Казалось, проще всего убрать эту стенку и превратить резонатор в длинный волновод, по которому атомы могут лететь до тех пор, пока они не расстанутся со своей избыточной энергией. Но еще расчеты астрофизиков показали, что для этого не хватит размеров никакой лаборатории. Убрать стенку в прямом смысле слова не удалось. Но убрать ее было необходимо.
И Рэмси решил убрать стенку тупика, не убирая стенки резонатора! Это не выдумка писателя, а результат глубокого физического анализа.
Беда была в том, что, ударяясь о стенку, активный атом отдает ей свою избыточную энергию и отражается от нее уже приемником радиоволн. Вот Рэмси и решил придать стенке резонатора такие свойства, чтобы она не отбирала избыточную энергию у ударяющихся об нее атомов водорода. В этом случае атомы, летая от стенки к стенке, блуждали бы внутри резонатора так долго, что могли бы «высветить» внутри него свою избыточную энергию.
Не беспочвенная ли это идея — сделать так, чтобы стенка, оставаясь стенкой во всех смыслах этого слова, перестала быть ею с точки зрения взаимодействия с внутренней энергией атома?
Оказалось, что такие стенки можно создать. Для этого их следует покрыть каким-либо веществом, молекулы которого очень слабо взаимодействуют с атомами водорода. Долгие поиски показали, что такие вещества существуют и лучшими из них являются особые сорта парафина и замечательная пластмасса фторопласт, известная также под названием тефлон. Особенность парафинов состоит в том, что почти все электрические поля входящих в них атомов использованы на образование самих молекул парафина. Эта молекула имеет вид длинной цепочки атомов углерода, защищенных от внешнего мира связанными с ними атомами водорода. В результате такого строения молекула парафина взаимодействует с другими молекулами главным образом своими концами. Это проявляется, в частности, в том, что парафин кажется нам очень скользким, потому что его длинные молекулы легко перемещаются одна вдоль другой.
Все сказанное в большой степени относится и к тефлону, сравнительно твердой, термостойкой и очень скользкой на ощупь пластмассе. Только в ней основную защитную роль играют не атомы водорода, а атомы фтора.
Химики описывают свойства молекул парафина и тефлона на своем языке, говоря, что все связи входящих в них атомов насыщены. Они не могут активно связываться с другими атомами и молекулами. Поэтому парафин и тефлон химически пассивны. Они не реагируют даже с плавиковой кислотой, которая в отличие от других кислот растворяет и такое стойкое вещество, как стекло.
Атомы водорода могут десятки тысяч раз сталкиваться с поверхностями, покрытыми парафином или тефлоном, не передавая им свою внутреннюю энергию и не теряя способности излучить эту энергию в виде радиоволн.
Расчет показал, что времени пребывания атома в резонаторе с защищенными стенками достаточно для того, чтобы атом излучил радиоволну до того, как он случайно попадет в отверстие, через которое ранее вошел в резонатор, и покинет его. Это определяет и размер отверстия: если оно слишком велико, атом покинет резонатор, не высветившись и унеся обратно свою избыточную энергию. Если же отверстие слишком мало, то атом и после высвечивания будет долго летать внутри резонатора в качестве приемника и может поглотить порцию энергии, ранее излученной другими атомами или им самим. Слишком малое отверстие затрудняет и питание резонатора пучком активных атомов.
Так Рэмси сумел превратить стенки в своеобразные зеркала, отражавшие атомы водорода без изменения их внутренней энергии. Атомы летали в резонаторе три-четыре секунды и за это время излучали в нем свою энергию.
Но действительно ли это выход из тупика? Ведь атомы, хаотически блуждающие между стенками, — это уже не пучок, а газ. А создать генератор радиоволн на газе — это именно то, что всегда считалось невозможным. Здесь возникало два, казалось, непреодолимых препятствия. Впрочем, первое было действительно непреодолимым только для обычных газов. Для газов, находящихся в состоянии теплового равновесия.
Мы знаем, что невозможно создать генератор на обычном газе, в котором атомов-приемников больше, чем атомов-передатчиков. Но в резонаторе Рэмси был необычный газ. Этот газ состоял главным образом из атомов-передатчиков, влетевших в резонатор в виде атомного пучка. Лишь побыв в резонаторе несколько секунд, атом излучал в нем свою энергию и, превратившись в приемник, вскоре покидал его. Конечно, некоторая часть атомов улетала, еще не успев излучить, но эти неизбежные потери были невелики.
