Ясно, что мощность радиоволн, излучаемых таким ничтожным количеством молекул, столь мала, что ее невозможно обнаружить. Как же тогда заставить молекулы излучать внутри небольшого прибора? Ясно, это была нелегкая проблема.
Да и разрешима ли она вообще? Не так ли она безнадежна, как создание галактического генератора на атомах водорода?
Не будем гадать. Посмотрим, как справились с ней Басов и Прохоров.
Радиобочка
Где же выход? – задавали они друг другу один и тот же вопрос. Как заставить молекулы излучать имеющийся у них избыток энергии за малое время, не прибегая к вспомогательным источникам радиоволн?
Как видите, природа выдвигает все новые и новые препятствия на пути исследователей. Но если природа неисчерпаема, то неисчерпаема и человеческая изобретательность.
Нужно, решили наши герои, создать такие условия, чтобы сами молекулы заставляли друг друга излучать. Нужно создать процесс, который можно уподобить цепной реакции, например реакции горения. Одна частица горючего, воспламенившись, поджигает другие, и в результате в горелке возникает пламя. Это пламя будет бушевать до тех пор, пока подается горючее.
Сделаем так, сказали они, чтобы одна молекула, излучив энергию, заставила этим излучать и другие молекулы. Чтобы все они оказались вынужденными принять участие в этом процессе.
Это можно сделать, но не в свободном пространстве, а заставив молекулы пролетать сквозь полость в куске металла, через своего рода металлическую бочку.
Крикните в пустую бочку – она тотчас ответит вам гулким басом. Пустая бочка из сложных звуков, например из шума, выделяет и подчеркивает в основном басовые тона. Это происходит потому, что воздух, заключенный в бочке, способен к интенсивным колебаниям именно с частотой этих звуков.
Если сделать металлическую коробку, она будет резонировать с радиоволнами примерно так же, как пустая бочка или органная труба со звуком. Такую металлическую полость радиоинженеры называют объемным резонатором. Каждый объемный резонатор откликается только на радиоволны вполне определенных частот. Если в него попадают радиоволны этих частот, поле внутри резонатора усиливается. Тем самым металлическая полость способна накапливать сравнительно большие запасы электромагнитной энергии.
Даже если в резонатор не поступает электромагнитная энергия извне, в нем всегда присутствует слабое электромагнитное поле, создаваемое даже при комнатной температуре тепловым излучением стенок резонатора.
Если заставить молекулы какого-либо газа, находящиеся на высшем энергетическом уровне, пролетать сквозь резонатор, то они попадут под действие слабого электромагнитного поля, создаваемого тепловым излучением нагретых стенок. Хотя это поле и слабо, тем не менее оно заставит молекулы излучать свою энергию за гораздо меньшее время, чем в свободном пространстве. Многие из них успеют излучить радиоволны во время пролета в резонаторе, и излученная энергия останется внутри него. Таким путем резонатор постепенно накапливает энергию, излучаемую пролетающими сквозь него молекулами.
Благодаря этому электромагнитное поле внутри резонатора все более возрастает, а это приводит к еще более сильному воздействию поля на новые молекулы, пролетающие через резонатор.
Если энергия, ежесекундно вносимая в резонатор пучком молекул, больше, чем обычные потери энергии в резонаторе и связанных с ним устройствах, то процесс возрастания поля в резонаторе вполне подобен самовозбуждению обычного лампового генератора. Возрастание поля продолжается до тех пор, пока ровно половина молекул, ежесекундно влетающих в резонатор, не будет излучать в нем свою энергию в виде радиоволн.
Так ученые не только рассортировали нужные молекулы от ненужных, но и заставили их излучать свою энергию внутри объемного резонатора. Так был создан молекулярный генератор радиоволн.
Для чего?
Итак, молекулярный генератор создан. Молекулы отдают свою энергию в виде энергии радиоволн.
Но какова же эта энергия, какова мощность нового прибора? Оказывается, очень невелика. Например, современные радиовещательные станции излучают волны мощностью в сотни тысяч ватт; чтобы зажглась лампочка карманного фонаря, нужна мощность всего в один ватт. Мощность же молекулярного генератора в миллиард раз меньше.
Кому же нужен такой генератор с мощностью комариных крыльев!
Но ценность нового прибора вовсе не в его мощности. Он и не претендует на замену других источников радиоволн. Замечательная его особенность совсем в ином. Он незаменим там, где нужна предельная устойчивость в работе и постоянные по частоте колебания. И в этом ему нет равных. Два таких прибора построенных и пущенных в ход совершенно независимо один от другого, будут излучать настолько постоянные радиоволны, что частота их не различается между собой более чем на одну десятимиллиардную часть. Исследователи уверены, что эта точность может быть увеличена еще в сто раз!
Это значит, что с помощью молекулярного генератора могут быть созданы часы, ход которых практически не нуждается в регулировке и сверке с астрономическими наблюдениями. Проработав без остановки тысячу лет, они разойдутся с астрономическим временем не больше чем на одну секунду.
