Текст книги "100 великих научных достижений России"

Мазер – лазер Басова, Прохорова и Таунса

В 1964 г. два русских профессора – А.М. Прохоров, Н.Г. Басов и американский профессор Ч. Таунс стали лауреатами Нобелевской премии по физике – «за фундаментальные работы в области квантовой электроники, приведшие к созданию генераторов и усилителей на основе принципа мазера – лазера». Директор Института общей физики АН СССР, академик-секретарь отделения общей физики и астрономии АН СССР (РАН), создатель школы физиков, Александр Михайлович Прохоров (1916–2002) занимался исследованиями в области радиофизики, физики ускорителей, радиоспектроскопии, квантовой электроники и ее приложений, линейной оптики. Директор Физического института АН СССР, член президиума АН СССР (РАН) Николай Геннадьевич Басов (1922–2001) известен фундаментальными работами в области генераторов и усилителей, а также использования лазерной техники в термоядерном синтезе. Прохоров и Басов – почетные члены многих зарубежных академий, лауреаты Ленинской и Государственной премий, пятикратные кавалеры орденов Ленина и других отечественных и зарубежных наград, дважды Герои Социалистического Труда.

Многие выпускники школ, успешно сдавшие ЕГЭ, при поступлении в вузы на вопрос «Кто изобрел лазеры?» отвечают: «Лазер». Про мазеры после этого у них не спрашивают. А ведь квантовый генератор – из разряда изобретений, что и космическая ракета или радио.

Н.Г. Басов, Ч. Таунс и А.М. Прохоров

Между тремя шедеврами русской культуры: Шуховской башней, романом «Гиперболоид инженера Гарина» и «мазером – лазером» прослеживается прямая связь. Гиперболоид В.Г. Шухова (башня на Шаболовке) настолько потряс воображение А.Н. Толстого, что герой его романа назвал свое изобретение также «гиперболоидом». А за ним и весь читающий народ дал квантовому генератору такое же имя – «гиперболоид Гарина». Да и научное сообщество было с ним солидарно: «Игольчатые пучки атомных радиостанций представляют собой своеобразную реализацию идей “гиперболоида инженера Гарина”» (академик Л.А. Арцимович).

Мазер – это квантовый генератор, излучающий когерентные (согласованные) радиоволны, аббревиатура фразы «microwave amplification by stimulated emission of radiation» («усиление микроволн с помощью вынужденного излучения»), предложенной в 1954 г. американцем Ч. Таунсом. Лазер соответственно – «light amplification by stimulated emission of radiation», означающей «усиление света в результате вынужденного излучения».

В основе работы лазера лежит принцип индуцированного излучения, изучением которого в начале XX в. занимался А. Эйнштейн. Высказав гипотезу о том, что энергия света состоит из квантов, которые испускаются атомами и атомными системами при их переходах из одного энергетического состояния в другое, ученый показал, что можно согласовать вспышки излучения отдельных атомов, воздействуя на них внешним электромагнитным излучением, которое может сопровождаться при этом ослепительно яркой вспышкой монохроматического (то есть одной длины волны) света.

В 1920 г. немецкий физик О. Штерн ввел в экспериментальную физику метод молекулярных пучков. Тогда же были разработаны теоретические представления о процессах излучения и поглощения света. В 1939 г. советский ученый В.А. Фабрикант развил понятие вынужденного излучения, чем заложил фундамент для создания лазера. Во время Второй мировой войны в связи с проблемами радиолокации развилась техника сверхвысоких радиочастот. Объединение научных идей с широким использованием волн сверхвысокочастотного диапазона привело к построению теории излучения и поглощения света, созданию первого лазера и к основанию квантовой электроники как новой физической науки.

В середине 1950-х гг. профессор А.М. Прохоров и его ученик Н.Г. Басов приступили к исследованию молекулярного генератора на пучках аммиака. Ученым впервые удалось создать квантовый генератор, работающий на энергетических переходах в радиодиапазоне в молекулярных пучках. Им стал аммиачный мазер. К мазеру «в довесок» была создана и теория усилителя радиоизлучения. Так родилась квантовая электроника.

