Проклятые вопросы

Оптикам и до Эйнштейна было известно, что самопроизвольное излучение атомов не зависит от внешних условий, а определяется только свойствами самих атомов. Эйнштейн установил, что наряду с поглощением существует вынужденное испускание и оба процесса растут вместе с интенсивностью падающего на вещество света.

Это был чисто теоретический вывод. Вынужденное излучение, возникающее в результате вынужденного испускания, не поддавалось наблюдению: его маскировало более сильное поглощение.

Советский физик В. А. 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 всё 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 учёные.

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 приобрёл в значительной мере формальный характер, и она практически не оказала влияния на последующие работы других учёных.

В том же 1951 году известный физик Э. Пэрселл и молодой радиофизик Р. Паунд сумели на короткий срок столь сильно нарушить тепловое равновесие вещества, что оно стало активным и вынужденное испускание в нём превосходило поглощение электромагнитных волн. Прав да, 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 было 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 было направлено против поля, а их энергия в поле стала максимальной. Позиция, в которой они стремятся избавиться от избыточной энергии и излучают радиоволны. Это излучение происходит 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 к созданию лазеров, ни даже к возникновению квантовой электроники, нужно на время отвлечься от судьбы исследований света.

Мысленно посетим старый ФИАН — Физический институт Академии наук СССР, который помещался в то время на 3-й Миусской улице Москвы. В 1939 году в нём появился выпускник Ленинградского университета Саша Прохоров. Он хотел заниматься радиофизикой и включился в исследования распространения радиоволн, которые проводились под руководством учёных друзей — Л.И. Мандельштама и Н.Д. Папалекси, основавших знаменитую Лабораторию колебаний.

В Лаборатории колебаний все были проникнуты стремлением к познанию основных закономерностей, объединяющих между собой разнообразные явления. Главным руководством служила общая теория колебаний, которая в то время находилась в стадии построения своей наиболее сложной — нелинейной — части. Эта теория позволяла рассмотреть с единой точки зрения работу лампового генератора радиоволн и работу человеческого сердца, распространение радиоволн и распространение звука, таинственный люксембургско-горьковский эффект и прохождение света через кристаллы. Всего не перечесть.

Здесь учили пользоваться безмерной мощью математики, но старались по возможности привлекать наиболее простые и наглядные методы. Через оптические явления перебрасывались мосты в мир атомов, в лишь недавно освоенную квантовую область. Отсюда проходили пути к предельным скоростям, в мир теории относительности. И главное, тут учили замыкать связь между идеей и её техническим воплощением. Словом, Прохоров попал в одну из самых передовых школ современной физики, и он пришёлся здесь ко двору. Теория перемежалась с экспериментом, лабораторная работа сочеталась с экспедициями. Белое море, Кавказ, Рыбинское море.

Но пробыл он в лаборатории недолго. Грянула война, и ему пришлось сменить романтику научного поиска на будни армейской разведки. После войны из-за последствий тяжёлого ранения он долго не мог участвовать в полевых экспериментальных исследованиях. Пришлось работать только в лаборатории, изменить научную тематику. Но и в этих условиях он продолжал вносить свой вклад в общее дело, работал над повышением точности радиолокационных и радионавигационных систем.

Он стал аспирантом профессора С. М. Рытова, члена корреспондента АН СССР, глубокого и интересного учёного, и через три года трудных теоретических и экспериментальных исследований защитил кандидатскую диссертацию.

В это время в лаборатории появился студент-практикант Николай Басов. Война оставила свой мрачный след и в его жизни. Призванный в армию, он был послан в Военно медицинскую академию. Не успев кончить академию, попал на фронт. После победы участвовал в демонтаже заводов, на которых гитлеровцы изготовляли отравляющие вещества, перенёс сильное отравление, долго болел.

После демобилизации Басов выбрал Московский инженерно-физический институт. Физика казалась ему неотделимой от техники. Он правильно понял дух нашего века. Постепенно его начала всё сильнее привлекать к себе теоретическая физика, её покоряющая мощь, её гигантские успехи, её захватывающие тайны. Может быть, это произошло потому, что кафедрой теоретической физики в институте руководил академик И. Е. Тамм, блестящий представитель школы Мандельштама. Басов стал одним из лучших студентов кафедры. Но, попав на практику в Физический институт, в лабораторию к Прохорову, на чисто экспериментальную работу, он включился в неё со всей присущей ему энергией и вскоре на год раньше установленного срока защитил дипломный проект. Здесь экспериментальным исследованиям было уделено не меньше места, чем теоретическим.

Басов вместе с Прохоровым увлёкся радиоспектроскопией. Одно из исследований в этой области стало темой его кандидатской диссертации.

Дружная работа молодых радиофизиков, одинаково хорошо владеющих искусством тонкого эксперимента и методами современной теории, обладающих исключительной интуицией и чувством нового, привела к переломному пункту их научной судьбы — к созданию молекулярного генератора радиоволн, к открытию фундаментальных принципов, ставших основой новой области науки, которую они назвали квантовой радиофизикой.