1964 M. NOBELIO FIZIKOS PREMIJA

Nobelio fizikos premija 1934 metais buvo paskirta amerikiečiui fizikui C. H. Townes ir rusams N. G. Basovui ir A. M. Prochorovui už vadinamų maserių ir laserių išradimą, šie žodžiai yra santrumpos Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation (MASER) ir Light ... (LASER). Kadangi šie išsireiškimai yra bendrai įsigalėję ir lietuvišką vertimą būtų sunku pritaikyti, tai juos ir vartosime originalia angliška forma, pridėdami tik lietuviškas galūnes (taigi bus maseris ir laseris). Šioje apžvalgoje mėginsime paaiškinti maserio principus ir paminėsime, ką šis išradimas davė elektronikos mokslui. Aplamai imant, elektronika būtų galima pavadinti tą pritaikomojo mokslo dalį, kuri bando išnaudoti praktiškiems tikslams fizines elektronų savybes. Visiems jau seniai žinomi elektroniniai vamzdeliai (arba radijo lempos) naudoja laisvų elektronų, t. y. nuo atomų atskirtų elektronų srovę. Prieš 1520 metų išrasti tranzistoriai (už šį išradimą Shockley, Bardeen ir Brattain gavo Nobelio fizikos premiją 1956 metais) taip pat naudoja tam tikra prasme laisvus elektronus. Tuo tarpu maseriai palieka elektronus "pririštus" prie atomų ir bando išgauti elektrinius efektus, panaudojant esmines šių pririštų elektronų savybes. Maserių veikimą aiškinsime, pasiremdami bendrais termodinamikos dėsniais. Imkime kokią nors dalelių sistemą, kurios specifinę struktūrą tuo tarpu paliksime nenustatytą. Jei sistema yra termodinaminėj pusiausvyroj, dalelių energija yra paskirstyta pagal Boltzmanno dėsnį: tai reiškia, kad dauguma dalelių yra žemos energijos stovyje, o mažesnis skaičius užima aukštos energijos lygius. Kai sistemos temperatūra kyla, paskirstymas keičiasi, ir dalelių proporcija aukštesniuose energijos lygiuose didėja. Jei temperatūra neribotai pakiltų, dalelės būtų vienodai paskirstytos visuose energijos lygiuose. Prie to dar turime pridėti kvantų mechanikos dėsnį, kad ribotose sistemose energijos paskirstymas nėra tolydus, t. y. dalelės gali užimti tiktai keletą nustatytų energijos lygių, nors dalelių skaičių kiekviename lygyje valdo Boltzmanno paskirstymo dėsnis. Elektromagnetinės bangos veikia šias dalelių sistemas ir taip pat yra šių sistemų veikiamos. Jau 1917 metais, neapspręsdamas specifinių detalių, Einšteinas yra paskelbęs keletą fenomenologinių išvadų apie šj veikimą. Dalelė nebūtinai visą laiką pasilieka tame pačiame energijos lygyje. Yra tam tikra tikimybė, kad dalelė peršoks iš vieno energijos lygio į kitą. Kristi iš aukštesnio į žemesnį lygį dalelė gali spontaniškai: tuo būdu ji spinduliuoja tam tikrą kiekį energijos elektromagnetinių bangų pavidalu. Be to, dalelė taip pat gali pakeisti lygį aukštyn arba žemyn paveikta bangų; pirmu atveju gauname bangų absorbavimą, o antru — spinduliavimą, šis bangų paveiktas spinduliavimas ir sudaro maserio veikimo bazę. Paimkime tad sistemą, kurioj yra tik du energijos lygiai. Pagal Boltzmanno paskirstymą, daugiau dalelių bus žemajame lygy negu aukštajame. Tikimybė, kad dalelė paveikta bangų peršoks iš aukštesnio į žemesnį lygį, yra ta pati, kaip ir peršokimui priešinga kryptimi — iš žemesnio lygio į aukštesnį. Taigi absorbuojančių dalelių yra didesnis skaičius negu spinduliuojančių; iš to seka, kad medžiaga, kuri yra termodinaminės pusiausvyros stovyje, bangas absorbuoja. Tačiau įsivaizduokime, kad kokiu nors būdu dalelių skaičius aukštesniame lygy būtų didesnis negu žemesniame. Spinduliuojančių dalelių tada būtų persvara. Tokioje sistemoje elektromagnetinė banga, kurios dažnumas atitinka energijos lygių skirtumą, būtų