Вы, вероятно, полагаете, что по крайней мере одну из множества задач, стоящих перед квантовой электроникой, наконец-то удалось решить до конца? Ничего подобного! 1967 год как раз и следует считать годом начала яростной борьбы за точность.
Вперед и выше
Если на расстоянии между зеркалами мазера укладывается целое число длин волн усиливаемого излучения, то возникает эффект дополнительного усиления. Из множества фотонов почти с равными частотами, а значит, и длинами волн выделяются те, длина волны которых целое число раз укладывается в промежутке между зеркалами. Что делать, если расстояние между зеркалами изменилось, например, при колебаниях температуры? Ничего, в таком случае вводится в действие система автоматического регулирования расстояния. Много и других усовершенствований позволило на сегодня достигнуть точности атомных часов порядка 5-Ю-14, т.е. за 700 ООО лет непрерывной работы в атомных часах накопится ошибка не более чем в 1 с. Это не предел, а очередной достигнутый рубеж.
Зачем нужна такая фантастическая точность? Нет ли здесь погони за чисто спортивными рекордами? Ничего подобного. По словам академика Н. Г. Басова, лауреата Нобелевской премии, «точные измерения длины времени и частоты важны не только для практики, но и для фундаментальной науки. Они открывают возможность проведения прецизионных экспериментов, в том числе по проверке физических теорий, предсказывающих очень слабый эффект. К подобным теориям, в частности, относится общая теория относительности. Сегодня ее следствия проверены с погрешностью около 1%, что само по себе представляет выдающееся достижение».
Пользуясь высокостабильными стандартами частоты, можно более точно определить многие мировые константы. Например, сравнить два квантовых перехода, имеющих различную природу. Это дает информацию о величине постоянной тонкой структуры, об отношении магнитного момента протона к его спиновому моменту, об отношении масс электрона и нуклона. Длительное непрерывное сравнение двух таких частот помогло бы решить вопрос, поставленный еще в 30-е годы Полем Дираком и до сих пор не нашедший ответа: постоянны ли мировые константы: заряд и масса электрона, постоянная Планка, гравитационная постоянная, или они медленно меняются с развитием Вселенной?
Вот еще один из непреложных законов развития науки: открытие в одной достаточно узкой области немедленно используется в других областях, позволяет продвинуть их, а достигнутый прогресс тут же кладется в основу новых исследований.
В поход за мощностью
Мощность фотонных пучков в газовых мазерах, используемых в качестве атомных часов, столь же мала, сколь велика точность этих часов. Это вполне объяснимо. С самого начала следует брать достаточно разреженный газ, чтобы по возможности исключить взаимное влияние одних атомов на другие. А дальше производится последовательный отбор. Сначала из общего числа атомов отбираются возбужденные. Затем из общего числа фотонов, получаемых в результате вынужденного излучения, отбираются те, частота которых близка к заданной. Получаемый в результате пучок фотонов содержит в буквальном смысле слова несколько фотонов в секунду — и вполне достаточно. Ведь задача — получить частоту колебаний с весьма высокой точностью. Дальнейшее усиление (без изменения частоты) осуществляется чисто радиотехническими методами.
К этой проблеме можно подойти и с другой стороны. Один моль любого вещества содержит примерно 6-1023 атомов (число Авогадро), масса одного моля цезия составляет 133 г. Предположим, что в исходном потоке выделяется 1 мг паров цезия в 1 с. Этому соответствует поток, содержащий примерно 45-1017 атомов в 1 с. Дальше в результате механического разделения выделяется одна стотысячная доля этих атомов, всего 45-1012 возбужденных атомов в 1 с. Предположим, хотя, вообще говоря, это далеко от действительности, во всех этих атомах совершаются вынужденные переходы с образованием соответствующих фотонов. Энергия фотона в микроволновом диапазоне, т. е. при частотах порядка 1010 Гц составляет примерно Ю-4 эВ, или 1,6-Ю-16 эрг. Какова максимальная мощность, которую можно получить от газового мазера? Примерно 7- 10~3 эрг/с. Что и говорить, очень мало.
Проведем другой расчет. В качестве активного вещества берем не цезий, а кремний. Причем имеется образец массой 1 г. В подобном образце содержится примерно 4-Ю22 атомов. Пусть.как и в предыдущем случае, удается выделить одну стотысячную из общего числа, т.е. 4-1017 атомов. Предположим, что все эти атомы испытывают вынужденные переходы, причем образуются фотоны видимого света с энергией порядка 5 эВ, или 8-10~12 эрг. В результате выделяется мощность 32-•105 эрг. Поскольку в твердом теле атомы расположены очень близко друг к другу, то, как говорят, полное высвечивание всех возбужденных атомов произойдет быстро, скажем, за 10~6 с. В результате получается мощность порядка 32-1011 эрг, т.е. 8-104Дж/с, или 40 кВт. Такая мощность развивается кусочком вещества массой всего 1 г!