Впоследствии были созданы и другие молекулярные генераторы, например мазер на пучке молекул водорода. После завершения работ по мазерам возник вопрос о создании лазеров оптического диапазона. Следующим важным шагом в развитии квантовой электроники стал предложенный в 1955 г. Басовым и Прохоровым метод трех уровней, позволивший использовать для этой цели оптическую накачку. На этой основе в 1957–1958 гг. Г.Э. Сковилом и др. были созданы квантовые усилители на парамагнитных кристаллах (на рубине), работавшие в радиодиапазоне, первый т. н. твердотельный лазер. Затем были созданы газовые лазеры на смеси изотопов гелия и неона, на углекислом газе, аргоновые, кадмиевые, эксимерные, полупроводниковые, инжекционные, на молекулах органических красителей и т. д.

Под накачкой понимают пропускание через лазер энергии извне. Смысл лазерного луча в том, что этот свет обладает некоей согласованностью (когерентностью), позволяющей энергию «сжать в точку» (т. н. талию луча) несравненно сильнее, нежели в луче от обычного источника света. Кроме того, лазер может излучать свет гораздо более короткими импульсами, чем обычные источники света. В лазерном луче при этом достигается колоссальная плотность энергии, соизмеримая с взрывом авиационной бомбы. Давление света, сконцентрированного на малой площадке, достигает миллиона атмосфер. Лазерным лучом можно разрезать металлический лист из самого твердого и тугоплавкого металла.

В 1964 г Прохорову, Басову и Ч. Таунсу, занимавшемуся этой же проблемой независимо от советских ученых, была присуждена Нобелевская премия по физике. Вскоре после этого астрономы обнаружили, что некоторые из далеких галактик работают как исполинские мазеры, то есть в лабораторных условиях Земли были воссозданы условия для генераций, которые возникают в огромных газовых облаках размером в миллиарды километров, где источником накачки служит космическое излучение.

О применении квантовой электроники, и, в частности, лазеров, можно говорить долго.

Радиоастрономия; космическая связь (исследование поверхности Луны, навигационное оборудование на ИСЗ, космических кораблях и пр.); медицина (хирургия, офтальмология и др.); технология (сварка, резка и т. д.); метрология (квантовые стандарты частоты и времени, лазерные дальномеры, системы дистанционного химического анализа, лазерной локации); измерительная техника (оптическая локации, сверхточные измерения расстояний, линейных и угловых скоростей, ускорений и т. д.).

Создание и управление высокотемпературной плазмой; лазерная спектроскопия, фотохимия, фитобиология, лазерная очистка, лазерное разделение изотопов; создание систем оптической связи и обработки информации.

Осуществление идеи голографии и голографических приборов; лазерные методы контроля состояния атмосферы, качества изделий; системы лазерной связи (наземные, подводные, космические).

Очистка зданий от поверхностных загрязнений, резка мрамора, гранита, раскрой тканей, кожи и других материалов.

Для осуществления управляемой термоядерной реакции… Лазеры с каждым днем все более востребованы в науке и народном хозяйстве России, так же как все более актуальными становятся слова академика А.М. Прохорова, сказанные им в одном из последних своих интервью:

«– Как вы думаете, недавняя Нобелевская премия Ж.И. Алферову поможет изменить ситуацию с наукой в стране?

– Нет.

– Почему?

– Не знаю. Странные какие-то статьи появляются, что не надо быть сверхдержавой. А какой надо быть державой? Развивающейся страной, что ли, быть? Или как Люксембург? Здесь полное непонимание наверху. Ну, во-первых, о том, как заниматься наукой, в основном говорят люди, которые никогда не занимались практической наукой и не сделали ничего существенного. Некоторые выступают, что надо более узко подходить, только прикладными вопросами заниматься. Но как человек может, занимаясь только прикладными вещами, развивать в дальнейшем науку и технологии, новые направления?»