sustiprinta, nes ji paveiktų daleles spinduliuoti energiją tuo pačiu dažnumu ir toje pačioje fazėje, žinoma, kad efektas būtų jaučiamas, reikia kad spontaniškas (t. y. nekoherentiškas) spinduliavimas nenustelbtų paveikto spinduliavimo. Tam atsiekti reikia žymiai sumažinti temperatūrą; praktiškai visi mikrobangų maseriai veikia arti skysto helio temperatūros. Stovis, kuriame daugiau dalelių turi aukštą energiją negu žemą, yra labai nenatūralus ta prasme, kad tai nera termodinaminės pusiausvyros stovis. Kadangi jis yra lyg ir atvirkščias to stovio, kuris randamas normaliose temperatūros sąlygose, tai kartais sakoma, kad sistema turi neigiamą temperatūrą. Tai nėra vien tik patogus išsireiškimas apibūdinti tokioms sistemoms, kurios gali spinduliuoti nustatyto dažnumo koherentiškas elektromagnetines bangas; iš tikrųjų dauguma termodinamikos dėsnių galioja šioms sistemoms, jei vietoj įprastos teigiamos temperatūros parašoma tinkama neigiama temperatūra. Neigiamos temperatūros stovį pasiekti nėra lengva. Normaliu būdu jis gamtoje neegzistuoja, nes kiekviena sistema, pasyviai kiek laiko palikta, pasieks pusiausvyros stovį charakteringą aplinkinei temperatūrai. Tuo tarpu neigiamos temperatūros stovis yra nepusiausvyros stovis, taigi ir jam pasiekti ir išlaikyti reikia ypatingų priemonių, kurias čia trumpai peržvelgsime. Pats pirmasis maseris vartojo amoniako dujas kaip aktyviąją medžiagą. Amoniako molekulių srovė buvo leidžiama per elektroninį lauką, kuris fiziškai atkirsdavo energingesnes molekules nuo kitų ir jas sukoncentruodavo. Tuo būdu vienoje vietoje būdavo sukuriamas neigiamos temperatūros stovis. Kietuose kūnuose, kaip kristaluose, fiziškai atskirti molekules yra neįmanoma; čia jau reikia elektronus pakelti į energingesnį lygį. Tai atliekama vadinamu "pompavimu": aukštos energijos ir tinkamo dažnumo elektromagnetinė banga pakelia elektronus į norimą lygį; tai lyg ir atvirkščias maserio procesas, šis būdas yra praktiškai nepriimtinas, jei turime sistemą tik su dviem energijos lygiais, nes pompavimo dažnumas būtų tas pats, kaip ir silpno signalo, kurį norime sustiprinti, ir pirmasis nustelbtų antrąjį. Tuo atveju vartojami trys energijos lygiai; pompavimas vyksta tarp dviejų toliausiai atskirtų lygių, o signalo amplifikavimas — tarp vieno iš jų ir trečiojo vidutinio lygio; signalas tad yra skirtingo dažnumo ir lengvai atskiriamas nuo "pompos". Turint aukščiau išaiškintus teorinius principus, belieka tik surasti konkretų jų apipavidalinimą. Čia reiks pasitenkinti tik keletu charakteringų pavyzdžių. Maserių pritaikymo laukas per trumpą laiką pasidarė nepaprastai platus, taigi trumpos apžvalgos rėmuose visko neįmanoma net suminėti. Istoriškai maserio principas buvo pirmiausia panaudotas mikrobangų srityje, iš dalies dėl to, kad tuo laiku, apie 1954 metus, smarkiai buvo ieškoma naujų rūšių mikrobangų generatorių. Tai buvo jau minėtas amoniako maseris; jį pastatė prof. Tovvnes su pora bendradarbių. Rasta, kad šitoks mikrobangų generatorius turi nepaprasto švarumo spektrą, t. y. jo pagaminamos bangos yra išskirtinai vieno dažnumo su labai mažomis kitų dažnumų priemaišomis. Tuojau buvo įvertinta, kad maseriai gali žymiai pakelti dažnumo ir laiko etalonų tikslumą. Šiuo metu tyrinėjamas vandenilio maseris būtų lygus laikrodžiui, kuris vėluotų arba skubėtų tik vieną sekundę per šimtą tūkstančių metų. Maseriai buvo taip pat pritaikinti kaip mikrobangų stiprintuvai, čia maserio medžiaga yra kristalas, specialiai įmontuojamas elektromagnetinėms bangoms į jį suvesti, šios rūšies stiprintuvai yra labai