом кончились особенности загадочной пирамиды, она не была бы избранницей Басова и Прохорова и, следовательно, не стала бы героиней нашего рассказа.
О том, что так привлекло к ней внимание, из-за чего ей было отдано столько надежд, и не напрасно, пойдет речь дальше.
В роли перчатки
Если бы наше зрение обрело способность заглянуть в микромир молекулы аммиака, нам открылась бы поразительная картина. Молекула иногда внезапно меняет свой вид. Она вдруг выворачивается наизнанку, как перчатка! Атом азота неожиданно оказывается лежащим не над треугольником атомов водорода, а под ним. Затем столь же внезапно все возвращается в исходное положение, атом азота оказывается на первоначальном месте. Мы как бы видим молекулу и ее зеркальное изображение.
Это повторяется неоднократно. Самое удивительное заключается в том, что такое перемещение происходит отнюдь не в результате поворота молекулы. Все происходит так, как если бы атом азота проскакивал между атомами водорода. Но так как атом азота более чем в четыре раза тяжелее, чем три атома водорода, вместе взятые, то правильнее было бы сказать, что треугольник с атомами водорода в его вершинах оказывается то с одной, то с другой стороны атома азота.
Инверсия – таким красивым словом назвали ученые это явление. Инверсионный переход. И вот оказывается, такой переход возможен только в молекулах. Ни в одном из тел крупных размеров он невозможен. То есть не может происходить сам по себе.
Когда кто-нибудь высказывал сомнения по этому поводу, Прохоров легко рассеивал их, предлагая посмотреть на модель молекулы аммиака. Ее можно, говорил он, изготовить из трех маленьких и одного большого шарика, связанных пружинками так, чтобы они образовали пирамиду. Чтобы произвести инверсию, то есть продавить один шарик между тремя остальными, нужно было бы приложить какую-то силу. Сжать пружины не так-то легко. Если же это удастся, то шарик займет новое положение равновесия и отнюдь не будет стремиться возвратиться обратно. Для его возвращения необходимо было бы проделать всю работу сначала.
В молекуле же инверсионные переходы осуществляются сравнительно часто и без всякой видимой причины. Причем они происходят самопроизвольно, без воздействия со стороны.
Тут мы подходим к главному. Эта инверсия оказывается виновницей того, что молекула аммиака способна произвести на свет еще одну серию электромагнитных волн, помимо тех, о которых мы уже говорили. Эти радиоволны длиной около 1,25 сантиметра, расположенные в удобном для работы диапазоне, вполне устраивали ученых. Это было как раз то, что они искали...
...Что же, это конец поисков и нашей истории? О нет! Это начало новых трудностей. Это ответ, который порождает следующий вопрос. Этот этап был только отправной точкой для создания молекулярных генераторов радиоволн.
Новые трудности
Если бы молекулы аммиака свободно летали в пустом пространстве, не сталкиваясь между собой и не взаимодействуя с электромагнитными волнами, все они со временем совершили бы вожделенный переход в состояние с меньшей энергией. Ведь такое стремление является законом для всех молекул. И молекулы аммиака тут не составляют исключения.
Но молекулы сталкиваются между собой, взаимодействуют с электромагнитными волнами, поглощая или отдавая энергию. Поэтому среди них есть молекулы и с малым и с большим запасом энергии. Однако первых всегда больше. Поэтому ни один из газов в обычном состоянии не способен излучать радиоволны: молекул-приемников в нем гораздо больше, чем молекул-передатчиков. И вот тут-то и крылся камень преткновения.
Как же привести газ в такое состояние, когда молекул-передатчиков станет больше, чем молекул приемников? И можно ли сделать так, чтобы молекул, готовых отдать избыток энергии, было больше, чем молекул, стремящихся поглотить ее? Можно ли добиться этого, не нагревая газ, не вводя в него энергию извне?
Мне представляется, что при этих разговорах незримо присутствовал и злорадно улыбался дьявол Максвелла...
