Ирина Радунская - Крушение парадоксов

Много лет спустя, в 1925 году, став заведующим кафедрой Московского университета, Мандельштам продолжил исследования рассеяния света совместно с искусным экспериментатором Григорием Самуиловичем Ландсбергом.

Результаты совместной работы были неожиданны и необычайны. Ученые обнаружили совсем не то, что ожидали, не то, что было предсказано теорией. Они открыли совершенно новое явление. Но какое? И не ошибка ли это? В рассеянном свете появилась целая комбинация частот, которых не было в падающем на вещество свете.

На фотографиях спектра рассеянного света упорно появлялись слабые и тем не менее вполне явные линии, свидетельствующие о наличии в рассеянном свете «лишних» частот. Многие месяцы ученые искали объяснение этому явлению. Откуда в рассеянном свете появились «чужие» частоты?

И настал день, когда Мандельштама осенила изумительная догадка. Это было удивительное открытие, то самое, которое и теперь считается одним из важнейших открытий XX века.

Глубокая интуиция и ясный аналитический ум Мандельштама подсказали ученому, что обнаруженные изменения частоты рассеянного света не могут быть вызваны теми межмолекулярными силами, которые выравнивают случайные неоднородности плотности воздуха или вызывают ультразвуковые — дебаевские — волны в твердых телах. Ученому стало ясно: причина, несомненно, кроется внутри самих молекул вещества, и явление вызвано внутримолекулярными колебаниями атомов, образующих молекулу. Такие колебания происходят с гораздо более высокой частотой, чем те, что сопровождают образование и рассасывание случайных неоднородностей среды. Вот эти-то колебания атомов в молекулах и сказываются на рассеянном свете. Атомы как бы метят его, оставляют на нем свои следы, зашифровывают дополнительными частотами.

Таким образом, для объяснения нового явления, которое получило название «комбинационное рассеяние света», достаточно было теорию молекулярного рассеяния, созданную Мандельштамом, дополнить данными о влиянии колебаний атомов внутри молекул.

Впоследствии из этого открытия была извлечена огромнейшая польза, оно получило ценное практическое применение.

В наши дни комбинационное рассеяние стало основой одного из типов лазеров.

Мы уже знаем, как Эйнштейн сделал первый шаг к лазерам. Но в то время никто не понял, куда ведет тропинка, на которую он ступил. Не понял этого и он сам. Его интересовало другое. Он стремился лишь к тому, чтобы устранить назревшее противоречие между оптикой и термодинамикой.

Оптикам и до Эйнштейна было известно, что самопроизвольное излучение атомов не зависит от внешних условий, а определяется только свойствами атомов. Напротив, поглощение растет вместе с интенсивностью падающего света.

Это был чисто теоретический вывод. Вынужденное излучение не поддавалось наблюдению: его маскировало более сильное поглощение.

Советский физик Валентин Александрович Фабрикант обратил внимание на то, что вынужденное излучение ненаблюдаемо только потому, что в обычных условиях этому препятствует закон Больцмана. В соответствии с ним атомы предпочитают находиться в состояниях с малой энергией, подобно тому, как молекулы воздуха скапливаются в нижних слоях атмосферы. Внизу воздух плотнее, с высотой он становится все более разреженным.

Так и атомы. В состояниях с малой энергией их много, в верхних состояниях меньше. А так как, по теории Эйнштейна, внешнее электромагнитное поле с равной вероятностью побуждает единичный атом поглотить фотон и повысить свою энергию или испустить фотон и избавиться от избыточной энергии, то результат определяется законом Больцмана: в обычных условиях число атомов, способных к поглощению, преобладает.

Значит, сказал Фабрикант, нужно создать необычные условия, в которых закон Больцмана уже не властен. Для этого необходимо нарушить тепловое равновесие среды, и нарушить так сильно, чтобы атомов с большой энергией стало больше, чем атомов с малой. Тогда такая среда вместо поглощения света будет усиливать его...

Шли годы. Началась вторая мировая война. Гитлеровцы предательски напали на нашу Родину. Народ бросил все силы на борьбу с врагом. Вместе со всеми, конечно, были и ученые.

Но вот пришла долгожданная победа. Люди возвращались к мирному труду. Вся страна, каждый человек занялись неотложными делами. Только через пять лет Фабрикант смог вспомнить о своей давнишней работе. В те годы каждый думал прежде всего о непосредственной пользе. И Фабрикант, конечно, увидел, что и его докторская диссертация может найти техническое применение. Он вместе с несколькими сотрудниками принялся за работу. Ее итог — заявка на изобретение способа усиления электромагнитных волн при помощи вынужденного излучения. Дата приоритета — 1951 год. В заявке указывалось несколько путей достижения желаемого результата в газовых средах. Однако, несмотря на все усилия, авторы не смогли реализовать ни одного из них.

К сожалению, публикация заявки затянулась до 1959 года, так что приоритет авторов приобрел в значительной мере формальный характер, я она практически не оказала влияния на последующие работы других ученых.

В том же 1951 году известный физик Пэрселл и молодой радиофизик Паунд сумели на короткий срок столь сильно нарушить тепловое равновесие вещества, что оно стало активным — вынужденное испускание в нем превосходило поглощение электромагнитных волн. Правда, то были не световые, а радиоволны, но от этого опыт не становился менее важным. Опыт был очень простым. Физики помещали кристалл фтористого лития в поле сильного магнита. Кристалл намагничивался. Большинство ядер атомов лития и фтора, являющихся подобием маленьких магнитиков, поворачивалось вдоль поля магнита так, чтобы их энергия в поле была минимальной. Затем кристалл нужно быстро вынуть из поля, перевернуть так, чтобы та его сторона, которая была обращена к северному полюсу магнита, обратилась к южному, и всунуть кристалл обратно. Теперь большинство ядер-магнитиков направлено против поля. Их энергия в поле максимальна. Они стремятся избавиться от избыточной энергии, излучая радиоволны. Они излучают спонтанно — самопроизвольно. Но Пэрселл и Паунд не догадались, что стоит направить на кристалл внешнюю радиоволну — и она будет усилена. Пэрселл и Паунд стояли на пороге открытия, но не сделали решающего шага.

Для того чтобы понять, почему глубокие идеи Эйнштейна и Дирака, конкретные предложения Фабриканта и замечательный опыт Пэрселла и Паунда не привели непосредственно ни к созданию лазеров, ни даже к возникновению квантовой электроники, нужно на время отвлечься от судьбы исследований света.