Превращения гиперболоида инженера Гарина

Он стал аспирантом профессора Сергея Михайловича Рытова, глубокого и интересного ученого, и через три года трудных теоретических и экспериментальных исследований защитил кандидатскую диссертацию.

СПАСЕНИЕ УТОПАЮЩИХ…

Шел 1946 год. В то время радиофизики бились над освоением сантиметрового и миллиметрового диапазона радиоволн. Сверхвысокие частоты — «эс-вэ-че» — это звучало во многих лабораториях мира и напоминало боевой клич. Задача овладеть все более короткими волнами была вызвана самой жизнью. А такие требования звучат для ученого как приказ.

В первые годы второй мировой войны радиолокаторы работали на метровых волнах. Но уравнения давно твердили, что чем короче волна, которую посылает радиолокатор в поисках вражеского самолета, тем точнее она находит его. А значит, тем легче его сбить, уничтожить!

И еще одно преимущество коротких волн было очевидно — они делали аппаратуру менее громоздкой, а это тоже было очень соблазнительно. Радиолампы становились крошками, радиопередатчики, приемники и антенны существенно «худели». Еще во время войны ученые и инженеры сумели перейти к дециметровым волнам, а затем овладели и сантиметровыми. Это были СВЧ. Но вскоре конструкторы поняли, что лобовой путь миниатюризации аппаратуры завел их в тупик. Радиолампы, генерирующие волны миллиметрового диапазона, превратились в подобие ювелирных изделий. И дело было даже не в том, что их стало трудно изготавливать. В процессе работы эти крошки так разогревались от бушующих в их недрах электромагнитных волн, а поверхность их стала столь малой, что ее уже не удавалось охладить, и лампы одна за другой гибли от перегрева.

Что делать? Возвращаться к более длинным волнам? Но кто же уступит отвоеванные позиции? Нет, СВЧ были уже закреплены за радиолокацией, надо было просто придумать другие способы их получения. Требовалось создать такие радиолампы, в которых укорочение длины волны не было бы связано с уменьшением размеров лампы. А все известные принципы генерации основаны на этой связи. Оставалось искать новые пути, позволяющие обойти тупик.

Многие ломали себе над этим голову, и Прохоров тоже. И однажды он придумал. Но что это был за диковинный способ!

В это время в ФИАНе происходили бурные события. Владимир Иосифович Векслер, тогда еще не бывший академиком, изобрел удивительный прибор — синхротрон, ускоритель заряженных частиц.

Это было изобретение по заказу. По собственному заказу самого Векслера и всех его коллег, изучавших атомное ядро. В то время они были вооружены много лучше, чем Резерфорд, бомбардировавший атомные ядра альфа- и бета-частицами, возникавшими при радиоактивном распаде. Во многих странах работали линейные ускорители и циклотроны, в которых получались быстрые электроны и протоны. Но энергии, достижимые при помощи таких ускорителей, не велики. Это ограничивало возможность физиков.

И Векслер понял: есть доля истины в крылатом изречении: «Спасение утопающих — дело рук самих утопающих». Отказавшись на время от исследования атомного ядра, он начал сооружать «спасательный круг». Мысль об окружности возникла перед ним, когда он анализировал причины, ограничивающие энергию, достигнутую в циклотроне. В этом приборе ускоренные частицы движутся по спиралям в зазоре между полюсами большого магнита. Движутся, подгоняемые при каждом обороте спирали энергией электромагнитного поля, возбуждаемого мощным генератором радиоволн. С каждым оборотом растет энергия ускоряемых частиц, увеличивается их масса, они становятся неповоротливыми, возрастает время, затрачиваемое частицами на один оборот. И именно это ставит предел ускорению. Возникает противоречие — период электрического поля, ускоряющего частицы, постоянен, а период их движения постепенно увеличивается. Начинается сбой, порции энергии, получаемые частицами, становятся все меньше и меньше, ускорение прекращается.

