Тайны природы. Синергетика: учение о взаимодействии - [18]

. Очень скоро я был посвящен в главную тайну тогдашней исследовательской деятельности, к которой было подключено немало людей. Рабочие группы пытались создать источник света, который обладал бы совершенно новыми свойствами. Толчок к этим разработкам был дан в 1958 году публикацией результатов Артура Шавлова и Чарлза Таунса. Еще раньше, в 1954 году, Таунс совместно со своими сотрудниками сконструировал прибор, генерировавший так называемые микроволны абсолютно новым способом. Эти микроволны, так же как и радиоволны, являются электромагнитными. Такие волны не воспринимаются нашими органами чувств, однако это ничуть не умаляет реальности их существования. Представьте себя на берегу моря темной — хоть глаз выколи — ночью: самих волн вы не видите, однако вполне способны сделать вывод об их наличии, если на волнах качается вверх-вниз лодка с фонарем. Примерно так же обстоит дело и с электромагнитными волнами. Доказательством их существования можно считать, например, радио: после определенных преобразований электромагнитные колебания становятся слышимыми для человека.

Задача Bell Telephone Laboratories (как и конкурирующих с ними лабораторий — ох уж эта непременная американская конкуренция!) заключалась в том, чтобы изготовить источник световых волн, основанный на принципе Таунса. Принцип этот получил название «мазер». «Мазер» — как и многие другие термины в современной науке — слово придуманное; можно даже сказать, что это лингвистическая шутка. Оно составлено из начальных букв английских слов (смысл которых для большинства неподготовленных читателей до сих пор остается несколько туманным): Microwave Amplification (by) Stimulated .Emission (of) Radiation. В переводе это означает «усиление микроволн в результате вынужденного излучения» — так понятнее, но ненамного. А вот слово «лазер» (Light Amplification (by) Stimulated emission (of) Radiation) прижилось очень быстро, хотя вся разница заключается в замене «микроволн» на «свет».

Однако не будем останавливаться на причудах словообразования; поговорим о том, насколько велика дистанция между обычной лампой и лазером. Чтобы по достоинству оценить прорыв, совершенный человечеством благодаря этому открытию, следует сначала вкратце обсудить лампы и излучаемый ими свет. Этот краткий экскурс не отвлечет нас от главной цели — напротив, в ходе рассуждений читатель получит ясное представление об идеях, лежащих в основе синергетики.

В качестве примера обычной лампы возьмем так называемую газоразрядную трубку — стеклянную трубку, заполненную каким-либо инертным газом (например неоном). Атом газа состоит из положительно зараженного ядра и нескольких отрицательно заряженных электронов, кружащихся вокруг этого ядра подобно планетам вокруг Солнца. Для простоты и краткости в дальнейшем мы будем рассматривать поведение только одного электрона, так называемого «светового» электрона (рис. 5.1).

^{Рис. 5.1. Схема строения атома на примере атома водорода: отрицательно заряженный электрон движется по орбите вокруг положительно заряженного ядра}

Датский физик Нильс Бор в 1913 году установил, что электрон может занимать только строго определенную орбиту, все же прочие для него оказываются «под запретом». Обоснование такого поведения было дано квантовой теорией, согласно которой электрон ведет себя не только как частица, но еще и как волна, которая при обращении вокруг ядра атома вынуждена ловить собственный «хвост»; в этом и заключена причина существования для каждого электрона только одной строго определенной орбиты. В нормальных условиях электрон движется по самой «глубокой колее» — в некотором смысле, по дну потенциальной ямы (рис. 5.2).

^{Рис. 5.2. Движение электрона (черный кружок) вокруг атомного ядра. При получении энергии извне (например, при освещении) электрон, движущийся по нижнему желобу, может покинуть его и подняться на более высокий энергетический уровень}

Если пропустить через трубку электрический ток, передающийся, как известно, множеством свободно движущихся электронов, то эти электроны будут сталкиваться с отдельными атомами газа. При этом световой электрон атома может «перескочить» со своей орбиты на другую, более высокую (с более высоким энергетическим уровнем) (рис. 5.3), а затем спонтанно (т. е. совершенно самопроизвольно, в непредсказуемый момент времени) вернуться на прежнюю орбиту.

^{Рис. 5.3. Электрон движется по более высокой орбите; такое состояние атома называется возбужденным}

Освобожденную при этом энергию он отдаст в виде светового излучения (рис. 5.4) и продолжит движение по низкой орбите (рис. 5.5). Таким образом возникает световая волна — точно так же, если бросить в воду камень, возникает волна на поверхности воды.

^{Рис. 5.4. С верхнего желоба электрон переходит обратно на нижний, испуская при этом энергию в виде световой волны}

^{Рис. 5.5. Электрон снова движется по прежнему, низкоэнергетическому, желобу}

Естественно, такую судьбу разделяют множество световых электронов, находящихся в газоразрядной трубке. Они производят световые волны; общая картина при этом сходна с той, что получалась бы на поверхности воды от беспорядочного забрасывания ее камнями, т. е. совершенно хаотичное движение, состоящее из отдельных волновых цугов, напоминающих спагетти. При увеличении силы тока, пропускаемого через газ, в возбужденное состояние переходит все большее количество атомов; можно ожидать, что плотность цугов также увеличится. Многие физики именно так и полагали.