Без дьявола

Без дьявола

Наше проникновение в мир атомов

можно сравнить с великими,

полными открытий кругосветными путешествиями

и дерзкими исследованиями астрономов,

проникших в глубины мирового пространства.

Нильс Бор

Различимы ли молекулы?

Какой странный вопрос, подумаете вы. Конечно, молекула воды отличается от молекулы спирта. И хотя молекулы нельзя различить невооруженным глазом, существует много способов отличить воду от спирта.

А можно ли отличить друг от друга две молекулы одного и того же вещества, например две молекулы воды? Многих и этот вопрос не поставит в тупик.

— Можно, — скажут они, — ведь, кроме обычной воды, существует тяжелая вода, а их молекулы отличаются даже весом.

Но что вы ответите на вопрос: могут ли отличаться между собой две молекулы обычной воды, в которые входит по атому обычного кислорода и по два атома обычного водорода?

Химик, несомненно, ответит на этот вопрос отрицательно, добавив, что нет и не может быть химической реакции, в которой эти молекулы вели бы себя различно.

С точки зрения физиков дело обстоит не так безнадежно. Физики знают, что даже совершенно одинаковые молекулы могут различаться своими энергиями. Например, молекулы воды, льда и пара. Молекулы нагретого водяного пара, отдавая часть своей энергии лопастям паровой турбины и уходя в холодильник, превращаются там в жидкую воду. Молекулы воды, в свою очередь, обладают большими запасами энергии, чем те же молекулы в твердом состоянии, в виде льда.

Поиски дьявола

Ученые, жившие до великих открытий Альберта Эйнштейна, не подозревали, что различие в энергии связано с небольшим различием в массе вещества. Но не в этом дело. Наши современники, зная это, знают также, что такое различие в массах столь мало, что обнаружить изменение запасов энергии с помощью весов совершенно безнадежно. Так можно ли действительно рассортировать молекулы, обладающие различными энергиями?

Вопрос, поставленный таким образом, тоже нуждается в уточнении. Ведь отделить молекулы водяного пара от молекул воды не составляет никакого труда. Для этого нужно подогреть воду, превратить часть ее в пар — и задача решена. Но при этом необходимо затратить энергию на нагревание, А нельзя ли обойтись без таких затрат или по крайней мере получить за счет такого разделения большие количества энергии, чем приходится тратить в процессе производства?

Многие ученые и люди самых различных профессий ломали головы над тем, как воспользоваться огромными запасами тепловой энергии, рассеянной в природе. Какая заманчивая перспектива! Наливаешь в котел обычную воду, механизм отбирает из нее те молекулы, которые в результате хаотического теплового движения обладают большими скоростями, и направляет их в паровую машину. Отработав, эти молекулы снова возвращаются в котел. Под котлом нет огня, его температура остается комнатной. Все делает механизм, причем без затраты энергии.

— Глупости, — скажете вы, — это вечный двигатель. И создать его невозможно.

Да, это вечный двигатель. Причем не простой, механический, о котором в 1755 году Парижская академия наук постановила оставлять без ответа все заявления и предложения, касающиеся вечного двигателя, а так называемый вечный двигатель второго рода, использующий теплоту.

Однако представьте себе такое устройство: сосуд с газом разделен на две части. В стенке маленькое отверстие с задвижкой. Об эту задвижку с обеих сторон беспорядочно ударяются молекулы газа. Если какой-либо механизм на мгновенье открывает задвижку, когда молекула подлетает к ней слева, пропуская ее в правую половину, и задерживает молекулы, летящие справа налево, то постепенно большая часть молекул скопится в правой половине сосуда. Давление там сделается более высоким, чем в левой половине. Пропуская газ обратно, то есть справа налево, через специальную трубку, в которой установлена турбинка, мы сможем получить таким образом некоторую энергию. Повторяя этот процесс много раз, мы получили бы вечный двигатель второго рода.

Невозможность создания вечного двигателя второго рода была доказана в прошлом веке физиками Клаузиусом и Томсоном. А пример, приведенный здесь, был придуман великим английским физиком Максвеллом, чтобы сделать это совсем очевидным. Создать механизм, о котором говорится в этом примере, нельзя. Молекулы будут в среднем переходить справа налево так же часто, как и слева направо. Воображаемый, но неосуществимый механизм, сортирующий молекулы так, чтобы отобрать у них энергию, с тех пор стали называть дьяволом Максвелла.

Нечистый с фонариком

Дьявол Максвелла (или демон Максвелла) родился в 1871 году и прожил долгую жизнь. Несмотря на то, что Максвелл думал, что сам уничтожил свое детище, доказав его неработоспособность, коварный дьявол тревожил несколько поколений ученых.

Как только кто-нибудь задумывался над роковым смыслом второго начала термодинамики, которое утверждает, что все процессы в природе идут таким образом, что энергия постепенно рассеивается, обесценивается и вселенную в конце концов ожидает тепловая смерть (все тепло израсходуется, и мир погрузится в темноту ледяной ночи), ему начинал являться Максвеллов дьявол.