Итак, заключил Векслер, причина, ограничивающая энергию, достижимую в циклотроне, в том, что период вращения частиц непостоянен. Значит, нужно сделать его постоянным. Необходимо, чтобы вращение частиц в ускорителе происходило в такт с ускоряющим полем, было синхронным с ним.

Следующий шаг кажется теперь очень простым. Векслер знал, что период вращения заряженных частиц в магнитном поле зависит не только от их энергии, но и от величины магнитного поля. Расчет показал ему, что, запитав электромагнит переменным током и придав его полюсам специальную форму, можно заставить ускоряемые частицы некоторое время вращаться не по спирали, а по узкому кольцу. При этом вращение частиц окажется строго согласованным с ускоряющим полем. Так, пока еще на бумаге, родился синхротрон, первый из семейства современных ускорителей.

Теперь нужно было воплотить его в металл и… пустоту. Да, в пустоту. Ведь ускорение частиц может без помехи происходить только в пустом пространстве, из которого тщательно удален воздух. В новом ускорителе частицы должны были двигаться по круговым путям. Поэтому вакуумной камере следовало придать форму, больше всего напоминающую спасательный круг или большую баранку.

Когда синхротрон был построен и начал работать, он оправдал возлагавшиеся на него надежды. Он легко превзошел энергию, оказавшуюся предельной для циклотрона и других известных тогда ускорителей. Конечно, синхротрон не мог придать частицам безгранично большую энергию. Одно из существенных ограничений возникало в результате того, что пучок ускоряемых частиц при движении по орбите излучал электромагнитные волны. И чем большую энергию придавал частицам ускоритель, тем большая часть ее уходила на излучение электромагнитных волн. Так же как трансформатор превращает часть электрической энергии в тепло, ускоритель превращал часть энергии ускоряющего электрического поля в нежелательное электромагнитное излучение.

Нежелательное? Если оно нежелательно для тех, кто стремится лишь к получению быстрых частиц, то нельзя ли сделать его полезным для других целей? Нельзя ли, подумал Прохоров, использовать принцип синхротрона для создания новых генераторов сантиметровых и миллиметровых радиоволн?

Но для того чтобы создать генератор нового типа, нужно было сперва подробно изучить синхротрон.

Следовало во всех деталях исследовать механизм излучения электромагнитных волн пучком частиц, движущихся в круговой камере синхротрона. А синхротроны, построенные Векслером и его сотрудниками, уже с полной нагрузкой выполняли свою главную задачу. Они помогали физикам в штурме атомного ядра. Каждая минута машины была расписана на много месяцев вперед.

Конечно, можно было доказать важность новой работы и стать в хвост необозримой очереди. Но это претило темпераменту Прохорова. Он выбрал другой путь, не связанный с пассивным ожиданием. Ему удалось получить магнит от небольшого, простейшего ускорителя и в течение короткого времени с помощью немногих сотрудников превратить его в синхротрон.

В это время в лаборатории появился студент-практикант Николай Басов. Война оставила свой мрачный след и в его жизни. Как и другие юноши, окончившие школу в 1941 году, он, наверно, хотел стать летчиком, танкистом или пограничником. Но, призванный в армию, он успел окончить два курса Куйбышевской военно-медицинской академии, потом ее расформировали, а слушателей, почти врачей, определили в фельдшерскую школу.

И вот один из товарищей Басова по школе, теперь писатель, Марк Поповский, вспоминает, что, хотя Николай учился отлично, медициной он все-таки не увлекался. Этот длинный очкастый парень в короткой и тесной гимнастерке и обмотках приставал ко всем с физическими задачками, а в свободное время читал книги по математике и технике.

Шла война. Фронту требовался медперсонал, и фельдшерская школа партию за партией посылала своих питомцев на передовую. Так Басов попал на фронт. После победы участвовал в демонтаже заводов, на которых гитлеровцы изготовляли отравляющие вещества. При этом перенес сильное отравление, долго болел.

