Басов, Прохоров и лазер: за что дали Нобелевскую премию 1964 года
Советский вклад в квантовую электронику: работа в ФИАНе, отличие мазера от лазера, накачка и причины, по которым первый лазер связывают с Мейманом.
В 1964 году Николай Басов и Александр Прохоров получили Нобелевскую премию по физике вместе с американцем Чарлзом Таунсом. Награда отмечала основы квантовой электроники, благодаря которым стало возможно создавать мазеры и лазеры. Половина премии досталась Таунсу, по четверти — Басову и Прохорову. Это было признание нового способа получать и усиливать электромагнитное излучение, а не награждение за один готовый прибор.
Почему сначала появился мазер
Мазер работает с микроволновым излучением; лазер использует тот же основной принцип в оптическом диапазоне. Поэтому история лазера начинается не с красного луча, а с радиофизических исследований. Для физика оба устройства принадлежат к одной семье: различаются частоты, рабочие вещества и техническое устройство, но решающую роль играет вынужденное излучение.
Обычно возбуждённый атом может отдать энергию самостоятельно. При вынужденном излучении подходящий входящий фотон вызывает переход с испусканием дополнительного фотона, согласованного с исходной волной. Так возникает возможность усиления. Однако одного знания этого эффекта недостаточно: необходимо подготовить вещество и организовать взаимодействие излучения с ним.
Полезно представить разницу между шумом множества независимых исполнителей и согласованным звучанием. Это только аналогия: атомы ничего не «слышат» и не следуют командам. Она помогает понять, почему важны не просто яркость или мощность, а согласованность излучения. Именно управляемость делает такой источник полезным для измерений.
Московская работа: Басов и Прохоров
Оба советских лауреата работали в Физическом институте имени П. Н. Лебедева, ФИАНе. В научной биографии Басова начало занятий квантовой радиофизикой отнесено к 1952 году. Его докторская работа 1956 года была посвящена молекулярному генератору с пучком аммиака. Это конкретное устройство связывало квантовые переходы с задачей получения устойчивого сигнала.
Прохоров пришёл к этой проблеме через исследования колебаний и радиоспектроскопию. Его биография описывает совместную с Басовым разработку молекулярного генератора и предложенный ими в 1955 году метод накачки. Впоследствии Прохоров занимался резонаторами открытого типа, важными для перехода к оптическим частотам.
Такая последовательность показывает, насколько условно деление на «чистую» физику и изготовление приборов. Измерение свойств вещества подсказывало конструкцию источника излучения; новый источник, в свою очередь, расширял возможности измерений. Советский вклад состоял в теории и эксперименте, а не только в воспроизведении зарубежной конструкции.
Накачка, усиление и генерация
Чтобы получить усиление, нужно создать подходящее распределение частиц по энергетическим состояниям. Подвод энергии к рабочей среде называют накачкой. Она не означает механическое нагнетание газа: способ зависит от устройства. Важен результат — возможность передать энергию вещества электромагнитной волне.
Усилитель увеличивает поступивший сигнал. Генератор должен поддерживать возникновение колебаний; для этого существенна обратная связь. В привычном изображении лазера её обеспечивают зеркала, между которыми свет многократно проходит через рабочую среду. Это объяснение принципа, а не универсальная схема каждого существующего лазера.
Из этого следует практическое различие: «лазер» не означает автоматически сверхмощный или непрерывный луч. Мощность, длительность импульсов и спектральные характеристики зависят от конкретной конструкции. Согласованность света сама по себе не задаёт его энергию.
Кто построил первый работающий лазер
Первый действующий лазер создал Теодор Мейман в 1960 году. Американское физическое общество датирует успешный опыт 16 мая. Рабочей средой служил рубин, возбуждаемый вспышкой лампы; устройство давало импульсы, а не постоянный световой поток. Поэтому утверждение, будто Басов и Прохоров получили премию за собственноручную постройку самого первого лазера, неверно.
Здесь нет противоречия между историей прибора и решением Нобелевского комитета. Премия 1964 года относилась к фундаментальным работам, открывшим целое направление. Первая работающая конструкция — другой вид достижения. В истории техники эти события часто связаны, но не совпадают по авторам и датам.
Что важно запомнить
Мазер и лазер связаны общим физическим принципом. Басов и Прохоров представляли московскую школу квантовой электроники; Таунс развивал это направление в США. Нобелевское признание состоялось в 1964 году, тогда как рубиновый лазер Меймана заработал четырьмя годами раньше. Различение этих фактов позволяет увидеть коллективное развитие науки без подмены его соревнованием за единственное имя изобретателя.
Связанные материалы
- Лев Ландау и квантовые жидкости
- Пётр Капица и сверхтекучесть
- Николай Семёнов и цепные реакции
- Проверка результатов токамака Т-3