Гетероструктуры Алфёрова

Физик, инженер, лектор, педагог, общественный и государственный деятель; профессор ЛЭТИ, ЛПИ, ректор СПбГЭТУ; академик, председатель президиума Санкт-Петербургского научного центра РАН, вице-президент АН СССР (РАН); член 30 национальных АН, научных сообществ; почетный доктор и профессор 40 отечественных и зарубежных научно-образовательных учреждений; глава научной школы; директор Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе; научный руководитель инновационного центра в Сколкове; главный редактор журнала «Письма в Журнал технической физики»; кавалер орденов Октябрьской Революции, Ленина, «Знак Почета», Трудового Красного Знамени, «Зa заслуги перед Отечеством» четырех степеней, а также многих других орденов и медалей СССР, России и других государств; лауреат Ленинской премии, Нобелевской премии по физике за 2000 г. (вместе с Г. Крёмером), премии Балантайна Института Франклина (США) и других премий; народный депутат СССР, депутат ГД ФС РФ, Жорес Иванович Алфёров (род. 1930) является основоположником нового направления – физики гетероструктур, оптоэлектроники и электроники на их основе.

Здесь перечислена лишь часть забот и наград академика, но нас интересует в первую очередь главное научное достижение Ж.И. Алфёрова, за которое он был удостоен благодарности человечества и самых почетных премий, в том числе Нобелевской по физике (2000) – «за развитие полупроводниковых гетероструктур для высокоскоростной и оптоэлектроники».

Ж.И. Алфёров

Гетероструктурой в физике полупроводников называют выращенную на основном материале (подложке) слоистую структуру из различных полупроводников, отличающихся физико-энергетическими характеристиками материалов: шириной запрещенных зон, положением потолка валентной зоны и дна зоны проводимости. В месте контакта двух различных полупроводников формируется т. н. гетеропереход с повышенной концентрацией носителей, который, собственно, и используется затем в электронике.

Полупроводниковые гетероструктуры, полученные Алфёровым и его сотрудниками в результате фундаментальных исследований в области полупроводников, чрезвычайно интересные с научной точки зрения, нашли широчайшее применение в современной технике. По одним только своим габаритам они не идут ни в какое сравнение с традиционными радиосхемами. Слои полупроводников, имеющие толщину в несколько атомов, представляют собой крохотные кристаллики, рядом с которыми резисторы, конденсаторы, лампы выглядят мастодонтами. Скажем, размеры активного элемента полупроводникового лазера колеблются в диапазоне от 50 мкм до 1 мм.

Эти структуры идут для изготовления электронных устройств – лазерных диодов, на которых основана работа современных компьютеров, Интернета, сотовой связи, лазерных компакт-дисков, устройств, декодирующих товарные ярлыки, лазерных указок, спутниковых антенн, систем космической связи. На основе гетероструктур работают мощные светодиоды, используемые в светофорах, лампах тормозного освещения в автомобилях, дисплеях. Появление гетерогенных структур привело к созданию производства солнечных батарей – основы будущей солнечной энергетики, которая, по мнению Алфёрова, «к концу XXI столетия, если не раньше, в значительной степени заменит атомные и тепловые электростанции».

Надо сказать, что это открытие первыми поспешили использовать зарубежные инженеры и предприниматели, но это не вина его авторов, а наша с вами беда.

Какова же история открытия?

В 1960-х гг. в мире возникла идея совершенствования полупроводниковой техники за счет гетеропереходов, которая какое-то время не поддавалась реализации. Многочисленные попытки создания всевозможных приборов, работающих на этом принципе, заканчивались ничем только из-за того, что для результативного гетероперехода надо было найти идеальную гетеропару – это было сделать не легче, чем создать идеальную семью.

Доказав, что в гетероструктурах можно эффективно управлять световыми и электронными потоками, и применив в своих исследованиях специальную методику, позволявшую варьировать ширину запрещенной зоны, показатель преломления, величину электронного сродства, эффективную массу носителей тока и другие параметры полупроводника, Алфёров в результате многочисленных экспериментов, ежедневно длящихся у него до часа ночи, смог подобрать идеальную гетеропару: арсенид алюминия и арсенид галлия (AIAs/GaAs), а затем GaAs/AIGaAs, отличавшуюся большей стойкостью к окислению на воздухе. Эти гетеропары вскоре обрели в мире электроники мировую известность.