Мариан Смолуховский, занимавший кафедру теоретической физики в Львовском университете, в 1912 году первый отметил роковое влияние хаотического теплового движения молекул на работу демона Максвелла. Он понял, что хаотические удары молекул приводят к случайному открыванию и закрыванию задвижки и тем препятствуют нарушению законов природы.

Прошло еще 15 лет, и загадка Максвелла послужила толчком к работе, ставшей одним из камней в фундаменте новой науки — кибернетики. В 1929 году Л. Силард указал, что демон, если он хочет вовремя заметить молекулу и управлять ею, должен получать и своевременно использовать информацию о движении отдельных молекул.

Прошло еще около двадцати лет, пока не удалось доказать, что демон не может вовремя увидеть отдельные молекулы, если только его не снабдить фонариком или другим приспособлением для своевременного узнавания молекул.

Как видите, без света он обойтись не может, а фонарик требует затраты энергии. Опять не удалось обойти второе начало термодинамики. Но для того чтобы доказать, что без затраты энергии демон вообще не может получить информации, необходимой для его деятельности, понадобилась сложная работа, закончившаяся лишь во второй половине нашего века.

Думали ли в 1951 году молодой аспирант Николай Геннадиевич Басов и немного старший по возрасту доктор физико-математических наук Александр Михайлович Прохоров о дьяволе Максвелла?

Неизвестно. Они были увлечены одним очень интересным явлением, которое, казалось бы, не имеет никакого отношения ни к нашим вопросам, ни к дьяволу Максвелла.

На распутье

Примерно за пять лет до этого, вскоре после изобретения синхротрона — ускорителя заряженных частиц, Прохоров задумал выяснить, нельзя ли использовать новый замечательный прибор в качестве источника радиоволн. Конечно, синхротрон создан, чтобы разгонять электроны до скоростей, близких к скорости света, а вовсе не для того, чтобы использовать рождаемые ими радиоволны. Но как знать... Ведь и радио было изобретено как средство связи, а развилось в почти всеобъемлющую область техники.

После того как тяжелое ранение вернуло Прохорова с фронта Отечественной войны, он в науке остался разведчиком. Сменив тяжелые будни войсковой разведки на нелегкие дни научного поиска, Прохоров проявлял удивительную настойчивость.

Примерно через год после начала работы с синхротроном к Прохорову присоединился студент-практикант Басов. Война наложила свой отпечаток и на его жизнь. Со школьных лет он стремился к точным наукам, но началась война, и его призвали в армию. Окончив фельдшерскую школу, Басов ушел на фронт. Лечил и спасал раненых, укрывал дымовыми шашками переправы, демонтировал заводы, где гитлеровцы изготовляли отравляющие вещества. Тяжело отравленный, попал в госпиталь.

И вот он студент при кафедре теоретической физики; оканчивает Инженерно-физический институт на год раньше срока, выполнив дипломную работу, половину которой составил эксперимент. Здесь впервые сказался его научный почерк: теоретик по образованию и по склонности, Басов — тонкий знаток и любитель экспериментальной работы. Впоследствии друзья шутили: «Фельдшер медицины и доктор физики».

Первый этап совместной работы молодых ученых не дал науке много нового. Они пришли к выводу, что из синхротрона не сделаешь хорошей радиолампы.

Выбор правильного направления — основное и в походе, и в политике, и в науке. Наиболее обещающие пути в науке лежат на границах различных областей, на стыках новых рубежей техники. Одно из таких направлений — радиоспектроскопия, наука, развившаяся в послевоенные годы. Она позволяет изучать молекулы и атомы на основе их способности поглощать радиоволны. Это была та область работы, к которой наши друзья были подготовлены лучше всего. Прохоров, радиофизик по образованию, основательно проварился в «котле» Физического института Академии наук СССР, в котором непрерывно клокотали дискуссии по вопросам теории элементарных частиц, атомного ядра и космических лучей. Басов же, теоретик по образованию, полностью овладел техникой сантиметровых волн и обращался с волноводами и резонаторами так же свободно, как радиолюбитель с детекторным приемником.

Итак, они взялись за радиоспектроскопию. Начали просвечивать различные газы радиоволнами. Изучая поглощение волн, расшифровывали строение и свойства молекул. Они рассказывают:

— Это увлекательная, но кропотливая работа. Ее можно сравнить с разгадкой хорошего кроссворда. Трудно сказать, что сложнее в этой работе: расчеты или опыт. Вначале не знаешь, как подступиться, а потом не можешь оторваться.

Итак, ученые выясняли способность атомов и молекул поглощать.

И вот тут-то, сами того не подозревая, они встретились с дьяволом Максвелла.

Лучи в плену

Все началось с того, что специалисты, занимающиеся созданием радиолокаторов, столкнулись с загадочным обстоятельством.

