книги / Ниже 120 по Кельвину

Появился новый метод определения -нервных заболева­ ний. Изучаются магнитные поля других органов и тка­ ней человека: глаз, мышц, опухолей. Медики и физики в разных странах мира активно осваивают новые возмож­ ности в медицинской диагностике, совершенствуют ап­ паратуру. Для исследования больных строятся помеще­ ния с магнитным вакуумом, изолированные от магнит­ ного поля Земли, от электромагнитных полей электрифи­

цированного транспорта и	других	объектов. — в них в
миллионы раз снижаются	помехи	при магнитных изме­

рениях. Возможно, в будущем снятие магнитокардиограмм и магнитоэнцефалограмм станет такой же обыч­ ной процедурой, как флюорография.

СКВИДам всего двадцать пять лет, и можно надеять­ ся, что у этих удивительных приборов блестящее бу­ дущее.

КВАНТОВЫЕ УСИЛИТЕЛИ

1965 г. Американские радиоастрономы А. Пензиас и Р. Вилсон принимали слабые сигналы с искусственных спутников Земли «Эхо». Но аппаратура с семиметровой антенной типа «слуховая труба» улавливала еще какието посторонние сигналы.

А. Пензиас и Р. Вилсон заинтересовались их проис­ хождением. Полезные сигналы излучались на волне 7 см в «окне радиопрозрачности» атмосферы. Закралось со­ мнение: можеъ быть, все же фон «дает» атмосфера? (Любое тело, нагретое выше абсолютного нуля, излуча­ ет электромагнитные волны). Ученые пробовали повер­ нуть антенну ниже к горизонту, толща атмосферы здесь больше, чем в зените. Казалось бы, «шум» должен воз­ расти, но он оставался одинаковым.

Но не «шумит» ли сама радиоаппаратура? Антенна и некоторые другие узлы приемника теплые, поэтому то­ же являются источниками электромагнитных воли. Слу­ чайные тепловые движения электронов в элементах схе­ мы усиливаются в приемнике — создается собственный шум на его выходе. А. Пензиас и Р. Вилсон стали тща­ тельно исследовать аппаратуру. По ходу дела пришлось выгнать пару голубей, свивших гнездо в рупоре антен­ ны. (Позже, в 1978 г., в традиционной речи по случаю вручения Нобелевской премии А. Пензиас изящно ска­ зал, что детали приемника были очищены от «диэлект­

151

рического белого налета».) Но все было напрасно: непо­ нятные сигналы шли из всех точек пространства. Заме­ тим: в приемнике американских радиоастрономов уже бы­ ла использована новинка — малошумящие парамагнит­ ные квантовые усилители, охлаждаемые жидким гелием.

Настойчивые и талантливые ученые, использовавшие аппаратуру такой чувствительности, которая еще не­ давно казалась совершенно недостижимой, открыли ис­ тинную причину фона — микроволновое «реликтовое» космическое радиоизлучение.

...Еще в 1940 г. американский физик Георгий Гамов в трех небольших заметках в «Физикал ревыо» выдвинул самую волнующую гипотезу науки — о Большом взрыве.

15—20 млрд, лет назад ься наша Вселенная пред­ ставляла собой объект с непредставимой плотностью и температурой - - 1093 г/см3, Ю31 К. После Большого взры­ ва раскаленный шар стал расширяться — сначала быст­ ро, потом замедленно. (Что было до этого момента «син­ гулярности», наука пока ответить не в состоянии.) Толь­ ко через миллион лет, когда температура материи упала ниже 4000 К, свет оторвался от вещества, запечатлев пер­ вичные неоднородности в структуре зарождающейся Все­ ленной. Позже остывающая материя под действием сил гравитации стала формироваться в галактики, звезды, планеты.

Реликтовые фотоны — частицы света — и сейчас не­ сут информацию о невыразимо далеком времени, о том, как шла эволюция первичной огненной материи. Но те­ перь эти древние частицы, сильно растратив свою энер­

гию, проявляют себя уже	не в оптическом диапазоне, а
в микроволновом — создавая шум		в радиоаппаратуре.
Открытие А. Пензиаса и Р. Вилсона стало решающим
доказательством, подтверждающим		теорию Большого
взрыва.	создавались охлаждаемые
Теперь расскажем, как

квантовые генераторы и усилители.

Возбужденный атом может отдавать свою энергию двумя путями. Первый — это спонтанное излучение, ког­ да атом самопроизвольно отдает энергию. При этом электроны хаотично переходят с более далеких разре­ шенных орбит на более близкие к ядру разрешенные ор­ биты и излучают кванты энергии. В обычных источниках света — электрических лампах, газоразрядных трубках происходит такое спонтанное излучение.

