Проработав после окончания курса химиком-лаборантом всего один год, Раби вдруг поступил в частную банковскую фирму. Но два года служения золотому тельцу убедили его в том, что это не для него. Он вернулся в Корнельский университет, чтобы пройти дополнительный курс и стать доктором химических наук. Однако вскоре Раби понял, что в химии ему больше всего нравится физика, и он перешел в Колумбийский университет, единственное место в Нью-Йорке, где можно было стать физиком. В 1927 году, защитив докторскую диссертацию, он почувствовал, что настоящим физиком так и не стал. В те годы этого можно было достичь только в Европе. Получив осенью стипендию для научной работы, он пересек океан и под руководством Штерна освоил технику экспериментов с атомными пучками. Вернувшись в Нью-Йорк, Раби собрал вокруг себя группу молодых ученых, ставших ядром одной из первых в США школ экспериментальной физики.
Десять лет спустя Раби значительно усовершенствовал исследования атомных пучков. В отличие от Штерна, который применял в своих экспериментах только сильные неоднородные магнитные поля, он дополнительно ввел в свой прибор еще и радиоволну.
Если помните, пучок атомов серебра в приборе Штерна и Герлаха распадался под влиянием магнитного поля на две части (в зависимости от их энергии). И атомы оседали на стеклянной пластинке в виде двух серебряных пятнышек. Раби же поставил на пути атомов второе магнитное поле, противоположное по своему действию и, не дав атомам осесть в двух точках, снова свел их в одну. И стал наблюдать, сколько атомов пройдет через это двойное испытание. Зачем ему это понадобилось? И для чего он использовал еще радиоволну? Минутку терпения.
Раби обладал смелостью, необходимой каждому первопроходцу. В формулах квантовой механики скрывалась возможность взаимодействия между микрочастицами и радиоволнами. Взаимодействия, ничем не отличающегося от того, которое уже давно наблюдалось между этими частицами и светом. Но кванты света в миллионы раз энергичнее квантов радиоволн. И нужно было сочетать решимость с тонким искусством, чтобы поставить своей целью наблюдение столь слабых эффектов. Ведь все работавшие с атомными пучками знали, что непосредственное введение радиоволн в прибор Штерна ровно ничего не дает. Просто некоторое число частиц перейдет из правого пятнышка в левое, и столько же перекочует слева направо. Задача состояла в том, чтобы надежно отделить частицы, взаимодействовавшие с радиоволной, от тех, которые этого не совершили.
Установка Раби состояла как бы из двух приборов Штерна, установленных один за другим. Влияние второй установки полностью уничтожало действие первой. Атомы, выходящие из источника, сперва, как у Штерна, распадались на два пучка, затем снова собирались вместе, опять расходились, но в противоположных направлениях и, наконец, сходились в одну точку. Но это не было переливанием из пустого в порожнее. Раби здесь поступил как хороший аптекарь — перед точным взвешиванием уравнивающий чаши своих весов. Теперь они почувствуют ничтожную крупинку лекарства.
В середине установки Раби поместил катушку, через которую проходили токи высокой частоты от генератора радиоволн. Радиоволна ударяла по атомам. Пока ее частота была далека от той, на которую настроены сами атомы, они не обращали на нее никакого внимания. Они летели в строгом порядке, послушные одной силе — магнитному полю. Но вот ученый начинает вращать ручку настройки радиогенератора и менять его частоту. Постепенно он подбирается к частоте, на которую настроены атомы. Он нащупывает их резонансную волну, как нащупываем мы нужную нам радиостанцию на шкале обычного радиоприемника. И чем ближе настройка радиогенератора к настройке самих атомов, тем большее «волнение» их охватывает. И вот — резонанс! Радиоволна и атомы получили возможность разговаривать на одном языке, на одной частоте. Одни атомы излучают избыток своей энергии, отдают ее радиоволне. Другие, слабенькие, пользуются случаем и занимают у нее часть энергии. Идет интенсивное взаимодействие. Магниты забыты. Атомы не слушают их. Они уже не попадают в одну точку, а разбредаются кто куда!