Пучок радиоволн длиною в 1,3 сантиметра, посланный радиолокатором в поисках цели, растворялся в пространстве. Казалось, что кто-то невидимый ставил на пути лучей ловушку и большая часть радиоволн захлопывалась в ней.

Причина этого явления была неясна. Было лишь очевидно, что из-за сильного поглощения применять радиоволны длиною около 1,3 сантиметра для радиолокации невозможно.

Странное явление очень заинтересовало ученых. Начались поиски разгадки.

Пропуская радиоволны через разреженные газы, ученые убедились в том, что многие газы сильно поглощают короткие радиоволны. Но не все. Азот и кислород, например, пропускают без изменения радиоволны длиною в 1,3 сантиметра, а водяные пары поглощают их. Различные газы поглощают не все проходящие через них радиоволны, а лишь те, которые имеют определенную длину. Остальные они пропускают, не задерживая.

Создалось впечатление, что молекулы как-то настроены на эти волны и поэтому поглощают только их. Этим свойством молекулы очень напоминают радиоприемники. Ведь радиоприемники, как мы знаем, обладают способностью отделять сигналы одной радиостанции от сигналов остальных. И молекулы, подобно радиоприемникам, принимают лишь те волны, на которые они настроены.

Это было то самое явление поглощения газами радиоволн определенной длины, которое и толкнуло ученых на мысль использовать радиоволны для анализа различных смесей.

В этой работе приняли участие Басов и Прохоров. И вот тут-то у них и возникла мысль: если молекулы способны поглощать радиоволны, значит они могут и излучать их?

Если за счет радиоволн они пополняют свой запас энергии, значит они могут и отдавать ее опять-таки в виде радиоволн?

Долгое время эта задача казалась неразрешимой.

Не было известно даже путей, по которым можно было бы надеяться подойти к этой цели. Это и увлекло Басова и Прохорова.

Космический бильярд

В 1945 году голландский астрофизик Ван де Холст высказал предположение, что атомы водорода, находящиеся в межзвездном пространстве, излучают радиоволны длиной около 21 сантиметра. Это не было домыслом, догадкой. Так показали ему строгие математические расчеты.

Путем математического же анализа была получена еще одна, совершенно парадоксальная цифра, касающаяся характера этого излучения. Советский ученый И.С. Шкловский вычислил, что каждый атом межзвездного водорода, летая в свободном пространстве, может излучить радиоволну всего один раз за 10 миллионов лет!

Не будем вспоминать обо всех возражениях и спорах, которыми были встречены прогнозы о космическом излучении водорода. Скажем о главном. Было ясно, что энергия, излучаемая отдельным атомом, очень мала. Казалось, нет никакой возможности уловить ее. Нет даже столь чувствительных радиоприемников. Но положение спасли размеры нашей Галактики. Они столь велики, что излучение от отдельных атомов, находящихся, если можно так выразиться, на луче зрения, складывается в весьма заметную величину. Вот это-то суммарное излучение и удалось зафиксировать современными чувствительными приборами.

Так прогнозы Холста блестяще подтвердились. Радиоволны длиной в 21 сантиметр теперь систематически принимаются радиоастрономами из глубин вселенной.

Открытие излучения межзвездного водорода было большой научной сенсацией. И читавшему лекции по физике Прохорову, еще далекому от увлечения молекулярным генератором, не раз приходилось отвечать на градом сыпавшиеся вопросы студентов. Часто отвлекаясь от текущей темы, он рассказывал им о беспокойной, полной превратностей судьбе крошечных частичек огромных звезд, брошенных в вечное странствие гигантскими космическими катастрофами.

Прохоров рисовал картину бесконечных просторов вселенной, где наряду с гигантскими светилами то «вспыхивают», то «потухают» точечки атомов водорода. Он рассказывал, что, затратив на излучение радиоволны часть своей энергии, атом, не дожидаясь 10 миллионов лет, может опять получить возможность излучать, столкнувшись с другим атомом и отобрав у него часть энергии. Так бывает и при столкновении бильярдных шаров, когда один шар замедлит или ускорит движение другого, отобрав или сообщив ему энергию.

Атомы водорода могут также встретить на своем пути поток электромагнитной энергии и пополнить запасы своей энергии за ее счет. Так песчинки, подхваченные вихрем, черпают у него новые силы.

А получив дополнительную энергию, атом водорода может снова излучить сигнал тотчас или через некоторое время.

Что же в этом удивительного? — замечал ученый. Даже в таком разреженном газе, как межзвездный водород, где на каждый кубический сантиметр объема едва приходится по одному атому, они все же встречаются друг с другом. Они не изолированы и от внешних воздействий. Время от времени атомы неизбежно сталкиваются между собой, на них воздействуют свет и другие виды электромагнитной энергии. Поэтому-то, даже совершенно одинаковые по своему строению атомы водорода различаются своими энергиями.

