Новый метод позволил успешно изучать свойства атомов ртути, щелочных элементов и некоторых других атомов, легко испаряющихся при сравнительно низких температурах.

Многие ученые, прочитав о работах Кастлера, Броссела и их сотрудников, поняли, что оптическая накачка и оптическая индикация радиочастотного резонанса в щелочных атомах может стать основой нового квантового стандарта частоты.

Однако на пути к этой цели возникло много препятствий. Они очень похожи на те, с которыми, как мы знаем, встретился Рэмси при создании водородного и цезиевого стандартов. Прежде всего и здесь нужно было получить достаточно узкие спектральные линии. Можно сказать, что по сравнению с водородным генератором трудности для цезия возрастают в семь раз. Ведь резонансная радиоволна для цезия (3,2 см) примерно в 7 раз короче, чем для водорода. Для рубидия, один из изотопов которого имеет резонансную волну около 4 сантиметров, дело обстоит немного легче. Но поместить эти атомы в маленькую колбочку с защищенными стенками не удалось. Колбочка должна была быть слишком малой, и сигнал получался очень слабым.

К счастью, для щелочных атомов был найден другой способ сужения спектральных линий далеко за пределом, определяемым эффектом Допплера. Физики придумали для этого такой фокус. Они решили окружить щелочные атомы атомами инертного газа, как бы укутать их в вату. И теперь, если в сосуд, в котором находится немного инертного газа (при давлении в несколько тысячных атмосферы), поместить в миллион раз меньшее количество атомов щелочного металла, то эти атомы окажутся «зажатыми» между атомами инертного газа. Свободное тепловое движение щелочных атомов прекратится. Они не будут сталкиваться ни друг с другом, ни со стенками колбочки, чего так боятся ученые. Атомы рубидия будут метаться между атомами инертного газа, не смещаясь в пространстве на заметное расстояние.

Если при своих метаниях «закутанные в вату» атомы в течение многих периодов радиоволны не смещаются в пространстве на расстояние порядка длины этой волны, то они будут взаимодействовать с ней почти так же, как неподвижные атомы. Эффект Допплера станет очень, очень малым и не вызовет, казалось неизбежного, уширения спектральных линий. Столкновения щелочных атомов между собой в этих условиях будут крайне редкими, ведь в колбочке их в миллион раз меньше, чем атомов инертного газа. А столкновения с атомами инертного газа, так же как столкновения с защитным покрытием стенок, не уширяют спектральные линии щелочных атомов.

Опыт показал, что таким образом действительно можно получить спектральные линии шириной всего в несколько десятков герц. Это примерно в десять раз меньше, чем в атомнолучевых трубках с разделенными полями Рэмси, и в сотни раз меньше, чем в молекулярном генераторе! И в тысячи раз меньше, чем ширина линии, определяемая эффектом Допплера в газах.

Не удивительно, что во многих лабораториях начались исследования с целью создания стандарта частоты нового типа. И такой стандарт был создан. Он не только проще своих собратьев. По стабильности частоты он не уступает им. В течение года его частота не уйдет ни на одну сотую от миллиардной доли своей величины. Дешевизна таких стандартов и удобство работы с ними обеспечит им широкое применение.

Но… Опять «но», досадное, без которого, однако, не было бы прогресса, не было бы науки.

К сожалению, оказалось, что в процессе сужения спектральных линий щелочных атомов, о котором мы только что говорили, смещается резонансная частота этих линий, как «уходит» настройка наших радиоприемников. Особенно неприятно, что это смещение зависит от температуры и давления газа в колбочке. Небольшое изменение частоты происходит и под влиянием вспомогательного света. Все это приводит к необходимости контроля и калибровки стандарта.

Поэтому стандарт частоты с оптической накачкой, к глубокому сожалению его создателей, не может претендовать на роль эталона частоты. Он не может заменить другие квантовые стандарты всюду, но, несомненно, вытеснит их во всех случаях, когда дешевизна, компактность и экономичность важнее и окупают необходимость предварительной калибровки. Впрочем, кто знает, может быть, оптический сдвиг, как ученые назвали смещение резонансной частоты при оптической накачке, будет со временем устранен и соревнование возобновится.

