© сайт "Знания-сила".
Вице-президент АН СССР академик Е. Ве́лихов,
профессор В. Летохов. 1979 год.

Эйнштейн и прикладная физика
(окончание, часть 3 из 3)

«ИСПУСКАНИЕ И ПОГЛОЩЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ ПО КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ» («Отчеты немецкого физического общества», том 16, 1916 год, 6 страниц).

В 1900 году Макс Планк ввёл в физику понятие кванта — неделимой порции энергии, которая может быть поглощена или отдана в процессе излучения. Сам процесс излучения Планк не исследовал, в его теории кванты света испускались некими «гипотетическими вибраторами» твердого тела. В 1905 году Эйнштейн ввел понятие кванта света как реальной частицы электромагнитного поля. Затем Нильс Бор рассмотрел процесс излучения фотона свободным атомом и пришел к выводу: атом характеризуется набором определенных энергетических уровней (значений его полной энергии) Е₁, Е₂, Е₃ и т.д., каждому такому уровню соответствует стационарное состояние атома, в котором он не излучает; излучение происходит только при скачкообразном или, как сейчас говорят, квантовом переходе атома из одного состояния в другое; частота излучения ω связана с разностью энергий начального и конечного энергетических уровней: Е₂ — Е₁ = hω и отсюда ω= (Е₂ — Е₁) : h, здесь h — постоянная Планка.

Альберт Эйнштейн и Макс Планк

Следующий важнейший шаг был сделан Эйнштейном именно в работе, о которой сейчас идёт речь. Здесь было сделано вероятностное описание элементарных процессов испускания и поглощения света и предсказано два типа переходов атома или молекулы из одного квантового состояния в другое. Первый тип — спонтанный переход возбужденного атома в состояние с меньшей энергией, сопровождающийся испусканием кванта света. Эйнштейн пишет: «Этот переход происходит без внешних воздействий. Едва ли можно представить себе, что он аналогичен чему-либо другому, кроме радиоактивного распада». Второй тип квантового перехода — индуцированный, то есть вызванный внешним воздействием. Он обусловлен внешним излучением, падающим на атом, и вероятность такого индуцированного перехода пропорциональна интенсивности этого внешнего излучения. При этом возбужденный атом отдаёт дополнительный квант внешнему излучению, а невозбужденный, наоборот, поглощает из внешнего излучения такой же квант.

Элементарные процессы испускания и поглощения кванта света: вверху — спонтанное (самопроизвольное) испускание кванта света возбужденным атомом; в середине — поглощение кванта света невозбужденным атомом; внизу — стимулированное испускание кванта света возбужденным атомом под действием другого такого же кванта света и, как результат, излучение квантов с одинаковой энергией и одним и тем же направлением распространения. Во всех элементарных процессах энергия кванта (фотона) равна разности энергий возбужденного и невозбужденного состояний: E₂ - E₁.

Эйнштейн ввёл представление о спонтанном и индуцированном испускании квантов, опираясь главным образом на свою поразительную интуицию. Будучи абсолютно объективным исследователем, он тут же в статье замечает: «Конечно, я охотно признаю, что три гипотезы, касающиеся спонтанного и индуцированного излучения, вовсе не становятся достоверными результатами от того, что они ведут к формуле излучения Планка. Однако простота гипотез, общность и непринужденность рассмотрения… позволяют мне считать весьма вероятным, что это рассмотрение станет основой будущих теоретических представлений».

Эйнштейн оказался совершенно прав. Примерно через 10 лет трудами блестящей интернациональной плеяды физиков была создана квантовая механика, которая дала необходимую теоретическую базу для строгого описания взаимодействия света с атомами и молекулами. И почти сразу же, в 1927 году, выдающийся английский физик, один из создателей квантовой механики, Поль Дирак (в то время ему было 25 лет), построил квантовую теорию излучения, в которой была строго доказана полная справедливость гипотез Эйнштейна о спонтанном и индуцированном излучении, описаны свойства этих явлений. Было, в частности, показано, что фотон, испускание которого индуцировано другим фотоном, имеет совершенно одинаковые с ним характеристики — направление распространения, энергию (частоту излучения), поляризацию. На этой одинаковости, как известно, базируется вся квантовая электроника, и в частности создание лазеров, источников когерентного света. И само слово «когерентность» говорит о том, что элементарные излучатели — атомы, молекулы — излучают одинаковые по основным характеристикам кванты, то есть излучают согласованно, синхронно.

Но явление индуцированного излучения само по себе ещё не даёт возможности ни управлять процессом излучения, ни тем более получать мощный когерентный свет. Дело в том, что существует два типа индуцированных переходов — с испусканием и поглощением фотонов. В обычных, равновесных условиях возбужденных атомов всегда меньше, чем невозбужденных, и поглощение фотонов в веществе превалирует над индуцированным излучением.