Лектор обращал внимание студентов, еще не очень искушенных в тонкостях науки, на законы природы, которые заставляют атомы стремиться «успокоиться», отделаться от избытка энергии. Стремиться к состоянию с наименьшим запасом энергии.

Будущие физики еще не очень чувствовали, но уже понимали, что такое состояние для атомов является основным, наиболее устойчивым. В таком блаженном состоянии внутреннего покоя (а это отнюдь не значит, что атом неподвижен. Этого в природе не бывает — это знали даже не отличники) атом может находиться очень долго, пока его не побеспокоят другие атомы или не облучит электромагнитная волна, Короче говоря, пока он не подвергнется внешнему воздействию. Пока ему не навяжет часть своей энергии подвернувшийся на его пути собрат, стремящийся от нее отделаться и тоже прийти в вожделенное состояние успокоенности. Что ж тогда останется делать нашему атому, как не подчиниться обстоятельствам и взвалить на свои плечи груз дополнительной энергии? Взвалить с тем, чтобы со временем последовать тому же примеру: излучить ее в виде электромагнитной волны или передать встречному атому.

— А какова же судьба энергии, потерянной атомом? — перебивал нетерпеливый студент. — Что произойдет дальше с порцией энергии, рожденной таким образом?

— Меньше всего вероятно, — отвечал Александр Михайлович, — что ей удастся долго пропутешествовать в космосе невредимой. Скорее всего на своем пути она встретится с обессиленным атомом, который тотчас поглотит ее и тем самым придет в состояние возбуждения, с тем чтобы дальше все повторилось в той же последовательности. — А что станется с нашим первым атомом? — Вероятно, он снова при первом же удобном случае пополнит свою энергию и получит новую возможность излучать.

Заманчивая идея

Так или приблизительно так рассказывал Прохоров своим студентам. Очень высокий, сутулясь, прохаживался он между рядами парт, все убыстряя шаг, все более увлекаясь. И с удивлением замечал, что параллельно с его рассказом мысли его вели свой не слышный никому разговор, отыскивая в том же круге идей опорную точку для своей, еще смутной цели. Так зреет зерно, брошенное в благодатную почву.

Атом — своеобразный естественный генератор радиоволн!.. К этой мысли надо было привыкнуть. Ведь с понятием радиотехнического прибора связаны громоздкие ящики, набитые электронными лампами, катушками индуктивностей, трубочками сопротивлений, конденсаторами, источниками электропитания.

А тут невидимая крупица материи. Но с какими необыкновенными свойствами! Электронные лампы и детали изнашиваются, портятся. Атом же вечен! Он не старится, не срабатывается. Если его изолировать от внешних воздействий, он никогда не изменит длину излучаемой волны. Это генератор, созданный самой природой, самый устойчивый и неизменный в своей работе прибор. А сколько труда стоят попытки сконструировать неизменные, или, как говорят инженеры, стабильные, генераторы радиоволн!

Да, атом в роли радиопередатчика — идея заманчивая...

Надо сказать, что она приходила на ум не только Прохорову. Когда ученые убедились, что излучающие радиоволны атомы космического водорода не химера, было естественно оценить, нельзя ли добиться того же в лаборатории. Нельзя ли использовать эти атомы в виде реальных генераторов радиоволн для практических целей.

Действительно, а если собрать в сосуде столько атомов водорода, чтобы излучение от них составило изрядную величину? Можно ли таким путем создать земной атомный генератор радиоволн?

К сожалению, нет. Упрямая природа протестовала против такого намерения. Заключенный в сосуд газ не был бы столь разреженным, как в межзвездном пространстве. Атомы водорода непременно сталкивались бы между собой и со стенками сосуда. В результате, каково ни было бы начальное состояние, вскоре число поглощающих атомов стало бы большим, чем число излучающих. Кроме того, в результате взаимных столкновений атомы водорода неизбежно соединились бы в молекулы. А молекулам водорода природа придала совершенно иную структуру, неспособную к излучению радиоволн.

Таким образом, атомы водорода, соединившись в молекулы, теряют свое замечательное свойство.

Надо признаться, такой опыт ученые не проводили. Бессмысленность его постановки была совершенно ясна. Зато теоретики предсказали, что генераторами радиоволн могут быть молекулы других веществ.

Корм подешевле

Впрочем, эта мысль была не нова. Еще Эйнштейн открыл, что молекулы, попавшие в электромагнитное поле, способны не только впитывать энергию в виде порций квантов, но и выделять поглощенные кванты под действием внешнего поля. Но какой в этом прок? Энергия одиночного кванта так ничтожно мала, что не заслуживает внимания практика. Разве одной электрической лампочкой можно осветить город? Только тысячи одновременно сияющих ламп могут выполнить эту задачу.

Как бы заставить молекулы вспыхнуть разом! Это так увлекало, что не жаль было многих и многих часов, отданных размышлениям. А размышления зачастую окутывались в одежды, сотканные из формул и уравнений. Формулы спорили, часто противоречили одна другой и приводили в отчаяние ученых, которые их писали. А иногда формулы вдруг соглашались друг с другом, ободряли и сулили надежду.