Все, о чем до сих пор говорилось в этой книге, связано с измерением времени. Человек и в этой области победил природу. Теперь мы можем жить, не сверяя свои часы со звездами и Солнцем. Незримые атомы и молекулы, подобно гномам из сказки, вращают стрелки наших часов. И их волшебная точность посрамила небесные светила.

Казалось, к чему еще стремиться? Ошибка в одну секунду не накопится и за три тысячи лет! Но ученые отличаются от большинства людей именно тем, что их вечно точит неудовлетворенность. Водородный генератор превосходен по точности, да громоздок и сложноват в обращении. А миниатюрный стандарт с оптической накачкой не способен генерировать стабильные колебания, он лишь управляет частотой кварцевого генератора.

Как не вспомнить здесь рассуждения гоголевской Агафьи Тихоновны: «Если бы губы Никанора Ивановича да приставить к носу Ивана Кузьмича, да взять сколько-нибудь развязности, какая у Бальтазара Бальтазарыча, да, пожалуй, прибавить к этому еще дородности Ивана Павловича, я бы тогда тотчас же решилась. А теперь поди подумай!»

И ученые, да простят они мне легкомысленные ассоциации, думали о том, как совместить в одном приборе достоинства многих. Вот если бы стандарт с оптической накачкой да превратить в генератор!

Ведь свет в этом стандарте пополняет запасы энергии атомов, и они перескакивают на более высокие энергетические уровни. Так нельзя ли таким образом заставить прибор генерировать?

Эта мысль непременно должна была возникнуть у каждого, кто прочел вышедшую в 1955 году заметку Басова и Прохорова «О возможных методах получения активных молекул для молекулярного генератора».

Басов и Прохоров, создав свой молекулярный генератор, тоже не избежали искушения прибавить кое-что к его достоинствам. Им хотелость создать молекулярный генератор без молекулярного пучка, без насосов, без сортирующей системы. Хорошо бы, рассуждали они, не возиться с сортировкой молекул-приемников и молекул-передатчиков, а заставить генерировать какой-нибудь газ. Сделать так, чтобы молекулы-приемники сами превратились в передатчики, а там уж мы знаем, как добиться генерации.

И они нашли такую возможность. Уравнения, эти безмолвные советчики, подсказали им, что это не пустая мечта. Нужно лишь подобрать такой газ, молекулы которого имеют подходящие энергетические уровни. И не два, как было в молекулярном генераторе, а по крайней мере три. Два из них должны отстоять друг от друга как раз на величину энергии кванта нужной нам радиоволны, а третий должен располагаться значительно выше.

В обычных условиях большинство молекул будет располагаться на паре нижних уровней, причем на самом нижнем их окажется больше всего. Конечно, при этом ни о какой генерации не может быть и речи. Газ, к сожалению, будет лишь поглощать радиоволны, так как молекул-приемников в нем больше, чем молекул-передатчиков. Присутствие третьего уровня, на котором находится совсем мало молекул, само по себе не меняет дела.

Все это для нас не ново. Так ведут себя все газы, подчиняясь непоколебимому закону природы, выраженному уравнением Больцмана. Но Басов и Прохоров решили активно вмешаться в поведение молекул. Для этого они в качестве ступеньки использовали третий уровень и призвали на помощь уравнение Эйнштейна. С этим уравнением мы тоже встречались. Оно отражает взаимодействие молекул с внешним электромагнитным полем.

Ничего более конкретного уравнение предложить не могло. Но этого не требовалось. Дальше начиналось творчество. Одно слово суфлера, и актер уверенно произносит монолог.

Перед Басовым и Прохоровым открылась заманчивая перспектива. Казалось, стоит облучить газ электромагнитной волной, настроенной в резонанс с переходом молекул с самого нижнего на самый верхний уровень, и цель будет достигнута. Расчеты подтвердили, что это не заблуждение. Если мощность электромагнитной волны достаточно велика, то она перебросит часть молекул с нижнего уровня на третий. Уравнения сообщили, что если третий уровень лежит достаточно высоко, то на нижнем останется мало молекул, меньше, чем на расположенном над ним втором уровне.