Второй путь, на возможность которого	указал	в
1917 г. А. Эйнштейн, — это индуцированное,	вынужден­
ное излучение. Возбужденный атом взаимодействует		с

квантом внешнего поля, иными словами, вещество взаи­ модействует с электромагнитной волной. При этом по­ лучаются два кванта: один — внешний, другой — излучен­ ный самим атомом. Оба кванта неразличимы: их часто­ та и направление совпадают — это заметил знаменитый английский физик Поль Дирак в 1927 г.

Таким образом, чтобы получить индуцируемое излу­ чение, надо иметь возбужденные атомы и создать усло­ вия, при которых вероятность такого излучения была бы больше, чем спонтанного излучения.

В 1954 г. американским физиком Ч. Таунсом — в бу­ дущем лауреатом Нобелевской премии на этом прин­ ципе был создан первый мазер. Слово «мазер» было со­ ставлено из первых букв предложения на английском языке: «усиление радиоволн б результате вынужденного излучения».

Примерно в это же время будущие академики и лау­ реаты Ленинской и Нобелевской премий Герои Социа­ листического Труда Н. Г. Басов и А. М. Прохоров неза­ висимо от американского коллеги создали молекулярный усилитель и генератор. Он состоит из источника моле­ кул аммиака, сортирующей системы и колебательного контура в виде объемного резонатора, помещенных в камеру, из которой откачан воздух.

Источник пучка представляет собой камеру, в кото­ рой поддерживается небольшое давление и выход кото­ рой закрыт сеткой с мелкой ячейкой. Это необходимо, чтобы молекулы, вылетая из камеры, не сталкивались друг с другом и не растрачивали свою энергию. Направ­ ленность пучка формируется также диафрагмой, охлаж­ даемой жидким азотом.

Далее необходимо отделить возбужденные молекулы от невозбужденных, ведь последние могут только погло­ щать энергию. Такая селекция происходит в квадрупольном конденсаторе. В нем каждые два электрода по­ парно присоединены к источнику высокого напряжения. У электродов образуется сильное неравномерное элект­ рическое поле, к ним отклоняются невозбужденные мо­ лекулы. А возбужденные молекулы аммиака, наоборот, отбрасываются к оси конденсатора — туда, где электри­ ческого поля нет.

Если вдоль молекулярного пучка направить электро­ магнитные колебания с длиной волны 1,27 см, то систе­ ма отдаст часть своей избыточной энергии, радиоволна усилится. Этот эффект многократно возрастет, если ис­ пользовать объемный резонатор — полый металличе­ ский ящик. (Электромагнитные колебания в нем резо­ нируют, подобно тому как в музыкальном инструменте резонируют звуковые волны.)

Невозбужденные молекулы, а также отработавшие молекулы вымораживаются на внутренних стенках кор­ пуса, которые находятся при температуре 77 К. (Иначе понадобились бы мощные насосы для удаления этих частиц.) Если увеличить поток молекул аммиака, то произойдет компенсация потерь в объемном резонато­ ре, возникнет самовозбуждение и усилитель превратится в генератор радиоволн. Его особенность — исключитель­ ная стабильность колебаний, ведь индуцированное излу­ чение происходит всегда с одних и тех же разрешенных уровней. Вот почему два независимых молекулярных ге­ нератора могут отличаться друг от друга по частоте не больше чем на одну миллиардную долю.

Стабильный источник частоты эквивалентен сверх­ точным часам, может быть использован как эталон вре­ мени. Вероятность ошибки «квантовых» часов — 1 с за 300 тыс. лет. Они обеспечивают стыковку космиче­ ских кораблей и их сход с орбиты, слепую посадку са­ молетов, радиоастрономические наблюдения, физические эксперименты. Чем точнее измерено время, тем точнее с помощью радиолокации определяются координаты спут­ ников, самолетов, кораблей и других объектов. Точное время нужно во всех отраслях народного хозяйства.

В 1955 г. Н. Г. Басов и А. М. Прохоров предложили еще более совершенный мазер, получивший название трехуровневого парамагнитного квантового усилите­ ля. В качестве активного вещества в усилителе исполь­ зуется парамагнитный кристалл. Эффект усиления радио­ волн основан на явлении электронного парамагнитного резонанса, открытого Е. К. Завойским в 1944 г., в буду­ щем академиком. Напомним: парамагнетиками назы­ ваются вещества, которые способны усиливать внешние магнитные поля за счет внутренних магнитных полей, образованных движением заряженных частиц. От вы­ бора активного вещества зависит коэффициент усиления и полоса пропускания усилителя.