jautrūs, t. y. jie silpną signalą sustiprina, nepridedami daug parazitinio triukšmo, ši jų savybė kyla iš to, kad maseriai veikia žemoje temperatūroje, tuo tarpu kai įprasti elektroniniai vamzdeliai turi aukštos temperatūros elektronų šaltinį. Dėl to maserio tipo stiprintuvai labai paplito radioastronomijoje, kur jautrus stiprintuvas yra esminė priemonė matuoti silpnoms radijo bangoms, ateinančioms iš tolimų žvaigždžių. Dabar turime eiti prie optinių, arba šviesos, maserių, trumpai — laserių. Jų išvystymo galimybės pirmą kartą buvo aptartos 1958 metais to paties C. H. Tovvnes kartu su fiziku A. L. Schawlowu, o 1960 metais T. H. Maiman pastatė pirmą laserį. šis aparatas vartoja rubino kristalo lazdelę, abiejuose galuose labai tiksliai nušlifuotą. Vienas galas yra pasidabruotas kaip veidrodis; kitas galas irgi pasidabruojamas, bet paliekamas pusiau permatomas. Kristalo lazdelė iš šonų yra apšviečiama labai stipria šviesa, kuri elektronus pakelia į aukštesnį energijos lygį. Kai šie pradeda spinduliuoti, šviesos bangos keliauja pirmyn ir atgal tarp dviejų veidrodžių ir su kiekvienu perėjimu vis stiprėja, nes vis daugiau ir daugiau elektronų atiduoda savo energiją. Stiprus monochromatinis šviesos spindulys išeina per pusiau permatomą kristalo galą. šis spindulys gali būti tokios aukštos energijos, kad gaunama galimybė tyrinėti visą eilę naujų efektų, kaip pvz. netiesinius šviesos efektus: atitinkamame kristale vieno dažnumo šviesa gali būti pakeista į dvigubo dažnumo (iš raudonos į mėlyną), dvi spalvos gali būti sukombinuotos taip, kad gaunama radijo banga, ir t.t. Taip pat daug kalbama apie laserių pritaikymą medicinoje, susisiekime, pramonėje; naujų pasiūlymų atsiranda kasdien. Antra laserio rūšis yra dujų laseris; čia vietoj kristalo vartojamos dujos, pvz. helio ir neono mišinys, kuris uždaromas stikliniame vamzdyje su veidrodžiais abiejuose galuose. Vamzdyje įvykdomas elektrinis iškrovimas, kuris pakelia elektronus į reikiamą lygį; toliau jau laseris veikia, kaip anksčiau paaiškinta. Iš jo gaunama šviesa yra ypatingo spektrinio grynumo. Du šios rūšies laseriai nesenai buvo panaudoti paties prof. Tovvnes pakartoti garsų MichelsonMorlcy eksperimentą. Tai yra vienas iš svarbiausių eksperimentų reliatyvumo teorijos pagrinduose. Tovvnes bandymas pilnai patvirtino ankstesnes išvadas, bet su žymiai didesniu tikslumu. Kitas įdomus pritaikymas yra toks: trys ar keturi laseriai yra sustatomi ratu taip, kad šviesos spinduliai keliauja abiem kryptimis aplink ratą. Jei ratas stovi vietoje, vienos ir kitos krypties spinduliai yra to paties dažnumo; tačiau jei ratas sukasi, gaunasi dažnumų skirtumas, kuris gali būti išmatuojamas. Šitoks sukimosi detektorius galėtų atstoti kai kurias žiroskopų pareigas. Taip pat, nesigilinant į detales, galima sakyti, kad laserio išradimas daug pasitarnavo visam spektroskopijos mokslui. Šią trumpą apžvalgą baigsime paties Nobelio laureato Townes mintimis apie laserio išradimą: "Kvantų mechanikos ir spektroskopijos pagrindai, kurie valdo laserio veikimą, buvo žinomi prieš 30 metų. Kodėl nebuvo jis tuomet išrastas, didžiajame optinės spektroskopijos amžiuje? Bet kokiu nors būdu turėjo būti surastas santykis su elektronika, kur koherentiški generatoriai yra gerai žinomi, tada reikėjo grįžti per mikrobangų spektroskopiją, per mikrobangų maserius, ir pagaliau į optiką, elektrinius dujų iškrovimus ir atominę spektroskopiją". C. H. Townes, Masers (knygoje The age of electronics, C.F.J. Overhage, editor. New York, McGrawHill, 1962). G. Troup, Masers and lasers. London, Methuen, 1963.