Александр Самохин
Чарлз Таунс, Александр Прохоров и Николай Басов на церемонии вручения Нобелевской премии «за фундаментальную работу в области квантовой электроники, которая привела к созданию генераторов и усилителей, основанных на мазерно-лазерном принципе», 1964.
Фото с сайта www.mitmuseum.mit.edu
Осенью каждого года весь мир узнает об очередном присуждении Нобелевских премий, которые затем вручаются лауреатам на торжественной декабрьской церемонии в Стокгольме. Эти награды относятся к числу наиболее известных и престижных международных премий. Интерес к работам, отмеченным премией, и к их авторам обусловлен не только непосредственным содержанием полученных результатов. Здесь – вся совокупность сопутствующих обстоятельств, осознание которых требуется для более полного понимания состояния науки и общества, а также для своевременного осуществления необходимых коррекций. Подобные коррекции возникают порой с весьма значительной задержкой, а для их осознания нужны еще дополнительные усилия и время.
Мазерно-лазерная эпопея
В нынешнем 2024 году исполняется 60 лет со времени присуждения Нобелевской премии по физике советским физикам Николаю Басову, Александру Прохорову и американскому ученому Чарлзу Таунсу – «за фундаментальную работу в области квантовой электроники, которая привела к созданию генераторов и усилителей, основанных на мазерно-лазерном принципе». Первые мазеры заработали за 10 лет до присуждения этой премии, а первый лазер создал в 1960 году американский физик Теодор Мейман, для которого в нобелевской обойме места уже не оказалось.
Создание лазеров относится к одному из важнейших достижений науки ХХ века, и его история в той или иной мере рассматривалась во многих источниках. Однако некоторые исторические аспекты мазерно-лазерной эпопеи до сих пор остаются недостаточно проясненными. Здесь мы затронем в основном только те из них, которые нашли свое непосредственное отражение в использованной при этом терминологии и фразеологии. Напомним, что слова «мазер» («лазер») возникли как аббревиатура английских названий Microwave (Light) Amplification by Stimulated Emission of Radiation.
Член Нобелевского комитета по физике профессор Бенгт Эдлен в своей речи на церемонии награждения лауреатов подчеркивал: «Ключом к изобретению является концепция вынужденного излучения, которая была введена Эйнштейном еще в 1917 году. Путем теоретического анализа формулы излучения Планка он обнаружил, что хорошо известный процесс поглощения должен сопровождаться дополнительным процессом, подразумевающим, что полученное излучение может стимулировать атомы испускать тот же вид излучения. В этом процессе кроется потенциальное средство усиления. Однако вынужденное излучение долгое время рассматривалось как чисто теоретическая концепция, которую никогда нельзя было применить на практике или даже наблюдать, потому что поглощение было бы полностью доминирующим процессом при любых нормальных условиях. Усиление может произойти только в том случае, если вынужденное излучение больше поглощения. Это, в свою очередь, требует, чтобы атомов в высокоэнергетическом состоянии было больше, чем в низкоэнергетическом. Такое нестабильное энергетическое состояние вещества называется инвертированной совокупностью. Важным моментом в изобретении мазера и лазера было, следовательно, создание инвертированной совокупности при таких обстоятельствах, чтобы стимулированное излучение можно было использовать для усиления».
Для анализа приведенного выше утверждения, повторяющегося во многих учебных, справочных и других изданиях, обратимся, как советовали классики, к источникам, то есть к статье Альберта Эйнштейна «Испускание и поглощение излучения по квантовой теории» (1916) и его же последующей статье «К квантовой теории излучения», опубликованной в двух изданиях в 1916 и 1917 годах. В Собрании научных трудов Эйнштейна на русском языке эти две статьи опубликованы под номерами 43 и 44. Причем первая из них снабжена следующим примечанием: «В этой работе высказаны идеи, которые впоследствии привели к возникновению и развитию электроники. В ней впервые были введены коэффициенты Эйнштейна А и В».