Но уже в тридцатые годы появились идеи, позволяющие как будто радикально изменить ситуацию путем создания неравновесного распределения атомов по возбужденным состояниям — в одном из возбужденных состояний атомов должно быть больше, чем на более низких уровнях. Такую ситуацию называют сейчас инверсной заселенностью уровней, и именно она используется в лазерах.

Нередко приходится слышать вопрос: почему лазеры были созданы только в начале 50-х годов, в то время как теоретический фундамент для их существовал уже в 20—30-х годах? В литературе высказывались различные ответы на этот вопрос, один из них состоит в следующем.

В сороковых годах самым популярным направлением физических исследований была ядерная физика, именно здесь работали наиболее талантливые и активные исследователи. Атомная и молекулярная физика, оптическая физика занимали в определенном смысле второстепенное положение, от них, видимо, не ждали новых фундаментальных результатов. Может быть, именно потому лазерная физика начиналась не от оптики, а от радиофизики, которая тоже числилась, конечно, вполне заслуженно, в числе особо популярных областей науки. В радиодиапазоне отчетливо наблюдалось предсказанное Эйнштейном индуцированное квантовое излучение молекул, и именно бурное развитие радиолокации, радиотехники сверхвысоких частот, а затем радиоспектроскопии. которая изучает взаимодействие радиоизлучения с атомами и молекулами, создало предпосылки, и в частности экспериментальную базу, для рождения квантовой электроники. В ходе радиоспектроскопических исследований в 1954 году были созданы квантовые генераторы радиоизлучения — мазеры. Создатели их — советские физики академики Николай Геннадиевич Басов и Александр Михайлович Прохоров и американский физик Чарльз Таунс — спустя 10 лет были удостоены за эти основополагающие работы Нобелевской премии.

Несколько позже в попытках расширить мазерный принцип излучения на более коротковолновую область были созданы квантовые генераторы света — лазеры. По своему устройству лазеры гораздо проще мазеров, и сейчас кажется удивительным, что науке пришлось сделать такой зигзаг на пути к когерентному источнику света. Но в то же время движение к этой конечной цели было неотвратимым — идеи лазера были развиты главным образом самими создателями мазера и сотрудниками их лабораторий. Так же, впрочем, как было неотвратимым, хотя и не быстрым и тоже не очень-то прямолинейным продвижение от эйнштейновских представлений о реальности квантов и об индуцированном излучении к зарождению квантовой электроники. Высокая мощность лазерного излучения, достигнутая ныне, высокая его направленность и монохроматичность, возможность формировать короткие лазерные импульсы и перестраивать частоту излучения — всё это позволяет исключительно гибко работать с когерентным светом, применять его для самых разнообразных целей.

По существу, с рождением квантовой электроники мы впервые получили возможность по своему выбору преобразовывать и концентрировать в пространстве, во времени и в нужном участке спектра световую энергию, причем в значительно большей степени, чем до этого удавалось делать с электромагнитной энергией. По-видимому, нынешний период освоения оптического диапазона логически следует за открытием и освоением электрической энергии, и сейчас даже трудно предсказать все те новые возможности, которые такой «прирученный свет» откроет перед человечеством.

Пять работ, о которых здесь было рассказано,— это лишь часть огромного творческого наследия Альберта Эйнштейна. Как истинно творческий человек, он работал всю жизнь и, не обольщаясь великолепными своими достижениями, ставил перед собой все более сложные задачи. Достаточно вспомнить, что решение одной из таких задач чрезвычайной сложности, точнее, целого комплекса задач, отнявших многие годы напряженной работы, привело к созданию общей теории относительности, от которой, по сути, начинается современная космология, начинаются наши нынешние представления об устройстве Вселенной.

Но и упомянутые ранние работы, прежде всего две фундаментальные работы, за дальнейшей судьбой которых мы проследили несколько более подробно, показывают, какую огромную ценность для человечества могут иметь идеи, помогающие раскрыть тот или иной важный фрагмент в картине мира. Такие идеи, развиваемые затем трудом самого учёного и его последователей, становятся действительно материальной силой, становятся реальностью, определяющей пути развития науки и техники, самой нашей жизни. Особо ясно это видно на примере становления атомной энергетики и квантовой электроники. Судьба удивительных по своей смелости идей и не менее удивительных по своей точности выводов замечательного мыслителя Альберта Эйнштейна убедительно свидетельствует: главнейшая движущая сила научного и технического прогресса — это глубокое познание фундаментальных свойств природы.