Александр Прохоров и Николай Басов: От теории к лазеру

На фото: Николай Басов и Александр Прохоров

Между строгими рядами формул и безграничными просторами воображения лежит территория, где рождается будущее. «Лаборатория идей», - такой статус по праву можно присвоить научной фантастике.

Писатели-фантасты часто выступают в роли дерзких разведчиков, которые заходят на неизведанную территорию и набрасывают первую, пусть и схематичную, карту возможного. Они не доказывают теоремы, а рисуют цель, которая начинает притягивать лучшие умы. В ответ наука дарует фантастике почву для взлета. Чем больше открытий совершают ученые, тем богаче и сложнее становится язык вымысла.

Однако связь эта сродни запретной любви, и ни одна из сторон не спешит ее раскрывать, вероятно, опасаясь быть непонятыми коллегами по цеху. Порой требуются десятилетия на то, чтобы тайное стало явным.

В апреле 2014 года нобелевский лауреат Чарльз Таунс в одном из интервью признался, что в своей научной работе он вдохновлялся романом русского писателя графа Алексей Николаевича Толстого «Гиперболоид инженера Гарина».

На фото: Алексей Толстой и Чарльз Таунс

«Во время первых опытов я брал источником света несколько обычных стеариновых свечей. Путем установки гиперболоида (В) я доводил «лучевой шнур» до толщины вязальной спицы и легко разрезывал им дюймовую доску. Тогда же я понял, что вся задача - в нахождении компактных и чрезвычайно могучих источников лучевой энергии. За три года работы, стоившей жизни двоим моим помощникам, была создана вот эта угольная пирамидка. Энергия пирамидок настолько уже велика, что, помещенные в аппарат, - как вы видите, - и зажженные (горят около пяти минут), они дают «лучевой шнур», способный в несколько секунд разрезать железнодорожный мост... Вы представляете, какие открываются возможности?» - это цитата из романа.

Сам же Алексей Толстой происхождение идеи гиперболоида описывал так:

«Пришлось ознакомиться с новейшими теориями молекулярной физики. Много помог мне академик П. П. Лазарев».

Одним из тех, кто начинал карьеру под началом Петра Петровича Лазарева был молодой ученый Михаил Александрович Леонтович, который в 1928 году написал пионерскую работу по изучению туннельного эффекта – явления исключительно квантовой природы, невозможного в классической механике. Его суть в том, что частица может проходить через барьер, даже если для этого у неё недостаточно энергии.

На фото: Петр Лазарев и Михаил Леонтович

Прошло 20 лет, и порог лаборатории Михаила Леонтовича переступил студент Московского инженерно-физического института Николай Басов.

Николай Геннадиевич Басов родился 14 декабря 1922 года в городе Усмань (ныне - в Липецкой области). Через пять лет его семья переехала в Воронеж. В школе Басов был одним из лучших учеников. Мальчик всерьёз увлекался математикой и физикой. Этим предметам он отдавал всё свое свободное время.  В 1941 году Николай выпустился с золотой медалью и мечтой стать ученым. Но началась война. В 1943 году Басов получил квалификацию фельдшера и был направлен в действующую армию. Служил на 1-м Украинском фронте. Вернуться к любимым наукам удалось только после победы.

«Война научила меня главному - никогда не сдаваться. На фронте часто приходилось принимать решения в ситуации, когда от тебя зависели человеческие жизни. В науке тоже бывают моменты, когда кажется, что задача нерешаема, но нужно искать выход, пробовать разные пути», - говорил Басов. После получения диплома он продолжил свою работу под руководством Михаила Леонтовича и Александра Прохорова. В 1956 году Николай Басов защитил докторскую диссертацию по теме «Молекулярный генератор».

Александр Михайлович Прохоров родился 11 июля 1916 года в Австралии, в семье русского рабочего-революционера, бежавшего от царских преследований. В 1923 году семья вернулась в Советскую Россию. Окончив с отличием физический факультет Ленинградского государственного университета в 1939 году, Прохоров поступил в аспирантуру поступил Физического института АН СССР (ФИАН). Его научная карьера была прервана войной. Он ушел на фронт добровольцем, воевал в пехоте, был разведчиком, дважды тяжело ранен. В 1944 году был демобилизован по инвалидности и вернулся к научной работе и занялся исследованием колебательных спектров молекул методом радиоспектроскопии. Именно этот опыт позволил ему совместно с Басовым подойти к идее молекулярного генератора.

«Александр Михайлович обладал удивительным даром предвидения. Он мог увидеть перспективу в самой, казалось бы, частной научной задаче. Его лаборатория всегда была на острие науки, он умел организовать работу так, чтобы каждый исследователь максимально раскрыл свой потенциал», - вспоминали коллеги ученого.

К маю 1952 года Басов и Прохоров на Всесоюзной конференции по радиоспектроскопии, проведённой АН СССР представили теоретические принципы работы мазера – квантового генератора, излучающего микроволны (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Идея была элегантна: заставить атомы и молекулы излучать свет не вразнобой, а строго согласованно, «в унисон». Результатом такого квантового «хора» становился не обычный рассеянный свет, а нечто совершенно новое — когерентное излучение: необычайно чистый, монохроматический и мощный луч, способный нести информацию и энергию на огромные расстояния, не рассеиваясь. А через год американский физик и любитель фантастики Чарльз Таунс воплотил теорию в практику и построил первый мазер, работающий на аммиаке.