После демобилизации Басов, не колеблясь, выбрал Московский инженерно-физический институт. Физика казалась ему неотделимой от техники. Он правильно понял дух нашего века. Постепенно его начала все сильнее привлекать к себе теоретическая физика, ее покоряющая мощь, ее гигантские успехи, ее захватывающие тайны. Может быть, это произошло потому, что кафедрой теоретической физики в институте руководил академик Игорь Евгеньевич Тамм, блестящий представитель школы Мандельштама. Басов стал одним из лучших студентов кафедры. Но, попав на практику в Физический институт, в лабораторию к Прохорову, на чисто экспериментальную работу, он включился в эту работу со всей присущей ему энергией и вскоре, на год раньше установленного срока, защитил дипломный проект. Здесь экспериментальным исследованиям было уделено не меньше места, чем теоретическим.

Досрочное окончание института — редчайший случай. Так впервые и в полной мере проявился научный стиль Басова — работать быстро, не щадя сил и времени, гармонически сочетать теорию и эксперимент, искать и находить новое. Это были как раз те качества, которые особенно ценились в этой лаборатории.

Но с синхротроном, надо сказать, у них все же ничего не получилось — пришлось убедиться, что из синхротрона хорошей радиолампы не получишь. Однако это не обескуражило молодых ученых — отрицательный опыт, во всяком случае, лучше отсутствия всякого опыта.

КАКАЯ-ТО ЧЕРТОВЩИНА

Эта неудача, конечно, не отразилась на судьбах радиолокации. Над созданием новых генераторов работали не только в лаборатории ФИАНа, но и в других учреждениях. Радиолокация вскоре получила отличные лампы и антенны, приемники и передатчики. Наша артиллерия, снабженная точнейшими станциями наведения на цель, прекрасно справлялась со своей задачей.

Радиолокация развивалась бурно. Можно сказать без преувеличения, что в послевоенные годы не было более популярной области техники, чем радиолокация. Я помню, когда в Московском авиационном институте открылся радиотехнический факультет, на него устремились студенты со всех других отделений. И на тех, кого взяли, смотрели, как на счастливчиков. Нет, молодежь увлекал не только ореол победительницы, какой показала себя радиолокация во время Отечественной войны. Не только ее боевой аспект. Особенно привлекала таинственность, загадочная суть новой области техники. Посудите сами: что-то невидимое и неслышимое мчится сквозь пургу и дождь, ночь и туман и находит за тысячи километров самолет-точку в облаках и корабль за горизонтом! И нас, студентов-локационщиков, учили строить мощные передатчики и антенны, посылающие невидимые лучи-искатели возможно дальше, чуткие приемники, способные уловить среди миллионов шумов, оглушающих Землю, еле-еле живое эхо, которое могло бы рассказать о местонахождении самолета или корабля, грозы или шторма.

Нас, радиоинженеров, интересовала аппаратура. Нашей задачей было сделать ее более мощной, удобной, выносливой. Нас занимали передача радиосигналов и их прием. Что делалось с ними на пути от передатчика к цели и обратно, оставалось вне нашей компетенции и внимания. Но физиков волновала как раз эта часть проблемы. Что случается с радиоволнами в воздухе, каковы их взаимоотношения со встречными атомами и молекулами? Это только нам, жителям большого мира, кажется, что воздух бесплотен. Для радиоволн воздух так же труднопроходим, как для человека джунгли. Радиоволны сталкиваются с атомами воздуха, огибают их, лавируют между ними. И физиков как раз и занимал вопрос о том, что происходит с ними в пути. И тут было над чем задуматься, потому что не всегда радиоволны доходили до цели. Иногда они рассеивались «как дым, как утренний туман», и операторы локационных станций напрасно ждали от них сведений. Особенно памятен один трагический военный эпизод.

7 декабря 1941 года эскадрилья японских торпедоносцев и бомбардировщиков совершенно беспрепятственно подошла к американской военно-морской базе Пирл-Харбор на Гавайских островах, атаковала ее и нанесла тяжелые потери тихоокеанскому флоту США. Спрашивается, как такое могло случиться — ведь база тщательно охранялась радиолокаторами? Правда, тогда многие писали, что в оплошности был виноват не радиолокатор, а оператор — он-де видел на экране локатора сигналы, но свои это или чужие, разобрать не смог.