Хуже было другое — ведь спектральные линии газов уширяются не только из-за соударений атомов, но и просто вследствие их быстрого хаотического движения.
Вспомним, что в первых «атомных» часах тоже применялся радиоспектроскоп, дававший спектральную линию поглощения аммиака. Эти часы оказались неработоспособными именно потому, что спектральные линии были слишком широки, что не позволяло определить частоту с большой точностью. Казалось, что это же делает бесперспективным и попытку построения стандарта частоты, основанного на атомах водорода. Однако ученые уже очень хорошо разобрались в механизме излучения молекул и атомов, чтобы их можно было застать врасплох. Да и мы теперь тоже знаем, что молекулы аммиака излучают радиоволны только тогда, когда меняется колебательное движение атомов, входящих в молекулы, или при изменении скорости вращения молекулы как целого. Поэтому молекулы аммиака очень «ранимы» — чуть толкнет их соседняя молекула, и они тут же излучат свой запас энергии, не дожидаясь резонансной волны. На них влияют не только столкновения между собой или с другими атомами и молекулами, но и соударения со стенками сосуда, содержащего газ.
Иное дело атомы водорода — их спектральные линии возникают в результате внутриатомных магнитных взаимодействий, слабо реагирующих на внешние толчки, и поэтому покрытие стенок позволяет им пережить десятки тысяч соударений со стенками без влияния на внутреннее состояние атома. В этом случае защищенной оказывается и ширина спектральной линии. Если при соударении внутреннее состояние атома не изменяется, то нет и причины для уширения спектральной линии. Конечно, При сталкивании двух атомов водорода они повлияют друг на друга. Но газ активных атомов, образующийся в колбе водородного генератора, так разрежен, что атом, влетевший в колбу, вылетит наружу гораздо раньше, чем столкнется в ней с другим атомом.
Но и этого еще недостаточно для создания стандарта частоты на газах. Ведь хаотическое тепловое движение атомов приводит к уширению спектральных линий даже без столкновений, просто вследствие эффекта Допплера. С этим эффектом мы сталкиваемся слишком часто, чтобы долго на нем останавливаться. Эффект Допплера встречается и в обыденной жизни. Стоя на платформе, мимо которой проезжает гудящий поезд, мы слышим внезапное изменение тона гудка, когда приближающийся поезд, минуя нас, начинает удаляться. Так же должен был бы скачком изменяться и цвет его фонарей. Мы не замечаем этого только из-за малой величины изменения частоты света.
Но атомы газа движутся много быстрее, чем поезд, а радиоспектроскоп неизмеримо более чувствителен к изменению частоты, чем глаз. Радиоспектроскоп отмечает, что при комнатной температуре спектральные линии отдельных атомов, летящих в противоположные стороны, отличаются между собой по частоте на несколько десятков тысяч герц. Атомы, образующие газ, имеют всевозможные направления движения и летят с различными скоростями. И спектроскоп фиксирует широкую спектральную линию, образовавшуюся из множества слившихся линий, занимающих сплошной участок спектра.
Казалось, невозможно получить в газе спектральные линии, более узкие, чем те, которые обусловлены допплеровским уширением. Ведь прекратить тепловое движение невозможно. Даже уменьшить его, понижая температуру, нельзя, не нарушив работы прибора.
Но Рэмси использовал в своем приборе тонкость, которая обычно ускользает от внимания при знакомстве с эффектом Допплера. Для того чтобы эффект Допплера развился в полной мере и проявил себя изменением частоты спектральной линии атома или любого другого источника, нужно, чтобы атом, перемещаясь, покрыл расстояние не меньшее, чем несколько длин волн соответствующей частоты. Нужно, чтобы атом побывал во всех участках волны — и на ее гребнях, и на склонах, и во впадинах. А еще лучше, чтобы он побывал во многих волнах. Обычно так и бывает. Но в приборе Рэмси атомы водорода летают внутри небольшой колбы. Размеры колбы не превышали нескольких сантиметров, а длина волны соответствующей спектральной линии водорода равна, как известно, 21 сантиметру. В этих условиях, с точки зрения волны, атомы как бы дрожат на месте. Поэтому они не могут ощутить волновой характер электромагнитного поля. Это значит, что эффект Допплера здесь не должен проявляться. Спектральная линия не будет уширяться. Точные расчеты убедили Рэмси в том, что эти наглядные рассуждения правильны и спектральная линия атомов водорода в его приборе останется очень узкой. Генератор должен работать, и частота его обязательно будет очень стабильной.