Конечно, такие точные часы не нужны в повседневной жизни, но ряд областей науки и техники крайне заинтересован в повышении точности измерения времени. В первую очередь в этом нуждаются некоторые отрасли радиотехники, штурманы кораблей и самолетов, астрономы.
Если штурман летит при отсутствии видимости, то он не может пользоваться ни земными ориентирами, ни звездами. Ориентируется он с помощью радио, например, отсчитывая число радиоволн, укладывающихся между радиостанцией и тем местом, где он находится. Но по ряду причин, связанных с особенностью распространения радиоволн, в некоторых случаях пригодны только очень длинные волны. При этом для точного определения расстояния нужно иметь возможность отмерять малые доли длины волны, а это возможно, только если и наземная радиостанция и штурманский прибор содержат в себе чрезвычайно стабильные генераторы, например молекулярные.
Ученые стремятся повысить точность часов и для того, чтобы произвести один небывалый опыт. Дело в том, что общая теория относительности А. Эйнштейна, которая, по существу, является теорией тяготения, говорит о том, что скорость течения времени не везде одинакова. Вблизи больших масс, например на крупных звездах, время течет медленнее, чем вдали от них. В частности, время на Земле, на Солнце или на других звездах течет не одинаково.
Астрономы, измеряя положение спектральных линий в спектре одной из звезд – небольшого спутника самой яркой звезды Сириуса, действительно обнаружили, что все линии этого спектра смещены к его красному концу. Это смещение свидетельствует о том, что все процессы в атомах на этой звезде идут заметно медленнее, чем такие же процессы на Земле.
Но теория предсказывает, что даже на самой Земле время течет не везде одинаково. Например, часы, помещенные в глубокую шахту, должны идти на одну десятитысячную от одной миллиардной доли медленнее, чем такие же часы, помещенные на высокой горе.
Если же часы поместить на искусственном спутнике, вращающемся на высоте 42 тысяч километров над Землей, то различие увеличится почти в 600 раз. Эта разница невелика, но возможность усовершенствования молекулярного генератора дает надежду измерить ее, что позволило бы еще раз проверить справедливость предсказания общей теории относительности.
Молекулярный генератор решает и еще одну важную проблему: он позволяет объединить эталон длины и времени. Позволяет создать естественный эталон времени, связав секунду с периодом электромагнитных волн, излучаемых молекулярным генератором. Если за эталон длины взять длину волны молекулярного генератора, а за эталон частоты – частоту его колебаний, то окажется, что эталоном длины и частоты служит один и тот же физический процесс – излучение молекул в молекулярном генераторе. Но частота колебаний – это величина, обратная периоду. Поэтому за единицу времени можно будет взять длительность периода молекулярного генератора.
Такой необычный эталон является самым неизменным хранителем времени. И кроме того, его легко воспроизвести. Он может быть построен в любом городе и обеспечит строго постоянную единицу времени, не требуя никакого сличения с другими эталонами.
Из космоса в лабораторию
Но ученые, конечно, не удовлетворились одним типом столь многообещающего прибора. Они начали исследовать целый ряд других веществ в поисках еще более удачных и податливых молекул. Среди них были даже молекулы страшного яда – синильной кислоты и молекулы тривиальной воды, молекулы формальдегида и многие другие. Молекулярные генераторы стали появляться во многих странах, как грибы после дождичка.
И тут круг замкнулся. Мысль ученых вернулась к исходной точке размышлений, к печке, от которой начался танец. Вновь возродилась мечта о... водородном генераторе.
Особенно загорелся этой мыслью один из опытнейших исследователей атомных и молекулярных пучков, американский профессор Норман Рэмси. Он решил, что пришла пора воссоздать радиоизлучение космического водорода в лаборатории. В свете опыта, полученного с молекулярными генераторами, ему было ясно, что для этого необходимо создать упорядоченный пучок атомов водорода, найти способ сортировать атомы этого пучка, отличающиеся запасом внутренней энергии, и направить отсортированные атомы в резонатор, где они должны излучать избыточную энергию в виде радиоволн.
В земных условиях свободный водород существует только в виде молекул, состоящих из двух атомов. Поэтому первой задачей было получение атомарного водорода. Несмотря на то, что химики знают много реакций, каждый элементарный акт которых приводит к освобождению атома водорода, химия не могла помочь делу: атомы водорода быстро находили друг друга и вновь соединялись в молекулы.
Пришлось обратиться к физике. Одним из удобных способов было применение электрического разряда. Поддерживая электрический разряд в разреженном газообразном водороде, можно создать такие условия, когда электрические силы разрывают молекулы водорода на отдельные атомы. Решив первую задачу, Рэмси перешел ко второй – созданию пучка атомов водорода.