Так или иначе, но тот эпизод послужил уроком, и ученые всерьез занялись изучением характера радиоволн. Тем более что были и другие непонятные случаи.

Еще во время войны специалисты, занимавшиеся созданием радиолокаторов на более короткие волны, встретились с загадочным явлением, которое долго не находило объяснения. Пучок радиоволн длиной 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 длиной 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 из них сильно поглощают короткие радиоволны. Азот и кислород, например, пропускают без изменения радиоволны длиной 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.

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

Короче говоря, стало ясно, что газы способны избирательно поглощать радиоволны. Волны определенной длины поглощались атмосферой много сильнее, чем остальные. Правда, еще в начале тридцатых годов на основе исследования оптического спектра молекулы аммиака было предсказано, что эта молекула должна сильно поглощать радиоволны длиной около 1,25 сантиметра. Более того, уже в 1934 году Клитон и Вильяме обнаружили такое поглощение. Но это не было таким уж сенсационным открытием, и радиолокаторщики не связали с ним свое удивительное наблюдение.

Вся эта чертовщина особенно взволновала физиков из лаборатории колебаний ФИАНа. Они уловили в этой ситуации какие-то очень знакомые нотки. Нет, это было не то же самое, но явление в чем-то перекликалось с явлением комбинационного рассеяния света, открытого их учителем Мандельштамом! Только там речь шла о свете, а здесь — о радиоволнах. Но это было не принципиальное различие, ведь и то и другое — электромагнитные волны. Физиков не смущало, что картина во многом носила противоположный характер. Мандельштам заметил, что вещество, сквозь которое проходит свет, кое-что добавляет к нему (лишние частоты — комбинационные, как назвал их Мандельштам), а у радиоволн отнимает. Если вещество облучать радиоволнами различных частот, то в зависимости от его состава оно поглотит кое-какие из этих волн. Чем не новый способ анализа неизвестных смесей? Конечно же, ученые не могли пройти мимо внезапно открывшейся возможности.

Поглощение газами радиоволн определенной длины было тем явлением, которое натолкнуло ученых на использование радиоволн в совершенно новых целях. Для радиоспектроскопии, как назвали новую область исследования, рожденной из союза радио и спектроскопии — науки очень молодой и очень старой, — наступило хорошее время. Кончилась война, и физикам досталась масса радиоламп и всякой другой аппаратуры, приспособленной для работы в диапазоне сантиметровых радиоволн. Они применили все это для исследования спектров атомов и главным образом молекул и убедились, что во многих отношениях радиоспектроскопия превосходит оптическую спектроскопию. Прежде всего по точности и чувствительности, а в некоторых случаях и по быстроте исследования. Оказалось, с радиоволнами легче иметь дело, чем со светом.

Но радиоспектроскопия была не только применением радио к физике. В ней заключалась и встречная возможность: физика для радио. Радиоспектроскопия подсказала, как сделать более стабильной частоту радиопередатчиков. К этому стремились во многих лабораториях. В лаборатории колебаний ФИАНа аспирантка Наташа Ирисова и молодой кандидат физико-математических наук Марк Жаботинский в это время сумели применить спектральную линию аммиака для стабилизации своего генератора.

Закончив исследование излучения радиоволн электронами, мчащимися в синхротроне, Прохоров и Басов тоже увлеклись радиоспектроскопией. Басов в это время уже стал аспирантом. Его руководителями были Леонтович — глубокий теоретик, представитель старшего поколения учеников Мандельштама, и Прохоров, предпочитающий экспериментальную работу, но умеющий теорию уподобить танку, пробивающему путь эксперименту — этому пехотинцу науки, закрепляющему победу.

Прохоров и Басов начали просвечивать различные газы радиоволнами и, изучая поглощение волн, расшифровывали строение и свойства молекул.

Это увлекательная, но кропотливая работа, рассказывают они. Ее можно сравнить с разгадкой хорошего кроссворда. Вначале не знаешь, как подступиться, а потом не можешь оторваться.