Мне представляется и тот момент, когда ученых осенила блестящая догадка: а нужно ли именно так поступать с молекулами? Не лучше ли просто отделить одних от других, слабых от сильных, чтобы они не мешали друг другу? И тут-то наверняка потрясенный дьявол сник и съежился и, как полагается любому носителю скепсиса, приготовился провалиться сквозь землю...
Теперь невозможно установить, кто из них – Басов или Прохоров – первым сказал «эврика». Важно, что эта идея спасла всю проблему. За эту мысль и ухватились ученые. Ведь она могла обернуться мостом между возможным и невозможным, между мечтой и действительностью, между теорией и практикой...
С этого момента Басов и Прохоров почувствовали твердую уверенность – надо избрать этот путь. Другого пока нет.
Но как это осуществить? Разделить можно яблоки: по цвету, величине, по спелости. Собак – по масти, росту; монеты – по стоимости. Разделить можно почти любые видимые предметы. Но как это сделать с невидимыми, абсолютно похожими друг на друга молекулами? Как в одну сторону отогнать слабеньких, в другую – сильных? Когда думаешь об этом.
задача кажется просто фантастической, немыслимой – как, чем здесь орудовать?!
Но, как ни странно, эта часть работы вовсе не оказалась самой трудной. Решение было под рукой, в арсенале уже промытого учеными золота истин – бери, используй.
Без дьявола
В мае 1952 года на Всесоюзной конференции по радиоспектроcкопии Басов рассказал о способе, которым они решили воспользоваться, чтобы отделить молекулы, готовые излучать энергию, от молекул, стремящихся ее поглотить. Он волновался и, стоя на трибуне, незаметно перебирал обычно такими твердыми и точными в работе, а сейчас неуверенными руками страницы доклада, написанного вместе с Прохоровым.
Задолго до этого публичного экзамена они обсудили и продумали свое сообщение. Наши герои заделывали все маленькие и большие бреши сомнений, старались предугадать вопросы маститых физиков и придумывали заранее ответы, которые должны были рассеять недоверие.
Басова слушали виднейшие физики современности, слушали с огромным вниманием...
Многие замечательные открытия и изобретения, после того как они уже сделаны, кажутся очень простыми. Когда о них узнаешь, невольно приходит мысль: как же до этого не додумались раньше? Ведь главное в этом уже давно известно. Так думали современники братьев Черепановых, поставивших паровую машину на повозку и соединивших маховик с колесами. Так думают и многие из нас, узнавая о новых свершениях науки и техники. Так думал не один ученый, прислушиваясь к докладу молодого физика. А он все рассказывал, стараясь преодолеть робость и смущение.
...Способ сортировки молекул с различной энергией был известен после работ немецкого ученого Штерна и применялся в некоторых лабораториях. Физики использовали то обстоятельство, что многие молекулы и атомы ведут себя как крошечные магнитики. Причем их поведение в магнитном поле тесно связано с величиной внутренней энергии атома или молекулы. Слабенькие молекулы и магнитные «способности» имеют небольшие. Сильные, обладающие большим запасом энергии, и магнитную силу имеют более значительную.
На этом и решил сыграть Штерн. Он предложил выпускать пучок атомов серебра между полюсами сильного магнита так, чтобы они пересекали силовые линии магнитного поля. Штерн организовал, таким образом, «естественный» отбор, который должны пройти атомы. А чтобы они не могли мешать друг другу, он решил выпускать их в пустоту через узкую щель по очереди. Так они могли лететь, не сталкиваясь между собой.
Когда впервые был поставлен этот опыт, зрители могли воочию наблюдать картину «борьбы» между атомами серебра и силовым полем магнита. Водоворот магнитного поля захлестывал их, как прибой пловцов. Сильные пловцы обычно выбираются на берег, а слабых втягивает в пучину. Так и стихая магнитных сил по-своему расправлялась с атомами серебра. Более слабые из них втягивались в область сильного магнитного поля, другие, более сильные, выталкивались из этой области. Поле рассортировало атомы. Оно оказалось своеобразным стрелочником, направляющим по различным путям атомы с различным запасом энергии.