Уравнения подтвердили, что молекулы могут излучать такие постоянные по частоте радиоволны, каких не дает ни один из ранее созданных приборов. Что молекулы никогда не старятся и всегда будут вести свою радиопередачу на строго фиксированной волне, что молекула — самая совершенная и долговечная в природе радиостанция. Словом, если заставить молекулы дружно высвечивать радиоволны, то они будут обладать чрезвычайно ценными свойствами. За это стоило бороться.

Басов и Прохоров оказались в положении людей, которые знают, что струны скрипки способны чарующе звучать, но не могут научиться извлекать из них нужные звуки.

Иногда размышления принимали такие реальные очертания, что казалось, сами молекулы подсказывали ученым: «Чтобы отдать людям свою энергию, мы должны обладать ее запасом. А ведь мы разные. Есть среди нас совсем слабенькие, и слабых больше, чем сильных».

Действительно! В толпе на улице есть энергичные люди, шагающие бодрой походкой, и просто гуляющие, и старушки, с трудом преодолевающие даже ровную дорогу. Так же и молекулы в веществе. Химически они подобны, они все молекулы одного и того же вещества, но обладают различной энергией. Чтобы все молекулы стали энергичными, в них надо вселить бодрость!

Может возникнуть вопрос: что же это за переливание из пустого в порожнее? Снабдить молекулы энергией, чтобы они потом ее же и отдали? Ну, нет! Чтобы получить гусиное сало, гуся вовсе не кормят салом. Для этого есть более дешевые продукты. Чтобы получить от молекул радиоволны, их совсем не обязательно кормить радиоволнами такой же ценности. Для этого можно найти корм попроще. Их можно и освещать, и нагревать, и снабжать энергией другими способами. Все дело в том, чтобы дешевыми средствами получить радиоволны, драгоценные по качеству. А с точки зрения радистов основная ценность радиоволн заключается в их стабильности — постоянстве излучаемой частоты.

«А что, если пойти по другому пути? Что, если разделить молекулы, обладающие разной энергией?» — мелькнула догадка у молодых исследователей.

Так они взвалили себе на плечи задачу, которая была не по силам даже дьяволу Максвелла.

Эн-аш-три

Все дальнейшее в этом рассказе будет связано с аммиаком. Неприятный резкий запах нашатырного спирта — это запах аммиака. Для радиоспектроскопии аммиак так же важен, как рычаг для механики. Молекулы аммиака поглощают сантиметровые радиоволны гораздо сильнее, чем все другие молекулы. Поэтому эти молекулы исследованы очень подробно. Почти все новые идеи в радиоспектроскопии проверяются с помощью молекул аммиака.

Радиоспектроскописты знают их строение так хорошо, как будто они не только видели, но измеряли их линейкой и циркулем. Молекула аммиака проста и изящна. По сравнению с громоздкими формами некоторых иных молекул она устроена предельно лаконично.

Атом азота и три атома водорода. Вот и все. Представьте себе маленькую трехгранную пирамиду. В трех ее нижних вершинах расположено по атому водорода. Расстояние между атомами азота и каждым из атомов водорода равно примерно одной десятимиллионной доле миллиметра (точнее 1,014 этой доли). Угол при вершине пирамиды тоже хорошо известен — он равен 106 градусам и 47 минутам.

Не правда ли, сухие цифры, и их при чтении хочется пропустить? Но не торопитесь. Вспомните, того, что так точно измерено, никогда не касалась рука человека, не видел глаз!

Молекулы аммиака, собранные в сосуде, вращаются наподобие волчков. И чем быстрее вращается молекула, тем более активной, более сильной она является. Тем большим запасом энергии она обладает.

А кто же снабжает ее этой энергией? Ее же сестры. Они так суетятся, беспорядочно снуют в разные стороны, что не мудрено и столкнуться друг с другом. И вот одна, обессиленная, приостановится, а другая закрутится еще быстрее.

Впрочем, бывают и встречи с электромагнитной волной, с которой молекула может обменяться энергией. Например, если молекула аммиака попадет в поле радиоволны длиной около 0,5 мм, она с удовольствием проглотит часть энергии этой волны и за этот счет ускорит свое вращение.

Но возможен и противоположный процесс: радиоволна может затормозить вращение молекулы, отобрать у нее часть энергии и за ее счет пополнить свои запасы.

И насколько важен именно этот случай, насколько близки мы при этом к вожделенной мечте ученых — созданию молекулярного генератора радиоволн, — будет ясно из дальнейшего.

Помните? Обмен энергией между электромагнитным полем и молекулой подчиняется особым законам. Каждая молекула может взаимодействовать не с любыми радиоволнами, а только с некоторыми, обладающими подходящей длиной волны.

