Превращения гиперболоида инженера Гарина - [42]

Уже это краткое описание указывает на крайнюю простоту нового прибора. Он не нуждается ни в каких насосах. Ведь если не считать радиоламп (а они во многих конструкциях успешно заменены транзисторами), то вакуумными деталями здесь являются только колбочка с насыщенными парами рубидия и маленькая спектральная лампа с такими же парами. Нет в новом приборе и магнитов, необходимых для работы атомнолучевых трубок или водородного генератора. Одним словом, он много проще, легче и экономнее своих конкурентов.

Прочтение немногих строчек, потребовавшихся для описания работы Кастлера и Броссела, заняло у вас несколько минут. А они затратили на нее более десяти лет. Десять лет надежд и сомнений, поисков и проверок, попыток и неудач!

Лишь в 1960 году Броссел с сотрудниками, наконец, осуществили удачный опыт с двойным резонансом и доказали, что чувствительность нового метода очень велика. Ведь для изучения поглощения квантов радиодиапазона, обладающих очень малой энергией, здесь применяются световые кванты, энергия которых в миллионы раз больше.

Новый метод позволил успешно изучать свойства атомов ртути, щелочных элементов и некоторых других атомов, легко испаряющихся при сравнительно низких температурах.

Многие ученые, прочитав о работах Кастлера, Броссела и их сотрудников, поняли, что оптическая накачка и оптическая индикация радиочастотного резонанса в щелочных атомах может стать основой нового квантового стандарта частоты.

Однако на пути к этой цели возникло много препятствий. Они очень похожи на те, с которыми, как мы знаем, встретился Рэмси при создании водородного и цезиевого стандартов. Прежде всего и здесь нужно было получить достаточно узкие спектральные линии. Можно сказать, что по сравнению с водородным генератором трудности для цезия возрастают в семь раз. Ведь резонансная радиоволна для цезия (3,2 см) примерно в 7 раз короче, чем для водорода. Для рубидия, один из изотопов которого имеет резонансную волну около 4 сантиметров, дело обстоит немного легче. Но поместить эти атомы в маленькую колбочку с защищенными стенками не удалось. Колбочка должна была быть слишком малой, и сигнал получался очень слабым.

К счастью, для щелочных атомов был найден другой способ сужения спектральных линий далеко за пределом, определяемым эффектом Допплера. Физики придумали для этого такой фокус. Они решили окружить щелочные атомы атомами инертного газа, как бы укутать их в вату. И теперь, если в сосуд, в котором находится немного инертного газа (при давлении в несколько тысячных атмосферы), поместить в миллион раз меньшее количество атомов щелочного металла, то эти атомы окажутся «зажатыми» между атомами инертного газа. Свободное тепловое движение щелочных атомов прекратится. Они не будут сталкиваться ни друг с другом, ни со стенками колбочки, чего так боятся ученые. Атомы рубидия будут метаться между атомами инертного газа, не смещаясь в пространстве на заметное расстояние.

Если при своих метаниях «закутанные в вату» атомы в течение многих периодов радиоволны не смещаются в пространстве на расстояние порядка длины этой волны, то они будут взаимодействовать с ней почти так же, как неподвижные атомы. Эффект Допплера станет очень, очень малым и не вызовет, казалось неизбежного, уширения спектральных линий. Столкновения щелочных атомов между собой в этих условиях будут крайне редкими, ведь в колбочке их в миллион раз меньше, чем атомов инертного газа. А столкновения с атомами инертного газа, так же как столкновения с защитным покрытием стенок, не уширяют спектральные линии щелочных атомов.

Опыт показал, что таким образом действительно можно получить спектральные линии шириной всего в несколько десятков герц. Это примерно в десять раз меньше, чем в атомнолучевых трубках с разделенными полями Рэмси, и в сотни раз меньше, чем в молекулярном генераторе! И в тысячи раз меньше, чем ширина линии, определяемая эффектом Допплера в газах.

Не удивительно, что во многих лабораториях начались исследования с целью создания стандарта частоты нового типа. И такой стандарт был создан. Он не только проще своих собратьев. По стабильности частоты он не уступает им. В течение года его частота не уйдет ни на одну сотую от миллиардной доли своей величины. Дешевизна таких стандартов и удобство работы с ними обеспечит им широкое применение.

Но… Опять «но», досадное, без которого, однако, не было бы прогресса, не было бы науки.

К сожалению, оказалось, что в процессе сужения спектральных линий щелочных атомов, о котором мы только что говорили, смещается резонансная частота этих линий, как «уходит» настройка наших радиоприемников. Особенно неприятно, что это смещение зависит от температуры и давления газа в колбочке. Небольшое изменение частоты происходит и под влиянием вспомогательного света. Все это приводит к необходимости контроля и калибровки стандарта.

Поэтому стандарт частоты с оптической накачкой, к глубокому сожалению его создателей, не может претендовать на роль эталона частоты. Он не может заменить другие квантовые стандарты всюду, но, несомненно, вытеснит их во всех случаях, когда дешевизна, компактность и экономичность важнее и окупают необходимость предварительной калибровки. Впрочем, кто знает, может быть, оптический сдвиг, как ученые назвали смещение резонансной частоты при оптической накачке, будет со временем устранен и соревнование возобновится.