В работах 43 и 44 автор Эйнштейн известные из классической теории ситуации спонтанного и вынужденного излучения распространяет на квантовые случаи, сопровождая этот шаг достаточно четким пояснением. В статье 44 это пояснение выглядит так: «Помимо законов, которые управляют этими переходами, введем некоторые гипотезы, которые получаются посредством переноса соотношений, известных из классической теории для резонатора Планка, в неизвестную еще квантовую теорию». Гипотезы касались понятий спонтанного и вынужденного излучения. А в статье 43 Эйнштейн отмечает: «Для этих переходов установим простые гипотезы, причем будем руководствоваться предельным случаем классической теории, кратко охарактеризованным выше».
Очевидно, что в данном случае было не «изобретение концепции», а именно перенос, распространение известных в классической теории понятий на еще не освоенную квантовую область. При всей важности подобного шага никакие «дополнительные» по сравнению с классикой процессы в 43 и 44 не «обнаруживались». По этой причине приписываемое работам 43 и 44 значение в последующем создании мазеров и лазеров является таким же преувеличением, как и муссируемая в свое время в мировой прессе роль их автора в создании атомной бомбы.
Приведем в связи с этим следующий фрагмент из знаменитых «Лекций по физике» нобелевского лауреата Ричарда Фейнмана. О релятивистской связи между энергией и массой покоя (М) атомного ядра в одной из лекций говорится так: «Вычтя одно значение массы из другого, можно прикинуть, сколько энергии высвободится, если М распадется «пополам». По этой причине все газеты считали Эйнштейна «отцом» атомной бомбы. На самом же деле под этим подразумевалось только, что он мог бы заранее подсчитать выделившуюся энергию, если бы ему указали, какой процесс произойдет. Энергию, которая должна высвободиться, когда атом урана подвергнется распаду, подсчитали лишь за полгода до первого прямого испытания. И как только энергия действительно выделилась, ее непосредственно измерили (не будь формулы Эйнштейна, энергию измерили бы другим способом), а с момента, когда ее измерили, формула уже была не нужна. Это отнюдь не принижение заслуг Эйнштейна, а скорее критика газетных высказываний и популярных описаний развития физики и техники. Проблема, как добиться того, чтобы процесс выделения энергии прошел эффективно и быстро, ничего общего с формулой не имеет».
О сохраняющейся актуальности этих замечаний Фейнмана свидетельствует, в частности, текст, произнесенный в передаче «День в истории» 27 сентября 2024 года на телеканале «Россия-24»: «27 сентября 1905 года Альберт Эйнштейн опубликовал в немецком научном журнале «Анналы физик» статью: зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии. Именно в этой статье он вывел и обосновал знаменитую формулу E = mс2… Позже теория Эйнштейна использовалась и при создании атомной бомбы. Так как скорость света огромна, а ее квадрат еще больше, получается, что в крошечном количестве материи при условии высвобождения ее полной энергии заключена гигантская мощь. На этом основана вся атомная энергетика».
Воздействие такой распространяемой через СМИ информации оказывается в итоге более результативным, чем влияние фейнмановских лекций. И это не способствует формированию в общественном сознании адекватного представления о науке и жизни.
|
|
Академик Виталий Гинзбург считал распространенным недоразумением мнение, что спонтанное излучение «является квантовым эффектом». Фото Натальи Преображенской (НГ-фото) |
Терминологические, приоритетные и прочие искажения приводят к деформации восприятия реальности не только у непрофессиональной публики, но и непосредственно в научной среде. На эту проблему, в частности, обратил внимание академик Виталий Гинзбург в статье «О природе спонтанного излучения» (журнал «Успехи физических наук», 1983).