Наблюдая отношения молекул аммиака с радиоволнами, замечая, как они выбирают из множества типов радиоволн определенные, ученым удалось набросать черты характера и портрет невидимой молекулы аммиака. Удалось разузнать кое-что о ее строении. Но заставить ее излучать радиоволны длиною 0,5 миллиметра все же не удалось. Сила излучения оказалась слишком ничтожной, чтобы ее можно было заметить.

Незримая пирамида

Физики не только определили форму молекулы аммиака и измерили величину этой мельчайшей пирамиды, но и установили, что она не может считаться чем-то подобным твердому телу.

Атом азота и три атома водорода, входящие в эту молекулу, удерживаются на своих местах силами электрического взаимодействия. Когда эти атомы объединяются в молекулы, они делятся своим имуществом. Электроны, ранее принадлежащие атомам водорода, обобществляются. В молекуле аммиака эти электроны одновременно принадлежат и атомам водорода и атому азота. Эти электроны как бы стягивают невидимыми пружинами ядра всех четырех атомов.

В молекуле не утихает борьба двух противоположных сил. Электрические силы, которыми электроны стягивают ядра атомов, встречаются с противодействием других невидимых сил. Положительные заряды ядер отталкивают друг друга и не дают ядрам сблизиться вплотную. Можно представить себе, что между ядрами натянуты невидимые пружинки, так что ядра оказываются как бы закрепленными между набором сжимающих и расталкивающих их пружин.

Но тела, скрепленные пружинами, не закреплены намертво. Они могут колебаться около той точки, в которой они закреплены. Так же обстоит дело и с атомами, входящими в молекулу. Они тоже могут колебаться вокруг своих положений равновесия. Далеко разойтись они не могут, так как их стягивают между собой электроны. Сильно сблизиться между собой они тоже не могут, так как их расталкивают одноименные заряды ядер.

Таким образом, все ядра в большей или меньшей степени колеблются вокруг своего положения равновесия.

И если бы мы могли увидеть молекулу аммиака, то атомы представились бы нам туманными пятнышками, размеры которых зависят от размахов их колебаний.

Присмотревшись внимательней, мы заметили бы, что размеры туманных пятнышек внезапно меняются. Они то увеличиваются, то уменьшаются.

Это значит — колебательное движение может становиться то сильнее, то слабее. Значит, может изменяться не только вращательная, но и колебательная энергия молекулы аммиака?

Да, изменения колебательной энергии тоже могут быть вызваны как столкновением с другой молекулой, так и поглощением или излучением электромагнитной волны. Только это уже не волны радиодиапазона. Они принадлежат к области инфракрасного света.

Это было опять не то, что искали наши ученые. Им хотелось создать генератор радиоволн, а вовсе не источник инфракрасных лучей. И если бы на этом кончились особенности загадочной пирамиды, она не была бы избранницей Басова и Прохорова и, следовательно, не стала бы героиней нашего рассказа.

О том, что так привлекло к ней внимание, из-за чего ей было отдано столько надежд, и не напрасно, пойдет речь дальше.

В роли перчатки

Если бы наше зрение обрело способность заглянуть в микромир молекулы аммиака, нам открылась бы поразительная картина. Молекула иногда внезапно меняет свой вид. Она вдруг выворачивается наизнанку, как перчатка! Атом азота неожиданно оказывается лежащим не над треугольником атомов водорода, а под ним. Затем столь же внезапно все возвращается в исходное положение, атом азота оказывается на первоначальном месте. Мы как бы видим молекулу и ее зеркальное изображение.

Это повторяется неоднократно. Самое удивительное заключается в том, что такое перемещение происходит отнюдь не в результате поворота молекулы. Все происходит так, как если бы атом азота проскакивал между атомами водорода. Но так как атом азота более чем в четыре раза тяжелее, чем три атома водорода, вместе взятые, то правильнее было бы сказать, что треугольник с атомами водорода в его вершинах оказывается то с одной, то с другой стороны атома азота.

Инверсия — таким красивым словом назвали ученые это явление. Инверсионный переход. И вот оказывается, такой переход возможен только в молекулах. Ни в одном из тел крупных размеров он невозможен. То есть не может происходить сам по себе.

Когда кто-нибудь высказывал сомнения по этому поводу, Прохоров легко рассеивал их, предлагая посмотреть на модель молекулы аммиака. Ее можно, говорил он, изготовить из трех маленьких и одного большого шарика, связанных пружинками так, чтобы они образовали пирамиду. Чтобы произвести инверсию, то есть продавить один шарик между тремя остальными, нужно было бы приложить какую-то силу. Сжать пружины не так-то легко. Если же это удастся, то шарик займет новое положение равновесия и отнюдь не будет стремиться возвратиться обратно. Для его возвращения необходимо было бы проделать всю работу сначала.

В молекуле же инверсионные переходы осуществляются сравнительно часто и без всякой видимой причины. Причем они происходят самопроизвольно, без воздействия со стороны.