Все шло очень хорошо. Ученые выясняли способность атомов и молекул поглощать радиоволны, впереди была масса интереснейших проблем, но вскоре сотрудники узнали, что Басов и Прохоров, оказывается, вовсе не оставили мысли о новых генераторах СВЧ! Только теперь они, к ужасу окружающих, ударились в другую крайность: если недавно они хотели приспособить для этой цели махину — синхротрон, то теперь решили использовать нечто совсем невидимое и неосязаемое — атомы и молекулы!

А мысль-то была логичной. Если атомы и молекулы поглощают радиоволны, значит они способны и излучать? Почему бы нет?

Только подумать! Атом — своеобразный естественный генератор радиоволн! К этой мысли надо было привыкнуть. Ведь с понятием радиотехнического прибора связаны громоздкие ящики, набитые электронными лампами, катушками индуктивности, 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. Этот генератор, созданный 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.

Это было как раз то, что принесло впоследствии Басову и Прохорову всемирную славу, Ленинскую и Нобелевскую премии. Но в те дни они меньше всего думали о славе. Перед ними, еще туманно, вырисовывалась заманчивая цель. К ней вели три долгие и трудные пути-дороги. Одну проложили Мандельштам и Папалекси, и она шла из мира радио. Другую проложил Ньютон еще триста лет назад. А третью протоптали Планк, Эйнштейн и Бор. И перед Басовым и Прохоровым возникла задача, но не та, что встречается в сказках и былинах, — выбрать одну дорогу из трех, а реальная, трудная и привлекательная — пройти все три дороги. Ибо ни одна из них не вела непосредственно к цели. Они не были прямыми и хорошо укатанными дорогами. Они петляли, переплетались, скрещивались. То шли рядышком, то завязывались в узел, то сливались воедино, так что не разберешь, где какая. И где-то на скрещении этих дорог была заветная цель.

ГДЕ СИДИТ ФАЗАН

Дорога Ньютона была не только самой старой, но и очень красивой. Она сияла всеми цветами радуги. Этот великий кудесник подставил солнечному лучу обыкновенную стеклянную призму, и луч, споткнувшись, рассыпался в красный, оранжевый, желтый… (Помните ли вы дальше? Мы в школе, для того чтобы запомнить последовательность цветов солнечного спектра, зазубривали магическую чепуховину: «Каждый Охотник Желает Знать Где Сидит Фазан».) Красный, оранжевый, желтый (здесь переводят дыхание — и дальше)… зеленый, голубой, синий, фиолетовый!

Зрелище великолепного веера, которым раскрывался обыкновенный белый свет в нехитром спектроскопе Ньютона, увлекало не одно поколение физиков. Они наводили спектроскоп на Солнце, на пламя свечи. И спектроскопы показывали картинки одну ярче другой.

Особенно любопытно было наблюдать окрашенное пламя. Ведь давно было известно, что раскаленный медный паяльник окрашивает пламя в голубовато-зеленый цвет. А если посыпать на него поваренной соли, пламя станет желтым. Недаром бенгальские огни удивляют разнообразием и яркостью своих свечений.

Но должно было пройти около полутора веков после открытия Ньютона, прежде чем появился спектроскоп, позволивший выделять отдельные детали спектра. Направив щель такого спектроскопа на Солнце, его создатель Воластон заметил, что солнечный спектр пересекают многочисленные темные линии. Ни он, ни другие ученые не могли понять причины возникновения этих линий. Не удивительно, что об этом открытии вскоре забыли. Один из многих печальных случаев в истории науки.

Ничего не знал о нем и пятнадцатилетний сын немецкого стекольщика Иозеф Фраунгофер. В это время он работал учеником в зеркальной и стекольной мастерской, где никто и понятия не имел о спектрах. Через четыре года он перешел в крупную оптическую мастерскую, которая выпускала не только зеркала и люстры, но и бинокли, подзорные трубы и другие оптические приборы. Постепенно он стал лучшим мастером, а со временем и руководителем этого предприятия.