Сегодня мазеры, в частности водородные, служат сердцем сверхточных атомных часов. Именно они, с ошибкой в одну секунду за миллионы лет, задают эталон времени для всей планеты. Без них были бы невозможны спутниковая навигация, синхронизация глобальных финансовых сетей и работа интернета. Они же являются ключевыми элементами в радиотелескопах, позволяя улавливать слабейшие сигналы из глубин Вселенной.

Но настоящую славу снискал себе лазер (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) - тот же принцип, но в видимом, инфракрасном или ультрафиолетовом диапазоне. И вот где его луч развернулся во всей своей красе и мощи…

«Стимулированное излучение означает, что световой пакет, фотон, при взаимодействии с атомом может заставить электрон опуститься на более низкий энергетический уровень, в результате чего испускается дополнительный фотон с тем же количеством энергии. Если электроны поднимаются на более высокие энергетические уровни с помощью тепла или света, то при их падении на более низкие уровни возникает лавинообразный эффект. В 1950-х годах Чарльз Таунс, Николай Басов и Александр Прохоров внесли свой вклад в практическое применение этого явления в мазерах и лазерах, которые генерируют концентрированные и когерентные пучки микроволн и света соответственно», - говорится в обосновании вручения Нобелевской премии по физике 1964 года трем физикам.

Читая нобелевскую лекцию, Прохоров отметил, что создание генератора для любой заданной частоты излучения значительно расширит область применения лазеров. «Понятно, что если мы создадим лазер с частотой развертки, то, по-видимому, сможем воздействовать на молекулу таким образом, что будут возбуждаться определенные связи и, таким образом, химические реакции будут протекать в определенных направлениях. Однако эта проблема не будет простой даже после разработки соответствующих лазеров. Но ясно одно: проблема чрезвычайно интересная и возможно, ее решение сможет произвести революцию в ряде отраслей химической промышленности», - заявил ученый.

Басов его поддержал и в своем выступлении отметил, что область полупроводниковой квантовой электроники всё ещё находится в зачаточном состоянии, но уже видны пути преодоления ее недостатков. «Совершенно ясно, в каком направлении следует двигаться, чтобы развивать полупроводниковую квантовую электронику и расширять сферу применения полупроводниковых лазеров. Всё это даёт основания надеяться, что полупроводниковая квантовая электроника продолжит играть фундаментальную роль в развитии лазеров», - завершил лекцию Николай Басов.

На фото: Церемония вручения Нобелевской премии Чарльзу Таунсу, Николаю Басову и Александру Прохорову

Сейчас большинство учёных считают, что гиперболоид инженера Гарина и настоящий лазер имеют только внешнее сходство, но построены на разных физических принципах. Однако можно смело утверждать, что наука и фантастика - это два крыла, позволяющих человечеству взлететь над обыденностью. Одно - расчетливое и сильное, другое - вдохновенное и легкое. Лишенное любого из них, человечество либо будет безнадежно приземленным, либо унесется в мир бесплодных грез. Союз науки и фантастики - двигатель прогресса, благодаря которому каждая безумная мечта получает шанс стать реальностью. Открытия нобелевских лауреатов принадлежат и служат всему человечеству.

Прохоров и Басов имели невероятно широкий научный кругозор. Он активно развивали новые направления и находили им практическое применение. И здесь реальность превзошла даже самые смелые фантазии.

Если инженер Гарин и его создатель Алексей Толстой видели в «лучевом шнуре» только разрушительную силу, то в руках современных хирургов лазер превратился в бескровный «скальпель» невероятной точности. Визитная карточка лазерной медицины - офтальмология. Луч безупречно исправляет форму роговицы, даря миллионам людей возможность видеть без очков. Лазеры также используют для удаления опухолей, лечения кариеса и косметических операций. Везде детище Басова-Прохорова обеспечивает скорость, стерильность и минимальный дискомфорт.

Лазерная резка, сварка и гравировка используются в автомобилестроении, авиакосмической отрасли, ювелирном деле и производстве электроники. Это эталон точности и автоматизации. Лазерные дальномеры и нивелиры - незаменимые помощники строителей, топографов и военных.

Мы сталкиваемся с лазерами, даже не задумываясь: сканеры штрих-кодов на кассах супермаркетов, лазерные принтеры, оптические диски, лазерные указки и системы световых шоу. Лидары в беспилотных автомобилях «видят» мир в 3D тоже благодаря лазеру.

Тонкие стеклянные нити оптоволокна, опутавшие планету, - кровеносная система современного мира. А крошечные сердцевины этой глобальной сети - лазерные диоды. Без них не было бы ни высокоскоростного интернета, ни междугородной, ни международной связи такого качества и объема. Каждый раз, совершая видеозвонок на другой конец Земли, мы пользуемся плодами открытия советских физиков.

Александр Прохоров и Николай Басов буквально подарили новый смысл свету. Из хаотичного потока фотонов они создали идеально управляемый луч, который стал продолжением человеческой воли.

Проект «Нобелевские лауреаты» выполняется при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках Десятилетия науки и технологий, объявленного Указом Президента Российской Федерации от 25 апреля 2022 г. № 231.