Тут мы подходим к главному. Эта инверсия оказывается виновницей того, что молекула аммиака способна произвести на свет еще одну серию электромагнитных волн, помимо тех, о которых мы уже говорили. Эти радиоволны длиной около 1,25 сантиметра, расположенные в удобном для работы диапазоне, вполне устраивали ученых. Это было как раз то, что они искали...

...Что же, это конец поисков и нашей истории? О нет! Это начало новых трудностей. Это ответ, который порождает следующий вопрос. Этот этап был только отправной точкой для создания молекулярных генераторов радиоволн.

Новые трудности

Если бы молекулы аммиака свободно летали в пустом пространстве, не сталкиваясь между собой и не взаимодействуя с электромагнитными волнами, все они со временем совершили бы вожделенный переход в состояние с меньшей энергией. Ведь такое стремление является законом для всех молекул. И молекулы аммиака тут не составляют исключения.

Но молекулы сталкиваются между собой, взаимодействуют с электромагнитными волнами, поглощая или отдавая энергию. Поэтому среди них есть молекулы и с малым и с большим запасом энергии. Однако первых всегда больше. Поэтому ни один из газов в обычном состоянии не способен излучать радиоволны: молекул-приемников в нем гораздо больше, чем молекул-передатчиков. И вот тут-то и крылся камень преткновения.

Как же привести газ в такое состояние, когда молекул-передатчиков станет больше, чем молекул приемников? И можно ли сделать так, чтобы молекул, готовых отдать избыток энергии, было больше, чем молекул, стремящихся поглотить ее? Можно ли добиться этого, не нагревая газ, не вводя в него энергию извне?

Мне представляется, что при этих разговорах незримо присутствовал и злорадно улыбался дьявол Максвелла...

Мне представляется и тот момент, когда ученых осенила блестящая догадка: а нужно ли именно так поступать с молекулами? Не лучше ли просто отделить одних от других, слабых от сильных, чтобы они не мешали друг другу? И тут-то наверняка потрясенный дьявол сник и съежился и, как полагается любому носителю скепсиса, приготовился провалиться сквозь землю...

Теперь невозможно установить, кто из них — Басов или Прохоров — первым сказал «эврика». Важно, что эта идея спасла всю проблему. За эту мысль и ухватились ученые. Ведь она могла обернуться мостом между возможным и невозможным, между мечтой и действительностью, между теорией и практикой...

С этого момента Басов и Прохоров почувствовали твердую уверенность — надо избрать этот путь. Другого пока нет.

Но как это осуществить? Разделить можно яблоки: по цвету, величине, по спелости. Собак — по масти, росту; монеты — по стоимости. Разделить можно почти любые видимые предметы. Но как это сделать с невидимыми, абсолютно похожими друг на друга молекулами? Как в одну сторону отогнать слабеньких, в другую — сильных? Когда думаешь об этом.

задача кажется просто фантастической, немыслимой — как, чем здесь орудовать?!

Но, как ни странно, эта часть работы вовсе не оказалась самой трудной. Решение было под рукой, в арсенале уже промытого учеными золота истин — бери, используй.

Без дьявола

В мае 1952 года на Всесоюзной конференции по радиоспектроcкопии Басов рассказал о способе, которым они решили воспользоваться, чтобы отделить молекулы, готовые излучать энергию, от молекул, стремящихся ее поглотить. Он волновался и, стоя на трибуне, незаметно перебирал обычно такими твердыми и точными в работе, а сейчас неуверенными руками страницы доклада, написанного вместе с Прохоровым.

Задолго до этого публичного экзамена они обсудили и продумали свое сообщение. Наши герои заделывали все маленькие и большие бреши сомнений, старались предугадать вопросы маститых физиков и придумывали заранее ответы, которые должны были рассеять недоверие.

Басова слушали виднейшие физики современности, слушали с огромным вниманием...

Многие замечательные открытия и изобретения, после того как они уже сделаны, кажутся очень простыми. Когда о них узнаешь, невольно приходит мысль: как же до этого не додумались раньше? Ведь главное в этом уже давно известно. Так думали современники братьев Черепановых, поставивших паровую машину на повозку и соединивших маховик с колесами. Так думают и многие из нас, узнавая о новых свершениях науки и техники. Так думал не один ученый, прислушиваясь к докладу молодого физика. А он все рассказывал, стараясь преодолеть робость и смущение.

...Способ сортировки молекул с различной энергией был известен после работ немецкого ученого Штерна и применялся в некоторых лабораториях. Физики использовали то обстоятельство, что многие молекулы и атомы ведут себя как крошечные магнитики. Причем их поведение в магнитном поле тесно связано с величиной внутренней энергии атома или молекулы. Слабенькие молекулы и магнитные «способности» имеют небольшие. Сильные, обладающие большим запасом энергии, и магнитную силу имеют более значительную.

На этом и решил сыграть Штерн. Он предложил выпускать пучок атомов серебра между полюсами сильного магнита так, чтобы они пересекали силовые линии магнитного поля. Штерн организовал, таким образом, «естественный» отбор, который должны пройти атомы. А чтобы они не могли мешать друг другу, он решил выпускать их в пустоту через узкую щель по очереди. Так они могли лететь, не сталкиваясь между собой.