Задумав увеличить яркость изображения при наблюдении спектров, Фраунгофер соединил воедино зрительную трубу со щелевым спектроскопом Воластона и направил в свой прибор солнечные лучи. Прекрасный яркий спектр пересекали четкие темные линии… Фраунгофер убедился в том, что это не дефект прибора, а свойство солнечного света. Он подробно изучил расположение темных линий и затем использовал их для контроля качества своих спектроскопов. Однако механизм возникновения этих линий стал понятен лишь после изобретения спектрального анализа.

Прекрасные спектроскопы Фраунгофера завоевывали все большую популярность. Многие любовались чарующей симфонией света. Но «смотреть» не означает «видеть». По своему смыслу «видеть» гораздо ближе к «понимать».

Никто не может сказать, сколько человек, начиная с Ньютона, рассматривало всевозможные спектры. Несомненно, многие замечали, что окраска пламени связана с появлением в его спектре узких и ярких линий. Возможно, кто-нибудь заметил и то, что желтые линии, порождаемые поваренной солью, возникали и при внесении в пламя других солей натрия. Зеленые линии появлялись не только в присутствии металлической меди, но и при нагревании мельчайших крупинок медного купороса и других солей меди.

Только физик Кирхгоф и химик Бунзен поняли, что это не простое совпадение. Они увидели, что скрывается за яркими спектральными линиями.

Кирхгоф и Бунзен после длительных опытов и раздумий пришли к твердому выводу: каждый химический элемент характеризуется вполне определенным набором спектральных линий. Эти линии являются своеобразным паспортом химического элемента. Наблюдая их в спектроскоп, можно судить о наличии в веществе данного элемента.

Так родился спектральный анализ.

Теперь изучение спектров светящихся газов составляет лишь часть обширной области, известной под названием «спектральный анализ». Уже Кирхгоф расширил ее, использовав для анализа темные фраунгоферовы линии. Кирхгоф понял, что непрерывный спектр, излучаемый раскаленной поверхностью Солнца, частично поглощается более холодными газами солнечной атмосферы. Он сумел воспроизвести этот процесс в лаборатории. Этот поразительный по остроумию опыт заманчив своей простотой и доступностью. Его может повторить каждый при помощи обычной стеклянной призмы. Кирхгоф направил спектроскоп на пламя газовой горелки и ввел в это пламя крупинку поваренной соли. В спектроскопе сразу появились яркие желтые линии, характерные для атомов натрия. Достаточно убрать из пламени поваренную соль, и эти линии исчезают.

Затем Кирхгоф направил спектроскоп на ослепительный кратер вольтовой дуги. В спектроскопе возник яркий непрерывный спектр, чрезвычайно похожий на спектр Солнца, но без характерных фраунгоферовых линий. После этого Кирхгоф поместил между вольтовой дугой и спектроскопом газовую горелку — так, чтобы свет дуги перед тем, как попасть в спектроскоп, проходил через пламя. Вид спектра не изменился.

Теперь наступил решающий этап опыта. Кирхгоф вновь ввел в пламя горелки крупинку поваренной соли. Пламя окрасилось в ярко-желтый цвет. Что же при этом показал спектроскоп?

Не спешите сказать, что там появились яркие линии натрия. Ничего подобного. В тех местах, где они должны были появиться, яркий спектр вольтовой дуги пересекали темные линии. Это были впервые полученные в лаборатории спектральные линии поглощения — искусственные фраунгоферовы линии. Пары натрия, испаренного пламенем горелки, более холодным, чем кратер вольтовой дуги, поглощали часть света вольтовой дуги. Стоило погасить дугу, и эти темные линии превратились в яркие линии натрия. Как только Кирхгоф вновь зажег дугу, яркие натриевые линии снова стали темными провалами на фоне яркого спектра дуги.

Что же здесь происходит?

Голубое пламя газовой горелки имеет температуру около двух тысяч градусов, но входящие в него атомы водорода, углерода, азота и кислорода при этой температуре светятся очень слабо. Поэтому пламя горелки плохо видно и невооруженным глазом и в спектроскоп.