Что же делает в это время Раби? Раби внимательно следит за стрелкой гальванометра, который он поставил на выходе своего прибора и заставил следить за теми атомами, которые прошли через оба магнита. Пока не было резонанса и все атомы попадали в одну точку, гальванометр «молчал», стоял на нуле. В момент резонанса стрелка вздрагивала и начинала ползти вправо. Чем больше отклонение, тем точнее резонанс. Штерну приходилось томительно ждать, пока на стеклянной пластинке заблестят серебряные пятнышки. Раби получал результат мгновенно.
Он использовал резонанс для изучения поведения атомов в радиочастотном поле. Оно было своеобразным скальпелем, обнажавшим сокровенные свойства и характер атомов.
В дальнейшем, когда прибор Раби был значительно усовершенствован, физики додумались использовать атомы в момент резонанса как камертон для подстройки частоты радиогенераторов. Ведь в момент наивысшего взаимопонимания между атомами и радиоволной, излучаемой генератором, их частоты одинаковы. Точно зная частоту атомов, а ученые ее знали, можно с уверенностью назвать частоту генератора. Так атомы стали играть роль часов Спасской башни, по которым сверяются тысячи часов.
Итак, еще в 1937 году Раби смог наблюдать спектральные линии атомов в радиодиапазоне. Его прибор был, по существу, радиоспектроскопом. Радиоспектроскопом, родившимся раньше, чем радиоспектроскопия. Это не игра слов, ведь общепризнано, что радиоспектроскопия возникла лишь в 1945 году, когда ученые начали систематически исследовать спектры газов в диапазоне сантиметровых радиоволн.
Вспомните героя Мольера, удивившегося, узнав, что он говорит прозой.
Раби не удивился, когда после второй мировой войны родилось слово «радиоспектроскопия». Просто в лаборатории рядом с атомнолучевыми радиоспектроскопами коротковолнового диапазона появились газовые радиоспектроскопы сантиметрового диапазона. Приборы Раби были предысторией. Обычный случай в истории науки.
И все-таки они, строго говоря, были не только предысторией, оборванной и незавершенной. Нет, они имели свою собственную историю, которая продолжается и в наши дни. Радиоспектроскоп Раби положил начало еще более точным атомным часам и даже не часам, а целой ветви новых стандартов времени.
Но прежде чем прибор Раби можно было применить для калибровки частоты радиопередатчика, для управления его частотой, наконец, для создания стандартов частоты и атомных часов, его необходимо было «причесать».
Казалось бы, в приборе Раби радиоволна и атомы общаются на одной волне. Причем на волне строго определенной. На языке науки это значит, что спектральная линия атомов должна быть идеально узкой. Но увы! Ее портили какие-то добавки, как хрипотца иногда портит голос певца. К основной резонансной частоте атомов добавлялись ненужные, лишние частоты. Спектральная линия уширялась.
Это не устраивало ученых. Они должны были по возможности удалить лишний «вес» линии. Но прежде надо понять причину, отдаляющую их от идеала. Может быть, атомы сталкиваются и мешают друг другу? С этим явлением физики уже встречались в радиоспектроскопии газов. Нет, здесь это было невозможно. В атомных пучках таких столкновений не бывает. Атомы не сталкиваются ни друг с другом, ни со стенками установки. Летя целым коллективом, они тем не менее ведут себя как совершенно изолированные.
Причина была не такой простой. Оказалось, что спектральные линии в атомных пучках уширяются главным образом потому, что сама установка имеет ограниченные размеры. Не то что малые, а именно ограниченные. Атомы общаются с радиоволной слишком короткое время, только в те мгновения, когда они пролетают через область, занятую электромагнитным полем, — объемный резонатор в случае сантиметровых волн, катушка или конденсатор при более длинных волнах. И это занимает всего тысячные доли секунды! Конечно, за такое короткое время атомы, попросту говоря, не успевают разобраться, какая волна резонансная, какая нет, на какую им положено реагировать, на какую нет. И излучают в ответ на требование соседних волн! Атом в данном случае ведет себя так же, как обычный волномер — прибор, измеряющий длину волны. Он тоже не может быстро различить две радиоволны, частоты которых очень близки. И он должен взаимодействовать с измеряемой волной в течение вполне определенного времени. В период измерения в волномере должны установиться устойчивые колебания. Если это условие не выполнено, точный отсчет частоты невозможен. И у атомов должно быть время, чтобы они могли опознать окружающее их электромагнитное поле.