На основе полученных гетеропар были созданы гетероструктуры, отвечавшие требованиям идеальной модели, и в 1969 г. сконструирован первый в мире полупроводниковый гетеролазер. Область применения лазеров поначалу была весьма ограниченной, поскольку они могли работать только при низких температурах, иногда не выше 20 °К.

В 1970 г. на смену AIGaAs-системе Алфёровым и его сотрудниками были предложены соединения InGaAsP, позволившие создать более совершенные лазеры, нашедшие широкое применение в качестве источников излучения в волоконно-оптических линиях связи повышенной дальности.

В 1970-хгг. ученый разработал первые в мире технологии радиационностойких солнечных элементов на основе AIGaAs/GaAs-гетероструктур и организовал крупномасштабное производство гетероструктурных солнечных элементов для космических батарей. Одна из них была установлена в 1986 г. на космической станции «Мир» и эффективно проработала на орбите весь положенный ей срок эксплуатации.

В 1993 г. в лаборатории Алфёрова были сконструированы полупроводниковые лазеры на основе структур с квантовыми точками – «искусственными атомами».

В 1995 г. ученый продемонстрировал инжекционный гетеролазер с использованием квантовых точек на подложках GaAs, работающий в непрерывном режиме при комнатной температуре, что резко повысило возможность его применения и тут же развязало руки создателям быстродействующих элементов электронной техники.

У такого лазера не оказалось конкурентов – он практически безынерционен, его КПД превышает в несколько раз КПД прочих лазеров, а длину волны можно изменять на любую другую.

Исследования Алфёрова позволили кардинально улучшить параметры большинства полупроводниковых приборов, создать для оптической и квантовой электроники широчайшие возможности ее совершенствования и заложить основы принципиально новой электроники на основе гетероструктур – т. н. «зонной инженерии».

Предположения ученого, высказанные им 15 лет назад, что «в XXI веке на основе квантовых точек будут созданы уникальные по свойствам лазеры и транзисторы, появятся совершенно новые приборы и, наверное, возникнет то, что сегодня предсказать невозможно», сбылись.

Следующим шагом в развитии гетероструктур стало применение новых способов обработки информации, когда, смоделировав процесс, можно стало создавать структуры, состоящие из цепочек атомов, имеющих уже не микро-, а наноразмеры (нанометр – одна миллиардная доля метра), и на смену микроэлектронике получить нанотехнологии.

В многочисленных интервью и публикациях Ж.И. Алфёрова, весьма озабоченного состоянием науки и образования в современной России, можно найти много жестких и поучительных высказываний.

«Если развалится образование, остановится наука, то прекратится и… “воспроизводство гениев”. Наступит всеобщее мозговое затмение».

«Всегда полезно брать уроки у истории… Когда в 1921 году Рождественский, Иоффе и Крылов поехали в первую после Гражданской войны загранкомандировку закупать научное оборудование, а денег на это у государства не было, они обратились к Ленину и Луначарскому. И им выделили средства из золотого запаса. В Физико-технический институт поступили тогда 42 ящика с приборами, и по оснащению он стал одним из первых в мире. Чем не исторический урок для нынешнего российского руководства?»

Химия

Основной закон естествознания

Великий русский ученый-естествоиспытатель, «первый наш университет» (А.С. Пушкин), поборник развития отечественной науки и просвещения, Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1765), впервые определив, что общий вес веществ до химической реакции и после нее не изменяется, установил тем самым закон сохранения веса при химических реакциях как частный случай общего закона сохранения материи.

При жизни Ломоносова в Западной Европе сложился миф, что в России два Ломоносовых: один химик, а второй – поэт. В головах его современников не укладывалось, как один человек может с таким успехом заниматься химией и стихами, физикой и мозаикой, геологией и историей, горным делом и правом, минералогией и языкознанием, астрономией и народным просвещением, а еще навигацией, мореплаванием, металлургией, созданием приборов, географией… Опять таки владеть одиннадцатью языками! Ничего странного, однако же, в том не было. По словам самого Михаила Васильевича: «Может собственных Платонов / И быстрых разумом Невтонов / Российская земля рождать». Собственно, таким «двуликим» – Платоном и Ньютоном в одном лице – и был сам Ломоносов.