В вводной части этой статьи Виталий Лазаревич отмечает «существование весьма распространенных недоразумений в вопросе о природе спонтанного излучения», поскольку «значительная часть опрошенных считает, что спонтанное излучение представляет собой результат существования нулевых колебаний электромагнитного поля, то есть является квантовым эффектом». Гинзбург подчеркивает, что «подобное мнение является неверным» и что «недоразумения, с которыми приходится сталкиваться в вопросе о природе спонтанного излучения, порождены ходом исторического развития квантовой теории в целом и квантовой теории излучения в частности».
Многие читатели, слушатели и зрители сегодня оказались свидетелями различных превратностей «хода исторического развития», число которых отнюдь не имеет тенденцию к сокращению.
После появления в УФН статьи будущего лауреата Нобелевской премии по физике (2003) поток отмеченных Гинзбургом недоразумений не прекратился. В книге «Лекции по квантовой электронике» Н.В. Карлова, опубликованной издательством «Наука» в 1983 году и переизданной в 1988 году, в первой же из этих лекций, которые на протяжении ряда лет читались студентам Московского физико-технического института, написано: «Спонтанное излучение является эффектом принципиально квантовым, не допускающим классической трактовки».
Данный пример отнюдь не уникален. В курсе лекций В.С. Постникова «Оптическое материаловедение. Лазерные и регистрирующие среды» (2017 г., Пермский национальный исследовательский политехнический университет) можно прочитать: «Источником лазерного излучения может быть только квантовая система, то есть изолированные атомы или группы атомов, объединенные в молекулы или кристаллическую решетку».
Уже из этих примеров видно, что научное сообщество в некоторых своих проявлениях пребывает в состоянии расщепленного сознания. Подобное «брожение умов» связано, в частности, с очевидным игнорированием первоисточников и конъюнктурным усердием, способным превозмочь элементарный здравый смысл. Такое отношение к основным понятиям никак нельзя признать нормальным, особенно в случае физики, которая считается точной наукой, а не просто набором различных «мнений» и неведомо что обозначающих терминов.
Негативные результаты использования различных, порой вполне вроде бы безобидных терминологических «загогулин» проявляются в самых различных формах. Для исключения или хотя бы уменьшения таких негативных последствий целесообразно во всех возможных случаях давать содержательную и точную историческую информацию по данной ситуации. Такой подход будет препятствовать формированию неадекватного восприятия реальности, что не так уж редко возникает из-за совокупности обстоятельств, частично обусловленных не столько существом реальных научных проблем, сколько сопутствующим проявлением человеческого фактора.
История когерентных колебаний
С методической точки зрения историю достижений в генерации когерентных колебаний и волн следовало бы начинать с механических устройств (морские хронометры), переходя затем к ламповым генераторам электромагнитных колебаний радиодиапазона и приборам сверхвысокочастотной (СВЧ) электроники.
Непосредственными предшественниками появления первого лазера были мазеры – усилители и генераторы когерентного микроволнового излучения. Предполагаемые источники оптического диапазона, над которыми шли интенсивные поисковые работы, тогда именовались «оптическими мазерами». Это название, употребленное и в приведенной выше нобелевской презентации, отметилось в истории физики драматическим эпизодом, выходящим за рамки филологического недоразумения.
Как раз из-за подобной терминологии («Оптическое мазерное действие на рубине») сообщение создателя первого лазера Теодора Меймана летом 1960 года не было принято к публикации в ведущем американском журнале Physical Review Letters. Сам Мейман в своей книге «Лазерная одиссея» резонно настаивает на том, что «термин «оптический мазер» – это оксюморон». И добавляет: «Но ведь PR опубликовал статью Шавлова и Таунса, в которой использовался бессмысленный термин «оптический мазер», и поэтому я подумал, что также могу применить его».
Заметим, что данный «бессмысленный термин», напоминающий по конструкции русское словосочетание «красные чернила», после этих событий продолжал использоваться в научных публикациях еще несколько лет, пока не установился новый термин – «лазер». По утверждению еще одного участника «лазерной одиссеи» Гордона Гулда, термин фактически появился раньше создания первого действующего лазера на рубине.