134

В кристалл, выполненный, например, из искусствен­ ного рубина, добавляется строго дозированная примесь ионов с парамагнитными свойствами. В активном ве­ ществе образуются три энергетических уровня. Из-за теп­ ловых флюктуаций и по другим причинам парамагнит­ ные ионы стремятся перейти в самое вероятное состоя­ ние— на самый низкий энергетический уровень.

С помощью микроволнового генератора накачки ионы переходят на самый высокий уровень, искусствен­ но создается и поддерживается его «перенаселение». В таком возбужденном состоянии парамагнитные ионы на­ ходятся в неустойчивом состоянии.

Если в такой системе появится			слабый сигнал с ча­
стотой /с,	то произойдут	индуцированные переходы
ионов на	более низкий	уровень — электромагнитная
волна усилится.
Чем ниже температура активного вещества, тем сла­
бее тепловые колебания и легче			поддерживать в ионах

«перенаселенность» верхнего уровня, тем меньше мощ­ ность генератора накачки и больше мощность, отдавае­ мая полю высокочастотного слабого сигнала. Вот поче­ му объемный резонатор с кристаллом помещен в жид­

кий гелий (рис. 26). Чтобы уменьшить теплопритоки
к жидкому гелию в усилителе,	используется экран из
жидкого азота.
Магнитная система (она иногда делается сверхпрово­
дящей) необходима для того,	чтобы настроить усили­

тель на выбранные частоты сигнала и накачки. В кван­ товых усилителях нет электронного потока, поэтому нет и этого источника собственных шумов, нет и ограниче­ ний по частоте, вызванных инерционностью электронов.

С помощью охлаждаемых парамагнитных и пара­ метрических усилителей были получены выдающиеся ре­

зультаты. (В параметрическом усилителе	имеется вари­
кап— управляемый полупроводниковый	диод, емкость

которого периодически меняется от приложенного напря­ жения.)

В последнее время стали практически осваиваться миллиметровые и субмиллиметровые волны. Удалось значительно уменьшить собственные шумы радиотеле­ скопов, поднять их чувствительность в 10—100 раз. (Ра­ диотелескопы в принципе устроены так же, как и обыч­ ные, но работают не в оптическом, а в радиодиапазоне электромагнитных колебаний. Они просты по конструк-

155

Вход сигнала	Выход сигнала	Рис.	26.	Схема		квантового
		парамагнитного усилителя: / —
		азот;	2 — гелий;			3 — сосуды
		Дьюара;			4 — резонатор		с
		кристаллом;			5 — магнитная
		система		(с	внешним постоян­
			ным		магнитом)

ции, относительно дешевы, могут перестраиваться на разные частоты, работают при любой погоде.) Но повы­ шение чувствительности в 2 раза почти вчетверо увели­ чивает число объектов, доступных наблюдению. Вселен­ ная как бы раздвинула свои границы, были получены ин­ тереснейшие данные о строении галактик, о квазарах, пульсарах, других космических объектах.

В послевоенные годы ученые Советского Союза и других стран осуществили радиолокацию Солнца, Луны, Венеры, Марса, Меркурия, Юпитера и других планет.

Вот лишь один любопытный факт. С помощью ра­ диолокации Венеры с борта советских межпланетных станций «Венера-15», «Венера-16» удалось составить подробную карту утренней звезды. На ее поверхности обнаружено множество гигантских ударных кратеров. Возраст многих из них 1 млрд. лет. Кратеры находятся в идеальном состоянии — это свидетельствует о том, что на Венере нет ни землетрясений, ни извержений вулка­ нов.

С помощью чувствительных радиотелескопов успеш­ но осуществляется дальняя космическая связь. Так, на­ пример, получены уникальные данные о комете Галлея

в ходе осуществления	международного		проекта «Ве­
га»— «Венера — комета Галлея».
Важная научная информация получена с борта аме­
риканских спутников	типа	«Пионер»»	и «Вояджер»
(«Путешественник»).	Так,	«Вояджер-1»	пересек пло­

156

скость колец Сатурна, с расстояния свыше 1 млрд, км передал на Землю сенсационные изображения его колец и его спутников. «Вояджер-2» сфотографировал поверх­ ность Урана и открыл его новые спутники, подтвердил гипотезу о наличии на планете магнитного поля. Сигна­ лы с «Вояджера-2» прошли 2880 млн. км. Они находи­ лись в пути 2 ч 40 мин. Сигналы были ослаблены так, что пришлось принимать специальные меры для их вы­ явления. Одна и та же информация принималась мно­ гократно, при этом полезные сигналы складывались и усиливались. Только после такой операции удалось вы­ делить полезную информацию на фоне помех. Каждый снимок Урана принимался в течение 4 мин. В 1989 г. «Вояджер-2» пройдет около планеты Нептун.

