Превращения гиперболоида инженера Гарина

Представьте себе, что вы должны взвесить никель, которым покрыта штанга тяжеловеса. Можно, конечно, попытаться снять слой никеля, но, если он наложен добросовестно, это очень и очень трудно. Можно измерить толщину слоя и определить вес расчетным путем, но ведь слой может иметь неодинаковую толщину. Словом, измерить малую величину, объединенную с большей, всегда очень трудно.

Трудно измерять и малые магнитные поля, если земное поле превосходит их в десятки тысяч раз. В магнитном павильоне для этой цели применяются громадные катушки, по которым циркулирует электрический ток. Этот ток создает магнитное поле, которое выполняет задачу посложнее подвигов Геракла. Оно противопоставляет свою силу магнитной силе Земли. Подбирая его величину, можно с большой точностью скомпенсировать магнитное поле Земли в небольшом объеме внутри катушек. Чем больше компенсирующие катушки, тем больше и тот участок пространства, в котором магнитное поле практически равно нулю. Здесь магнитологи и проводят свои исследования.

Измерение слабых магнитных полей и небольших изменений магнитного поля Земли — дело не новое.

Миноискатель — прибор, спасший не одну человеческую жизнь, — один из таких приборов. Он обнаруживает мину, если в ней содержится стальная деталь весом всего в несколько граммов.

Но квантовая электроника открыла путь к созданию магнитометров нового типа, отличающихся еще большей точностью и чувствительностью. Особенно привлекательным была возможность надежной и удобной автоматизации измерения.

Магнитометр нового типа — близкий родственник квантового стандарта частоты с оптической накачкой. В нем работают пары того же рубидия, заключенные в небольшой колбочке. Их облучает маленькая лампочка, в которой тоже светятся пары рубидия. Но для измерения магнитных полей используются другие спектральные линии, а не те, что работают в стандартах частоты. Ведь для стандарта частоты главное — независимость от всех внешних воздействий. Не должно влиять на него и магнитное поле. (Спектральные линии, слабо реагирующие на магнитное поле, расположены, как мы знаем, в сантиметровом диапазоне радиоволн.)

Для магнитометра, напротив, нужны спектральные линии, частота которых сильно изменяется под влиянием магнитного поля. Такие линии соответствуют очень длинным радиоволнам. Поэтому колбочка магнитометра помещается не внутри объемного резонатора, а в катушке, напоминающей катушку радиоприемника.

Так же как в стандарте частоты, момент резонанса радиоволны и атомов рубидия определяется по увеличению поглощения света в парах рубидия. Но измерение частоты резонанса тут не самоцель. Ведь для наблюдаемых здесь спектральных линий частота резонанса однозначно связана с внешним магнитным полем. Примерно так же, как положение стрелки весов с весом груза. Можно сказать, что частота играет в магнитометре роль стрелки. Но показание весов зависит от того, как они установлены на столе, и может меняться в пределах нескольких процентов. Отсчет квантового магнитометра в десятки тысяч раз точнее. Это обеспечивается выдающимися свойствами примененной в нем «стрелки». Физики и радиоинженеры сделали измерение частоты наиболее точным из всех возможных измерительных процессов. И теперь стремятся любое измерение свести к измерению частоты. Для этого, конечно, необходимо найти точную и однозначную зависимость между измеряемой величиной и частотой, подобно связи, существующей между частотой и магнитным полем. Таким способом инженеры уже научились точно измерять толщину тонких слоев лака или хрома, влажность зерна или пряжи, напряжения, возникающие в стальных балках или в основаниях бетонных плотин. Все эти и многие другие величины связываются с частотой простыми закономерностями, преобразующими их изменения в изменения частоты.

Но вернемся к квантовому магнитометру. Исследования показали, что он действительно способен с огромной точностью измерить магнитное поле Земли и его изменения. Это открывает ему путь и в лаборатории геофизиков, изучающих свойства Земли, и в экспедиции разведчиков нефти, руд и других полезных ископаемых. Ему открыт путь в космос для исследования магнитных свойств Луны и планет, для изучения магнитных полей, связанных с потоками заряженных частиц, выбрасываемых Солнцем.

На этом могла бы окончиться главка, посвященная вторжению квантовой электроники в мирное царство геофизики. Могла бы… Но мы не узнали бы самого интересного. В целях удобства, надежности и простоты измерений ученые хотели превратить пассивный прибор, получающий высокочастотную энергию от внешнего источника, в активный квантовый генератор, частота которого строго определяется окружающим магнитным полем. Однако расчеты показали, что, даже создав инверсию энергетических уровней атомов рубидия, служащих для измерения магнитного поля, не удастся преодолеть всех потерь энергии, неизбежных при работе на низких частотах.