Поваренная соль в пламени частично распадается на атомы хлора и натрия. Атомы натрия при этой температуре светятся довольно ярко, испуская характерный желтый свет.

Однако если пары натрия, нагретые до двух тысяч градусов, оказываются на пути света, исходящего из кратера вольтовой дуги, температура которого превосходит четыре тысячи градусов, они поглощают больше желтого света, чем испускают, и желтые линии натрия, казавшиеся яркими на темном фоне, выглядят темными на ярком фоне спектра вольтовой дуги.

Так Кирхгоф не только бесспорно объяснил происхождение фраунгоферовых линий, но и показал, что при их помощи можно определить состав солнечной атмосферы. Он сам обнаружил на Солнце многие химические элементы, спектры которых уже были изучены им на Земле. А впоследствии изучение фраунгоферовых линий привело к открытию неизвестного химического элемента — гелия. Гелий был таким образом сначала обнаружен на Солнце и лишь впоследствии найден на Земле. С тех пор спектры поглощения изучают главным образом астрономы, наблюдая фраунгоферовы линии в спектрах Солнца, звезд и туманностей. Но они популярны и в лабораториях. Особенно при исследовании жидкостей. Ведь жидкости нельзя нагреть так сильно, чтобы они начали испускать свет. При этом они испарятся и перестанут быть жидкостями.

КОНФЕТКА, А НЕ МОЛЕКУЛА

Прежде чем вернуться в лабораторию Басова и Прохорова, несколько слов о том, как ученые наблюдают спектры.

Со времен Ньютона спектры исследовались, как говорят, визуально, то есть попросту рассматривались глазами. Но хотя глаз обладает превосходной чувствительностью, этот способ очень неточен. Многое зависит от искусства и опыта наблюдателя. Кроме того, на исследование уходит много времени.

С развитием фотографии ученые предпочли фотографировать спектры. Это сразу дает точный научный документ, который затем можно многократно подвергать различной обработке.

Но, конечно, самым удобным оказался фотоэлемент, преобразующий освещенность различных участков спектра в электрический ток.

Если мы теперь заглянем в лабораторию Басова и Прохорова и подойдем к их радиоспектроскопу, мы увидим много похожего и много не похожего на то, с чем работают оптики. Здесь нет никаких призм, фотоэлементов, ничего от оптики. И это понятно. Усвоив всю культуру оптической спектроскопии, радиоспектроскописты должны были перевести ее на язык радио. Хотя радиоспектры и оптические спектры отличаются только диапазоном волн, или, что то же самое, частот, методы их наблюдения требовали совсем иных технических воплощений. Во-первых, в радиодиапазоне нет источников, которые, как Солнце или электрическая лампочка, интенсивно излучают энергию в широком непрерывном диапазоне волн. Каждый генератор радиоволн порождает электромагнитные колебания, очень близкие к тем, которые оптики называют монохроматическими, то есть одноцветными.

Во-вторых, сам радиоспектроскоп — это не стеклянная призма, а металлическая труба — волновод. Концы волновода герметически закрыты тонкими слюдяными пластинками, пропускающими радиоволны. К концу волновода присоединен генератор радиоволн, к другому — детектор-приемник. Сигнал от детектора после усиления подается на экран осциллографа. Физики заставили электронный луч рисовать радиоспектр на экране осциллографа и наблюдают его так же, как мы смотрим передачи по телевизору.

Работая с радиоволнами, Басов и Прохоров измеряли их частоту гораздо точнее, чем это делали ученые, исследующие оптические спектры. Поэтому они могли более точно определять интересующие их характеристики молекул и даже ядер атомов, входящих в эти молекулы.

Звучит это сухо и буднично — не правда ли? Да, точно определяли, да, изучали атомы и даже их ядра. Но ведь это чудо! Чудо из чудес!