Эта задача оказалась не сложной. Достаточно было при помощи узких каналов – капилляров соединить область разряда с пространством, в котором мощные насосы поддерживали высокий вакуум, и из каналов в вакуум начал вылетать пучок атомов водорода. Конечно, в этом пучке присутствовали и атомы-передатчики и атомы-приемники, причем, как всегда, последних было больше.
Третьим шагом была сортировка. Но атомы, как известно, электрически нейтральны, и центр тяжести отрицательного заряда электронов в них совпадает с центром положительного заряда ядра. Поэтому атомы невозможно сортировать при помощи электрических полей.
К счастью, атомы водорода обладают свойствами маленьких магнитиков. Если бы мы могли рассмотреть такой магнитик, то увидели бы, что он не простой, а составной. И ядро атома водорода – протон и электрон, вращающиеся вокруг него, сами являются элементарными магнитиками. Причем магнитик-электрон почти в две тысячи раз сильнее магнитика-протона. Образующиеся из двух таких магнитиков магнитики-водороды могут быть двух сортов. В одном сорте магнитики-электроны и магнитики-протоны направлены одинаково, и поэтому их действие складывается, а в другом сорте они направлены противоположно, и поэтому их электрическое действие вычитается. В результате атомы водорода образуют два сорта, отличающиеся своим поведением в магнитном поле.
Этим и воспользовался Рэмси для сортировки атомов водорода. Он создал неоднородное магнитное поле, по своим свойствам напоминающее поле электрического конденсатора молекулярного генератора. В этом поле атомы водорода, способные излучать радиоволны, собираются к оси магнитного поля, а атомы, стремящиеся поглотить их, отобрать у поля энергию, отбрасываются в стороны. Теперь осталось поставить на пути отсортированного пучка объемный резонатор, настроенный на волну 21 сантиметр, и «космическое радиоизлучение» должно было возникнуть в лаборатории. Но...
Нет легких побед
Но природа не любит легких побед, а опытный ученый не может надеяться на то, что победа будет легкой. Расчет показал, что самый лучший резонатор недостаточно хорош для того, чтобы самый сильный пучок атомов водорода, который может быть практически получен, преодолел потери в резонаторе и вызвал в нем цепную реакцию генерации радиоволн. Атомы водорода в 17 раз легче молекул аммиака и поэтому при той же температуре летят в четыре раза быстрее. Кроме того, их магнитная энергия много меньше, чем электрическая энергия молекулы аммиака.
Но если самый лучший пучок не может возбудить самый лучший резонатор, такое решение задачи приведет, конечно, в самый настоящий тупик. «Стенкой» этого тупика была задняя стенка резонатора, в которую ударялись атомы водорода, так и не успев отдать его полю избыток своей энергии.
Казалось, проще всего убрать эту стенку и превратить резонатор в длинный волновод, по которому атомы могут лететь до тех пор, пока они не расстанутся со своей избыточной энергией. Но еще расчеты астрофизиков показали, что для этого не хватит размеров никакой лаборатории. Убрать стенку в прямом смысле слова не удалось. Но убрать ее было необходимо.
И Рэмси решил убрать стенку тупика, не убирая стенки резонатора! Это не выдумка писателя, а результат глубокого физического анализа.
Беда была в том, что, ударяясь о стенку, атом отдает ей свою избыточную энергию и отражается от нее приемником радиоволн. Вот Рэмси и решил придать стенкам резонатора такие свойства, чтобы они не отбирали избыточную энергию у ударяющихся об них атомов водорода. В этом случае атомы блуждали бы внутри резонатора так долго, что могли бы высветить внутри него свою избыточную энергию.
Не безумная ли это идея – сделать так, чтобы стенка, оставаясь стенкой во всех смыслах этого слова, перестала быть стенкой с точки зрения взаимодействия с внутренней энергией атома?
Оказалось, что такие стенки можно создать. Для этого их следует покрыть каким-либо веществом, молекулы которого очень слабо взаимодействуют с атомами водорода. Долгие поиски показали, что такие вещества существуют, и лучшими из них оказались особые сорта парафина и замечательная пластмасса фторопласт, известная также под названием «тефлон». Атомы водорода могут десятки тысяч раз соударяться с поверхностью этих веществ, не передавая им свою внутреннюю энергию и не теряя способности излучить эту энергию в виде радиоволн.
Расчет показал, что время пребывания атома в резонаторе с защищенными стенками достаточно для того, чтобы атом излучил радиоволну до того, как он случайно не попадет в отверстие, через которое ранее вошел в резонатор, и не покинет его. Это определяет и размер отверстия; если оно слишком велико, атом покинет резонатор, не высветившись и унеся обратно свою избыточную энергию. Если же отверстие слишком мало, то атом и после высвечивания будет долго летать внутри резонатора в качестве приемника и может поглотить порцию энергии, уже излученной другими атомами или им самим. Слишком малое отверстие затрудняет и питание резонатора пучком активных атомов.