Человек, придумавший лазер

Алексей Паевский
429
0

Александр Михайлович Прохоров

Родился 11 июля 1916 г. в Атертоне, Австралия

Умер 8 января 2002 г. в Москве

Нобелевская премия по физике 1964 года (совместно с Николаем Басовым и Чарлзом Таунсом)

Формулировка нобелевского комитета: «за фундаментальные работы в области квантовой электроники, которые привели к созданию генераторов и усилителей на лазерно-мазерном принципе»

Нынешний наш герой нобелевского цикла уникален многими и многими событиями своей жизни. Мало того, что он получил премию за создание одного из главных изобретений XX века, так ещe и родился в Австралии. Да, конечно, вы поняли — речь идет о «человеке, придумавшем лазер» (хотя на самом деле все чуть сложнее), одном из десяти «физтеховских» нобелиатов, создателе Института общей физики Академии наук — в просторечии ИОФАНа — Александре Михайловиче Прохорове.

Действительно, родители Саши Прохорова были, как это любили писать в советских биографиях, «профессиональными революционерами». Любимыми развлечениями революционеров в начале ХХ века были ссылка и побег из нее с дальнейшей игрой в прятки с властями. Но если Владимир Ильич Ленин прятался в шалаше в Разливе, то Михаил Прохоров и Мария Прохорова (в девичестве Михайлова) в 1911 году решили не мелочиться. Из холодной Сибири они сбежали в Австралию, где много диких собак динго, но нет ни одного жандарма. Кроме собак динго, там была русская колония в штате Квинсленд.

Прохоровы неплохо обустроились, обзавелись хозяйством, детьми (помимо родившегося в 1916 году Саши, в семье было еще и трое дочерей — Клавдия, Валентина и Евгения). Однако в 1923 году семейство решило вернуться туда, где таки победил социализм. Возвращались долго, на несколько месяцев застряли в Шанхае. Говорят, пока ехали по России, семилетнего Сашу поразили две вещи – смерть одной из сестер, Валентина, от столбняка, и снег: он никогда его не видел раньше. Сначала родители приехали в родной город матери Прохорова, Оренбург, но тамошний климат оказался слишком суровым для детей, выросших в Австралии. Поэтому семья переехала в Ташкент. Именно там Саша Прохоров впервые пошел в школу. Впрочем, и там Прохоровы задержались ненадолго. В 1930 году семья уже в Ленинграде. Быстро окончена семилетка, Прохоров поступает на рабфак. В 1934 году он — студент физфака ЛГУ. В 1939 году выпускнику Прохорову пришлось делать выбор — его одновременно приглашают работать ассистентом на физфаке в Ленинграде и ехать в Москву, аспирантом в Физический институт академии наук, знаменитый ФИАН. Прохоров выбрал Москву. Его ждала любимая радиофизика и лаборатория колебаний, научное руководство которой осуществлял старый Леонид Исаакович Мандельштам (мы помним, именно он по-настоящему привел в физику другого нашего героя, Игоря Тамма).

Первыми занятиями Прохорова было изучение распространения радиоволн вдоль земной поверхности и измерение расстояний с их помощью. К 1941 году был готов точный дальномер на основе фазового радиоприемника. Про него даже шутили:

Вот Прохоров-крошка,
Другим в пример,
Катает в колясочке дальномер.
И кричит: «Господа и дамочки,
Смотрите на наши гаммочки!»

Зимой 19401941 годов наладилась и личная жизнь Прохорова — он повстречал Галину, выпускницу геофака МГУ. Встреча состоялась во время совместных лыжных прогулок с другим будущим лауреатом, Виталием Гинзбургом, рассказ о котором еще впереди. Гинзбург взял свою знакомую, та взяла свою… Обычная цепь случайностей, какая только и приводит нас к глобальным переменам в жизни.

Увы, безмятежность длилась недолго: наступил июнь 1941 года. Прохоров вместе с другими аспирантами записывается в ополчение. Несмотря на имеющуюся подготовку (еще в Ленинграде Прохоров получил звание младшего лейтенанта запаса и специалиста в зенитной артиллерии), его отправляют на курсы разведчиков. Осенью он срывается в увольнительную в Москву  — в ЗАГС. С декабря 1941 года Прохоров на фронте. В 1942 году  — первое тяжелое ранение, в 1943-м  — второе. Сначала пострадала рука, затем нога, которые чудом удалось сохранить, но только в 1944 году его признали «негодным к строевой» и с февраля он  — демобилизованный, с медалью «За отвагу».

Кстати, и будущий «коллега» Прохорова по «нобелевке», Николай Басов воевал и прошел всю войну.

Говорят, что когда Прохоров вернулся в ФИАН, его встретили как выходца с того света  — он был первым ФИАНовцем, вернувшимся с войны, до того приходили только вести о смерти сотрудников.

