Ирина Радунская - Безумные идеи
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.