Однажды я сидела в лаборатории рядом с одним из физиков и смотрела на экран осциллографа. В волноводе радиоспектроскопа был аммиак. Аммиак облучался радиоволнами каких-то там частот, какие-то из них он «пожирал», и это тотчас регистрировал электронный зайчик. Он рисовал на экране осциллографа петельку. Физик смотрел на нее, ухмылялся, иногда вздыхал, раз сокрушенно покачал головой и все время что-то писал, вычерчивал.

— Ну, вы видите? — он вдруг обратил свое благосклонное внимание и на меня.

— Да, конечно, — охотно согласилась я, — здорово. Спектральная линия. Прелесть.

Он посмотрел на меня как-то слишком внимательно.

— Молекулу видите? — почему-то с сожалением в голосе переспросил он.

— Молекулу? Нет. Она же в волноводе…

Физик вздохнул на этот раз особенно тяжело. И протянул мне листок бумаги.

— Это конфетка, а не молекула, — убежденно сказал он.

И я увидела… Представьте себе маленькую трехгранную пирамидку. В трех вершинах ее основания расположено по атому водорода, а в четвертой помещается атом азота. Так построена молекула аммиака. Атом азота и три атома водорода. Вот и все. Проста и изящна.

Расстояние между атомом 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 при чтении их хочется пропустить? Но ведь того, что так точно измерено, никогда не касалась рука человека, не видел глаз!

Физик смотрел на тот же экран, что и я, и видел то же, что и я. И рисовал простым карандашом. И делал вычисления с помощью обычной логарифмической линейки. Но за всеми этими будничными вещами он видел никому не ведомое, угадывал крепко спрятанное. Меня это поразило сильнее, чем эпизод во время выступления Вольфа Мессинга, который долго не давал мне покоя. Помню, он вдруг остановился и обратился к женщине во втором ряду.

— Простите, — сказал он, — вы спешите? Вы только что подумали, что, если это долго продлится, вам придется уйти.

Женщина смутилась, покраснела и встала.

— Извините, — сказала она, — я действительно подумала об этом. Я рано ушла из дому, и у меня разболелась голова. Если это долго протянется, я не выдержу и, хотя здесь очень интересно, мне придется уйти.

Тайна чтения мыслей на расстоянии до сих пор не раскрыта. И это кажется чудом. Но разве не чудо, что ученые с помощью, в сущности, обыкновенных вещей — комбинаций каких-то коробок с радиолампами — проникли в глубь материи и узнали многие атомы и молекулы так хорошо, как будто они не только видели, но измеряли их линейкой и циркулем!

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 нее, удерживаются на своих местах силами электрического взаимодействия. Когда эти атомы объединяются в молекулы, они делятся своим «имуществом». Электроны, ранее принадлежавшие атомам водорода, обобществляются. Они одновременно принадлежат и атомам водорода и атому азота.

В молекуле не утихает борьба двух противоположных сил. Электрические силы, которыми электроны стягивают ядра атомов, встречаются с противодействием других невидимых сил. Положительные заряды ядер отталкиваются друг от друга и не дают ядрам сблизиться вплотную. Можно представить себе, что между ядрами натянуты невидимые пружинки, так что атомы 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. Сблизиться вплотную они тоже не могут, так как их расталкивают одноименные заряды ядер.

Скрепленные таким образом ядра в большей или меньшей степени колеблются вокруг своего положения равновесия.

И если бы мы могли увидеть молекулу аммиака, то атомы представились нам туманными пятнышками, размеры которых зависят от размаха их колебаний. Присмотревшись внимательнее, мы заметили бы, что размеры туманных пятнышек внезапно меняются. Они то увеличиваются, то уменьшаются. Это значит — колебательное движение становится то сильнее, то слабее.

Но это еще не самое удивительное. Молекула 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 водворяется на первоначальное место. Мы как бы видим молекулу и ее зеркальное изображение.

Это повторяется неоднократно. Странность заключается в том, что такое перемещение отнюдь не результат поворота молекулы. Все происходит так, как если бы атом азота проскакивал между атомами водорода. Но так как атом азота в четыре с лишним 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 сторбны атома азота.