Когда впервые был поставлен этот опыт, зрители могли воочию наблюдать картину «борьбы» между атомами серебра и силовым полем магнита. Водоворот магнитного поля захлестывал их, как прибой пловцов. Сильные пловцы обычно выбираются на берег, а слабых втягивает в пучину. Так и стихая магнитных сил по-своему расправлялась с атомами серебра. Более слабые из них втягивались в область сильного магнитного поля, другие, более сильные, выталкивались из этой области. Поле рассортировало атомы. Оно оказалось своеобразным стрелочником, направляющим по различным путям атомы с различным запасом энергии.

Со временем было обнаружено, что сортировка возможна и для молекул, не обладающих заметными магнитными свойствами, но являющихся в некотором отношении электрическими аналогами магнитной стрелки.

Имеется большое количество молекул — их называют дипольными, — которые построены так, что входящие в них положительные и отрицательные заряды немного сдвинуты в пространстве. Такие молекулы можно уподобить маленькой палочке, один конец которой имеет положительный заряд, а другой — отрицательный. На школьных уроках физики часто показывают опыт с наэлектризованными палочками, сделанными из сердцевины веток бузины.

Если пучок, то есть поток не сталкивающихся между собой дипольных молекул, пропускать между пластинами электрического конденсатора так, чтобы они летели вдоль пластин, пересекая поле, если придать пластинам подходящую форму, то пучок молекул расщепится на ряд пучков в зависимости от энергии молекул.

Так физики, используя свойства молекул и свойства электрических и магнитных полей, научились делать то, что Максвелл считал выходящим за пределы человеческих возможностей. Они научились сортировать молекулы. Отбирать из сосуда с молекулами те из них, которые обладают определенными энергетическими свойствами, например те, энергия которых больше, чем у остальных. Физики уже не раз использовали эту возможность для изучения строения молекул, атомов и атомных ядер.

Даром ничего не дается

Итак, первая часть пути была проторенной. По ней и пошли московские физики. Они решили направить пучок молекул аммиака через электрический конденсатор специальной формы, создающий сильное электрическое поле. Под действием этого поля пучок распадется на несколько пучков, в каждом из которых будут лететь молекулы с различными запасами энергии. Теперь можно с помощью заслонки с отверстием отделить тот пучок, в котором летят нужные молекулы — молекулы, обладающие высоким уровнем энергии, готовые излучить часть энергии, если они попадут в подходящие для этого условия.

Наконец можно было вздохнуть с облегчением — проблема сортировки была решена. Но...

Может возникнуть вопрос: не является ли эта сортировка, приводящая к отделению молекул более энергичных от менее энергичных, вызовом второму закону термодинамики? Не попали ли Басов и Прохоров со своей работой в компанию его нарушителей?

Или Максвелл ошибся? Неужели удалось осуществить то, что он считал невозможным? Нет, дело не в этом. Конечно, нет.

Дело в том, что конденсатор, который на первый взгляд так же могуществен, как Максвеллов дьявол, выбирает молекулы не из сосуда, где они мечутся в беспорядке. Эти молекулы не вьются вокруг конденсатора хаотически, как бывает в естественных условиях, а их специально предварительно загнали в сосуд, сжали большим давлением, а уж потом выпустили из сосуда через диафрагму с отверстиями поочередно, подвели под самый нос конденсатора, и ему осталось лишь их опознать.

И на то, чтобы сжать газ, уже была затрачена энергия. Без затраты энергии это смог бы сделать только дьявол. Вернее, этого хотели от него добиться изобретатели теплового вечного двигателя.

Басов и Прохоров, применив сортировку молекул, вовсе и не стремились получить энергию, да еще бесплатно. Но они получили не менее ценный результат — пучок молекул, способный излучать радиоволны. Пучок, в котором молекулы-передатчики отделены от нахлебников — молекул-приемников, способных лишь поглощать энергию.

Таким образом, Басов и Прохоров не шли против законов природы, не получали энергию ни из чего. Они, честно затратив ее и использовав законы природы, шли к своей цели.

А целью была вовсе не сама сортировка. Это было лишь промежуточным этапом. Получить пучок молекул, обладающих избыточной энергией, было далеко не все. Надо было, чтобы молекулы излучили эту энергию в виде радиоволны; молекулы же, свободно летящие в таком пучке, отнюдь не стремятся немедленно излучить свою избыточную энергию. В таких условиях они могли бы лететь около года, прежде чем половина из них излучит радиоволны. А за это время молекулы могут пролететь сотни миллионов километров.

В сосуде же приемлемых размеров время полета молекул составляет примерно одну десятитысячную или в крайнем случае одну тысячную долю секунды. Поэтому излучить радиоволны за это время успеет только одна из каждого миллиарда пролетающих молекул.

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.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.