Превращения гиперболоида инженера Гарина

Уже в половине третьего стало ясно, что дамы чего-то не учли. Малая, вмещающая сотни человек, была забита сверх предела, и прилегающие коридоры оказались запруженными грозно гудящей толпой студентов. Пришлось перенести лекцию в Большую физическую. При этом еще раз сработал бессмертный клич: «Последние да будут первыми». Толпившиеся в коридорах заняли первые ряды, а счастливцы, занимавшие нижние скамьи в Малой, оказались в Большой на самой верхотуре. Но такие мелочи не могут испортить настроение студента. В тесноте, да не в обиде! Слова «квантовая электроника» и перспектива увидеть сразу трех «нобелиатов» и услышать одного из них компенсировали все неудобства. Тем более что отличная акустика Большой позволяла всем хорошо слышать и без помощи микрофонов и усилителей.

Дар лектора — особый дар. И никакой конспект, даже написанная им самим книга не заменят непосредственного воздействия хорошего лектора. А профессор Таунс оказался хорошим лектором.

Я передам содержание этой лекции. Не для того, чтобы опровергнуть утверждение о неполноценности конспектов, — это не будет даже конспектом, — а для того, чтобы показать, в каком виде Таунс хотел показать свой предмет слушателям. Мы с вами достаточно подготовлены, чтобы понять ее.

— Внутренняя энергия атомов и молекул, — начал он, — может принимать целый ряд фиксированных значений, характерных для данного типа атомов и молекул. Не будем говорить о всех сразу, а ограничимся какими-нибудь двумя значениями или уровнями энергии. — И он нарисовал на доске одну над другой две горизонтальные линии.

— Переход атома с верхнего уровня на нижний сопровождается излучением фотона. Энергия этого фотона равна разности между энергиями атома в верхнем и нижнем состояниях. Если мы имеем дело с большим числом одинаковых атомов и эти атомы достаточно долго не испытывали каких-нибудь особых внешних воздействий, то атомы будут находиться в таком состоянии, которое можно назвать равновесным. Это значит, что, несмотря на хаотическое движение атомов, число атомов в верхнем и в нижнем энергетических состояниях не будет меняться. Такое равновесие будет сохраняться и в том случае, если система атомов находится внутри замкнутой металлической полости, стенки которой способны излучать и поглощать электромагнитные волны. И система атомов и электромагнитное поле придут со временем к единому равновесному состоянию.

Я слушала и думала, что для нас с читателем это не новость. Ведь помните, в равновесном состоянии, как заметил еще Больцман, число атомов, находящихся в нижнем энергетическом состоянии, всегда несколько больше, чем их число в верхнем состоянии? И каждый атом, находящийся в нижнем энергетическом состоянии, может перейти в верхнее, поглотив из электромагнитного поля один фотон. И каждый атом, находящийся в верхнем состоянии, может перейти в нижнее, отдав полю излишнюю энергию в виде такого же фотона.

Это же подтвердил и Таунс. Он продолжал:

— Вероятность таких противоположных процессов одинакова. Это значит, что атом, находящийся в нижнем энергетическом состоянии, имеет столько же шансов перейти в верхнее, сколько шансов у атома, находящегося в верхнем состоянии, перейти в нижнее под действием того же электромагнитного поля. Но при равновесии число атомов в нижнем состоянии всегда больше, чем их число в верхнем. Казалось бы, если каждый атом имеет одинаковое число шансов перейти вверх или вниз, то в среднем вверх будет переходить больше атомов, чем вниз. Если бы это было так, равновесие должно было нарушиться и число атомов в обоих состояниях стало бы одинаковым.

(Сейчас он, наверно, заговорит об атомах-приемниках и атомахпередатчиках!)

— Эйнштейн объяснил, почему этого не происходит. Он показал, что наряду с переходами под действием поля, сопровождающимся поглощением и вынужденным испусканием фотонов, существует третий процесс — самопроизвольное излучение фотонов. Оно происходит независимо от поля и сопровождается переходом атомов из верхнего энергетического состояния в нижнее. Именно самопроизвольное испускание обеспечивает сохранение равновесного состояния. Все это вместе взятое объясняет, почему в обычных условиях все вещества поглощают проходящие через них волны света и радио. Но отсюда можно усмотреть и то, как заставить вещество превратиться из поглощающего в усиливающее.

(Вот, вот! Самое главное!)

— Для этого надо сильно нарушить тепловое равновесие, — заключил Таунс. — Так сильно, чтобы число частиц на верхнем из двух уровней стало большим, чем на нижнем. Теперь известно много путей достижения этой цели. Это пространственная фокусировка, примененная в аммиачном лазере. Это оптическая накачка, применяемая в рубиновом лазере. Это электрический разряд в газах или электрический ток в полупроводниках.

Но усиление является лишь одной частью задачи. Вторая, не менее важная часть — это генерация электромагнитных волн.