Характерной реакцией на «концепцию», представленную в церемониальной речи проф. Б. Эдлена, можно считать статью 1972 года «Классический лазер» в журнале Phys. Rev. A., один из авторов которой – нобелевский лауреат по физике 1955 года Уиллис Юджин Лэмб. В заключительной части этой статьи написано: «Рассмотрена полностью классическая модель лазера, в которой никакие упоминания о фотонах или индуцированном излучении не используются».
На работу Лэмба 1972 года ссылается в 1977 году Уильям Колсон в статье о классической теории лазера на свободных электронах (ЛСЭ). Такой лазер явно не укладывается в упоминаемую выше церемониальную «концепцию». Возникающее при этом терминологическое противоречие выразительно подчеркивается в названии напечатанной статьи «Парадокс ЛСЭ как лазера без лазера» («The paradox of a free-electron laser without the laser»). Эта работа была напечатана в июльском за 2021 год выпуске журнала Phys. Org.
Этот «парадокс» имеет фактически ту же природу, что и отмеченные В.Л. Гинзбургом «недоразумения». К сравнительно безвредному их проявлению можно отнести и тот хорошо известный специалистам факт, который отмечен, в частности, во втором томе книги Д.И. Трубецкова и А.Е. Храмова «Лекции по СВЧ электронике для физиков» (2004). На странице 106 читаем: «Первоначально рассмотрение ЛСЭ велось на основе квантовомеханических представлений. Однако, как показали последующие теоретические исследования, классическая теория вынужденного рассеяния также дает удовлетворительные результаты по описанию физических процессов в лазерах на свободных электронах».
Здесь надо обратить внимание не только на констатацию непривычного (с бытующей точки зрения) факта, что для рассмотрения лазера не требуется обязательно квантовая концепция вынужденного излучения. Примечательным является также использование слова «рассеяние» вместо термина «излучение». По этому поводу в известной книге «Теория поля» Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшица (1960) написано так: «Если на систему зарядов падает электромагнитная волна, то под ее влиянием заряды приходят в движение. Это движение, в свою очередь, сопровождается излучением во все стороны; происходит, как говорят, рассеяние первоначальной волны».
Характерно, что слова «как говорят» в последующих изданиях «Теории поля» были опущены, хотя в данном контексте их вполне можно считать достаточно содержательными, подчеркивающими определенную условность и вынужденность данного терминологического выбора. Примечательно также, что названия «спонтанное» и «вынужденное» не фигурируют ни в оглавлении, ни в предметном указателе этой книги, поскольку авторы обошлись вообще без применения этих прилагательных.
Ментальное здоровье науки
Рассмотренный набор примеров неадекватного использования терминов и сопутствующей фразеологии не является, разумеется, исчерпывающим. Но он с достаточной определенностью свидетельствует о том, что терминологические недоразумения нельзя воспринимать как незначительные словесные издержки, не заслуживающие особого внимания. Это следует уже из того факта, что их устранение в общем случае оказывается достаточно сложной задачей и не сводится только к филологическим коррекциям, поскольку при этом затрагивается не всегда и не всеми полностью осознаваемый ряд различных привходящих интересов. В этом направлении должна вестись постоянная, рутинная работа. Цель – не просто характеризовать состояние ментального здоровья той или иной части научного сообщества, но и реально его обеспечивать.
В любой логической конструкции, к числу которых относится и теоретическая физика, один из основных элементов – терминологическая база, то есть совокупность тех слов, которые используются для обозначения рассматриваемых объектов или процессов. Очевидно, что от состояния этой базы зависит состояние и развитие соответствующей области науки – и не только физики. В общественных и других гуманитарных науках недостаточность упомянутой выше рутинной работы ощущается гораздо острее и имеет гораздо более тяжелые последствия. Но эта проблема – тема для другого ряда исследований, расследований и заключений.