Ломоносов принес русской науке всемирную славу и обессмертил свое имя. Он построил первую в России химическую научно-исследовательскую лабораторию; выдвинул теорию образования града и смерчей; исследовал атмосферное электричество и объяснил северное сияние; установил современную классификацию землетрясений; наметил кинетическую теорию газов; открыл атмосферу на Венере; доказал органическое происхождение почвы, торфа, каменного угля, нефти, янтаря; разработал приборы для физических исследований химических объектов и для определения географической долготы и широты; изобрел «ночезрительную трубу»; разработал технологию получения цветного стекла; доказал существование Антарктиды; выдвинул теорию об эволюции природы; разработал концепцию развития России, основанную на православии, самодержавии и духовно-нравственных ценностях русского народа и теорию славяно-чудского происхождения Древней Руси, принятую последующими историками; сработал мозаичные портреты Петра I и гигантскую мозаику «Полтавская баталия»; разработал концепцию «трех штилей» русского языка, применил к нему силлабо-тоническое стихосложение, и, сочинив превосходные ямбические стихи, начал новую эру русского языка…

При множестве заслуг Ломоносова в самых разных областях человеческого знания главным достижением Михаила Васильевича считают его открытия в химии, которую ученый определил как «науку изменений» – учение о процессах, происходящих в телах.

Императрица Екатерина II у Ломоносова. Художник И.К. Федоров

В самой же химии Ломоносов открыл ее суть. Сегодня она формулируется так: масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции.

Атомистическая гипотеза строения материи, выдвинутая в античности Демокритом, нашла поддержку у многих философов и ученых. Догадка о том, что общее число атомов при всех изменениях, происходящих в природе, остается неизменным, стала в конце концов трактоваться естествоиспытателями как закон сохранения материи.

После того как Ньютон (1643–1727) ввел понятие массы как количества материи, пропорционального ее весу, стали говорить о законе сохранения массы (веса) при всех процессах, происходящих с материальными телами, в том числе и при химических процессах.

Не хватало количественной характеристики, подтверждавшей этот тезис. Мешала убежденность ученых в существовании «огненной субстанции» (теплорода, флогистона и т. п.), якобы принадлежащей самому огню либо выделяющейся при горении. Английский физик и химик Р. Бойль (1627–1691) в опытах по обжигу свинца обнаружил увеличение веса. Теперь-то мы знаем, что это происходит за счет присоединения кислорода из воздуха, но ученый тогда предположил, что виновата в этом «материя огня».

Экспериментальная база в XVIII в. уже позволяла получить эти количественные соотношения. В 1756 г. М.В. Ломоносов повторил опыт Бойля. При этом, чтобы избежать притока или, напротив, утечки этой таинственной «субстанции», ученый взвешивал свинец в запаянной реторте, а не в открытой, как его предшественник. Опыт показал, что общий вес реторты с металлом при прокаливании не изменился. Это позволило Ломоносову в годовом отчете о своей деятельности написать: «Славного Роберта Боила мнение ложно, ибо без пропущения внешнего воздуха вес сожженного металла остается в одной мере».

Открытие сие не было случайно. Ломоносов давно уже был убежден, что воздух обладает весом, о чем сообщил Л. Эйлеру еще в 1748 г. «Нет никакого сомнения, что частички воздуха, непрерывно текущего над обжигаемым телом, соединяются с ним и увеличивают вес его». И далее: «Все перемены в натуре случающиеся такого суть состояния, что сколько чего от одного тела отнимается, столько присовокупится к другому. Так, ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте… Сей всеобщий естественной закон простирается и в самые правила движения: ибо тело, движущее своей силой другое, столько же оные у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает». Как видим, связав закон сохранения массы вещества с законом сохранения энергии (количества движения), Ломоносов дал первую формулировку основного закона природы.

Ученый во всем хотел «дойти до сути» – доказать свои гипотезы опытным путем. «Истинный химик должен быть теоретиком и практиком… Один опыт я ставлю выше, чем тысячу мнений, рожденных только воображением», – утверждал он. Не только теоретическими разработками, но и многими своими опытами, ставшими классическими, Ломоносов опередил европейских ученых на десятилетия, а порой и на целое столетие.

