Культура монохроматичности
На мой взгляд, можно смело утверждать, что стержневой идеей, определявшей в течение многих десятилетий смысл научной жизни AM. Прохорова, была идея монохроматического колебания.
Термин «монохроматическое» возник, как это следует из прямого смысла этого «греческого» слова, в оптике. Наука и техника реально получили в свое распоряжение источники монохроматических электромагнитных колебаний только после создания в радиодиапазоне автоколебательных систем с резонансными контурами и положительной обратной связью.
Собственно говоря, именно на примерах ламповых генераторов с LC-контурами и с индуктивной или емкостной связью сеточной и анодной цепей и развивалась нелинейная теория колебаний в нашей Лаборатории колебаний. Чем выше стабильность частоты генерируемых (синусоидальных) колебаний, тем ближе они к тому, чтобы считаться монохроматическими. Кандидатская работа Александра Михайловича, выполненная им по возвращении с фронта, была посвящена разработке теории стабильности частоты кварцевого радиогенератора. Его научным руководителем выступал профессор (впоследствии член-корреспондент АН СССР) СМ. Рытов, прямой ученик академика Л.И. Мандельштама.
Но то была вторая тема прерванной Великой Отечественной войной аспирантуры. Первая тема молодого аспиранта (научный руководитель — В.В. Мигулин, впоследствии действительный член РАН, также ученик Л.И. Мандельштама) была посвящена экспериментальному исследованию радиоинтерференционного метода измерения расстояний с целью создания фазочувствительной радионавигационной системы. Монохроматичность излучаемых колебаний, фазовая когерентность волн, распространяющихся на большие расстояния, прямо входили в обоснование концепции исследования.
Вскоре после защиты кандидатской работы, в 1948 — 1950 годах, AM. Прохоров выполнил экспериментальное исследование когерентности излучения электронов в синхротроне в области сантиметровых волн. Он показал, что синхротрон дает когерентное излучение в этой области спектра, являясь по существу умножителем частоты высокочастотного ускоряющего поля. Генерация гармоник была при этом связана с формированием электронных сгустков. Это исследование, в свою очередь, было защищено как докторская диссертация в 1951 году, и по рассекречивании опубликовано в 1956 году в журнале «Радиотехника и электроника».
Для меня не так важна весомость всех этих результатов как таковых, как бы интересны (что неоспоримо) они в свое время ни были. Для меня важно, что такие формирующие ученого этапы становления его личности, как выполнение кандидатского (в сущности, двух кандидатских) и докторского исследований, прошли у Александра Михайловича под знаком монохроматического, когерентного колебания.
Действительно, лазеры, лазерное излучение, взаимодействие лазерного излучения с веществом, его применения в науке и технологиях составляют предметную основу мировой славы академика Прохорова. Но лазеры оставались бы интересным, но «бесполезным детищем» абстрактной науки, если бы в силу высокой монохроматичности и когерентности своих колебаний они не были бы способны предельно концентрировать в пространстве, во времени и в спектральном интервале весьма большую энергию светового излучения.
Лазеры могли появиться более 75 лет назад, когда было постулировано существование (Альберт Эйнштейн) и выяснены основные свойства (Поль Адриен Морис Дирак) индуцированного излучения, лежащего в основе квантовой электроники. И Эйнштейн, и Дирак, формулируя основные положения теории излучения, имели в виду оптику и излучение света. А квантовая электроника возникла заметно позднее в радиодиапазоне. Дело в том, что в первой половине XX века прекрасно понимаемое всеми физиками единство радио и оптики постоянно подчеркивалось, прежде всего, с волновой точки зрения.
Волновые представления, заимствованные из оптики, обогащали радио и наоборот. Общность же радио и оптики, обусловленная общностью квантовой природы процессов излучения и поглощения электромагнитных волн, долгое время во внимание не принималась. Так было до тех пор, пока не возникла радиоспектроскопия, о которой речь шла выше. Бурное развитие радиоспектроскопии началось после Второй мировой войны, когда стремительный прогресс в технике сантиметровых волн естественным образом привел к совершенно новой, монохроматической постановке спектроскопического исследования.
Для радиофизика А.М. Прохорова, наряду с решением чисто спектроскопических задач, очень привлекательной была возможность использования резонансных линий поглощения в СВЧ-спектрах молекул как опорных точек в системах стабилизации частоты радиогенераторов. Такая постановка вопроса более чем естественна для молодого доктора наук, совсем недавно, каких-нибудь 5 — 6 лет тому назад защитившего в Лаборатории колебаний кандидатскую диссертацию на предмет стабилизации частоты радиогенераторов с помощью высокодобротных и стабильных кварцевых резонаторов.
Точность работы стандарта частоты, основанного на измерении положения резонансной линии поглощения, тем выше, чем уже линия. Применение молекулярных пучков позволяет резко сузить линию поглощения. Но у молекулярных пучков мала интенсивность линии. Отходя от термодинамически равновесного соотношения между числами возбужденных и невозбужденных молекул в пучке, можно управлять интенсивностью линии поглощения. Если путем той или иной сортировки оставить в пучке только возбужденные молекулы, то линия поглощения сменится линией усиления. Поглощение меняет знак, становится отрицательным. Радиофизику Прохорову было совершенно ясно, что при соответствующей положительной обратной связи система с отрицательным поглощением превращается в автоколебательный генератор, дающий монохроматические колебания. Так оно и оказалось.
Квантовая электроника родилась в тот момент, когда возбужденная квантовая система — пучок должным образом отсортированных молекул — была помещена в резонатор. Молекулярный генератор, он же — мазер, первый прибор квантовой электроники, был создан практически одновременно в самом конце 1954 — в самом начале 1955 года в СССР в Лаборатории колебаний ФИАН (Н.Г. Басов, А.М. Прохоров) и в США в Лаборатории излучений Колумбийского университета (Дж Гордон, Ч. Таунс, X. Цайгер). Первый мазер работал на пучке молекул аммиака, длина волны излучения — 1,25 сантиметра.
