Пользуясь высокостабильными стандартами частоты, можно более точно определить многие мировые константы. Например, сравнить два квантовых перехода, имеющих различную природу. Это дает информацию о величине постоянной тонкой структуры, об отношении магнитного момента протона к его спиновому моменту, об отношении масс электрона и нуклона. Длительное непрерывное сравнение двух таких частот помогло бы решить вопрос, поставленный еще в 30-е годы Полем Дираком и до сих пор не нашедший ответа: постоянны ли мировые константы: заряд и масса электрона, постоянная Планка, гравитационная постоянная, или они медленно меняются с развитием Вселенной?
Вот еще один из непреложных законов развития науки: открытие в одной достаточно узкой области немедленно используется в других областях, позволяет продвинуть их, а достигнутый прогресс тут же кладется в основу новых исследований.
В поход за мощностью
Мощность фотонных пучков в газовых мазерах, используемых в качестве атомных часов, столь же мала, сколь велика точность этих часов. Это вполне объяснимо. С самого начала следует брать достаточно разреженный газ, чтобы по возможности исключить взаимное влияние одних атомов на другие. А дальше производится последовательный отбор. Сначала из общего числа атомов отбираются возбужденные. Затем из общего числа фотонов, получаемых в результате вынужденного излучения, отбираются те, частота которых близка к заданной. Получаемый в результате пучок фотонов содержит в буквальном смысле слова несколько фотонов в секунду — и вполне достаточно. Ведь задача — получить частоту колебаний с весьма высокой точностью. Дальнейшее усиление (без изменения частоты) осуществляется чисто радиотехническими методами.
К этой проблеме можно подойти и с другой стороны. Один моль любого вещества содержит примерно 6-1023 атомов (число Авогадро), масса одного моля цезия составляет 133 г. Предположим, что в исходном потоке выделяется 1 мг паров цезия в 1 с. Этому соответствует поток, содержащий примерно 45-1017 атомов в 1 с. Дальше в результате механического разделения выделяется одна стотысячная доля этих атомов, всего 45-1012 возбужденных атомов в 1 с. Предположим, хотя, вообще говоря, это далеко от действительности, во всех этих атомах совершаются вынужденные переходы с образованием соответствующих фотонов. Энергия фотона в микроволновом диапазоне, т. е. при частотах порядка 1010 Гц составляет примерно Ю-4 эВ, или 1,6-Ю-16 эрг. Какова максимальная мощность, которую можно получить от газового мазера? Примерно 7- 10~3 эрг/с. Что и говорить, очень мало.
Проведем другой расчет. В качестве активного вещества берем не цезий, а кремний. Причем имеется образец массой 1 г. В подобном образце содержится примерно 4-Ю22 атомов. Пусть.как и в предыдущем случае, удается выделить одну стотысячную из общего числа, т.е. 4-1017 атомов. Предположим, что все эти атомы испытывают вынужденные переходы, причем образуются фотоны видимого света с энергией порядка 5 эВ, или 8-10~12 эрг. В результате выделяется мощность 32-•105 эрг. Поскольку в твердом теле атомы расположены очень близко друг к другу, то, как говорят, полное высвечивание всех возбужденных атомов произойдет быстро, скажем, за 10~6 с. В результате получается мощность порядка 32-1011 эрг, т.е. 8-104Дж/с, или 40 кВт. Такая мощность развивается кусочком вещества массой всего 1 г!
Все это можно было предвидеть. По самой сути рассматриваемого эффекта при каждом вынужденном переходе атома из одного энергетического состояния в другое образуется один фотон со строго определенной энергией. Полная энергия, выделяемая мазером, зависит от количества атомов, совершающих вынужденные переходы, а оно, в свою очередь, при прочих равных условиях зависит от плотности вещества. Значит, мазеры на основе твердого тела должны быть мощнее, чем газовые?
Три уровня
Но вот тут-то и возникает одно очень важное обстоятельство. Пока нам известен единственный способ создания инверсии населенностей. Общий запас энергии, накопленный веществом, складывается из запасов энергии отдельных атомов. Именно такой запас имеют в виду, когда говорят, что атом находится в данном энергетическом состоянии. Чем выше полная энергия вещества, тем больше энергии в среднем приходится на один атом. Если нагревать вещество, подвергать его воздействию электрических разрядов, заставлять несколько веществ вступать в химические реакции или любым другим способом повышать общий запас энергии, то повышается и средняя энергия, приходящаяся на один атом. Ведь температура есть не что иное, как величина, пропорциональная средней энергии одной частицы — молекулы, атома или электрона.