При этом надо отметить, что почти все теоретические концепции Ломоносова – учение о теплоте, о состоянии вещества и т. д. – до малейших деталей совпали с путем развития этих наук в дальнейшем.

Открытый Ломоносовым закон получил более полное обоснование в его работах: «Об отношении количества материи и веса» (1758) и в «Рассуждении о твердости и жидкости тел» (1760), опубликованных на латинском языке в Европе. Однако осознать значение этих трудов большинство естествоиспытателей тех лет не смогло. Они попросту не обратили на них должного внимания. Об открытии русского ученого научный мир узнал много позже, тогда же Ломоносову был отдан и приоритет в установлении закона сохранения вещества, поскольку долгое время его автором считался французский химик А.Л. Лавуазье (1743–1794), опубликовавший результаты своих опытов (аналогичных опытам Ломоносова) в 1789 г.

Ломоносов – не только автор множества открытий, он и сам – открытие для России. Благодаря ему и Россия во многом открылась для Запада. Судьба ученого уникальна. Гений – он всегда из будущего и для будущего. Но Ломоносов, хотя намного опередил уровень тогдашней русской науки, оказался в ней очень вовремя, так как, собственно, и создал ее и придал ей ускорение, которое позволило нашему естествознанию не только не отстать от мирового, но и часто быть впереди него.

Перечисляя все открытия Михаила Васильевича, можно, пожалуй, и утомить читателя. Биография его также хорошо известна. Стоит разве что лишний раз напомнить, что он был сыном помора, простым «мужиком», за заслуги ставшим дворянином, обладавшим потрясающим интеллектом и огромной пробивной силой. Что в науку Ломоносов пришел поздно – на четвертом десятке лет, но и систематически начал учиться только за двадцать. Он не был вундеркиндом, во всяком случае, свидетельств тому нет. Но им с малых лет владела такая жажда знаний и желание отдать себя науке и быть полезным Отечеству, что этого с лихвой хватило бы всем российским академикам той поры, вознамерься они повторить все его исследования. Ведь труды ученого, почетного члена Стокгольмской и Болонской академий наук, четверть века были гордостью и славой Петербургской академии.

Из его биографии можно разве что упомянуть один эпизод. У Ломоносова враги не переводились – гениев, как правило, не жалуют. Он постоянно вынужден был пробивать свои идеи сквозь чиновничьи препоны и отметать клевету завистников и «неприятелей наук российских». Академик не позволял не то что приструнивать, а даже подтрунивать над собой никому, в том числе и своим высокопоставленным покровителям. Так, графу И.И. Шувалову, например, Михаил Васильевич заявил: «Я, ваше высокопревосходительство, не только у вельмож, но ниже у Господа моего Бога дураком быть не хочу». Несколько раз ученый попадал в опалу. Дошло до того, что в 1763 г. в Сенат был направлен указ об отставке Ломоносова, в очередной раз оклеветанного врагами.

Хорошо, что академик был «вхож» во двор. Екатерина II несколько раз изволила его приглашать к себе в комнаты и довольно с ним «разговаривать о науках с оказанием своего всемилостивейшего удовольствия». Приходила императрица на обед и к Михаилу Васильевичу, «в знак благоволения к наукам приказывала хозяину ходить и сидеть по правую руку около себя». Посетила она его, больного, и на этот раз, после чего отозвала из Сената указ об его отставке и пожаловала Михаилу Васильевичу генеральский чин статского советника, подняв ему жалованье с трехсот рублей в год в семь раз. После же кончины Ломоносова Екатерина распорядилась «спасением души» усопшего и его архивом, а также назначила вдове, Е.А. Ломоносовой, пенсию, а дочь Елену выдала замуж за сына брянского священника.

Что же касается основного закона, который открыл Ломоносов, его полностью подтвердила современная наука. Так, в частности, взаимосвязь массы и энергии, на которую впервые обратил внимание русский ученый, выражается уравнением Эйнштейна: Е=mc², где Е – энергия; m – масса; c – скорость света в вакууме.

Опираясь на закон сохранения массы веществ, сегодня производят различные расчеты – начиная со школьной парты, за которой над составлением уравнений химических реакций упражняются будущие инженеры и ученые.