Со временем было обнаружено, что сортировка возможна и для молекул, не обладающих заметными магнитными свойствами, но являющихся в некотором отношении электрическими аналогами магнитной стрелки.
Имеется большое количество молекул – их называют дипольными, – которые построены так, что входящие в них положительные и отрицательные заряды немного сдвинуты в пространстве. Такие молекулы можно уподобить маленькой палочке, один конец которой имеет положительный заряд, а другой – отрицательный. На школьных уроках физики часто показывают опыт с наэлектризованными палочками, сделанными из сердцевины веток бузины.
Если пучок, то есть поток не сталкивающихся между собой дипольных молекул, пропускать между пластинами электрического конденсатора так, чтобы они летели вдоль пластин, пересекая поле, если придать пластинам подходящую форму, то пучок молекул расщепится на ряд пучков в зависимости от энергии молекул.
Так физики, используя свойства молекул и свойства электрических и магнитных полей, научились делать то, что Максвелл считал выходящим за пределы человеческих возможностей. Они научились сортировать молекулы. Отбирать из сосуда с молекулами те из них, которые обладают определенными энергетическими свойствами, например те, энергия которых больше, чем у остальных. Физики уже не раз использовали эту возможность для изучения строения молекул, атомов и атомных ядер.
Даром ничего не дается
Итак, первая часть пути была проторенной. По ней и пошли московские физики. Они решили направить пучок молекул аммиака через электрический конденсатор специальной формы, создающий сильное электрическое поле. Под действием этого поля пучок распадется на несколько пучков, в каждом из которых будут лететь молекулы с различными запасами энергии. Теперь можно с помощью заслонки с отверстием отделить тот пучок, в котором летят нужные молекулы – молекулы, обладающие высоким уровнем энергии, готовые излучить часть энергии, если они попадут в подходящие для этого условия.
Наконец можно было вздохнуть с облегчением – проблема сортировки была решена. Но...
Может возникнуть вопрос: не является ли эта сортировка, приводящая к отделению молекул более энергичных от менее энергичных, вызовом второму закону термодинамики? Не попали ли Басов и Прохоров со своей работой в компанию его нарушителей?
Или Максвелл ошибся? Неужели удалось осуществить то, что он считал невозможным? Нет, дело не в этом. Конечно, нет.
Дело в том, что конденсатор, который на первый взгляд так же могуществен, как Максвеллов дьявол, выбирает молекулы не из сосуда, где они мечутся в беспорядке. Эти молекулы не вьются вокруг конденсатора хаотически, как бывает в естественных условиях, а их специально предварительно загнали в сосуд, сжали большим давлением, а уж потом выпустили из сосуда через диафрагму с отверстиями поочередно, подвели под самый нос конденсатора, и ему осталось лишь их опознать.
И на то, чтобы сжать газ, уже была затрачена энергия. Без затраты энергии это смог бы сделать только дьявол. Вернее, этого хотели от него добиться изобретатели теплового вечного двигателя.
Басов и Прохоров, применив сортировку молекул, вовсе и не стремились получить энергию, да еще бесплатно. Но они получили не менее ценный результат – пучок молекул, способный излучать радиоволны. Пучок, в котором молекулы-передатчики отделены от нахлебников – молекул-приемников, способных лишь поглощать энергию.
Таким образом, Басов и Прохоров не шли против законов природы, не получали энергию ни из чего. Они, честно затратив ее и использовав законы природы, шли к своей цели.
А целью была вовсе не сама сортировка. Это было лишь промежуточным этапом. Получить пучок молекул, обладающих избыточной энергией, было далеко не все. Надо было, чтобы молекулы излучили эту энергию в виде радиоволны; молекулы же, свободно летящие в таком пучке, отнюдь не стремятся немедленно излучить свою избыточную энергию. В таких условиях они могли бы лететь около года, прежде чем половина из них излучит радиоволны. А за это время молекулы могут пролететь сотни миллионов километров.