Четыре года Прохоров проработал в прежней области, защитил кандидатскую (1946) и переключился на радиоспектроскопию и (неожиданно!) физику ускорителей. Он плотно начинает работать с синхротронами.

В 1951 году Прохоров защищает докторскую, а чуть раньше начинает работать ассистентом в долгопрудненском Физтехе (говорят, в то время его часто принимали за студента). Появились первые дипломники, и один из них, Николай Басов, стал соавтором Прохорова в главном открытии  — если не века, то уж точно жизни. В мае 1952 года на Всесоюзной конференции по спектроскопии Прохоров с Басовым впервые говорят о возможности устройства, которое будет испускать когерентное микроволновое излучение за счет вынужденного (индуцированного) излучения молекул. Первая публикация на эту тему случилась в 1954 году, в октябре. За десять месяцев до того аналогичную работу публикует американец Чарлз Таунс, который и создал первое такое работающее устройство, получившее название «мазер»  — сокращение от английских слов Мicrowave Аmplification by Stimulated Emission of Radiation (микроволновое усиление с помощью индуцированного стимулированного излучения).

Эффект вынужденного испускания фотонов был сначала предсказан Альбертом Эйнштейном в 1916 году теоретически, а потом, уже спустя много лет, его удалось получить в лаборатории. Заключается он в том, что вероятность перехода атома из возбужденного состояния в основное значительно повышается под действием фотона. При этом образовавшийся (индуцированный) фотон находится в том же самом квантовом состоянии, что и фотон, вызвавший переход (индуцирующий).

Давайте разберемся, что такое вынужденное излучение. Сначала  — совсем немного минимальной теории строения атома. Атом состоит из ядра и электронов. По умолчанию, электроны, которые «движутся» вокруг ядра (для простоты можно представить себе вращение спутника по орбите, хотя в квантовом мире все совсем иначе), находятся на «орбитах» с минимальными энергиями. Если в атом «закачать» энергию (в лазере этот процесс и называется накачкой), то электроны будут находиться на «более высоких» орбитах (не забываем об условности орбит и их высоты). Это  — возбужденное состояние атома. Атом может вернуться в исходное состояние, испустив квант света. И вот эту-то вероятность испускания света усиливает внешний фотон. Таким образом, у нас есть активная среда, есть возможность накачать ее энергией и способ потом эту энергию превратить в вынужденное излучение. А для того чтобы свет имел определенную частоту, нужно заставить его пройти через активную среду определенное число раз. Нужен оптический резонатор. Такой резонатор представляет собой два зеркала, поставленных друг напротив друга, одно из которых полупрозрачное, частично пропускающее излучение за пределы рабочей среды. Это тоже идея Прохорова. Но пока что это все не привело к лазеру.

Прохоров, Басов и Таунс предложили способ, как использовать эффект вынужденного излучения, чтобы получить когерентное излучение в микроволновом диапазоне. Таунс создал первый мазер. Оставалось сделать один шаг  — перейти к видимому свету, однако казалось, что он не будет сделан никогда. Считалось, что резонатор для генератора когерентного излучения должен иметь размер длины волны этого излучения. Это следовало из того, что первые лазеры использовали газовую активную среду. Получалось, что для видимого света сделать резонатор длиной в сотни нанометров не представлялось возможным.

Нужен был «шаг в сторону», и его сделал человек, так и не удостоенный нобелевской премии. Американец Теодор Майман в своей лаборатории в Малибу решил использовать в качестве рабочей среды кристалл рубина. И оказалось, что достаточно того, чтобы в размер резонатора укладывалось любое целое количество длин волн излучения. В 1960 году началась эпоха лазера  — буква M (microwave) в уже знакомой нам аббревиатуре сменилась буквой L (light).

А дальше была Нобелевская премия по физике, поделенная на троих  — Прохорова, Басова и Таунса. Человек, сделавший последний шаг к «решению, которое само ищет себе задачу», остался за бортом премии.

А дальше  — еще много открытий и свершений: собственный институт в АН СССР (знаменитый и сегодня Институт общей физики, ИОФАН, ныне  — ИОФ РАН им. А.М. Прохорова), лазер на основе двухквантовых переходов, ИК-лазеры, непрерывные лазеры.

А какие у него были ученики  — начиная с Николая Басова и продолжая, скажем, одним из ректоров МФТИ Николаем Карловым или первооткрывателем метаматериалов Виктором Веселаго!

Длинная, насыщенная и достойная жизнь. Жаль только, что большой книги об Александре Михайловиче до сих пор не написано. Надо исправлять ситуацию.

Вручение Прохорову нобелевской медали

Фильм о Прохорове и Басове на канале «Культура»