К сожалению, надо отметить, что высокочувствитель­ ные системы с парамагнитными квантовыми усилителя­ ми используются в США и в противоракетной обороне. По данным иностранной печати, межконтинентальные баллистические ракеты удается обнаружить на расстоя­ нии 4000 км.

Радиотелескопы с охлаждаемыми усилителями ка­ кую-то часть времени работают на прием «разумных» сигналов из Вселенной. Волнующая все человечество тайна: существуют ли братья по разуму? В какой части бесконечной Вселенной работают их передатчики? Что пытаются «они» сообщить «нам»? Правильно ли «мы» поймем «их»?

А может быть, как пошутил один журналист, «нам» пора искать не братьев, а сестер по разуму? Ведь, увы, ни одного достоверного факта о внеземных цивилиза­ циях нет. Неужели был прав лауреат Ленинской премии, член-корреспондент АН СССР И. С. Шкловский, кото­ рый после долгих раздумий пришел к выводу: челове­ чество одиноко во Вселенной?

Как бы то ни было, первое послание землян инопла­ нетянам, излученное крупнейшим в мире радиотелеско­ пом в Аресибо (Пуэрто-Рико) в 1974 г., уже в пути к туманности.Месье-13. Если «наши» радиосигналы будут приняты и поняты, то через 48 тыс. лет «мы» дождемся ответа.

...Такое радиопослание инопланетянам излучается ежегодно. (Кстати, упомянутые космические корабли «Вояджер-1» и «Вояджер-2» несут в межзвездные дали информацию о нашей Земле. На 116 фотографиях —

157

виды планеты, образы людей, среди них известный спортсмен олимпийский чемпион В. Борзов. На золоче­ ных грамдисках музыка: Бах и Бетховен, Стравинский и Луи Армстронг, народные мелодии — грузинское хоро­ вое пение, звуки азербайджанской волынки, другие про­ изведения. Записаны также голоса людей, звериные кри­ ки, вой ветра, шумы цивилизации: поезда, автомобили.)

...Любой телескоп имеет определенную разрешаю­ щую способность. Если, например, два небесных тела расположены на таком угловом расстоянии друг от дру­ га, которое меньше разрешающей способности, то наб­ людателю они кажутся как бы слившимися в одно. Атмосфера всегда неспокойна, поэтому с помощью опти­ ческого телескопа можно различить объекты наблюде­ ния, находящиеся на 0,2—0,3 угловые секунды дуги. В то же время угловые размеры нейтронных звезд —10“9 секунды дуги, квазаров — 10~4—10~5 секунды дуги.

Разрешающая способность отдельного радиотелеско­ па много хуже, чем оптического, так как он принимает значительно более длинные волны, чем волны види­ мого света. Она такова же, как у невооруженного гла­ за. Но ученые нашли возможность многократно увели­ чить зоркость. Для этого два радиотелескопа кабельны­ ми линиями присоединяются к одному приемнику. Путь радиоволн к зеркалу одного радиотелескопа несколько длиннее, чем к другому, поэтому происходит интерфе­ ренция радиоволн, они либо усиливают, либо гасят друг друга. Анализируя интерференционные колебания при­ нимаемых волн, удается очень точно определить угловые размеры источника излучения. Этот метод назван ко­ герентной радиоинггерферометрией с длинной базой. Чем больше база и короче длина волны, тем выше разре­ шающая способность.

Советские ученые предложили отказаться от кабель­ ных линий, соединяющих антенны радиотелескопов. С помощью современных магнитофонов и службы точного времени можно синхронно записывать сигналы от косми­ ческих объектов, а затем извлекать научную информа­ цию с помощью ЭВМ. Базу радиотелескопов удалось увеличить до предельно возможного расстояния.

В 1976 г. три радиотелескопа — один в Советском Союзе, в Крыму, второй в Австралии, в Тидбинбилла, третий в США, в Оуэнс-Вэлли, — включились одновре­ менно по сигналу точнейших квантовых водородных ча­

158

сов и вели наблюдения за космическими объектами по согласованной программе. Образовался как бы единый межконтинентальный прибор. Все результаты одновре­ менно записывались на магнитные ленты и позже сов­ местно обрабатывались на ЭВМ. Разрешающая способ­ ность такого радиоинтерферометра со сверхдлинной ба­ зой — несколько десятитысячных долей угловой секун­ ды дуги.

Впоследствии с помощью подобного радиоинтерферо­ метра удалось с точностью до 20 см определить положе­ ние американских космонавтов при их перемещении на Луне!

Появилась возможность произвести некоторые важ­ ные исследования на Земле, проверить некоторые поло­ жения общей теории относительности, вычислить с точ­ ностью до нескольких сантиметров движение континен­ тов, определить степень неравномерности вращения на­ шей планеты.

Ныне объединены крупные радиотелескопы СССР,

Англии, ФРГ, США, Канады, Австралии — образовался глобальный радиотелескоп.

Ученые задумываются над тем, как еще расширить базу радиоинтерферометра: для этого один из радиоте­ лескопов следует вывести на космическую орбиту. Про­ ект «Радиоастрон» уже близок к осуществлению. В на­ чале девяностых годов советская ракета «Протон» вы­ ведет на орбиту спутник массой 5 т с научной аппарату­ рой. В космосе появится 700-килограммовый радиотеле­ скоп из углепластика с диаметром зеркала 10 м. Воз­ можности пары антенн космос—Земля будут в 10 раз выше, чем у любого земного комплекса.

...Продолжается и изучение «реликтового» космиче­ ского излучения. Советские ученые на спутнике «Про­ гноз-9» уста\новил!и самый маленький в мире радиотеле­ скоп «Реликт». В паре с бортовым радиотелескопом ра­ ботает охлаждаемый параметрический усилитель. Ра­ диометр способен фиксировать разность мощностей излучения в 10~27 Вт (!). Принимаемые сигналы имеют ту же величину, что и тепловое излучение мыши, распо­ ложившейся в 50 км от приемника. Такие слабые сигна­ лы все же удалось выделить, снизив уровень аппаратных шумов в 2 млн. раз. Создан «радиопортрет» зарождаю­ щейся молодой Вселенной...

Советские инженеры и ученые в 1976 г. были удо­

159

стоены Государственной премии за разработку и внед­ рение высокочувствительных квантовых усилителей в систему дальней космической связи и радиоастрономии.

Криогенные температуры применяются в устройствах СВЧ: линиях задержки, объемных сверхпроводящих ре­ зонаторах, волноводах, смесителях, циркуляторах, лам­ пах бегущей волны и других. Они могут использоваться и в космической связи.

Перспективны и сверхпроводящие линии связи. Иссле­ дования, проведенные в СССР, Японии, ФРГ, Франции, показали: сверхпроводящий коаксиальный кабель имеет небольшое затухание (может работать без усилителей), широкую полосу частот, низкий уровень шума, стабиль­ ные параметры, малые потери. Такой кабель из 18 коак­ сиальных пар может образовать до 1920 телевизионных каналов при их временном разделении.

В СССР в 1978—1980 гг. был испытан первый в миро образец гибкого сверхпроводящего комбинированного кабеля — энергетического и информационного — дли­

ной 50 м.	уровня
Еще два примера использования гелиевого
температуры. С помощью жидкого гелия...	волны.
...ученые ищут таинственные гравитационные

Так, физики Стэнфордского университета (США,) подго­ тавливают антенну в виде алюминиевой болванки мас­ сой около 5 т. Сложность поисков гравитонов в том, что силы гравитации в 1040 раз слабее электромагнитных. При очередной катастрофе в Галактике, например, взры­

ве Сверхновой,	антенна вздрогнет всего на 1(Н7-
10“19 см (размер	атома 10~8 см). Чтобы уменьшить ос­

новную помеху — амплитуду теплового движения ча­ стиц болванки, ее будут охлаждать до температуры все­ го 0,003 К. Под руководством профессора МГУ В. Б. Брагинского разработана антенна из искусственного сапфира, отличающаяся высокой добротностью. Ученые

из МГУ и Калифорнийского университета будут		одно­
временно искать гравитационные волны,	чтобы отстро­
иться от ложных сигналов.	физические
Гравитационными волнами занимаются
лаборатории в Китае, Франции и других странах.
Открытие гравитонов будет важной вехой в познании
фундаментальных законов мира, появится новый		источ­
ник информации о Вселенной;

...работают камеры имитации космического простран-

160